基于嵌入式車載安全預警系統(tǒng)硬件和軟件的設計方案淺析

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，汽車已成為人們工作和生活不可缺少的一種交通工具，給人們生活帶來方便的同時交通安全也成為人們?nèi)找骊P注的焦點問題。研究表明駕駛員的違章操作是導致交通事故頻發(fā)主要原因之一，所以如何有效遏制交通違章、約束駕駛員不良駕駛習慣，提高車輛的運營安全已經(jīng)成為一個亟待解決的重大課題。而車載電子裝置與汽車本身關系不大，其開發(fā)條件要求相對較低，并且其適用環(huán)境更加廣泛，因此車載電子裝置的開發(fā)正在成為一個新的熱點。

1 車載安全預警系統(tǒng)功能

本文中的車載安全預警系統(tǒng)設計基于ARM Cortex—M3內(nèi)核的STM32系列處理器，融合了藍牙無線、定位導航、慣性導航、GSM無線通信等多種高科技技術。主要實現(xiàn)功能有：

（1）超時、超速的實時檢測：通過GPS對車輛的行駛狀態(tài)實時跟蹤定位，獲取行駛的時間和速度信息，判斷駕駛員是否超勞，車輛是否超速。

（2）GPS／加速度計組合測速：利用慣性敏感器件加速度計解決GPS使在涵道、山谷內(nèi)等，出現(xiàn)弱信號或無信號的定位問題，通過自適應卡爾曼濾波數(shù)據(jù)融合算法獲取更精確的定位信息。

（3）車載電話功能：實現(xiàn)藍牙免提功能，使駕駛員可以專注于駕駛，保證車主在通話過程中的駕駛安全。

（4）行駛狀態(tài)檢測：通過加速度傳感器，對行車三維方向上的加速度值進行測量，判斷車輛行駛是否超出加速度安全閾值。

（5）遠程監(jiān)控功能：基于無線移動通信技術，實現(xiàn)對車輛的遠程動態(tài)監(jiān)控管理，當存在駕駛安全隱患或事故發(fā)生時通過無線網(wǎng)絡將當前狀態(tài)消息（位置、速度、加速度、時間）及時上報，以便車輛監(jiān)管部門采取相應的管理調(diào)度或急救措施。

（6）監(jiān)控報警：當駕駛員超速或疲勞駕駛時通過聲光報警及時糾正駕駛者的不規(guī)范操作。

2 系統(tǒng)的硬件設計

根據(jù)系統(tǒng)設計的功能要求，安全預警系統(tǒng)的整體結構框如圖1所示。

2．1 微處理器MCU

設計中選用的主控芯片為STM32增強型系列的STM32F103RE，STM32系列是意法半導體推出的專為高要求、低成本、低功耗的嵌入式應用設計的Cortex-M3內(nèi)核的ARM控制器。2．0～3．6 V的工作電壓，時鐘頻率可達到72 MHz，內(nèi)置512 KB FLASH和64 KB SRAM，帶片選的靜態(tài)存儲器控制器，支持CF卡、SRAM、NAND存儲器。片上集成有三路16位數(shù)模轉換器、兩路I2C、五路UART和三路SPI端口等，其方便的擴展性及豐富的通信接口非常適用于本系統(tǒng)實現(xiàn)與多個外部功能模塊的通信控制。

2．2 定位、測速電路設計

GPS是實現(xiàn)車輛定位及測速功能的核心模塊，這里選用的是瑞士u-blox公司生產(chǎn)的LEA-5S型號的GPS模塊，其具有22．4 mmx17 mm超小封裝，4 Hz定位更新速率，65 mW的低功耗以及-160 dBm的高追蹤靈敏度。模塊的串口。TTL電平是3 V，與STM32的通信電平一致，因此應用中直接將模塊的Pin3 TxD，Pin4 RxD與主控芯片PA3 USART2_RX和PA2 USART2_TX相連。

通信協(xié)議遵循NMEA-0183標準，協(xié)議的語句格式以“$”開始，以“”結束，主控芯片可以通過串口讀取模塊上傳的數(shù)據(jù)幀$GP GGA（全球定位信息）和$GPVTG（地面速度信息）語句，從中提取需要的經(jīng)緯度、航向、速度、時間等信息。

