程 光，劉建圻

（廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 廣東 廣州 510515）

ARM處理器是Acorn計(jì)算機(jī)有限公司面向低預(yù)算市場設(shè)計(jì)的一款低成本、低功耗、小體積和高性能的32位處理器[1]。憑借著其高效的指令系統(tǒng)和大規(guī)模的寄存器存儲(chǔ)技術(shù)，ARM處理器已成為嵌入式產(chǎn)品設(shè)計(jì)的首先芯片。

μC/OS-II是美國嵌入式系統(tǒng)專家JeanJ.Labrosse于1999年推出的一個(gè)可移植、可固化、可裁剪的基于優(yōu)先級的搶占式實(shí)時(shí)多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)于2000年得到了美國聯(lián)邦航空管理局商用航行器認(rèn)證，符合航空無線電技術(shù)委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，從而證明該操作系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性[2]。

為了達(dá)到節(jié)省能源、降低排放的目標(biāo)，電子控制技術(shù)在貨車、工程車以及農(nóng)用車的柴油機(jī)上得到快速發(fā)展和應(yīng)用[3]。隨著機(jī)車電控化技術(shù)發(fā)展，車載定位終端的數(shù)據(jù)采集交互速度以及運(yùn)行的穩(wěn)定性已成為衡量該設(shè)備的一個(gè)重要指標(biāo)。為進(jìn)一步提升車載定位終端的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性，文中設(shè)計(jì)了一種基于ARM處理器和μC/OS-II操作系統(tǒng)的車載定位終端。應(yīng)用ARM處理器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互的高速性，應(yīng)用μC/OS-II操作系統(tǒng)解決程序運(yùn)行的穩(wěn)定性問題。

1 車載終端整體結(jié)構(gòu)及功能介紹

車載定位終端主要由CPU（包括S3C44B0X芯片，2MbyteNorFlash和8MByteSDRAM），GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收電路，GPRS無線數(shù)據(jù)上傳電路和CAN控制器及數(shù)據(jù)收發(fā)模塊組成[4]。如圖1所示：來自車載電瓶的+12 V直流電經(jīng)過車載定位終端上的電壓轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換成+5 V、+4.2 V和+3.3 V的直流電分別向車載定位終端的CAN數(shù)據(jù)收發(fā)模塊、S3C44B0X芯片、GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收電路和GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸電路供電；CAN數(shù)據(jù)收發(fā)模塊通過 CAN總線接收ECU、EGR、TCU等車載控制器發(fā)來的反應(yīng)電控車工況的數(shù)據(jù)，CAN總線末端的兩個(gè)120歐電阻為阻抗匹配電阻；GPS則實(shí)時(shí)接收衛(wèi)星數(shù)據(jù)并將這些數(shù)據(jù)按照NMEA-0183協(xié)議輸出給CPU；CPU通過應(yīng)答機(jī)制接收CAN數(shù)據(jù)收發(fā)模塊傳來的數(shù)據(jù)，通過中斷方式實(shí)時(shí)接收GPS發(fā)來的數(shù)據(jù)并通過相應(yīng)算法對接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，之后將所有數(shù)據(jù)按照固定的格式進(jìn)行打包并發(fā)送給GPRS；GPSR接收到相應(yīng)的數(shù)據(jù)包后，通過無線方式實(shí)時(shí)上傳給監(jiān)控中心。

在車載定位終端的實(shí)際應(yīng)用之中，影響數(shù)據(jù)交互速度的主要因素取決于CPU的處理速度，電控車工況信息讀取以及GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收的實(shí)時(shí)性；影響穩(wěn)定性的主要因素是硬件的抗電磁干擾性能及uC/OS-II操作系統(tǒng)對不同優(yōu)先級任務(wù)的合理調(diào)度分配。下文將圍繞CPU電路、GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收電路、GPRS無線數(shù)據(jù)上傳電路以及系統(tǒng)軟件等幾個(gè)主要影響因素進(jìn)行闡述和分析。

圖1 車載定位終端整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The overall structure of vehicle positioning terminal

2 硬件電路的設(shè)計(jì)

1）S3C44B0X 處理器

S3C44B0X處理器是Samsung公司推出的采用了ARM7TDMI內(nèi)核的16/32位RISC處理器。該處理器擁有豐富的內(nèi)置部件：8KBcache，LED控制器，SDRAM控制器，5通道PWM定制器，PLL倍頻器，IIC總線接口，IIS總線接口，2通道UART，4通道DMA和8通道10位AD轉(zhuǎn)換器。這些部件使得S3C44BOX處理器在保證高性能的同時(shí)（最高運(yùn)行速度達(dá)66 MHz），最大限度的降低了設(shè)計(jì)開發(fā)的成本[5]。相較于傳統(tǒng)的8位單片機(jī)，S3C44B0X處理器可較大程度的提升車載定位終端對數(shù)據(jù)處理速度的需求。

