近些年，汽車工業(yè)已發(fā)展成國家支柱性產(chǎn)業(yè)，同時(shí)在國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略中具有十分重要的地位。據(jù)美國公路統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)，2001～2007年美國每年發(fā)生汽車側(cè)翻事故高達(dá)29 800起，僅次于正面碰撞的行車事故。汽車側(cè)翻^[1]主要由汽車側(cè)向加速度和側(cè)傾角決定。隨著用于汽車電子和汽車狀態(tài)監(jiān)測的MEMS傳感器技術(shù)的發(fā)展，可以對其進(jìn)行監(jiān)測，提高其主動安全性能。本文設(shè)計(jì)的車載通信系統(tǒng)有3大創(chuàng)新點(diǎn)：(1)基于MEMS傳感器預(yù)測汽車狀態(tài)，在汽車側(cè)翻后實(shí)現(xiàn)自動求援，按一下主控界面的求救按鈕，求救短信（包括車輛的位置）會自動發(fā)送給急救中心，從而實(shí)現(xiàn)第一時(shí)間救援的目的。(2)通過GPS進(jìn)行車輛導(dǎo)航，向信息數(shù)據(jù)中心傳輸車輛的經(jīng)度、緯度、速度等實(shí)時(shí)的車輛信息，這樣可以實(shí)時(shí)地追蹤車輛的信息，便于車輛的調(diào)控，最后實(shí)現(xiàn)智能交通的最終目標(biāo)。(3)車載通信系統(tǒng)可以集電話和短信功能為一體，運(yùn)用時(shí)和手機(jī)一樣進(jìn)行撥號，即可與外界實(shí)現(xiàn)交流。

1 車載嵌入式平臺的硬件

整個(gè)車載嵌入式平臺的硬件可以包括幾個(gè)部分：(1)采集汽車6自由度運(yùn)動數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)采集模塊；(2)車載嵌入式平臺的主控制器；(3)負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程通信、汽車地理位置定位的GSM/GPRS/GPS模塊。其硬件搭建的原理框圖如圖1所示。

1.1 Windows CE 6.0操作系統(tǒng)

        Windows CE具有快速的開發(fā)能力，與Linux等嵌入式系統(tǒng)相比，Windows CE系統(tǒng)具有開發(fā)周期短、開發(fā)人員上手快的特點(diǎn)。Windows CE具有強(qiáng)大的開發(fā)基礎(chǔ)，提供了眾多的模塊化組件，為開發(fā)者開發(fā)性能可靠、功能各異的多樣化、個(gè)性化產(chǎn)品提供了方便^[2]。

1.2 主控制器S3C6410

        基于嵌入式的車載通信系統(tǒng)需要存儲大量汽車運(yùn)行的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)GSM/GPRS通信、串口通信、界面顯示等功能。本文選擇三星公司的S3C6410芯片，它是具有ARM1176JZF-S處理器一切特性的嵌入式處理器芯片，為需要大量數(shù)據(jù)存儲的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了眾多選擇。此外，它還具有多媒體加速特性和USB特性。

1.3 車輛姿態(tài)測量模塊設(shè)計(jì)

        為了減輕嵌入式系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，這里專門開發(fā)了10自由度的運(yùn)動參數(shù)測量和姿態(tài)解算模塊(IMU)。該IMU模塊上布置了3個(gè)MEMS傳感器芯片：MPU6050(測量汽車6個(gè)自由度的運(yùn)動)、HMC5883(三軸地磁傳感器)，BMP180（氣壓高度傳感器），均通過I2C與STM32F單片機(jī)相連，同時(shí)傳感器的數(shù)據(jù)中斷引腳與STM32F的IO引腳相連。使得傳感器完成一輪ADC輪換后，STM32F就讀取最新采集到的測量數(shù)據(jù)，快速響應(yīng)姿態(tài)的變化。這樣的連接使得控制器擁有最大的主動權(quán)，可快速地獲得各傳感器的狀態(tài)和轉(zhuǎn)化結(jié)果。

1.4 SIM908

        本文選擇SIM Com公司的SIM908芯片作為GSM/GPRS通信模塊以及GPS定位模塊。此芯片融合了GSM/GPRS通信和GPS定位功能，簡化了硬件設(shè)計(jì)，并節(jié)省了空間和功耗。

2 車載嵌入式平臺的軟件實(shí)現(xiàn)

