基于藍牙技術(shù)的汽車駕駛盤控制系統(tǒng)設(shè)計

1 引言

高科技應用改變了人的生活，汽車作為基本的運載工具的同時人們更希望汽車的駕駛操作更加簡單方便，而且在車內(nèi)能及時與外界進行信息溝通與交流。

藍牙技術(shù)可為實現(xiàn)這種新型汽車電子信息系統(tǒng)提供技術(shù)支撐，利用藍牙技術(shù)可以將汽車上的各種電子設(shè)備以無線的方式連成一體，形成“車域網(wǎng)”，這些設(shè)備包括汽車電氣控制設(shè)備、音響和視頻設(shè)備、車輛定位與監(jiān)控設(shè)備、各種傳感器及其控制系統(tǒng)、車輛保安系統(tǒng)和車輛導航系統(tǒng)等。

藍牙作為一種新型短距離無線擴頻通信技術(shù)，具有體積小、功耗低、開放性和互操作性等特點。與傳統(tǒng)的以電纜和紅外方式傳輸數(shù)據(jù)相比，具有以下優(yōu)點：

（1）抗干擾能力強；無線上網(wǎng)的手提電腦、手機等各種具有無線通信功能的電子設(shè)備工作時，對車內(nèi)的其它電子設(shè)備存在大量的電磁干擾。藍牙技術(shù)具有快速確認和跳頻方案以確保鏈路穩(wěn)定的特點。它把頻帶分成若干個跳頻信道，在一次連接中，無線電收發(fā)器按一定的碼序列不斷地從一個信道“跳”到另外一個信道，只有收發(fā)雙方是按這個規(guī)律進行通信的，從而避開干擾；跳頻的瞬時帶寬是很窄的，但通過擴展頻譜技術(shù)使這個窄帶寬成百倍擴展成寬頻帶，使干擾可能的影響變成很小。（2）不需信號線的連接，減少成本，縮小所占空間。（3）具有電磁波的基本特性，有較大的功率，可以增加傳送距離，而且沒有角度及方向性的限制，具有穿墻性，可在物體之間反射、繞射。（4）功耗非常低，能同時連接許多元件，傳輸速度快。

本文介紹的基于藍牙技術(shù)的駕駛盤控制系統(tǒng)，采用有線與無線相結(jié)合的網(wǎng)絡方案構(gòu)成整個控制系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計

本系統(tǒng)通過安裝在駕駛盤上的按鈕實現(xiàn)車內(nèi)定速巡航、音響、車內(nèi)空氣環(huán)境、前大燈照明等控制功能。
控制系統(tǒng)基于藍牙技術(shù)設(shè)計，其硬件組成主要包括藍牙主控設(shè)備和藍牙從控設(shè)備兩大部分。主控設(shè)備通過ZLG7289 采集按鍵信號，然后送入微處理器STC89LE516 中處理，微處理器根據(jù)不同的按鍵信號發(fā)送相應的指令和數(shù)據(jù)至藍牙模塊BC219159B 中，藍牙模塊通過無線網(wǎng)絡在主、從控設(shè)備的藍牙模塊之間建立鏈接后傳遞指令和數(shù)據(jù)，從控設(shè)備的微處理器根據(jù)相應的信號發(fā)送不同的指令和數(shù)據(jù)至CAN 總線上，連接在CAN 總線上的其它車載系統(tǒng)根據(jù)指令實現(xiàn)相關(guān)功能，LCD 顯示各種功能狀態(tài)。藍牙主控與從控設(shè)備硬件框圖分別如圖1 與圖2 所示。

圖1 藍牙主控設(shè)備硬件框圖

圖2 藍牙從控設(shè)備硬件框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 主控設(shè)備硬件設(shè)計

3.1.1 按鈕部分

按鈕位置示意如圖3 所示分為4 個區(qū)，每區(qū)4 個按鈕。為使操作舒適簡潔，采用一鍵多功能來減少硬件設(shè)備和簡化操作，駕駛盤上設(shè)定16 個功能按鈕。

