蓝牙和嵌入式 Linux 在汽车电子系统中的应用

金纯 1 ，蒋小宇 1,2

1.重庆金瓯科技发展有限责任公司，重庆 400039
2.重庆邮电学院，重庆 400065

[摘要]：车载信息平台(VIP,Vehicular Information Platform)旨在提高汽车的网络化、信息化和智能化水平，实现免提电话、无线互连、故障诊断、自助缴费、GPS定位和电子地图等功能。本文提出基于蓝牙和嵌入式Linux的车载信息平台系统解决方案，并对其关键技术进行论述。

[关键词]：车载信息平台；汽车电子；蓝牙；嵌入式Linux

Research on Vehicular Information Platform Based on Bluetooth and Embedded Linux

Chun Jin, Xiaoyu Jiang

(JINOU Science and Technology Development Co, Ltd, Chongqing 400039)

[Abstract]: Vehicular Information Platform aims at the improvement of network, information and intelligent level of automobile, achieving the functions of no-bring-up phone, wireless interconnect, trouble diagnosis, self-help toll, GPS locate and electronic map etc. This article presents a system solution based on Bluetooth and embedded Linux to Vehicular Information Platform, and discusses it's key technologies.

[Keywords]: vehicular information platform; automobile electron; Bluetooth; embedded Linux

1 引言

车载信息平台旨在提高汽车的网络化、信息化和智能化水平，实现免提电话、无线互连、故障诊断、自助缴费、GPS定位和电子地图等功能。丰田汽车、日本电装、NTT DoCoMo、松下电器、日产汽车和东芝等六家公司共同制订了利用蓝牙技术的车内无线免提规格——“CCAP”。利用该规格，手机通过蓝牙技术无线连接车载音响等设备，在行车时可以构筑更加安全的通话系统。用户还可操控手持蓝牙设备，与汽车设备之间进行无线联系，比如无线遥控打开车门、与车内车辆检测系统无线交换数据，在车内通过英特网下载音乐、录像和发送电子邮件等。不过这种车载免提系统也只是刚刚起步，通过向汽车环境导入蓝牙，可以实现更多高性能的汽车应用。

蓝牙技术自诞生以来，因其成本低、功耗小、抗干扰能力强、可扩展、安全可靠、标准统一和知识产权共享等特性已受到许多方面的关注。目前，蓝牙技术已经广泛地渗透到科学研究、工程设计、军事技术、各类产业和商业文化艺术以及人们日常生活的方方面面。

嵌入式技术是电子信息技术应用最广泛技术之一，嵌入技术及其产品广泛应用于工业控制、数控机床、仪器仪表、通讯产品、智能家电等领域中。作为嵌入式软件的核心和龙头，嵌入式操作系统目前也有很多种类，比如：Windows CE、Palm OS、pSOS、QNX、VxWorks和嵌入式Linux等。在这些嵌入式操作系统中，Linux具有诸多优点：内核健壮、运行高效、源代码开放、版权受GNU/GPL保护、免费、采用了可移植的UNIX标准应用程序接口，支持多达二、三十种处理器，包括x86、68k、powerPC、ARM等。同时，Linux内核在网络方面非常完备，提供了包括十兆、百兆、千兆的以太网络，以及无线网络、令牌环、光纤甚至卫星的支持。

2 汽车信息平台解决方案

采用蓝牙技术作为整个汽车信息系统的控制子系统，完成整个车辆内部的控制信息和主要数据信息传输；同时使用 GPRS/GSM/CDMA 访问互联网，GPS进行定位。应用基于Linux的嵌入式操作系统作为其操作平台。实现免提电话、无线互联、移动办公、汽车娱乐、电子导航、无线定位、自助缴费、故障诊断等功能。

免提电话：用户在驾车时，将个人移动电话放置在旁边的座椅上，用声控或控制键完成拨号、接听、挂断和音量调节等功能，并通过安装在车内挡风玻璃上的麦克风和音响系统进全双工免提通话。驾驶者不需要拿着话筒贴近耳朵和手指按键盘拨号，也允许用户在汽车上使用自己的私人手机，而无需使用永久安装在车上的移动电话。

