嵌入式系统在汽车中的应用

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嵌入式系统

嵌入式系统在汽车中的应用

张里 130412526 自动化五班



二○一六年 11 月 27 日






1.绪论

本学期新加入了嵌入式系统这门课程，在刚接触这门课程时就觉得这门课程与单片机十分相似，感觉和单片机差不多。从20世纪七十年代单片机的出现到各式各样的嵌入式微处理器，微控制器的大规模应用，嵌入式系统已经有了近30年的发展历史。



嵌入式系统是用来控制或者监视机器、装置、工厂等大规模设备的系统。国内普遍认同的嵌入式系统定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。通常，嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板。事实上，所有带有数字接口的设备，如手表、微波炉、录像机、汽车等，都使用嵌入式系统，有些嵌入式系统还包含操作系统，但大多数嵌入式系统都是由单个程序实现整个控制逻辑。












本学期新加入了嵌入式系统这门课程，在刚接触这门课程时就觉得这门课程与单片机十分相似，感觉和单片机差不多。从20世纪七十年代单片机的出现到各式各样的嵌入式微处理器，微控制器的大规模应用，嵌入式系统已经有了近30年的发展历史。

嵌入式系统的出现最初是基于单片机的。70年代单片机的出现，使得汽车、家电、工业机器、通信装置以及成千上万种产品可以通过内嵌电子装置来获得更佳的使用性能：更容易使用、更快、更便宜。这些装置已经初步具备了嵌入式的应用特点，但是这时的应用只是使用8位的芯片，执行一些单线程的程序，还谈不上“系统”的概念。随着医疗电子、智能家居、物流管理和电力控制等方面的不断风靡，嵌入式系统利用自身积累的底蕴经验，重视和把握这个机会，想办法在已经成熟的平台和产品基础上与应用传感单元的结合，扩展物联和感知的支持能力，发掘某种领域物联网应用。作为物联网重要技术组成的嵌入式系统，嵌入式系统的视角有助于深刻地、全面地理解物联网的本质。

嵌入式系统（Embedded system），是一种“完全嵌入受控器件内部，为特定应用而设计的专用计算机系统”，根据英国电气工程师协会（ U.K. Institution of Electrical Engineer）的定义，嵌入式系统为控制、监视或辅助设备、机器或用于工厂运作的设备。与个人计算机这样的通用计算机系统不同，嵌入式系统通常执行的是带有特定要求的预先定义的任务。由于嵌入式系统只针对一项特殊的任务，设计人员能够对它进行优化，减小尺寸降低成本。嵌入式系统通常进行大量生产，所以单个的成本节约，能够随着产量进行成百上千的放大。[1]



嵌入式系统是用来控制或者监视机器、装置、工厂等大规模设备的系统。国内普遍认同的嵌入式系统定义为：以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等严格要求的专用计算机系统。通常，嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板。事实上，所有带有数字接口的设备，如手表、微波炉、录像机、汽车等，都使用嵌入式系统，有些嵌入式系统还包含操作系统，但大多数嵌入式系统都是由单个程序实现整个控制逻辑。

嵌入式系统的核心是由一个或几个预先编程好以用来执行少数几项任务的微处理器或者单片机组成。与通用计算机能够运行用户选择的软件不同，嵌入式系统上的软件通常是暂时不变的；所以经常称为“固件”。

随着人们生活水平的日益提高和汽车技术的不断发展,汽车逐渐进入 千家万户,中国各大城市的汽车保有量快速增加.近年来,全国经济发展驶入快车道,道路运输网络逐步完善,居民消费层次不断提升,全国“机动化”浪潮持续向 前推进,驾车新手增多无疑增加了许多交通隐患. 嵌入式在汽车中的应用:

1:智能温度调控 2:电喷燃油系统控制

3:ABS 智能防侧滑失控系统控制 4:车内娱乐系统

5:智能雷达限速<与前后车保持距离,防止追尾!> 6:智能导航

7:智能驾驶<疲劳驾驶状态提醒,及酒后开车自动熄火,人工智能自动驾驶技术还在探索中....>

8:整车状态自检:胎压,制动系统,动力系统,及液压防震系统等!

