基于ARM和QNX的電動(dòng)汽車虛擬儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

湯春球，曾豪杰，鄧飛宇

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

汽車儀表作為駕駛員了解汽車行車信息的窗口，其顯示的準(zhǔn)確性和可靠性直接關(guān)系到行車安全。新能源汽車較傳統(tǒng)的燃油汽車相比，電氣設(shè)備更多，因此電動(dòng)汽車儀表信息顯示更加豐富，顯示模式更加多樣化并具備良好的HMI(human machine interface)交互能力[1]。目前，單處理器的汽車虛擬儀表存在啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，抗電磁干擾能力弱等問(wèn)題。針對(duì)以上問(wèn)題，筆者提出了一種雙處理器車載虛擬儀表設(shè)計(jì)方案，主MPU(micro processor unit)采用基于ARM(advanced RISC machines) CORTEX-A9內(nèi)核MX6SOLO處理器來(lái)進(jìn)行復(fù)雜的圖形處理，輔助MCU(micro controller unit)采用32位的NXP S32K146作為主控芯片的微控制器主要進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，并以目前安全性和實(shí)時(shí)性最好的QNX(quick unix)作為嵌入式系統(tǒng)，以汽車領(lǐng)域?qū)Ｓ玫腢I(user interface)設(shè)計(jì)工具Kanzi進(jìn)行儀表的圖形界面開(kāi)發(fā)。該虛擬儀表系統(tǒng)將數(shù)據(jù)通信和圖形處理分離，增強(qiáng)了系統(tǒng)的干擾能力。且后期系統(tǒng)維護(hù)，只需更換UI資源，就能獲取新的主題風(fēng)格。

1 系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

虛擬儀表系統(tǒng)工作原理是:通過(guò)CAN(controller area network)總線實(shí)時(shí)采集汽車的各種數(shù)據(jù)，包括汽車運(yùn)行的轉(zhuǎn)速、車速、胎壓信息、電池信息和里程等信息，然后經(jīng)MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將正確的信息顯示在虛擬儀表盤上。根據(jù)儀表系統(tǒng)的工作原理，可將儀表總成分為3個(gè)主要模塊:數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和液晶顯示[2]。

(1)信號(hào)采集模塊。汽車上的信號(hào)包括CAN總線信號(hào)和各種硬線信號(hào)，將采集到的信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換成處理器易讀的數(shù)字信號(hào)。

(2)數(shù)據(jù)處理模塊。將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)輔助MCU和主MCU處理后進(jìn)行保存，方便后續(xù)液晶顯示和聲光報(bào)警。

(3)液晶顯示模塊。經(jīng)過(guò)解析、分析處理后的數(shù)據(jù)在液晶儀表面板上進(jìn)行分區(qū)域顯示，主要顯示內(nèi)容有：當(dāng)前速度、電池電量、時(shí)間、日期、行駛里程、報(bào)警信息等；當(dāng)系統(tǒng)判定某項(xiàng)數(shù)據(jù)為異常信息時(shí)，通過(guò)智能語(yǔ)音和警告指示燈等方式進(jìn)行預(yù)警，提醒駕駛員進(jìn)行處理[3]。

1.2 硬件方案設(shè)計(jì)

某汽車公司設(shè)計(jì)的一款純電動(dòng)汽車虛擬儀表，采用雙處理器協(xié)同工作。主MPU采用基于ARM CORTEX-A9內(nèi)核的IMX6SOLO處理器，運(yùn)行速率高達(dá)1.2 GHz,內(nèi)部集成2D和3D圖形處理器，動(dòng)畫運(yùn)行速度流暢，圖像處理速度快。輔助MCU采用32位的NXP S32K146作為主控芯片，負(fù)責(zé)電源管理、整車CAN信號(hào)和硬線信息接收管理。硬件部分還包括電源管理模塊、CAN通信模塊、預(yù)警模塊和液晶顯示模塊，顯示屏采用10.25寸，分辨率為1 920×720 px的非觸摸屏。儀表的硬件框圖如圖1所示。圖中，LVDS(low-voltage differential signalling)為低電壓差分信號(hào)；UART(universal asynchronous receiver/trnsmitter)為通用異步收發(fā)傳輸器。

圖1 系統(tǒng)硬件框圖

1.3 CAN通信協(xié)議

控制器局域網(wǎng)是一種串行通信協(xié)議，能有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。電動(dòng)汽車網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 電動(dòng)汽車網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)示意圖

CAN總線結(jié)構(gòu)從上到下依次是CAN控制器、CAN收發(fā)器、CAN數(shù)據(jù)傳遞終端。CAN總線上節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)是以報(bào)文的形式廣播給所有節(jié)點(diǎn)，且多節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，優(yōu)先級(jí)低主動(dòng)退出發(fā)送。

由于電動(dòng)汽車并沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議，一直是主流主機(jī)廠自己制定，基本的思路是在SAE-J1939[4-5]的基礎(chǔ)上，根據(jù)需求做出調(diào)整。電動(dòng)汽車CAN總線系統(tǒng)由于電氣設(shè)備多，因此需要對(duì)應(yīng)用層部分參數(shù)重新定義。