无线互联：车载信息平台可以通过GPRS/GSM/CDMA访问互联网，下载影音文件、收发电子邮件、玩在线游戏甚至移动办公。

故障诊断：防撞、气压等传感器将检测到的数据通过蓝牙回实时地传到车载电子信息系统进行处理。再通过GPRS/GSM/CDMA传输到汽车修配厂，或直接连接到维修中心网站，维修中心的师傅查看故障码并从数据库中调出该车资料，判断出故障的位置、原因和解决方案，立即指示车主如何去做。

自助缴费：当汽车经过收费站时，可以通过蓝牙无线连接收费系统，实现不停车缴费。

车载移动信息平台采用蓝牙、GSM、GPRS、CDMA、GPS等无线通信技术，通过嵌入式操作系统，完成上述各项功能。其协议结构如图1所示。

图1. 汽车信息平台协议栈结构

将蓝牙协议栈加载到嵌入式Linux操作系统中，通过操作系统，实现蓝牙通信，完成车内各项控制信息及数据信息的传输。同时，在操作系统中还集成了GSM、GPRS、CDMA、GPS的协议，完成免提电话、无线互联和电子导航等功能。车载信息平台的系统框图如图2所示。

图2中显示器在主控制器的控制下可以显示各个功能子系统的当前状态，当某个功能被激活时，显示器将切换到该功能子系统，供用户完成当前操作；主控制器是整个系统的控制中心，具体负责各个功能模块的协调工作；防撞、气压和其它传感器将检测到的汽车状态信息通过蓝牙无线链路实时地传回控制中心，以便车主随时握汽车状态，并且，在紧急和必要时，实现自动驾驶；GPS模块是应用全球定位系统实现定位的功能。目前CDMA定位精度圆周误差CEP可以达到50米或者更小。

图2. 车载信息平台系统框图

所以，对于定位功能，也可以通过CDMA系统实现；蓝牙键盘为用户提供一个操作输入平台；手机、车载免提、笔记本电脑、在线游戏、PDA、CD、MP3和其它带蓝牙功能的设备都可以通过蓝牙链路与主控制器相连，同时，也可以与蓝牙网关相连，实现访问Internet的功能。蓝牙网关的作用是实现协议转换，使车载信息平台中的蓝牙设备能够通过GPRS/GSM/CDMA访问Internet。

3 关键技术分析

车载信息平台中的关键技术主要有蓝牙网关、嵌入式Linux系统和蓝牙在汽车电子控制系统中的应用。

3.1 蓝牙网关

车载信息平台中最重要的部分是蓝牙网关，它可以实现蓝牙与Ethernet、ADSL、802.11b、GSM、GPRS、CDMA等有线或无线通信技术的协议转换。方便车载信息系统通过多种不同类型的通信方式与各种外部网络进行通信。作为解决蓝牙无线设备间、无线设备到有线网络访问的产品，它能够为蓝牙设备（包括蓝牙PDA、蓝牙手机、蓝牙适配器等）创建一个到本地网络的高速无线通讯链路，使之能够访问本地网络及Internet。

图3. 蓝牙网关软件结构

蓝牙网关中涉及的技术非常多，主要包括嵌入式技术及其应用，蓝牙技术，蓝牙网络访问服务，蓝牙串口服务等等，其中嵌入式技术及蓝牙网络访问技术是重点。在蓝牙网关中，利用嵌入式Linux系统来控制蓝牙模块。在嵌入式系统中，实现蓝牙的L2CAP、SDP、RFCOMM等协议。

蓝牙以太网关实现Bluetooth Serial Port Profile、LAN Access Profile及Dial-up Networking Profile，它可以为实现了TCP/IP协议或者没有实现TCP/IP协议的蓝牙设备提供接入服务。对于已经实现TCP/IP协议的蓝牙设备（如蓝牙PDA、蓝牙笔记本），蓝牙网关可以运行PPP协议将该类蓝牙设备实现局域网的接入；对于没有实现TCP/IP协议的蓝牙设备，蓝牙网关可以使用Bluetooth Serial Port Profile与该类蓝牙设备建立数据传输通道，然后在网关上通过一个TCP端口代理该设备与远程设备进行数据交换，从而达到将该类蓝牙设备接入到本地网络及Internet的目的。

蓝牙网关软件结构如图3所示。

3.2 嵌入式Linux

车载信息系统采用嵌入式Linux作为其操作平台。嵌入式Linux的关键技术主要有以下几方面：内核裁减与加载、实时响应、高稳定性等。技术难点主要是研制嵌入式硬件并将嵌入式操作系统移植到其上、编制网络通信协议和DSP算法程序库。

