陳岳煜，師文慶

（廣東海洋大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，廣東湛江 524088）

0 引言

智能車(chē)載系統(tǒng)是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型車(chē)載系統(tǒng)，過(guò)去車(chē)載系統(tǒng)從原先僅能單純提供CD播放及車(chē)輛狀態(tài)，一直發(fā)展到近年隨著3G/4G/5G 等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、半導(dǎo)體傳感器技術(shù)、電子信息技術(shù)和嵌入式行業(yè)的不斷發(fā)展和融合，特別是近年來(lái)人工智能技術(shù)的快速發(fā)展和5G技術(shù)的出現(xiàn)，人們對(duì)智能車(chē)載系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高，希望其擁有更多更加方便實(shí)用的功能[1-3]。

現(xiàn)階段，汽車(chē)對(duì)人們來(lái)說(shuō)早已不是單一的交通工具，汽車(chē)的數(shù)字化、智能化、多功能化是未來(lái)汽車(chē)電子產(chǎn)品的必然趨勢(shì)[4]。如今，某些高端車(chē)的智能車(chē)載系統(tǒng)上已經(jīng)整合了以前人們需要獨(dú)立購(gòu)買(mǎi)配置的電子產(chǎn)品功能，包括汽車(chē)導(dǎo)航、多媒體功能、行車(chē)?yán)走_(dá)、互聯(lián)網(wǎng)通信等許多功能，特別是近些年來(lái)，在AI 人工智能的發(fā)展下，各大生產(chǎn)廠(chǎng)商還在智能車(chē)載系統(tǒng)上加上了AI 機(jī)器人語(yǔ)音助手、自動(dòng)駕駛等功能。隨著5G時(shí)代的到來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)越來(lái)越多被人們應(yīng)用到汽車(chē)領(lǐng)域，智能汽車(chē)車(chē)載系統(tǒng)已經(jīng)是一個(gè)重要的研究方向[5-6]。

基于Coretex-A53和Qt的智能車(chē)載系統(tǒng)，硬件平臺(tái)由基于ARM公司的Cortex-A53架構(gòu)的S5P6818芯片為核心的Linux開(kāi)發(fā)板，軟件上由Linux系統(tǒng)上的Qt集成開(kāi)發(fā)環(huán)境進(jìn)行開(kāi)發(fā)，主要為用戶(hù)提供了音樂(lè)播放、行車(chē)記錄儀、倒車(chē)?yán)走_(dá)、系統(tǒng)設(shè)置等功能[7]。

1 硬件實(shí)現(xiàn)

1.1 Arm Cortex-A53

ARM 處理器是由英國(guó)Acorn 有限公司設(shè)計(jì)的低功耗成本的第一款RISC微處理器，其廣泛地使用在許多嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有低功耗、高性能、性比價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。ARM Cortex-A53 進(jìn)一步擴(kuò)大ARM 在高性能與低功耗領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，Cortex-A53 是實(shí)現(xiàn)ARM Holdings 設(shè)計(jì)的ARMv8-A 64 位指令集的前兩個(gè)微體系結(jié)構(gòu)之一。Cortex-A53 是一個(gè)超標(biāo)量處理器，能夠雙重發(fā)出一些指令[8]。

Cortex-A53 是全球最小的64 位ARM 的應(yīng)用處理器之一，具有雙向超標(biāo)量，是一個(gè)有序執(zhí)行流水線(xiàn)的8 級(jí)流水線(xiàn)處理器。該處理器的每個(gè)核心都必須使用DSP 和NEON SIMD 擴(kuò)展，硬件虛擬化支持，板載VFPv4 浮點(diǎn)單元，64 字節(jié)緩存行，TrustZone 安全擴(kuò)展，10 項(xiàng)L1 TLB 和L2 TLB，4 KiB 條件分支預(yù)測(cè)器，256項(xiàng)間接分支預(yù)測(cè)器。

硬件平臺(tái)所選用的是基于Arm Cortex-A53架構(gòu)的S5P6818的核心板，此核心板PCB采用了10層的沉金工藝設(shè)計(jì)，具有良好的電氣特性和抗干擾特性，工作穩(wěn)定可靠，集成了千兆以太網(wǎng)，可以應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。該平臺(tái)擁有超高性能，最高主頻高達(dá)1.4 GHz，可應(yīng)用于嵌入式Linux和Android等操作系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)、應(yīng)用開(kāi)發(fā)[9]。