        在基于汽車主動安全的車載嵌入式平臺硬件的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，進(jìn)行平臺的程序設(shè)計(jì)。平臺軟件設(shè)計(jì)包括三方面：(1)側(cè)翻預(yù)警系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)；(2)串口通信的設(shè)計(jì)；(3)GSM/GPRS/GPS通信設(shè)計(jì)。其程序的總體設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

2.1 汽側(cè)翻預(yù)警程序設(shè)計(jì)流程圖

        側(cè)翻預(yù)警算法的軟件實(shí)現(xiàn)主要包括兩方面：(1)利用汽車6自由度數(shù)據(jù)進(jìn)行姿態(tài)結(jié)算，得到汽車的實(shí)時(shí)側(cè)傾角，并計(jì)算出汽車側(cè)翻預(yù)警危險(xiǎn)判別指示；(2)利用預(yù)測預(yù)報(bào)技術(shù)對側(cè)翻危險(xiǎn)判別指示進(jìn)行預(yù)測預(yù)報(bào)，從而實(shí)現(xiàn)汽車側(cè)翻預(yù)警^[3]。其軟件實(shí)現(xiàn)流程圖如圖3所示。

        預(yù)測預(yù)報(bào)算法的核心程序如下：

float   

I[36]={1,0,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,1,0,0,  0,0,0,0,1};

Cheng(PN,QN,K,6,6,1);  

float QNP[6]={0};Cheng(QN,PN,QNP,1,6,6); float QPQ[1]={0};

Cheng(QNP,QN,QPQ,1,6,1);QPQ[0]=QPQ[0]+1;

float K1[6]={0};constcheng(K,1/QPQ[0],K1,6);constcheng(K1,1,K,6);//更新PN

float P1[36]={0};Cheng(K,QN,P1,6,1,6);constcheng(P1,-1,P1,36);jiafa(P1,I,P1,36);

float P2[36]={0};Cheng(P1,PN,P2,6,6,6);constcheng(P2,1,PN,36);

for(int i=5;i>0;i--)

         { QN[i]=QN[i-1];}

        QN[0]=-x;

                                                                                                                          //更新an

float e[6];constcheng(K,x-xforecast,e,6);jiafa(an,e,an,6);

2.2 串口通信設(shè)計(jì)

        數(shù)據(jù)采集模塊以及無線通信、GPS定位模塊之間的通信為串口通信。因此，實(shí)現(xiàn)在Windows Embedded CE 6.0系統(tǒng)下的串口通信至關(guān)重要。本文在Visual Studio 2005中選擇采用串口API函數(shù)進(jìn)行Windows Embedded CE 6.0系統(tǒng)下的串口通信程序設(shè)計(jì)。在Windows Embedded CE 6.0中一般采用Close Handle來關(guān)閉串口，Create File函數(shù)來打開串口。對于串口數(shù)據(jù)的讀取，本文采用Read File函數(shù)，并采用事件觸發(fā)形式來觸發(fā)數(shù)據(jù)讀取。

2.3 GSM/GPRS/GPS通信設(shè)計(jì)

2.3.1 GSM通信

        通過GSM模塊進(jìn)行短信息的發(fā)送與接收是利用AT指令來實(shí)現(xiàn)的。主控制器通過串口向GSM模塊發(fā)生相應(yīng)的AT命令^[4]，就可操縱模塊進(jìn)行相應(yīng)的功能實(shí)現(xiàn)。AT 指令是以 AT 開頭、以字符結(jié)束的字符串，AT 指令的響應(yīng)數(shù)據(jù)包在中間。每個(gè)指令執(zhí)行成功與否都有相應(yīng)的返回。AT命令需以AT開頭，加上相應(yīng)命令，并以回車符號結(jié)束。

        GSM通信程序過程為：先進(jìn)行GSM系統(tǒng)的初始化，包括短信息格式、短信服務(wù)中心號碼設(shè)置等；然后檢測網(wǎng)絡(luò)信號強(qiáng)度，有信號時(shí)才進(jìn)行短消息的發(fā)生和接收。GSM通信流程圖如圖4所示。