内存管理方式采用分页管理。系统在启动时把实际存储器进行分页。在加载应用程序时程序分页加载。嵌入式平台系统对于内存的访问是直接的，所有程序中访问的地址都是实际的物理地址。操作系统对内存空间没有保护，各个进程实际上共享一个运行空间。一个进程在执行前，系统必须为进程分配足够的连续地址空间，然后全部载入主存储器的连续空间中。

内核的加载方式采用在flash上直接运行。把内核的可执行映像烧写到flash上，当系统启动时，直接从flash上的某个地址开始执行指令。

根文件系统采用romfs文件系统。它比一般的ext2文件系统要求更少的存储空间，因为内核支持romfs比支持ext2需要更少的代码，同时，romfs相对简单，在建立超级块（superblock）时需要更少的空间。Romfs文件系统不支持动态擦写保存，对于系统需要动态保存的数据采用虚拟RAM的方法进行处理（RAM盘采用ext2文件系统）。

车载信息平台要实现访问Internet的功能，所以，嵌入式Linux必须要有足够的网络支持能力。Linux具有完善的内置网络支持功能，它支持http、ftp、telnet、PPP、ProxyServer等多种网络协议。除此之外，在嵌入式Linux中还必须导入蓝牙、802.11b、GSM和串口等多种无线通信协议。

3.3 蓝牙在汽车电子控制系统中的应用

电子控制系统包括各传感元件、电子控制单元（ECU）、执行器和这些部件之间的通信系统。

（1）构成蓝牙网络

一个电子控制单元和不超过7个的传感元件和执行器组成一个微网（Piconet），电子控制单元为微网的主单元，传感元件和执行器为从单元。由于每一个微网只能有一个主单元，主单元与从单元采用时分复用（TDD）技术进行数据传输，因此，当多个微网构成一个散射网时，一个微网中的主单元就成为另一个微网的从单元。

（2）硬件设计

硬件电路分4个部分：发射机、微机（属于电子控制单元）、电源管理、接口逻辑。微机与蓝牙芯片以UART方式连接，作为接口电路的控制器。

发射机由蓝牙芯片和微型天线构成。初始化阶段，蓝牙模块通过UART方式接收控制器发送的HCI命令，实现蓝牙设备的复位、启动、地址查询、跳频算法、自动寻呼等初始化操作，与附近的蓝牙设备建立可靠的物理链路，并对物理链路进行相应的加密。在数据传送阶段，模块接收控制器送来的HCI数据包，经过HCI固件转化为基带数据包并送给基带协议层（Baseband）处理，基带对上层送来的数据进行解码，将其转变为可以发送的位数据流，按照设定的跳频算法，采用高斯频移键控（GFSK）编码方式通过微型天线发送出去。接收数据时，以相反的过程将接收到的数据进行编码，组合成HCI数据包格式并通过UART口送给控制器。

（3）软件设计

系统软件包括系统初始化、Flash编程、建立物理链路、数据传送和接收等。

蓝牙模块中的固件固化了蓝牙规范V1.0的指令集，它包括低层与主控器接口（HCI，Host Controller Interface）和链路管理（LM，Link Manager）的各种命令。HCI对基带和链路管理提供统一命令，并设置相应的状态寄存器。HCI有3类命令包：

HCI命令包：适用于主机对蓝牙模块发送；

HCI事件包：用于蓝牙模块对主机的回送；

HCI数据包：实现主机与蓝牙模块的双向传输。

微机通过UART接口向蓝牙模块提供HCI命令，并从蓝牙模块接受HCI事件。模块中的LM根据HCI命令建立链路，主机通过UART对蓝牙模块提供HCI包。

4 结束语

汽车信息平台使汽车由传统的机械装置转变为信息化、网络化和智能化的产品，使汽车由单纯的代步工具转变为容交通、通信、娱乐于一体的信息终端。本文在分析汽车信息平台所要实现的功能的基础上，提出了汽车信息平台系统解决方案，并对其关键技术进行了论述。

参考资料：

1 Bluetooth SIG,“Specification of the Bluetooth System:Core”vol.1.1,2001.

2 金纯，许光晨，孙睿.蓝牙技术.电子工业出版社，2001.3

3 邹思轶.嵌入式Linux设计与应用.清华大学出版社，2002.1

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