該處理器能支持全格式視頻解碼，在LCD 控制器上，芯片板的顯示控制接口有MIPI、RGB、LVDS三路，顯示分辨率可達(dá)2048×1280，60 Hz。

1.2 LCD電容觸摸屏

硬件平臺(tái)上所使用的屏幕是7 寸電容觸摸顯示屏，大小為800 mm×480 mm，此觸摸屏與Linux 系統(tǒng)兼容，可以通過(guò)Linux 的內(nèi)核文件來(lái)使用此觸摸屏的顯示和觸屏功能，提供GUI界面給用戶(hù)，方便用戶(hù)使用操作。

1.3 USB攝像頭

所選用的攝像頭為創(chuàng)新USB 攝像頭，沒(méi)有麥克風(fēng)功能，支持常用的攝像頭功能，同時(shí)支持V4L2 格式，Linux 系統(tǒng)可以通過(guò)V4L2庫(kù)把攝像頭獲取到的每幀畫(huà)面在LCD屏幕上實(shí)時(shí)地顯示出來(lái)。

1.4 HC-SR04超聲波模塊

HC-SR04 超聲波模塊CS100A，性能穩(wěn)定、測(cè)量距離精確，感應(yīng)角度不大于15°，精度可達(dá)3 mm，探測(cè)距離為2～450 cm。圖1所示為超聲波模塊HC-SR04的實(shí)物圖。

圖1 超聲波模塊HC-SR04實(shí)物圖

超聲波模塊的測(cè)量距離計(jì)算公式：

式中：L為測(cè)量距離；t為高電平時(shí)間。

圖2所示為超聲波模塊HC-SR04的應(yīng)用電路圖。HC-SR04的一個(gè)控制口發(fā)出一個(gè)持續(xù)時(shí)間超過(guò)10 μs的高電平，待接收口有高電平輸出時(shí)，開(kāi)定時(shí)器計(jì)時(shí)，該端口輸出為低電平時(shí)，讀取定時(shí)器的值。然后通過(guò)上式的超聲波測(cè)距的計(jì)算公式計(jì)算出待測(cè)距離。如圖3所示為HC-SR04測(cè)距的時(shí)序圖。

圖2 HC-SR04 電路原理圖

2 軟件實(shí)現(xiàn)

軟件方面主要是對(duì)此車(chē)載系統(tǒng)的界面和功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，首先是通過(guò)移植相應(yīng)的庫(kù)到Linux 開(kāi)發(fā)板上，有mplayer 庫(kù)、jpeg庫(kù)、v4l2庫(kù)和qt-arm庫(kù)。

圖4 是所示為軟件的流程圖，軟件的設(shè)計(jì)可分為5 大模塊：主界面、音樂(lè)播放器、行車(chē)記錄儀、設(shè)置、倒車(chē)?yán)走_(dá)。主界面可以顯示系統(tǒng)當(dāng)前的時(shí)間、通過(guò)http 協(xié)議獲取當(dāng)?shù)靥鞖?、狀態(tài)欄和可以使用的軟件；音樂(lè)播放器模塊通過(guò)調(diào)用mplayer庫(kù)，讓用戶(hù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)歌曲的播放狀態(tài)、音量、播放順序等進(jìn)行調(diào)整，還可以選擇顯示歌詞，被選擇的歌詞就會(huì)隨著歌曲的播放進(jìn)度滾動(dòng)地顯示在屏幕上。行車(chē)記錄儀模塊通過(guò)調(diào)用USB 攝像頭和v4l2 庫(kù)，把攝像頭捕捉到的每一幀畫(huà)面實(shí)時(shí)顯示到屏幕上，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)周?chē)h(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；設(shè)置模塊用戶(hù)可調(diào)整系統(tǒng)的時(shí)間和語(yǔ)言，語(yǔ)言通過(guò)Qt國(guó)際化的語(yǔ)言家功能進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，用戶(hù)可選擇中文或者英文，時(shí)間可以調(diào)整系統(tǒng)當(dāng)前的日期和時(shí)間[10]；圖5所示為倒車(chē)?yán)走_(dá)的啟動(dòng)運(yùn)行流程，倒車(chē)?yán)走_(dá)使用了攝像頭和超聲波模塊，攝像頭實(shí)時(shí)顯示汽車(chē)在倒車(chē)時(shí)后面的畫(huà)面，同時(shí)超聲波模塊會(huì)獲取汽車(chē)與后方障礙物的距離然后傳送給系統(tǒng)，系統(tǒng)會(huì)把距離顯示在屏幕上，當(dāng)小于一定距離時(shí)，系統(tǒng)會(huì)播報(bào)語(yǔ)音提醒用戶(hù)注意停車(chē)，超聲波模塊和模擬掛擋的按鍵模塊都是通過(guò)Linux內(nèi)核驅(qū)動(dòng)的方式實(shí)現(xiàn)，把功能驅(qū)動(dòng)成功后裁剪進(jìn)開(kāi)發(fā)板上的Linux系統(tǒng)，通過(guò)調(diào)用ioctl函數(shù)來(lái)訪(fǎng)問(wèn)相關(guān)驅(qū)動(dòng)得到數(shù)據(jù)[11]。