        首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，首先是負(fù)責(zé)GSM通信的串口初始化，即打開相應(yīng)串口，設(shè)置串口波特率、校驗(yàn)位、數(shù)據(jù)位、停止位，這里設(shè)置成115 200 b/s，無校驗(yàn)位，8 bit數(shù)據(jù)位、1位停止位。然后是GSM芯片初始化，GSM初始化步驟為：首先通過串口發(fā)送"AT"字符，確定模塊是否存在，如果GSM芯片返回OK則模塊存在；接著發(fā)送字符"AT+CLIP=1"，此命令用來設(shè)置來電顯示，以方便駕駛員使用系統(tǒng)電話功能；然后發(fā)送"AT+CMGF=0"，此命令用來設(shè)置短信格式為PDU格式，此格式短信字符為UNICODE格式字符，可發(fā)送中文短信息；成功后，緊接著依次發(fā)送命令"AT+CGPSPWR=1"以及命令"AT+CGPSRST=1"，這兩個(gè)命令用來打開GPS定位功能，此命令發(fā)送后，GPS冷啟動一般需要4～5 min時(shí)間。系統(tǒng)初始化后，利用命令“AT+CSQ”檢測GSM信號是否正常。信號正常則可使用短信功能和電話功能。

2.3.2 GPRS的數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)

        GPRS通用無線分組業(yè)務(wù)俗稱2.5G業(yè)務(wù)，是利用當(dāng)前GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)無線分組傳輸處理。GPRS可實(shí)現(xiàn)無線設(shè)備通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行IP連接，利用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)車載終端與遠(yuǎn)程控制中心或服務(wù)中心的無線通信，可將行車數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)無線傳輸?shù)街行模詼p少車載終端的存儲壓力。Internet網(wǎng)絡(luò)通信一般有兩種方式，即UDP方式和TCP/IP方式。UDP方式通信不需對方回復(fù)確認(rèn)，因此實(shí)時(shí)性強(qiáng)，但不能保證數(shù)據(jù)的完整性；TCP/IP方式通信時(shí)，每次數(shù)據(jù)傳輸需對方確認(rèn)接收完整后才進(jìn)行下一次數(shù)據(jù)傳輸，因此實(shí)時(shí)性較弱，但其能保證數(shù)據(jù)的完整性。在控制中心或服務(wù)中心實(shí)現(xiàn)基于Internet網(wǎng)絡(luò)的通信時(shí)，為保證通信質(zhì)量以及數(shù)據(jù)完整性，一般采用TCP/IP方式通信。車載通信終端利用GPRS網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)連接，然后通過TCP/IP協(xié)議與控制中心或服務(wù)中心進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。本文所選的SIM908-C模塊內(nèi)置融合了TCP/IP協(xié)議^[5]。所以，利用SIM908-C模塊進(jìn)行GPRS數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)，同樣也可以通過AT指令來實(shí)現(xiàn)。 

2.3.3 GPS導(dǎo)航解析

        SIM908中GPS模塊輸出的GPS定位信息符合NMEA通信標(biāo)準(zhǔn)，其輸出信號格式為ASCII格式的數(shù)據(jù)，其中包含了時(shí)間、經(jīng)度、緯度、數(shù)度、航向、高度和衛(wèi)星數(shù)量等信息^[6]。模塊輸出7種不同的定位信息，包括：$GPGGA、$GPGLL、$GPGSA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG和$GPZDA。可通過命令A(yù)T+CGPSINF來設(shè)置信息的輸出類型。

        本文單獨(dú)開辟一個(gè)線程用作GPS信號接收和解析。SIM908中GPS信號同樣是通過串口方式向外發(fā)送，因此主控制器同樣要利用串行端口接收GPS信號。在進(jìn)行GPS信號解析之前，也同樣必須進(jìn)行串口的一些操作，這里串口波特率設(shè)置成115 200 b/s，數(shù)據(jù)位設(shè)置為8 bit，無校驗(yàn)位，停止位設(shè)置為1。然后開始讀串口中GPS信號并進(jìn)行解析，最終將所需的GPS信息保存并顯示在GPS顯示界面上供駕駛員查看參考。

        本文自主開發(fā)的基于汽車主動安全的車載嵌入式系統(tǒng)運(yùn)行良好，側(cè)翻預(yù)警、車載通信功能工作穩(wěn)定。側(cè)翻預(yù)警條、短信、電話、導(dǎo)航及Internet等功能穩(wěn)定，能夠?qū)崿F(xiàn)對外界的信息交流和傳輸。這套系統(tǒng)初步實(shí)現(xiàn)了人-車-路的全面感知，為下一步實(shí)現(xiàn)智能汽車、智能交通打下基礎(chǔ)，有著很強(qiáng)的社會經(jīng)濟(jì)利益。在本車載通信系統(tǒng)的基礎(chǔ)上可以繼續(xù)對車輛監(jiān)控調(diào)度中心的軟件進(jìn)行研究和開發(fā)，以滿足車聯(lián)網(wǎng)（智能交通）進(jìn)一步的需要。

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