車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)硬件及其驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)

　1引言

　　在電子技術(shù)迅速發(fā)展以及在汽車上廣泛應(yīng)用的今天，汽車電子化程度越來(lái)越高。汽車電子系統(tǒng)中電子控件繁多、通信復(fù)雜度增大必然導(dǎo)致整車布線龐大而且復(fù)雜，安裝空間緊缺，運(yùn)行可靠性降低，故障維修難度增大。并且為提高信號(hào)利用率，要求數(shù)據(jù)信息互通，資源共享，傳統(tǒng)的電氣系統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊方式已遠(yuǎn)不能滿足這種需求。對(duì)上述問題，在已有成熟的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)代控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。通過總線將汽車上的各種電子裝置與設(shè)備連成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的信息共享，既減少了線束， 又可更好地控制和協(xié)調(diào)汽車的各個(gè)系統(tǒng)，使汽車性能達(dá)到最佳。

　　2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　本硬件系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的車載網(wǎng)絡(luò)具備數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信、參數(shù)設(shè)置、顯示等功能，能夠很好地對(duì)傳感器采集到的車速、車內(nèi)溫度、發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、水溫以及油量等數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、處理、存儲(chǔ)，并通過顯示屏顯示，使駕駛員及時(shí)了解車體總的運(yùn)行狀況。系統(tǒng)按功能主要分為處理器模塊、USB接口模塊、存儲(chǔ)模塊、 UART異步串行口模塊、CAN模塊、10/100M以太網(wǎng)接口模塊、顯示模塊以及電源。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。

　　2.1 處理器模塊

　　該系統(tǒng)采用Samsung公司開發(fā)的一種32位RISC微處理器S3C2410，內(nèi)含一個(gè) ARM920T內(nèi)核，芯片中集成了16KB 指令Cache、16KB 數(shù)據(jù)Cache、MMU、外部存儲(chǔ)器控制器、NANDFlash控制器、1個(gè)LCD控制器、SDRAM控制器、 3個(gè)通道兩個(gè)獨(dú)立的 UART、4個(gè)通道的DMA、 8通道的10位ADC、觸摸屏接口、IIC總線接口、1個(gè)USB主機(jī)接口，1個(gè)USB設(shè)備接口、117位通用I/O口和24位外部中斷源。 S3C2410x支持從NAND Flash啟動(dòng)，系統(tǒng)采用NAND Flash與SDRAM組合，可以獲得非常高的性價(jià)比。

　　2.2USB接口模塊

　　S3C2410的USB支持USB1.1版本,由懸空和喚醒功能。USB設(shè)備控制器可以用DMA接口提供一個(gè)高性能完備的速率功能控制解決方案,允許批量傳輸、中斷傳輸和控制傳輸。S3C2410擴(kuò)展USB十分方便,按照USB1.1標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議連接即可，可以同時(shí)支持USB的低速和高速傳輸。

　　2.3UART串行口模塊

　　UART，指的是異步串行口。在 ARM9微控制器中包含有兩個(gè)UART0和UART1。UART0僅提供TXD和RXD信號(hào)引腳，UART1增加了一個(gè)調(diào)制截調(diào)器 MODEM接口，其余方面兩者都是完全相同的。

　　2.4 CAN模塊

　　本系統(tǒng)采用 Philips公司生產(chǎn)的適合汽車環(huán)境和一般工業(yè)系統(tǒng)環(huán)境的獨(dú)立 CAN控制器MCP2510。MCP2510支持 CAN2.0B，而且具有一些新特征，應(yīng)用非常廣泛，是比較典型的獨(dú)立CAN控制器。SJA1000有兩種操作模式，即基本CAN模式和具有很多擴(kuò)展功能的Peli CAN模式。

　　2.5顯示模塊

　　由于本系統(tǒng)選用芯片已集成了LCD控制器，所以只要選擇合適的 LCD顯示屏即可。系統(tǒng)選擇SHARP公司的LQ080V3DG01顯示屏。 LQ080V3DG01是一款 TFT-LCD顯示模塊，它由彩色TFT-LCD模板、驅(qū)動(dòng)電路、控制電路、電源電路和背光單元組成，顯示分辨率為RGB640×480，具備3.3V和 5V兩種供電方式。

　　3驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

　　車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的軟件由三部分組成：實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、硬件驅(qū)動(dòng)程序和運(yùn)行于操作系統(tǒng)、 10/100M以太網(wǎng)USB存儲(chǔ)設(shè)備、 USB鼠標(biāo)、 USB鍵盤、 GPRS/CDMA、 GPS 之上的應(yīng)用程序。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)采用源碼公開的Linux操作系統(tǒng)。硬件驅(qū)動(dòng)程序主要為USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)、CAN控制器驅(qū)動(dòng)、串口驅(qū)動(dòng)和LCD控制器驅(qū)動(dòng)。

　　3.1 USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

　　?Linux的USB內(nèi)核子系統(tǒng)中,提供了幾個(gè)與設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)直接相關(guān)的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),定義于內(nèi)核源代碼的中。限于篇幅，下面只討論在 Linux下設(shè)計(jì)一個(gè)典型 USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的通用架構(gòu)流程。