随着汽车数量和驾车新手的急剧增加,交通事故、汽车盗抢也成为一个较为严峻的社会问题.虽然智能系统在各类 汽车上的应用从某种程度上解决了汽车的安全问题,但一方面,汽车数量和驾车新手的增加,造成世界各类交通事故层出不全,死亡人




数逐年上涨.另一方面,随着 盗贼手段的不断提高,大多的报警器容易迅速被破坏.一般的汽车报警的方式多为灯光闪烁或喇叭鸣响,报警车主不一定能得知.另外,盗贼弄坏报警器,偷走汽车 后,外观稍加改动,汽车就很难被追踪到了.为了解决这些问题,我们常常利用ABS智能防侧滑失控系统、智能雷达限速系统、智能驾驶系统、整车状态自检控制 系统、GPS等智能控制方式保护并跟踪汽车,在出现紧急情况时,可利用智能控制系统自动保护控制,防止事故发生或降低事故的等级,利用GSM短信模块随时 向车主或公安部门发送汽车的GPS定位信息,加快破案速度。

随着全球环境和能源问题的日益严重，对于无污染新能源电动汽车的开发显得格外令人瞩目。由于传统的燃油汽车存在的种种弊端，无污染、零排放、效率高的电动汽车被誉为二十一世纪改变人类生活的十大高科技之首。燃料电池汽车整车控制器是燃料电池汽车的控制核心，直接影响到汽车的安全和运行性能。整车控制技术也随着电子技术、智能控制技术的发展而发展。而近年来嵌入式系统的普及为我们提供了新的解决思路，以往无操作系统的控制系统已经不能满足控制系统的高可靠性、高实时性的要求。采用高性能的微处理器英飞凌XC164CS，并引入嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ，对整车控制技术的发展具有重要的现实意义。 本文对整车控制器的技术现状和技术发展趋势进行了分析，并提出了基于嵌入式系统的智能整车控制器的解决方案。对嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ的内核结构进行了研究，深入研究了μC/OS-Ⅱ的任务管理、内存管理、中断管理以及任务间的同步和通信管理。并对其在微处理器上移植进行了研究，在英飞凌XC164CS微控制器中引入了嵌入式操作系统。对整车控制硬件系统进行了研究和设计，在此基础上进行驱动控制和能量管理软件开发。 结合燃料电池电动汽车整车控制，本文对整车控制操纵控制策略、能量配比控制策略进行了研究，引入模糊控制思想，成功开发了适合于燃料电池电动车的整车控制系统。基于嵌入式操作系统内核μC/OS-Ⅱ，使得软件系统的开发模块化，可靠性得到了提高，同时软件可移植性好。方案中所采用的技术比较成熟，切实可行。

为了提高车载导航系统的功能，针对嵌入式系统的特点，在分析了车载导航系统及嵌入式技术的基础上，指出嵌入式操作系统是开发车载导航系统的首选途径，对嵌入式技术在车载导航系统中应用的关键技术进行了研究。得出使用嵌入式操作系统是开发车载导航系统最佳途径，并且介绍了嵌入式操作系统在车载导肮系统中的相关技术和要领。

车载导航系统应用

GPS车辆应用系统一般分为两大类：车辆跟踪系统和车辆导航系统。它们在功能上截然不同，一种是用于车辆的防盗，一种则是用于车辆的自主导航。由于“只接受，不发射”信号是GPS是接收系统的一大特点，所以用于防盗的GPS跟踪系统就是要借助通信网络以及政府配套系统给GPS车载防盗仪，提供收取使用费用的解决方案。而车载导航仪是通过接受卫星信号，配合电子地图数据，适时掌握自己的方位与目的地，自主导航的模式不收取任何使用费用，用户可以根 据自己的需要有选择的购买地图数据。 车辆导航系统中的GPS定位

车辆导航系统主要由控制单元

(CPU ),显示单元、GPS 接收单元组成。GPS 系统有24 颗GPS 卫星分布在空间6 个近地轨道面上。如果地面接收机同时收到4颗以上的卫星信号就能根据卫星的精确位置及发送信号的时刻通过计算便可求出接收机的三维位置三维方向以及运动速度和时间信息并送给控制单元。控制单元对这些信息进行处理把处理后的位置坐标与存储在

CD-ROM中的电子地图信息相匹配，便可确定汽车在电子地图中的准确位置送显示单元显示帮助驾驶确定车辆的方位实现导航。同时还可实现路线推荐查询位置等多种功




能。

车载导航系统应用

地理信息系统(GIS)是一种利用计算机对有关地理、空间位置的数据信息进行存储、处理、查询和显示的计算机支持系统。GIS条件下的地图数据库为车辆定位导航系统提供了一个存放导航信息的可视化载体。它将某些区域的地图资料信息存储在大容量的存储设备中根据实际需要自动调出来显示并可进行查询、平移、缩放等操作，这样就为车辆导航系统提供了车辆位置的直观、清晰的显示，有利于提高导航系统的性能。同时可以扩展功能，实现相关信息的查询并通过文字或图像的方式显示在显示屏上。

