基于ARM 和Qt/E的車載HMI終端設計

0 引言

改善HMI （Human Machine Interface）終端性能可降低車輛控制系統操作的復雜性，也可提高駕駛員對自己車輛的控制力。車載HMI通過單一結構中控臺，可以減少零部件數量，提高性價比。傳統機械式的控制終端正在逐步向直觀、便捷的HMI終端發展。2009年6月29日，美國汽車多媒體與通信研究服務公司Strategy Analytics發布最新研究報告，認為"車載人機界面市場領先者保持強勢地位".報告預測，2015年，車載語音和觸摸屏市場規模將達到29 億美元。目前，HMI設備，尤其是語音、觸覺控制和觸摸屏，在汽車市場上被大量應用。

本文報告了一種基于觸摸控制與數字顯示理念的車載HMI終端，通過在ARM 上移植Qt/E接TFT-LCD觸摸面板加以實現。

1 系統結構介紹

基于ARM 和Qt/E的車載HMI終端主要由兩個模塊組成，分別是ARM 處理器與觸摸顯示屏組成的HMI觸控平臺和CAN/RS232協議轉換器模塊。該終端可接入車載CAN網絡中實現車載設備的觸摸控制與狀態信息顯示。其結構框圖如圖1所示。

圖1 車載HMI終端結構

HMI觸控平臺主要是將Qt/E交叉編譯后移植到ARM 平臺，調用GUI在觸摸面板顯示。通過點擊觸控界面發送控制字，經CAN/RS232網關發送到CAN網絡中對各設備進行控制，同時實時采集各設備運行狀態參數并顯示，便于駕駛員及時了解車輛運行狀態。該平臺還預留了UART和USB端口分別可外接GPS模塊，無線上網卡或U 盤設備，實現導航、無線上網和多媒體播放功能。

CAN/RS232協議轉換模塊主要由MCU、CAN 接口與UART接口組成，其中CAN 接口采用CAN 控制器SJA1000和CAN收發器PCA82C250設計，RS232接口采用MAX232設計，以此實現兩種不同總線協議數據幀的透明轉換，是HMI終端與CAN網絡中各設備交互的紐帶。

車載CAN網絡模塊主要以Polo車CAN 試驗臺為平臺，試驗臺集成了車燈、電動車窗、雨刷和后視鏡CAN 節點模塊。

2 Qt/E在ARM 上的移植

Qt/E是Trolltech公司專為嵌入式Linux系統開發的圖像用戶界面（GUI）工具包。提供了窗口操作系統、開發環境、工作輔助應用程序和個性選項等，是基于C++ 可跨平臺的GUI應用程序框架；還提供給開發者建立藝術級GUI所需的功能，開發者可根據需求定制整個軟件解決方案。目前，眾多手機、PDA、機頂盒都采用Qt作為圖形引擎。因此，選擇了Qt/E作為HMI終端的開發工具。

2.1 交叉編譯環境的搭建

采用宿主機Fedora9.0作為開發平臺，移植ARM 版Qt/E4.7進行設計。因編譯Linux內核和Qt/E都需要交叉編譯工具鏈，交叉編譯器版本過高過低都會與Qt/E4.7不兼容，最終導致安裝失敗，所以一定要根據Qt的版本來選擇對應的編譯器。本系統采用arm-linux-gcc-4.5.1.安裝過程如下：

首先，解壓arm-linux-gcc-4.5.1安裝包，運行#tarxvzf arm-linux-gcc-4.5.1.tgz命令；然后將編譯器所在路徑加入系統環境變量，運行#gedit/root/.bashrc編輯該文件，修改最后一行為export PATH=PATH:/usrt/local/arm/4.5.1/binPATH,此時交叉編譯器已經安裝好；最后執行#arm-linux-gcc-v顯示編譯器版本信息，驗證是否安裝成功。

