车载仪表GUI真彩前屏系统的设计

2013-09-28钱润生孙保群

合肥工业大学学报（自然科学版） 2013年8期

王琼，钱润生，孙保群

（1.合肥工业大学计算机与信息学院，安徽合肥 230009；2.合肥工业大学汽车工程技术研究院，安徽合肥 230009）

0 引言

随着现代汽车电子技术和计算机技术的飞速发展，汽车驾驶室车载电子、电控和仪表设备不断增加且安装分立，占用空间大，成本高，显示精度与分辨率低下、功能单一且电磁干扰大，不利于驾驶员行车中观察和操作，给行车过程带来了不安全的隐患。随着微电子技术的迅猛发展，嵌入式处理器的性能达到了一个前所未有的高度，应用高性能ARM处理器和TFT显示屏实现车载前屏综合显示是一个高性价比的解决方案。

本文提出了车载仪表前屏系统的硬件平台为SoC芯片S3C2440A，基于Qt4.6.3开发技术，实现了车辆行驶信息图形化显示。系统显示画面直观、精美，使得驾驶环境更为舒适。以TFT触摸屏为人车交互界面，使得驾驶员操作更加便捷、高效，提高了行车安全性，降低了成本，为自主研发智能化汽车电子产品进行了初步尝试。

1 系统结构和硬件电路设计

1.1 系统结构设计

本文设计的车载仪表前屏系统由嵌入式处理器模块、车载传感器模块、TFT显示模块、存储单元和系统接口模块组成，总体结构如图1所示。

图1 多功能前屏系统总体结构

嵌入式处理器模块是系统的控制核心，选用Samsung公司生产设计的32位RISC微处理器S3C2440A，其工作频率最高达405MHz，能够满足系统快速采集数据和处理数据的要求。车载传感器模块主要实现对汽车行驶数据快速采集功能。TFT－LCD模块完成车速、发动机转速、水温、油量、时间日期、转向灯及各种报警信号的实时动态显示功能。触摸屏实现显示界面切换等人机交互功能。存储单元包括1GB NAND FLASH和128MB SDRAM。系统扩展通信接口包括RS－232口、CAN总线口，主要完成与车载电子和电控设备交换信息［1－2］等功能。

1.2 系统主要硬件电路设计

系统硬件电路主要包括SDRAM、NAND FLASH、LCD接口以及数据采集口和通信接口等。

1.2.1 存储模块电路的设计

系统的内核、文件系统和应用程序大小约60MB，而且媒体文件和电子地图较大，所以为了给系统软件提供充足的程序存储和堆栈空间，本系统扩展了32位宽、128MB的RAM存储系统。采用Hynix公司的HY57V121620的SDRAM芯片，结构为4Banks×8MB×16bit。由于S3C2440A芯片是32位，由2片HY57V121620组成32位宽、128MB的内存系统。

另外，由于车身信息多且仪表系统数据需要永久存放，本系统还扩展了大容量NAND FLASH来存储软件系统和数据。本车载仪表前屏系统采用了三星公司的K9K8G08U0BNAND FLASH芯片。该芯片存储容量为1GB，8位bit数据端口，3.3V供电。

1.2.2 显示器与触摸屏接口电路的设计

系统显示屏选用群创7寸TFT－LCD，包含LCD垂直同步信号VSYNC、水平同步信号HSYSNC、行结束信号LEND、时钟信号VCLK、数据信号VD［23：0］、电源开关信号PWREN。

系统触摸屏采用4线电阻触摸屏，x轴引线为XP和XM，y轴引线YP和YM。系统控制器S3C2440A包含这4个引脚，可直接与4线电阻触摸屏连接。系统的触摸屏和LCD 2类信号通过共用DF9B－41P－1V2接口器件连接到群创7寸显示触摸屏［3］。

1.2.3 数据采集接口和通信接口设计

系统的通信接口和车载数据采集接口包括CAN总线口、RS－232口、AD输入和脉冲信号输入接口。系统串行通信接口通过MAX3232收发器实现S3C2440A与RS－232总线的通信，实现与PC交互和信息输出。系统CAN总线控制器选用MCP2515，CAN收发器为SN65HVD230。其中MCP2515带有SPI总线接口，可直接连接到S3C2440A的SPI总线上，通过收发器SN65HVD230连接到车身系统CAN总线。