2）GPS抗電磁干擾電路

圖2 GPS抗電磁干擾電路Fig.2 GPSanti-electromagnetic interference circuit

如圖2，GPS電路的核心器件為GS-89M-J模塊。該模塊采用了最新的MTK3329芯片作為主控芯片，定位精度小于10 m圓周誤差，定位時(shí)間在熱啟動(dòng)模式下僅為1 s。MIC29302BU模塊是一款大電流高穩(wěn)定性的電壓調(diào)節(jié)模塊，主要用于向GS-89M-J模塊提供4.2 V的工作電壓，模塊中的5腳位為可調(diào)輸出引腳，在可調(diào)模式下，該引腳輸出固定的1.25 V的直流電壓，為了保證該模塊能夠提供穩(wěn)定的4.2 V電壓，設(shè)計(jì)中使用電阻值分別為43 K和100 K的精密電阻R521X和R525X組成了串聯(lián)電壓提升電路，以實(shí)現(xiàn)模塊的輸出引腳輸出4.2 V的直流電壓S3C44B0X通過向該模塊的1引腳（EN端—使能輸出端，高電平有效）輸出高電平或低電平來控制該模塊的工作與否；電容C564、極性電容 C562、電阻R550和R551所組成的地分離電路，主要用于將GPS電路和車載終端上的其它電路進(jìn)行隔離，以防止GPS電路與其它電路因?yàn)楣沧杩柜詈弦鸾徊娓蓴_；出于保證車載定位終端運(yùn)行穩(wěn)定性考慮，通過S3C44B0X芯片的一個(gè)通用I/O引腳和三極管Q501、電阻 R502、R505、R507組成 GS-89M-J復(fù)位控制電路，以確保GS-89M-J在程序跑飛時(shí)主控芯片能及時(shí)對其進(jìn)行復(fù)位操作；本設(shè)計(jì)中選用的GPS天線的阻抗值為50歐姆，由于GPS信號為1 575.42 MHz的高頻載波信號，在傳輸過程中，容易因傳輸線的特征阻抗與終端阻抗不匹配造成信號反射，為防止該現(xiàn)象發(fā)生，本設(shè)計(jì)中用于連接GPS天線和GS-89M-J模塊RF_IN引腳的射頻線的特性阻抗值為50歐姆；GS-89M-J模塊實(shí)時(shí)接收來自衛(wèi)星的信號同時(shí)對其進(jìn)行解算，并將解算結(jié)果按照NMEA0183協(xié)議打包成GPGGA、GPGSA、GPGSV、GPRMC、GPVTG 和 GPGLL7 幀數(shù)據(jù)輸出給S3C44B0X。S3C44B0X通過串口中斷方式實(shí)時(shí)接收GS-89MJ發(fā)來的數(shù)據(jù)幀。

3）GPRS抗電磁干擾電路

如圖3，GPRS電路的核心器件是SIM900模塊。SIM900采用省電技術(shù)設(shè)計(jì)，在睡眠模式下耗流僅為1.0 mA，同時(shí)該模塊嵌入了TCP/IP協(xié)議，提高了用戶應(yīng)用該模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)拈_發(fā)效率。電路中的NC7WZ07為高速電平轉(zhuǎn)換芯片，通過該芯片可將SIM900輸出的4.2 V串行信號轉(zhuǎn)換為S3C44B0X可接收的3.3 V串行信號，實(shí)現(xiàn)SIM900和S3C44B0X的無障礙通信；電路中的MOLEX-91228為SIM卡座，為防止SIM卡受到靜電放電和高頻信號的干擾，此處選用SMF05C對SIM卡進(jìn)行保護(hù)；為防止來自SIM900的特高頻信號在傳至SIM卡時(shí)形成信號反射，降低信號質(zhì)量，這里選用22歐的電阻R614和R613對二者進(jìn)行阻抗匹配；S3C44B0X通過向SIM900的1引腳 （PWRKEY引腳—電開關(guān)引腳）發(fā)送脈寬為1 s的高電平，便可控制該模塊的關(guān)閉與打開；S3C44B0X通過向SIM900的14引腳（NRESET引腳—低電平復(fù)位引腳）發(fā)送一個(gè)高電平，便可對該模塊進(jìn)行復(fù)位操作；與GPS電路一樣，GPRS電路中的用于連接GPRS天線與SIM900 RF_ANT引腳的射頻線的特性阻抗為50Ω；SIM900通過串口接收來自S3C44B0X的數(shù)據(jù)包，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)包上傳至監(jiān)控中心。