圖3 HC-SR04時(shí)序圖

圖4 軟件主流程圖

圖5 倒車(chē)?yán)走_(dá)模塊啟動(dòng)流程

3 結(jié)果分析

3.1 結(jié)果

本設(shè)計(jì)是基于Coretex-A53和Qt的智能車(chē)載系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了音樂(lè)播放、行車(chē)記錄儀、倒車(chē)?yán)走_(dá)、語(yǔ)言切換、天氣狀況、時(shí)間設(shè)置等多種功能。

系統(tǒng)啟動(dòng)后進(jìn)入啟動(dòng)動(dòng)畫(huà)，顯示軟件Logo、加載動(dòng)畫(huà)、版本和版權(quán)等信息，如圖6所示。當(dāng)系統(tǒng)加載完畢后自動(dòng)跳過(guò)此界面進(jìn)入系統(tǒng)主界面，如圖7所示，主界面顯示當(dāng)前日期、時(shí)間、城市、天氣狀況、系統(tǒng)軟件和狀態(tài)欄，用戶(hù)可通過(guò)觸摸屏幕選擇要使用的軟件。

圖6 系統(tǒng)啟動(dòng)畫(huà)面

圖7 系統(tǒng)主界面

圖8 所示為音樂(lè)播放器軟件界面，用戶(hù)可以播放系統(tǒng)上的音樂(lè)，通過(guò)虛擬按鍵可以調(diào)整歌曲進(jìn)度、聲音、播放順序、播放列表、歌詞等功能。圖9 所示為行車(chē)記錄儀軟件界面，在屏幕上實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前攝像頭捕捉到的畫(huà)面。

圖8 音樂(lè)播放器界面

圖9 行車(chē)記錄儀界面

圖10所示為倒車(chē)?yán)走_(dá)軟件界面，在屏幕上實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前攝像頭的畫(huà)面和超聲波模塊探測(cè)的距離。

圖10 倒車(chē)?yán)走_(dá)界面

圖11～12分別為語(yǔ)言設(shè)置和時(shí)間設(shè)置界面，語(yǔ)言可選擇中文或英文，時(shí)間可根據(jù)自己需要的進(jìn)行調(diào)整。

圖11 語(yǔ)言設(shè)置界面

圖12 時(shí)間設(shè)置界面

3.2 分析

基于ARM Cortex-A53架構(gòu)的開(kāi)發(fā)板作為硬件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了低功耗、高性能、性比價(jià)比高等目的；用Qt進(jìn)行開(kāi)發(fā)，利用Qt強(qiáng)大的移植能力，對(duì)多平臺(tái)都支持，從而使本設(shè)計(jì)具有較好的移植性，方便不同平臺(tái)的用戶(hù)使用；選擇Linux 系統(tǒng)，基于Linux系統(tǒng)本身強(qiáng)大的功能和開(kāi)源性，使得本設(shè)計(jì)在制作過(guò)程中節(jié)省了很多精力和時(shí)間，同時(shí)也讓本設(shè)計(jì)有了許多強(qiáng)大的功能。

本設(shè)計(jì)的智能車(chē)載系統(tǒng)上搭載了音樂(lè)播放、行車(chē)記錄儀、倒車(chē)?yán)走_(dá)、語(yǔ)言切換、天氣狀況、時(shí)間設(shè)置等軟件，為用戶(hù)提供了多種方便實(shí)用的功能，實(shí)現(xiàn)了集安全、娛樂(lè)、操作方便、高性?xún)r(jià)比等多種優(yōu)點(diǎn)的智能車(chē)載系統(tǒng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)旨在設(shè)計(jì)一種功能完善的智能車(chē)載系統(tǒng)，為車(chē)主們提供更加方便快捷的服務(wù)，同時(shí)也是對(duì)目前市面上智能車(chē)載系統(tǒng)的功能進(jìn)行整合完善。該系統(tǒng)是基于Cortex-A53 和Qt的智能車(chē)載系統(tǒng)，具有音樂(lè)播放、行車(chē)記錄儀、倒車(chē)?yán)走_(dá)、天氣預(yù)報(bào)、時(shí)間設(shè)置等多種功能。另外，基于Qt國(guó)際化模塊功能讓此系統(tǒng)具有國(guó)際化，支持多種語(yǔ)言轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)了集安全、休閑、娛樂(lè)、網(wǎng)絡(luò)、強(qiáng)實(shí)用性和高可靠性等多種優(yōu)點(diǎn)與一體的現(xiàn)代化多功能智能車(chē)載系統(tǒng)。