隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車已成為人們工作和生活不可缺少的一種交通工具，給人們生活帶來方便的同時交通安全也成為人們?nèi)找骊P(guān)注的焦點(diǎn)問題。研究表明駕駛員的違章操作是導(dǎo)致交通事故頻發(fā)主要原因之一，所以如何有效遏制交通違章、約束駕駛員不良駕駛習(xí)慣，提高車輛的運(yùn)營安全已經(jīng)成為一個亟待解決的重大課題。而車載電子裝置與汽車本身關(guān)系不大，其開發(fā)條件要求相對較低，并且其適用環(huán)境更加廣泛，因此車載電子裝置的開發(fā)正在成為一個新的熱點(diǎn)。

1 車載安全預(yù)警系統(tǒng)功能

本文中的車載安全預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于ARM Cortex—M3內(nèi)核的STM32系列處理器，融合了藍(lán)牙無線、定位導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航、GSM無線通信等多種高科技技術(shù)。主要實(shí)現(xiàn)功能有：

（1）超時、超速的實(shí)時檢測：通過GPS對車輛的行駛狀態(tài)實(shí)時跟蹤定位，獲取行駛的時間和速度信息，判斷駕駛員是否超勞，車輛是否超速。

（2）GPS／加速度計(jì)組合測速：利用慣性敏感器件加速度計(jì)解決GPS使在涵道、山谷內(nèi)等，出現(xiàn)弱信號或無信號的定位問題，通過自適應(yīng)卡爾曼濾波數(shù)據(jù)融合算法獲取更精確的定位信息。

（3）車載電話功能：實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙免提功能，使駕駛員可以專注于駕駛，保證車主在通話過程中的駕駛安全。

（4）行駛狀態(tài)檢測：通過加速度傳感器，對行車三維方向上的加速度值進(jìn)行測量，判斷車輛行駛是否超出加速度安全閾值。

（5）遠(yuǎn)程監(jiān)控功能：基于無線移動通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對車輛的遠(yuǎn)程動態(tài)監(jiān)控管理，當(dāng)存在駕駛安全隱患或事故發(fā)生時通過無線網(wǎng)絡(luò)將當(dāng)前狀態(tài)消息（位置、速度、加速度、時間）及時上報(bào)，以便車輛監(jiān)管部門采取相應(yīng)的管理調(diào)度或急救措施。

（6）監(jiān)控報(bào)警：當(dāng)駕駛員超速或疲勞駕駛時通過聲光報(bào)警及時糾正駕駛者的不規(guī)范操作。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能要求，安全預(yù)警系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框如圖1所示。

2．1 微處理器MCU

設(shè)計(jì)中選用的主控芯片為STM32增強(qiáng)型系列的STM32F103RE，STM32系列是意法半導(dǎo)體推出的專為高要求、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的Cortex-M3內(nèi)核的ARM控制器。2．0～3．6 V的工作電壓，時鐘頻率可達(dá)到72 MHz，內(nèi)置512 KB FLASH和64 KB SRAM，帶片選的靜態(tài)存儲器控制器，支持CF卡、SRAM、NAND存儲器。片上集成有三路16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器、兩路I2C、五路UART和三路SPI端口等，其方便的擴(kuò)展性及豐富的通信接口非常適用于本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與多個外部功能模塊的通信控制。

2．2 定位、測速電路設(shè)計(jì)

GPS是實(shí)現(xiàn)車輛定位及測速功能的核心模塊，這里選用的是瑞士u-blox公司生產(chǎn)的LEA-5S型號的GPS模塊，其具有22．4 mmx17 mm超小封裝，4 Hz定位更新速率，65 mW的低功耗以及-160 dBm的高追蹤靈敏度。模塊的串口。TTL電平是3 V，與STM32的通信電平一致，因此應(yīng)用中直接將模塊的Pin3 TxD，Pin4 RxD與主控芯片PA3 USART2_RX和PA2 USART2_TX相連。

通信協(xié)議遵循NMEA-0183標(biāo)準(zhǔn)，協(xié)議的語句格式以“$”開始，以“”結(jié)束，主控芯片可以通過串口讀取模塊上傳的數(shù)據(jù)幀$GP GGA（全球定位信息）和$GPVTG（地面速度信息）語句，從中提取需要的經(jīng)緯度、航向、速度、時間等信息。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中選用Analog Device公司生產(chǎn)的型號為ADXL345三軸重力加速度計(jì)，主要完成的功能有：輔助測速，因其不受地理位置和周圍建筑的影響，運(yùn)用擴(kuò)展的Kalman濾波算法，解決GPS在動態(tài)環(huán)境中信號失鎖和周跳問題，保證系統(tǒng)測速功能的實(shí)時性；對汽車行駛過程中的加速度檢測，通過檢測的數(shù)據(jù)判斷車輛是否行駛在安全的加速度閾值內(nèi)。ADXL345是一款超低功耗，小巧纖薄的3軸加速計(jì)，可以對高達(dá)±16g的加速度進(jìn)行高分辨率（13位）測量，車載系統(tǒng)中應(yīng)用了芯片上的I2C通信接口。