系统数据采集接口包括输入数字脉冲信号、模拟电压信号和开关量信号，用于连接车身油量、水温、车速和发动机转速等传感器信息以及车灯信号。其中数字脉冲信号引入S3C2440的tclk0（输入频率为0～720Hz）和tclk1（输入频率为0～8kHz）2个引脚；模拟电压信号引入S3C2440A的AD输入引脚ad0和ad1，2个AD输入引脚电压范围为0～3.3V；车灯信号接S3C2440A的外部I／O引脚GPF［1：2］，车身报警信号接EINT［3：5］。

2 汽车行驶信息GUI模块设计

车载仪表前屏系统的应用软件运行在操作系统内核版本为Linux－2.6.34.4上，界面开发环境为 Qt4.6.3［4］。本文主要介绍汽车行驶信息 GUI界面模块的设计与实现。

车载GUI模块包括GUI界面显示程序、车载数据采集程序和通信程序。模块的设计平台是Qt4.6.3，为了实现对采集的汽车行驶信息动画显示，模块设计时必须解决GUI界面实时刷新、车载传感器信号与GUI界面实时通信、触摸屏人机交互通信3个关键问题。

2.1 GUI界面的设计

本文设计的GUI界面程序能够实现实时采集车速、发动机转速、水温、油量、时间日期、转向灯及车载各种报警信号等汽车行驶信息，并在TFT－LCD上通过图形直观、动画地实时显示等功能。其中车速、发动机转速、水温和油量以仪表盘图形显示，时间以模拟钟表图形显示，转向灯以箭头显示，报警信号以白炽灯形状显示［5］。

仪表盘是界面程序设计的重点和难点。为了得到仪表盘图形的动画显示效果，要快速地刷新画面，保证对采集的汽车行驶信息实时响应。设计时将仪表盘图形分为静态函数（如仪表盘）和动态函数（如仪表指针）。

2.1.1 静态仪表盘函数设计

本系统设计时应用rotate（）、drawLine（）、drawChord（）、drawText（）等Qt函数完成静态仪表盘外形轮廓的绘图设计，表盘刻度线的绘制算法是静态仪表盘函数关键技术之一。本文应用坐标系旋转设计刻度线算法，算法公式为：

其中，（x，y）为原始坐标系值；（x′，y′）为坐标系旋转θ角度后的值；θ为旋转角度。

静态仪表盘函数另一个设计难点是表盘数字位置计算，通过反复实验调试得出的计算公式为：

其中，θ为位置角度，根据表盘尺寸要求，θ取值范围为［－30°，210°］；r为仪表的半径；m 为位置修正表达式，即

其中，num为数字的位数；font为字体的磅数。

本文设计的静态车速仪表盘如图2所示，函数部分源代码如下：

图2 静态车速仪表盘

2.1.2 仪表指针动态函数设计

本文设计的仪表指针转动角度以车速为0km／h的相对旋转角度的范围为0°～240°，对应的车速范围为0～240km／h。经过反复实验调试得到脉冲个数值与车速值、指针转动角度与车速值三者之间的关系［6］见表1所列。

表1 仪表指针、输入脉冲与车速的关系

动态函数设计时先确定指针转动位置，再应用rotate（）和drawConvexPolygon（）函数绘制指针，函数部分源代码如下：

2.2 车载信息的采集与通信

车载信息的采集与通信模块主要完成传感器模块的数据采集和处理，并将处理的信息反馈给界面程序。数据通信和显示在界面显示主线程建立完成，界面显示主线程流程如图3所示。信号通信模块中，采用signal与slot机制与主线程进行通信，当收到需要更新的数据信息后，将当前信号值发送到主线程的刷新界面函数，执行界面刷新功能模块。

signal与slot连接代码如下：

图3 界面显示主线程流程

数据采集程序设计时，将车载信息分为2类：① 实时更新信息，如车速、发动机转速、油耗和温度等；② 随机信息，如倒车报警、转向灯指示等。对车速类实时信号采集设计为查询算法，而对于倒车等随机信号采用轮询算法［7－8］。

（1）查询法程序设计时，为了保证采集信号实时性，考虑到更新实时信号的线程不过分占用CPU以及人眼视觉的惰性等因素，程序将采集率设定为10～20Hz。当数据采集线程采集到实时信号值后，应用emit、update函数通过信号与槽机制将当前信号值发送到主线程的刷新界面函数，从而保证了车载信息实时显示。车速信号采集流程如图4所示。