(1)優(yōu)先級(jí)。將重要的結(jié)點(diǎn)信息設(shè)置更高報(bào)文優(yōu)先級(jí)，保證重要的報(bào)文信息刷新頻率高。

(2)節(jié)點(diǎn)地址。電動(dòng)汽車新增的節(jié)點(diǎn)包括整車控制器、汽車動(dòng)力管理系統(tǒng)、電機(jī)控制器等。

(3)參數(shù)組定義。同一個(gè)設(shè)備內(nèi)完成不同功能構(gòu)成參數(shù)組，將刷新頻率接近的參數(shù)放在一個(gè)參數(shù)組內(nèi)進(jìn)行發(fā)送能提高總線的利用率。

1.4 軟件設(shè)計(jì)方案

所設(shè)計(jì)的虛擬儀表系統(tǒng)采用分布式嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)QNX作為操作系統(tǒng)，在QNX系統(tǒng)平臺(tái)下開(kāi)發(fā)虛擬儀表的驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序，采用Kanzi進(jìn)行儀表的界面設(shè)計(jì)。調(diào)用系統(tǒng)的接口函數(shù)將采集到的CAN信號(hào)和各種硬線信號(hào)進(jìn)行解析，經(jīng)處理系統(tǒng)內(nèi)核進(jìn)行處理判斷，將正確有用的信息進(jìn)行顯示，異常數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警并存儲(chǔ)。系統(tǒng)軟件流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件流程圖

儀表軟件設(shè)計(jì)采用模塊化成熟設(shè)計(jì)方案，軟件總體框架采用MVC(module view controler)三層架構(gòu)，View層接收用戶的操作以及通過(guò)刷新頁(yè)面的方式反饋客戶；Controller處理View層發(fā)送的消息做邏輯處理，并向Module層獲取View層所需的數(shù)據(jù)；Module層負(fù)責(zé)緩存當(dāng)前頁(yè)面的數(shù)據(jù)，并響應(yīng)View層的數(shù)據(jù)請(qǐng)求，同時(shí)也負(fù)責(zé)在數(shù)據(jù)需要更新或者數(shù)據(jù)不全的情況下向其他地方獲取數(shù)據(jù)(底層、文件、PPS(protocal and parameters selection)、網(wǎng)絡(luò)等渠道)。整個(gè)儀表軟件部分主要由上層應(yīng)用軟件和下層驅(qū)動(dòng)軟件部分組成[6]。驅(qū)動(dòng)部分主要負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)的初始化、CAN總線信號(hào)和硬線信號(hào)接收處理;應(yīng)用程序部分主要完成復(fù)雜的邏輯處理[7]，數(shù)據(jù)更新，UI顯示，系統(tǒng)任務(wù)的調(diào)配，故障的判斷及預(yù)警。

驅(qū)動(dòng)部分由系統(tǒng)內(nèi)部驅(qū)動(dòng)和外部設(shè)備驅(qū)動(dòng)組成：系統(tǒng)內(nèi)核驅(qū)動(dòng)，CAN總線驅(qū)動(dòng)，A/D轉(zhuǎn)換驅(qū)動(dòng)、語(yǔ)音驅(qū)動(dòng)和液晶顯示器顯示驅(qū)動(dòng)。

應(yīng)用程序處理復(fù)雜的系統(tǒng)任務(wù)主要包括：系統(tǒng)管理，數(shù)據(jù)采集和信號(hào)轉(zhuǎn)換，繁雜的數(shù)據(jù)處理，UI顯示，系統(tǒng)異常的聲光報(bào)警。整個(gè)程序采用多進(jìn)程和多線程的方式來(lái)共享系統(tǒng)資源，進(jìn)程間通過(guò)QNX的PPS通信機(jī)制完成進(jìn)程間的數(shù)據(jù)交換。儀表界面顯示部分由以下子線程同步運(yùn)行：方控線程、聲光報(bào)警線程、串口線程等。負(fù)責(zé)完成相應(yīng)的功能任務(wù)，提高系統(tǒng)資源的利用率。

1.5 UI設(shè)計(jì)

UI設(shè)計(jì)師使用Kanzi Stadio完成UI界面設(shè)計(jì)，能所見(jiàn)所得地展示UI效果，并生成了KZB資源包給軟件工程師使用，可用Kanzi Engine讀取界面效果，添加數(shù)據(jù)和邏輯代碼。這種工作模式使得UI設(shè)計(jì)師不用考慮軟件工程是否能實(shí)現(xiàn)界面效果，軟件工程師也容易理解UI設(shè)計(jì)師意圖，減少了二者工作的依賴，提高了工作效率。同時(shí)Kanzi也具有良好的跨平臺(tái)性。使用Kanzi Studio設(shè)計(jì)儀表界面如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)界面效果圖

為儀表界面添加邏輯代碼和數(shù)據(jù)，Kanzi可以通過(guò)Kanzi Studio 中的觸發(fā)器和狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的邏輯，復(fù)雜的邏輯則使用執(zhí)行腳本和C++API來(lái)添加。采用Kanzi Engine API方式為儀表界面添加邏輯功能代碼的方法為：