2．3 藍(lán)牙免提模塊設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中采用了一款集成度較高的BC05MM-EXT藍(lán)牙模塊，其內(nèi)核芯片是英國CSR公司的BC05 Bluecore芯片，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)Bluetooth 2．1+ED R，模塊內(nèi)嵌的通信協(xié)議支持HS／HF、A2DP，可實(shí)現(xiàn)免提和高質(zhì)量的音頻播放功能，內(nèi)置噪聲消除和回音處理電路。

該模塊的外圍電路主要包括通信電路、音頻輸出電路、MIC濾波電路、狀態(tài)指示電路、按鍵輸入電路。STM32通過串口與藍(lán)牙模塊相連，主要完成的任務(wù)是與帶藍(lán)牙功能的手機(jī)之間進(jìn)行通信；按照模塊支持的A2DP協(xié)議，音頻輸出電路調(diào)試階段采用的是100 mW的立體聲耳機(jī)放大器TS482，匹配32 Ω的揚(yáng)聲器；MIC輸入電路主要是對音頻信號的濾波處理，采用了差分輸入設(shè)計(jì)提高抗干擾性能，保證免提的音頻效果；狀態(tài)指示和按鍵輸入部分由主控芯片外接發(fā)光二級管和獨(dú)立按鍵實(shí)現(xiàn)。

設(shè)計(jì)中應(yīng)用結(jié)構(gòu)簡單的倒F天線，可直接在PCB板上按照適用藍(lán)牙系統(tǒng)的倒F天線尺寸在適當(dāng)?shù)牟及逦恢美L制天線。

2．4 GSM模塊設(shè)計(jì)

常用的GSM短信模塊有TC35，TC35I。因前者電壓范圍稍微大一些，考慮到GSM模塊對電源的敏感性，所以設(shè)計(jì)中選用的是西門子公司推出的無線通信GSM模塊（雙頻900／1 800 MHz）TC35，支持Text和PDU格式的SMS（Short Message Service，短消息），可通過AT命令或關(guān)斷信號實(shí)現(xiàn)重啟和故障恢復(fù)。

TC35外圍電路主要由電源電路、數(shù)據(jù)通信電路、IGT啟動電路和SIM卡電路組成。在啟動電路設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)可靠的啟動脈沖十分關(guān)鍵，按照TC35的設(shè)計(jì)要求，上電后需要給模塊的IGT腳加一個延時大于100 ms的低電平脈沖，并且電平下降時間要小于1 ms，供電電壓大于3．3 V才能使TC35進(jìn)入工作狀態(tài)，設(shè)計(jì)中通過STM32的I／O引腳推挽輸出方式實(shí)現(xiàn)TC35的啟動。模塊對電源的穩(wěn)定性要求非常高，在通信時網(wǎng)絡(luò)連接時的瞬間電流峰值可達(dá)2 A，尤其是在信號不良時，這種情況在電源電路設(shè)計(jì)時增加了必要的電容濾波部分。通信接口為模塊的18腳RXD，19腳TXD與主控芯片USART3串口通信。

2．5 電源設(shè)計(jì)

汽車上電子設(shè)備較多，使得車內(nèi)的電磁環(huán)境也較復(fù)雜，在這種環(huán)境中汽車電子產(chǎn)品電源性能的好壞直接影響到電子設(shè)備的可靠性。根據(jù)各模塊的供電需求，系統(tǒng)采用車內(nèi)點(diǎn)煙器提供的12 V電源，經(jīng)LM2596為核心的開關(guān)穩(wěn)壓電源芯片為系統(tǒng)提供5 V和3．3 V的車載系統(tǒng)工作電壓，LM2596其輸入范圍可達(dá)40 V，輸出電流可達(dá)3 A，并且功耗小、效率高、具有很好的線性和負(fù)載特性，非常適合該應(yīng)用系統(tǒng)。選用LM259 6-3．3將車內(nèi)電源轉(zhuǎn)化成車載系統(tǒng)內(nèi)主控芯片STM32、加速度傳感器和GPS使用的3．3 V電源；同時選用LM2596．5．0為GSM提供5 V工作電壓。LM2596—5．0應(yīng)用電路如圖2所示，LM2596—3．3的應(yīng)用電路和LM2596-5．0原理基本相同。