圖3 駕駛盤按鈕位置分布圖

功能描述：1 號鍵是定速巡航開關(guān)按鈕，按一下1號鍵進入定速巡航控制，按2 號鍵進入設(shè)定或重設(shè)功能，3 號和4 號鍵為上下選項移動鍵，再按1 號鍵退出定速巡航；5 號鍵是音響系統(tǒng)啟動關(guān)閉鍵，并可切換FM/CD 模式，根據(jù)按鍵次數(shù)選擇（開啟→FM→CD→關(guān)閉），6 號鍵為節(jié)目選擇鍵，同樣根據(jù)按鍵次數(shù)選擇相關(guān)項，7、8 號鍵為音量調(diào)節(jié)鍵；9 號鍵為空調(diào)啟動關(guān)閉鍵，10 鍵為溫度模式切換鍵，11、12 號鍵為溫度調(diào)節(jié)鍵；13 號鍵為遠近燈開關(guān)控制鍵，14 號鍵為霧燈開關(guān)控制鍵，15、16 號鍵為前大燈強弱調(diào)節(jié)按鍵。

3.1.2 按鍵信號處理模塊

按鍵信號處理采用鍵盤掃描管理芯片ZLG7289 實現(xiàn)。ZLG7289 采用SPI 串行總線與微處理器通訊，/CS、CLK、DIO 分別與微處理器三個I/O 引腳相連，KEY與/INT0 相連，串行數(shù)據(jù)從DATA 引腳送入芯片，并由CLK 端同步。當有鍵被按下和片選信號變?yōu)榈碗娖胶?，DATA 引腳上的數(shù)據(jù)在CLK 引腳上升沿被寫入ZLG7289 的緩沖寄存器，并且只有當/INT0 引腳出現(xiàn)下降沿時才允許讀取按鍵值。在無任何按鍵情況下，LED為亮的狀態(tài)，當有任意鍵按下時，LED 為滅的狀態(tài)。

圖4 與圖5 分別為ZLG7289 芯片引腳圖與鍵盤邏輯陣列圖，4 根行線分別接ZLG7289 的SG、SF、SE、SD引腳；4 根列線分別接ZLG7289 數(shù)據(jù)線DIG0~3.

3.1.3 藍牙模塊

BC219159 核心是CSR 公司推出的單片射頻芯片BlueCore2–External，包含無線電收發(fā)器、基帶控制器硬件電路及實現(xiàn)藍牙應用框架所必需的協(xié)議。片內(nèi)含有自動校準和內(nèi)置的自檢程序，從而簡化了開發(fā)、應用、和產(chǎn)品測試。外加存有CSR 藍牙協(xié)議棧軟件的外部Flash 時，BlueCore2–External 可構(gòu)成用于音頻和數(shù)據(jù)通信的完整藍牙系統(tǒng)［1］。

該芯片外配元件少，RF 接收器具有接近零中頻結(jié)構(gòu)，在低噪聲放大器輸入端足夠高的帶外截止性能指標允許射頻模塊靠近GSM 和W-CDMA 手機發(fā)射器使用。該芯片使用FSK 監(jiān)頻器，在噪聲存在的情況下具有卓越的性能。內(nèi)部功率放大器最大有+6dBm 的功率輸出，射頻合成器完全集成在內(nèi)核中，不需要外接壓控振蕩器、變?nèi)菡{(diào)諧二極管或者LC 調(diào)諧器，系統(tǒng)的基準時鐘由內(nèi)置的晶振產(chǎn)生，時鐘范圍8~40MHz.

藍牙模塊支持USB、UART、PCM 語音接口和SPI接口等多種通信接口。片上有32KB RAM，作為保存每個有效連接的音頻/數(shù)據(jù)的環(huán)形緩沖器和藍牙協(xié)議棧功能的存儲器，還有8MB 的Flash;支持點對點和點對多點網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，可構(gòu)成匹克網(wǎng)和散射網(wǎng)。

本系統(tǒng)的藍牙模塊將數(shù)據(jù)按藍牙協(xié)議轉(zhuǎn)換成相應編碼發(fā)送到對方的藍牙設(shè)備，由于BC219159 提供標準UART 接口，因此它可以直接與本系統(tǒng)中的STC89LE516 的UART 口連接進行通訊。