圖3 GPRS抗電磁干擾電路Fig.3 GPRSanti-electromagnetic interference circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)車載定位終端數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性和運(yùn)行的穩(wěn)定性，確保電控車工況信息讀取任務(wù)和GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收任務(wù)能在第一時(shí)間內(nèi)完成，本設(shè)計(jì)引入了μC/OS-II操作系統(tǒng)。μC/OS-II能夠根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級動(dòng)態(tài)地切換任務(wù)，保證系統(tǒng)對實(shí)時(shí)性的要求。

如圖4所示為系統(tǒng)主函數(shù)流程圖，系統(tǒng)上電，經(jīng)過對S3C44B0X的時(shí)鐘電路以及相關(guān)寄存器配置完成對S3C44B0X的初始化操作，之后調(diào)用OSInit（）函數(shù)完成對μC/OS-II的初始化操作，接著系統(tǒng)通過 OSTaskCreate（void（*task）（void*pd），void*pdata，OS_STK*ptos，INT8U prio） 函數(shù)創(chuàng)建車載定位終端的應(yīng)用任務(wù)，最后通過OSStart（）函數(shù)調(diào)用任務(wù)調(diào)度函數(shù)OSCtxSw（）開始任務(wù)調(diào)度。各應(yīng)用任務(wù)間的同步及數(shù)據(jù)交互通過信號量和消息郵箱來完成。

圖4 主函數(shù)流程圖Fig.4 The main function operation flow chart

基于車載定位終端的主要功能，該車載定位終端應(yīng)用程序主要包括3個(gè)任務(wù)和2個(gè)中斷。分別是電控車工況信息讀取任務(wù)（void VehInfRead_Task（void*pada）），該任務(wù)主要用來接收來自ECU、EGR等車載控制器傳來的反應(yīng)車輛工作狀況的信息，如：發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)潤滑油壓力、發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸轉(zhuǎn)速、廢氣后處理閥門開度等等，由于車載定位終端要同時(shí)接收多個(gè)車載控制器的數(shù)據(jù)，為確保車載定位終端能夠精確識別各車載控制器上傳的數(shù)據(jù)，此處采用主叫-應(yīng)答機(jī)制實(shí)現(xiàn)車載定位終端和各車載控制器間的數(shù)據(jù)通信；GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)處理任務(wù) （void SatDatPro_Task（void*pada））則主要對GS-89M-J模塊傳來的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行篩選并從篩選出來的數(shù)據(jù)幀中提取車輛位置的信息；GPRS數(shù)據(jù)上傳任務(wù) （void DatSend_Task（void*pada））則主要將車輛工況信息和位置信息按照固定數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行打包并通過SIM900以無線方式上傳給監(jiān)控中心；CAN接收中斷函數(shù)（void_irq CANRev（void））是由 CAN 收發(fā)器觸發(fā)的，CAN 收發(fā)器每接收到一幀來自各車載控制器的數(shù)據(jù)時(shí)，中斷即被觸發(fā)，該中斷函數(shù)主要將接收到數(shù)據(jù)幀通過消息郵箱傳送給電控車工況信息讀取任務(wù)；串口接收中斷函數(shù)（void_irq SeriRev（void））則主要是在 GS-89M-J完成衛(wèi)星信號解算并向S3C44B0X的串口進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出時(shí)被觸發(fā)的。

影響車載定位終端實(shí)時(shí)性的主要因素是對GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)的處理速度，因此車載定位終端中各任務(wù)的優(yōu)先級分配如下表（優(yōu)先級值越小則對應(yīng)的優(yōu)先級越高）[6]。

表1 車載定位終端中各任務(wù)優(yōu)先級分配情況Tab.1 Each task priority distribution of vehicle positioning terminal

4 結(jié)束語

文中所設(shè)計(jì)的車載定位終端應(yīng)用ARM處理器和μC/OS-II操作系統(tǒng)最大限度地保證了終端數(shù)據(jù)交換的實(shí)時(shí)性與運(yùn)行的穩(wěn)定性。經(jīng)證實(shí)，該車載定位終端在貨車、工程車、農(nóng)用車等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005.

[2]任哲.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II原理及應(yīng)用[M].2版.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[3]王尚勇.現(xiàn)代柴油機(jī)電控噴油技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013.

[4]來清民.手把手教你學(xué)CAN總線[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

[5]劉彥文.基于ARM7TDMI的S3C44B0X嵌入式微處理器技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[6]Labrosse JJean.嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uC/OS-II[M].邵貝貝，譯.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.