(1)使用Kanzi Engine加載生成界面的二進(jìn)制文件。由于本應(yīng)用程序最終部署在QNX系統(tǒng)環(huán)境下，首先在Windows下構(gòu)建，然后使用Kanzi構(gòu)建腳本指向適用于Windows的QNX工具鏈來(lái)構(gòu)建應(yīng)用程序。當(dāng)使用Visual Studio來(lái)創(chuàng)建Kanzi工程時(shí)，首先調(diào)用onConfigure()配置應(yīng)用程序。

(2)訪問(wèn) Kanzi Studio工程中創(chuàng)建的內(nèi)容。創(chuàng)建一個(gè)預(yù)設(shè)件節(jié)點(diǎn)列表，添加每個(gè)小組件，在應(yīng)用程序類的成員變量中創(chuàng)建并存儲(chǔ)。在onConfigure函數(shù)后添加 onProjectLoaded() 函數(shù)。并將函數(shù)置于 onProjectLoaded() 內(nèi)，Kanzi 會(huì)在加載應(yīng)用程序后調(diào)用該函數(shù)。

(3)從文件系統(tǒng)加載圖像。在ProgrammerTutorialApplication中，為 WidgetDescription 結(jié)構(gòu)創(chuàng)建構(gòu)造函數(shù)，它定義小組件名稱、圖標(biāo)和描述，設(shè)置小組件數(shù)量，并定義小組件描述數(shù)組。

(4)為各個(gè)小組件和組件面板添加交互。在ProgrammerTutorialApplication類中的 onProjectLoaded() 函數(shù)，實(shí)現(xiàn)小組件的時(shí)間處理程序，部分代碼實(shí)現(xiàn)如下：

virtual void onProjectLoaded() KZ_OVERRIDE

{ //為 Back button 添加處理程序

m_backButton->addMessageHandler(Button3D::PressedMessage, bind(&Programmer Tutorial Application::onBackButtonClicked,this, placeholders::_1));

}//組件的綁定

2 系統(tǒng)的總體評(píng)價(jià)

整個(gè)儀表的性能指標(biāo)主要從實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。雙處理器嵌入式儀表系統(tǒng)較單處理器嵌入式系統(tǒng)而言，既能進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理又能保證系統(tǒng)的快速啟動(dòng)。筆者所設(shè)計(jì)的虛擬儀表系統(tǒng)主處理器采用基于ARM內(nèi)核的IMX6作為微處理器，內(nèi)置圖形處理器，支持3D加速引擎，具備高速視頻信號(hào)輸入輸出處理功能。輔助MCU采用單片機(jī)作為處理器，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)通信，利用單片機(jī)功耗小，響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)來(lái)控制儀表系統(tǒng)的快速啟動(dòng)。此外雙處理器還具有抗電磁能力強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，有效防止液晶產(chǎn)生黑屏的現(xiàn)象[8]。雙MCU比單MCU方案可靠性和穩(wěn)定性更高。

QNX的微內(nèi)核[9]具有精確的故障隔離和恢復(fù)功能。中斷響應(yīng)延時(shí)作為衡量一個(gè)嵌入式系統(tǒng)的重要性能指標(biāo)，在相同的硬件條件下，QNX系統(tǒng)的中斷[10]延時(shí)為3.3～4.4 μs,具有明顯的實(shí)時(shí)性優(yōu)勢(shì)。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)測(cè)算如果Linux響應(yīng)延時(shí)大約為1 s的話, 那么QNX則低至約0.000 008 s。完全滿足高級(jí)輔助駕駛系統(tǒng)、HUD(head up display)抬頭顯示、第五代液晶虛擬儀表系統(tǒng)和其它有功能性安全需求的車載應(yīng)用程序日益增長(zhǎng)的需求。

通過(guò)USB、CAN和上位機(jī)來(lái)模擬CAN數(shù)據(jù)的收發(fā)過(guò)程，打開(kāi)調(diào)試工具，完成相關(guān)參數(shù)配置，設(shè)置波特率，按時(shí)間間隔模擬實(shí)車數(shù)據(jù)的收發(fā)過(guò)程，經(jīng)過(guò)24 h測(cè)試實(shí)驗(yàn)，儀表能正常接收并實(shí)時(shí)精確顯示電控信號(hào)、車速、轉(zhuǎn)速、電池等報(bào)文信號(hào)，同時(shí)最快開(kāi)機(jī)時(shí)間為3 s，滿足快速啟動(dòng)要求。

3 結(jié)論

筆者設(shè)計(jì)的基于雙處理器的汽車虛擬儀表，采用嵌入式圖形庫(kù)開(kāi)發(fā)，運(yùn)用3D圖形顯示技術(shù)，其實(shí)時(shí)性、快速啟動(dòng)以及精確顯示均滿足設(shè)計(jì)要求，解決了單處理器啟動(dòng)慢，抗干擾能力弱的問(wèn)題，同時(shí)3D顯示效果更加炫酷，具備一定的科技感。整個(gè)儀表系統(tǒng)軟件分層明確，各層之間耦合度較低，因此極大地提高了軟件的開(kāi)發(fā)效率。