3.2 從控設(shè)備硬件設(shè)計

從控設(shè)備硬件設(shè)計包括藍牙通信、CAN 總線控制、顯示等模塊，限于篇幅簡介如下。

3.2.1 藍牙模塊

從控設(shè)備的藍牙芯片BC219159 與單片機STC89C516 相連，當藍牙開始工作，其LED 將快速的閃爍。如果此時主控設(shè)備的藍牙模塊正在搜尋藍牙從模塊，則兩者通過自動搜尋功能自動建立連接和通訊。

從控系統(tǒng)中被控制的對象大部分采用5V 信號電平，故選用5V 信號電平的STC89C516 單片機，由于藍牙模塊采用3.3V，因此藍牙與STC89C516 相連時需要在串口線之間加上100Ω電阻來匹配電壓。

3.2.2 CAN 總線控制

現(xiàn)代汽車控制系統(tǒng)節(jié)點多、數(shù)量大、實時性要求高，而且大批的數(shù)據(jù)信息要求能在不同的電子器件間共享［2］.CAN 總線是一種串行多主站控制器局域網(wǎng)總線，它具有很高的網(wǎng)絡安全性、通訊可靠性和實時性，簡單實用，網(wǎng)絡成本低，不但可以減少導線連接，而且能增強診斷和監(jiān)控能力，適用于汽車及一般工業(yè)環(huán)境。本設(shè)計中CAN 控制器選用PHILIPS 公司的SJA1000。車內(nèi)系統(tǒng)示意接線如圖2 所示。

3.2.3 顯示模塊

系統(tǒng)的顯示模塊采用ST7920 驅(qū)動芯片為核心的12864 液晶顯示模塊，具有64*16 位元字元顯示RAM和64*256 位元繪圖顯示RAM.系統(tǒng)將主控設(shè)備所調(diào)用的狀態(tài)模式及該功能下的進度，以圖片和字符形式實時地顯示在屏幕上，具有較強的直觀性，便于駕駛員及時了解車內(nèi)各種電子設(shè)備的參數(shù)，使操控更方便。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件編程主要包括藍牙通訊軟件設(shè)計和主從設(shè)備應用程序設(shè)計兩大部分。

在PC 機上完成對藍牙模塊的初始化，對其設(shè)定主從，通過給藍牙分配一個地址，并確定它的波特率，來完成數(shù)據(jù)準確及時的傳輸。

BC219159 與STC89LE516 之間通過串口通訊，在程序中使用串口函數(shù)就可以互相傳遞數(shù)據(jù)，藍牙相當于一根無形的導線，接通主控和從控設(shè)備。

4.1 藍牙通訊軟件設(shè)計

兩個藍牙模塊進行數(shù)據(jù)通信是通過HCI 分組實現(xiàn)的。HCI 分組有命令分組、事件分組、數(shù)據(jù)分組而數(shù)據(jù)通訊流程一般包括以下6 個步驟：藍牙模塊初始、HCI 流量控制設(shè)置、查詢、建立連接、數(shù)據(jù)傳輸和斷開連接。
這部分程序主要借助CSR 公司的BlueLab 開發(fā)平臺，在WindowsXP 環(huán)境下用C 語言開發(fā)實現(xiàn)。

4.2 藍牙主從控系統(tǒng)應用程序設(shè)計

藍牙主、從控設(shè)備的應用程序比較復雜，軟件設(shè)計遵循了模塊化的設(shè)計思想。圖6 與圖7 分別給出了主控、從控系統(tǒng)部分的流程圖，所有的程序模塊均在在WindowsXP 環(huán)境下用C 語言開發(fā)實現(xiàn)。

圖6 主控設(shè)備流程圖

圖7 從控設(shè)備流程圖

5 結(jié)語

采用上述方案設(shè)計的駕駛盤控制系統(tǒng)，功能強大、性價高、性能穩(wěn)定、維護方便、開發(fā)容易。實驗表明整個系統(tǒng)的通用性和可擴展性較好，具有應用價值。