系統(tǒng)設計中選用Analog Device公司生產(chǎn)的型號為ADXL345三軸重力加速度計，主要完成的功能有：輔助測速，因其不受地理位置和周圍建筑的影響，運用擴展的Kalman濾波算法，解決GPS在動態(tài)環(huán)境中信號失鎖和周跳問題，保證系統(tǒng)測速功能的實時性；對汽車行駛過程中的加速度檢測，通過檢測的數(shù)據(jù)判斷車輛是否行駛在安全的加速度閾值內(nèi)。ADXL345是一款超低功耗，小巧纖薄的3軸加速計，可以對高達±16g的加速度進行高分辨率（13位）測量，車載系統(tǒng)中應用了芯片上的I2C通信接口。

2．3 藍牙免提模塊設計

設計中采用了一款集成度較高的BC05MM-EXT藍牙模塊，其內(nèi)核芯片是英國CSR公司的BC05 Bluecore芯片，執(zhí)行標準Bluetooth 2．1+ED R，模塊內(nèi)嵌的通信協(xié)議支持HS／HF、A2DP，可實現(xiàn)免提和高質(zhì)量的音頻播放功能，內(nèi)置噪聲消除和回音處理電路。

該模塊的外圍電路主要包括通信電路、音頻輸出電路、MIC濾波電路、狀態(tài)指示電路、按鍵輸入電路。STM32通過串口與藍牙模塊相連，主要完成的任務是與帶藍牙功能的手機之間進行通信；按照模塊支持的A2DP協(xié)議，音頻輸出電路調(diào)試階段采用的是100 mW的立體聲耳機放大器TS482，匹配32 Ω的揚聲器；MIC輸入電路主要是對音頻信號的濾波處理，采用了差分輸入設計提高抗干擾性能，保證免提的音頻效果；狀態(tài)指示和按鍵輸入部分由主控芯片外接發(fā)光二級管和獨立按鍵實現(xiàn)。

設計中應用結構簡單的倒F天線，可直接在PCB板上按照適用藍牙系統(tǒng)的倒F天線尺寸在適當?shù)牟及逦恢美L制天線。

2．4 GSM模塊設計

常用的GSM短信模塊有TC35，TC35I。因前者電壓范圍稍微大一些，考慮到GSM模塊對電源的敏感性，所以設計中選用的是西門子公司推出的無線通信GSM模塊（雙頻900／1 800 MHz）TC35，支持Text和PDU格式的SMS（Short Message Service，短消息），可通過AT命令或關斷信號實現(xiàn)重啟和故障恢復。

TC35外圍電路主要由電源電路、數(shù)據(jù)通信電路、IGT啟動電路和SIM卡電路組成。在啟動電路設計中實現(xiàn)可靠的啟動脈沖十分關鍵，按照TC35的設計要求，上電后需要給模塊的IGT腳加一個延時大于100 ms的低電平脈沖，并且電平下降時間要小于1 ms，供電電壓大于3．3 V才能使TC35進入工作狀態(tài)，設計中通過STM32的I／O引腳推挽輸出方式實現(xiàn)TC35的啟動。模塊對電源的穩(wěn)定性要求非常高，在通信時網(wǎng)絡連接時的瞬間電流峰值可達2 A，尤其是在信號不良時，這種情況在電源電路設計時增加了必要的電容濾波部分。通信接口為模塊的18腳RXD，19腳TXD與主控芯片USART3串口通信。

2．5 電源設計

汽車上電子設備較多，使得車內(nèi)的電磁環(huán)境也較復雜，在這種環(huán)境中汽車電子產(chǎn)品電源性能的好壞直接影響到電子設備的可靠性。根據(jù)各模塊的供電需求，系統(tǒng)采用車內(nèi)點煙器提供的12 V電源，經(jīng)LM2596為核心的開關穩(wěn)壓電源芯片為系統(tǒng)提供5 V和3．3 V的車載系統(tǒng)工作電壓，LM2596其輸入范圍可達40 V，輸出電流可達3 A，并且功耗小、效率高、具有很好的線性和負載特性，非常適合該應用系統(tǒng)。選用LM259 6-3．3將車內(nèi)電源轉化成車載系統(tǒng)內(nèi)主控芯片STM32、加速度傳感器和GPS使用的3．3 V電源；同時選用LM2596．5．0為GSM提供5 V工作電壓。LM2596—5．0應用電路如圖2所示，LM2596—3．3的應用電路和LM2596-5．0原理基本相同。