嵌入式系统在导航系统中的应用

车载终端是智能交通系统中关键的一环，车辆的所有信息都必须通过车载终端得到，而且车载终端还必须具备一定的处理能力，以便能够对搜集到的信息进行必要的处理，最后车载终端要能够接收并处理监控中心发出的命令。基于对车载信息终端的以上需求, 我们得出了车载信息终端必须具备的功能:(1) 对车辆位置信息进行采集，采集的方法可以使用GPS，惯性导航设备(IMU)等。(2) 对位置信息数据能够进行必要的处理。(3) 必须具备可靠的通信能力。(4) 终端要具备一定的通用性。(5) 在高端应用场合，需要能够支持显示功能，如LCD

显示屏等。(6) 要实现上述的功能就必须要求终端上运行多个任务， 只有运行操作系统才能支持多个任务的同时运行。总结以上功能需求可以得出下述结论，车载终端必须是:适应大容量、大范围要求具备全天候工作能力;定位精度尽可能高;具备高可靠性、准实时的通信能力;具备丰富的接口;具备强大的信息处理能力; 低成本;能够迅速实现产业化。所以，车载导航因其特殊的应用场合，决定了它的实现只能采用嵌入式系统。只有嵌入式系统能满足车载台的高移动性，极低功耗，轻便性，以及某些场合的隐蔽性要求。

在嵌入式系统的开发中，嵌入式软件是实现各种系统功能的关键。不同应用对嵌入式软件系统有不同的要求，嵌入式系统中的软件，一般都固化在只读存储器中，而不是以磁盘为载体，可以随意更换，所以嵌入式系统的应用软件生命周期也和嵌入式产品一样长。通常，应用系统对嵌入式软件的基本要求是体积小、执行速度快、具有较好的可裁剪性和可移植性。随着嵌入式系统的发展和应用的多样性，对嵌入式软件的要求也发生了以下变化：（1）需要操作系统的支持嵌入式系统覆盖面很广，从很简单到复杂度很高的系统都有，这主要是由具体应用要求决定的。简单的嵌入式系统根本没有操作系统，而只是一个控制循环。但是，当系统变得越来越复杂时，就需要一个嵌入式操作系统来支持，否则，应用软件就会变得过于复杂，使开发难度过大，安全性和可靠性都难于保证。（2）支持多任务并具有实时性在多任务嵌入式系统中，合理的任务调度必不可少，单纯通过提高处理器速度是无法达到目的，这样就要求嵌入式系统的软件必须具有多任务调度能力。现在，多任务实时操作系统在这一领域的地位显得越来越重要。（3）强大的联网功能大部分传统的嵌入式操作系统都是孤立的，但在网络日益重要的今天，越来越多的嵌入式系统有了联网的要求。嵌入式系统与各种网络相连，尤其是与因特网的连接，给系统提出了很多新的要求，系统需要支持

TCP／IP 协议和相关实用程序，并且需要处理安全认证和访问控制问题。这些要求 使系统变得更加复杂，需要更多的计算资源。这时就需要具有网络功能的嵌入式操作系统的支持。

在选择操作系统时需要考虑到操作系统的目标和功能。 （1）目标

方便：操作系统要能够使计算机更易于使用；有效：操作系统允许以更有效的方式使用计算机系统资源；扩展的能力：在构造操作系统时应该允许在不妨碍服务的前提有




效地开发、测试和引进新的系统功能。 （2）功能

操作系统是用户和计算机的接口：能够提供程序开发、程序接口。嵌入式开发GPS 车载导航定位系统两个关键技术：

（1）车载嵌入式系统和GPS 信号处理系统USB 接口连接GPS 信号处理系统要同车载嵌入式系统进行通讯必须定义设备，以便主机识别外围设备同时按照USB 协议实现外部设备和主机的通讯，传送给主机所需要的GPS 数据。 (2) 车载嵌入式系统还要开发地理信息数据库

实现电子地图的显示实时显示汽车的实际位置，并可以进行位置查询。

计算机技术及信息技术日新月异的发展，使嵌入式导航系统的研制和应用需要的各种设备和相关技术日渐成熟和完善。各种掌上电脑产品的推出，实时嵌入式操作RTOS的频频出现，微型嵌入式技术、卫星定位技术、无线通信、卫星通信技术的日趋成熟并进入实用化阶段，使嵌入式GIS的设计与实用化所要求的设备几关键技术已经得到了解决。相信在不就的将来，此系统必然能够利用现有的道路设施，更有效的减少交通拥挤，加强车辆的集中管理和调度，为驾驶员提供足够的交通、公安、娱乐等信息，实现人、车、路的密切结合和和谐统一，将极大地提高交通运输效率，保障交通安全，增强行车的舒适性，改善环保质量，提高能源的利用率。

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