2.2 Qt/E4.7的編譯與移植

減壓ARM 版Qt/E安裝包到指定目錄，然后進入該目錄執行編譯配置源碼命令#echo yes | ./configure -opensource-embedded arm –xplatform qws/linux-arm-g++-no-webkit-qt-libtiff-qt-libmng-qt-mouse-tslib-qt-mouse-pc-no-mouse-linuxtp-no-neon.其中編譯ARM 平臺的embedded版本配置參數為embedded arm,使用arm-linux交叉編譯器進行編譯為xplatform qws/linuxarm-g++,qt-mouse-tslib是使用tslib來驅動觸摸屏。然后執行make命令進行編譯，當編譯完成之后執行安裝命令make install.最后把安裝文件打包#tar cvzf qt4.7.tgz,下載到ARM 開發板，并解壓到指定目錄。至此Qt/E在ARM 開發板上移植完成。

安裝Linux環境下X86版Qt SDK軟件-Qt Creator2.0進行Qt程序開發，設置為支持Qt4.7ARM 的交叉編譯。最后將設計好的程序通過編譯，生產二進制文件下載到ARM 開發板運行，以此實現HMI界面顯示功能。

3 車載HMI終端的硬件設計

3.1 CAN/RS232協議轉換器的硬件設計

CAN/RS232協議轉換器主要有主控制器、CAN接口模塊與RS232接口模塊組成，其中主控制器采用STC89C52單片機負責處理CAN總線與RS232總線的數據接收與發送，實現兩種不同協議數據幀的透明轉換與傳輸。

CAN接口模塊采用Philips公司的CAN 控制器SJA1000和CAN收發器PCA82C250芯片組成，主要實現CAN協議的物理層和數據鏈路層功能。其中CAN控制器完成數據鏈路層功能，實現與主控制器的信息讀寫操作，物理層通過CAN收發器實現電平轉換和傳輸。SJA1000的AD0~AD7與單片機P0口連接，實現地址/數據復用；片選/CS與P2.7相連，則基地址為0x7F00;/RD、/WD、ALE引腳依次與單片機各引腳相連；中斷/INT接單片機/INT0,因此可通過中斷方式對SJA1000進行實時訪問。SJA1000的MODE 引腳用于選擇CAN控制器在Intel模式還是在Motorola模式工作。由于STC89C52屬于Intel系列微控制器，故MODE引腳接+5V高電平設置為Intel模式，以滿足89C52的讀寫時序要求。為了增強節點的抗干擾能力，以及避免當CAN收發器失效時出現過流導致CAN控制器擊穿，SJA1000的TX0和RX0引腳通過光耦N6137后與PCA82C250的TXD和RXD連接，以此實現總線上節點間電器隔離；收發器CAN_H 和CAN_L引腳通過5Ω電阻與CAN總線端口連接起到限流作用；同時兩端接120Ω終端匹配電阻。

RS232接口電路采用MAX232芯片，實現單片機串口TTL電平與RS232電平相互轉換，完成HMI終端UART口的信息傳輸。STC89C52串口端（P3.0和P3.1）與MAX232的T1IN和R1OUT連接，T1OUT與R1IN接九針串口，然后通過交叉線與HMI終端連接實現數據通信。

3.2 車載HMI觸控平臺的設計

HMI觸控平臺以ARM 為處理器，接7.0寸LCD觸摸屏來實現，可取代傳統的（如圖2A）機械按鍵與表盤顯示的中控平臺。HMI觸控平臺如圖2B所示，由車燈、車窗、后視鏡、多媒體、空調、導航以及狀態參數顯示菜單組成。將該終端嵌入到方向盤，駕駛員可點擊觸控菜單進入車燈、車窗等控制界面（如圖2C和D）實現車燈、車窗等設備的觸摸控制，也可實時采集與顯示設備狀態參數如：車速、故障碼等。其中，觸控與顯示數據需調用ARM 底層串口驅動來實現讀寫操作，觸控界面通過Button控件的信號與槽機制來實現數據的發送，狀態參數的采集與顯示通過事件驅動方式實現。終端可外接GPS模塊實現導航功能，設計了Qt媒體媒體播放器實現娛樂功能，也可接入無線網卡來實現無線上網功能。