如圖2所示，電源電路設(shè)計(jì)考慮到應(yīng)用環(huán)境，采取了相應(yīng)的抗干擾和過流保護(hù)措施。為了防止電流過大，輸入端串接自恢復(fù)保險絲F1保護(hù)系統(tǒng)的安全性；D1，D2構(gòu)成電源極性反接保護(hù)電路；C1，C2，C3電容并接電路去除車內(nèi)電源信號的紋波和高頻噪聲；輸出端L1可以抑制紋波，使LM2596輸出穩(wěn)定的電壓；電源輸出端對地連接的C4，C5旁路電容也起到穩(wěn)定環(huán)路的作用。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

STM32開發(fā)工具選用的是ARM公司4．22版的KeilMDK，采用μVision 4開發(fā)環(huán)境，通過片上集成的JTAG調(diào)試接口通過JLINK V8仿真器與PC相連。

3．1 μC／OS-Ⅱ的簡介與移植

為了便于系統(tǒng)的升級與維護(hù)，設(shè)計(jì)中采用了嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ。該操作系統(tǒng)具有執(zhí)行效率高、占用空間小實(shí)時性能優(yōu)良和可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，最小內(nèi)核可編譯至2 KB，非常適合FLASH容量較小的系統(tǒng)使用。

μC／OS-Ⅱ的文件體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

由圖3中可以看出，μC／OS-Ⅱ的絕大部分是與處理器和其他硬件無關(guān)的代碼，大大降低了移植的工作量，移植過程中需要修改的源代碼文件有：

（1）在內(nèi)核頭文件OS_CPU．H中設(shè)置與處理器和編譯器相關(guān)的代碼，針對具體處理器的字長重新定義一系列數(shù)據(jù)類型，聲明用于開關(guān)中斷、堆棧的增長方向和任務(wù)切換的宏。

（2）在OS_CPU_A．ASM中實(shí)現(xiàn)與處理器相關(guān)的函數(shù)，關(guān)中斷函數(shù)OS_CPU_SR_Save（）；恢復(fù)中斷函數(shù)OS_CPU_SR_Restore（）；啟動最高優(yōu)先級任務(wù)運(yùn)行OSStartHighRdy（）；任務(wù)切換OSCtxSw（）和中斷切換OSIntCtxSw（）。

（3）在OS_CPU_C．C中用C語言編寫與CPU相關(guān)的函數(shù)。主要是任務(wù)堆棧初始化函數(shù)OSTaskStkInit（）和系統(tǒng)HooK函數(shù)。

整個移植的代碼都在上面三個文件中，實(shí)際只要在啟動文件中修改任務(wù)調(diào)度函數(shù)以及節(jié)拍函數(shù)的中斷入口就完成了操作系統(tǒng)的移植。

3．2 μC／OS-Ⅱ的任務(wù)規(guī)劃

操作系統(tǒng)按照功能模塊劃分為多個任務(wù)，并根據(jù)各個任務(wù)實(shí)時性的要求設(shè)置相應(yīng)的運(yùn)行優(yōu)先級。分別是：振和內(nèi)核時鐘的定義和初始化，對功能I／O端口的功能定義，初始化中斷向量表和堆棧以及各模塊的全局變量和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，完成系統(tǒng)的初始化后永久掛起；AppTask_GSM負(fù)責(zé)與TC35模塊有關(guān)的控制功能如模塊的初始化、短信的發(fā)送；AppTask_GPS負(fù)責(zé)對LEA-5S模塊的數(shù)據(jù)讀取和解析；AppTask_Blue負(fù)責(zé)藍(lán)牙語音模塊的控制功能，包括接聽、拒接、回?fù)堋⒔Y(jié)束通話等功能；AppTask_ADXL負(fù)責(zé)ADXL345模塊的數(shù)據(jù)讀取和解析；AppTask_IED為工作狀態(tài)指示；AppTask_Key為按鍵控制；監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定的看門狗任務(wù)AppTask_Dog；以及系統(tǒng)運(yùn)行自帶的空閑任務(wù)OSTaskldle。

系統(tǒng)整體的任務(wù)調(diào)度流程圖如圖4所示。

4 測試

對于該車載系統(tǒng)下面給出基于LabVIEW的GPS實(shí)車行駛速度測試，測試界面如圖5所示。

5 結(jié)語

本文詳細(xì)描述了基于STM32車載安全預(yù)警系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)方案。對整個車載系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)車測試，測試結(jié)果表明整個系統(tǒng)符合預(yù)期的目標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)對車輛的定位、超時、超速、加速度超值、并通過GSM將行車異常狀態(tài)參數(shù)和定位信息發(fā)送至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，移植的μC ／OS-Ⅱ使得該系統(tǒng)具有良好的穩(wěn)定性和實(shí)時性，能滿足現(xiàn)代車輛安全遠(yuǎn)程監(jiān)管的功能需求。