如圖2所示，電源電路設計考慮到應用環(huán)境，采取了相應的抗干擾和過流保護措施。為了防止電流過大，輸入端串接自恢復保險絲F1保護系統(tǒng)的安全性；D1，D2構成電源極性反接保護電路；C1，C2，C3電容并接電路去除車內(nèi)電源信號的紋波和高頻噪聲；輸出端L1可以抑制紋波，使LM2596輸出穩(wěn)定的電壓；電源輸出端對地連接的C4，C5旁路電容也起到穩(wěn)定環(huán)路的作用。

3 系統(tǒng)的軟件設計

STM32開發(fā)工具選用的是ARM公司4．22版的KeilMDK，采用μVision 4開發(fā)環(huán)境，通過片上集成的JTAG調(diào)試接口通過JLINK V8仿真器與PC相連。

3．1 μC／OS-Ⅱ的簡介與移植

為了便于系統(tǒng)的升級與維護，設計中采用了嵌入式實時操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ。該操作系統(tǒng)具有執(zhí)行效率高、占用空間小實時性能優(yōu)良和可擴展性強等特點，最小內(nèi)核可編譯至2 KB，非常適合FLASH容量較小的系統(tǒng)使用。

μC／OS-Ⅱ的文件體系結構如圖3所示。

由圖3中可以看出，μC／OS-Ⅱ的絕大部分是與處理器和其他硬件無關的代碼，大大降低了移植的工作量，移植過程中需要修改的源代碼文件有：

（1）在內(nèi)核頭文件OS_CPU．H中設置與處理器和編譯器相關的代碼，針對具體處理器的字長重新定義一系列數(shù)據(jù)類型，聲明用于開關中斷、堆棧的增長方向和任務切換的宏。

（2）在OS_CPU_A．ASM中實現(xiàn)與處理器相關的函數(shù)，關中斷函數(shù)OS_CPU_SR_Save（）；恢復中斷函數(shù)OS_CPU_SR_Restore（）；啟動最高優(yōu)先級任務運行OSStartHighRdy（）；任務切換OSCtxSw（）和中斷切換OSIntCtxSw（）。

（3）在OS_CPU_C．C中用C語言編寫與CPU相關的函數(shù)。主要是任務堆棧初始化函數(shù)OSTaskStkInit（）和系統(tǒng)HooK函數(shù)。

整個移植的代碼都在上面三個文件中，實際只要在啟動文件中修改任務調(diào)度函數(shù)以及節(jié)拍函數(shù)的中斷入口就完成了操作系統(tǒng)的移植。

3．2 μC／OS-Ⅱ的任務規(guī)劃

操作系統(tǒng)按照功能模塊劃分為多個任務，并根據(jù)各個任務實時性的要求設置相應的運行優(yōu)先級。分別是：振和內(nèi)核時鐘的定義和初始化，對功能I／O端口的功能定義，初始化中斷向量表和堆棧以及各模塊的全局變量和數(shù)據(jù)結構，完成系統(tǒng)的初始化后永久掛起；AppTask_GSM負責與TC35模塊有關的控制功能如模塊的初始化、短信的發(fā)送；AppTask_GPS負責對LEA-5S模塊的數(shù)據(jù)讀取和解析；AppTask_Blue負責藍牙語音模塊的控制功能，包括接聽、拒接、回撥、結束通話等功能；AppTask_ADXL負責ADXL345模塊的數(shù)據(jù)讀取和解析；AppTask_IED為工作狀態(tài)指示；AppTask_Key為按鍵控制；監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定的看門狗任務AppTask_Dog；以及系統(tǒng)運行自帶的空閑任務OSTaskldle。

系統(tǒng)整體的任務調(diào)度流程圖如圖4所示。

4 測試

對于該車載系統(tǒng)下面給出基于LabVIEW的GPS實車行駛速度測試，測試界面如圖5所示。

5 結語

本文詳細描述了基于STM32車載安全預警系統(tǒng)硬件和軟件的設計方案。對整個車載系統(tǒng)進行了實車測試，測試結果表明整個系統(tǒng)符合預期的目標，可以實現(xiàn)對車輛的定位、超時、超速、加速度超值、并通過GSM將行車異常狀態(tài)參數(shù)和定位信息發(fā)送至遠程監(jiān)控中心，移植的μC ／OS-Ⅱ使得該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和實時性，能滿足現(xiàn)代車輛安全遠程監(jiān)管的功能需求。