　　以上即為L(zhǎng)inux中一個(gè)典型USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的框架,通常包含設(shè)備初始化、設(shè)備卸載、設(shè)備打開、設(shè)備釋放以及對(duì)設(shè)備進(jìn)行讀、寫、控制等部分,是一種相對(duì)固定的格式。

　3.2CAN控制器驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

　　Linux下驅(qū)動(dòng)程序的編寫有特定的規(guī)以及一些必要的模塊，init_module模塊是驅(qū)動(dòng)程序中用來(lái)加載設(shè)備的，系統(tǒng)初始化時(shí)調(diào)用。此處用 arm9200_mcp2510_init()作為CAN總線驅(qū)動(dòng)程序的入口函數(shù)，他將主要完成對(duì)MCP2510初始化，調(diào)用 register_chrdev()函數(shù)向系統(tǒng)注冊(cè)字符型設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，使用request_irq()函數(shù)為CAN總線的中斷處理程序。根據(jù)傳遞CAN 數(shù)據(jù)的要求，設(shè)計(jì)了如下的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)予以存放一幀數(shù)據(jù)和對(duì)接收緩沖區(qū)進(jìn)行管理：

Typedef struct{ unsigned int id; / * CAN網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的標(biāo)志符 * /
unsigned char data[8]; /* 要傳的數(shù)據(jù)，最大為8個(gè)字節(jié) * /
unsigned char dlc; / * 發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度 * /
int IsExt; / * 判斷消息是否為擴(kuò)展幀 * /
}
candata; Typedef struct{ Candata MCP2510_Candata[128];/ * 定義一個(gè)接收緩沖區(qū) * /
int nCanRevpos; / *數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)的位置指針 * /
int nCanReadpos; / *數(shù)據(jù)讀出的位置指針 * /
int loopbackmode;
wait_queue_head_t wq;
spinlock_t lock;
}
MCP2510_DEV;

　　數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)file_operations是驅(qū)動(dòng)程序中一個(gè)重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，內(nèi)核就是通過這個(gè)結(jié)構(gòu)來(lái)訪問驅(qū)動(dòng)的。應(yīng)用程序通過對(duì)_read()、_write()、_ioctl()函數(shù)調(diào)用驅(qū)動(dòng)中相應(yīng)的程序來(lái)讀寫數(shù)據(jù)和控制字符設(shè)備的工作。

　　3.3 串口驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

　　串口驅(qū)動(dòng)程序采用查詢方式，主要包括串口初始化函數(shù)、數(shù)據(jù)接收函數(shù)和數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)。串口初始化函數(shù)USIinit()主要是用來(lái)設(shè)置 USART工作是的參數(shù)，用戶應(yīng)用程序可以通過調(diào)用數(shù)據(jù)接收函數(shù)RevUSData()對(duì)接收到的函數(shù)進(jìn)行各種處理。USART的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送都是一個(gè)主動(dòng)的過程，因此此函數(shù)的設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單。數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)SendUSData()類似于數(shù)據(jù)接收函數(shù)，可以被用戶程序調(diào)用。

　　3.4 LCD控制器驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)

　　在驅(qū)動(dòng)LCD設(shè)計(jì)過程中首要的是要配置LCD控制器，而在配置LCD控制器時(shí)最重要的則是指定幀緩沖區(qū)(FrameBuffer)。幀緩沖設(shè)備對(duì)應(yīng)的設(shè)備文件是/dev/fb*，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下：

Static struct file_operations
fb_fops={ ower:THIS_MODULE,
read:fb_read,
write:fb_write,
ioctl:fb_ioctl,
mmap:fb_mmap,
open:fb_open,
}

　　其中的函數(shù)對(duì)具體的硬件進(jìn)行操作，對(duì)寄存器進(jìn)行設(shè)置，對(duì)顯示緩沖進(jìn)行映射。初始化函數(shù)首先初始化LCD控制器，在Linux中可以用kmalloc()函數(shù)動(dòng)態(tài)分配連續(xù)LCD顯示緩沖區(qū)。接著就是初始化一個(gè)fb_info結(jié)構(gòu)，補(bǔ)充成員變量，調(diào)用register_framebuffer(& fb_info)，將fb_info注冊(cè)入內(nèi)核。結(jié)構(gòu)fb_info的成員函數(shù):
struct fb_ops{
int (*fb_get_fix)(struct fb_fix_screeninfo *fix, int con, struct fb_info *info);
int (*fb_get_var)(struct fb_var_screeninfo *var, int con, struct fb_info *info);
int (*fb_set_var)(struct fb_var_screeninfo *var, int con, struct fb_info *info);
}

　　4結(jié)束語(yǔ)

　　本文詳細(xì)介紹了嵌入式車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的底層硬件和驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)并成功地完成了硬件與軟件的調(diào)試。本文作者創(chuàng)新點(diǎn):此網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)極大地減少了電控裝置數(shù)，節(jié)省了粗大線束占用的汽車寶貴空間資源以及實(shí)現(xiàn)了汽車內(nèi)部電子儀表間的數(shù)據(jù)共賞、通信與處理，從而提高了汽車的安全性能。