摘 要: 根據(jù)嵌入式的設(shè)計(jì)應(yīng)用，采用ARM9作為報(bào)警系統(tǒng)的控制裝置，選用集成音頻驅(qū)動(dòng)電路和汽車控制傳感等部件，同時(shí)還為系統(tǒng)安裝了智能卡和使用方便的新型UHF遠(yuǎn)程發(fā)射電路，配合軟件和操作系統(tǒng)，改進(jìn)了汽車智能防盜功能，并且具有智能、安全和性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞: 嵌入式；智能；音頻；報(bào)警；遠(yuǎn)程控制
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隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及電子技術(shù)的應(yīng)用，人們?cè)谙硎芷噹?lái)的方便與快樂(lè)的同時(shí)，也在為汽車安全防盜問(wèn)題憂慮。如何解決汽車防盜問(wèn)題，電子設(shè)計(jì)師們研制出不同方式、不同結(jié)構(gòu)的防盜報(bào)警系統(tǒng)。在基于GPRS 和嵌入式計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究[1]中，對(duì)汽車進(jìn)行視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控進(jìn)行了詳細(xì)的研究，GPRS與GPS在汽車信息服務(wù)系統(tǒng)中的設(shè)計(jì)應(yīng)用研究[2]中，利用GPS衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)對(duì)汽車的遠(yuǎn)程定位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。上述課題的研究都是大眾化的服務(wù)，針對(duì)現(xiàn)代汽車的防盜系統(tǒng)，如何提供智能化和個(gè)性化的汽車防盜系統(tǒng)，這無(wú)疑在汽車工業(yè)高速發(fā)展的今天具有更重要的實(shí)踐意義和商業(yè)前景。本文提出了基于嵌入式汽車智能防盜系統(tǒng)的構(gòu)建，并設(shè)計(jì)了帶智能卡技術(shù)和遠(yuǎn)程遙控技術(shù)的智能防盜車門，同時(shí)進(jìn)行了個(gè)性化的音頻報(bào)警驅(qū)動(dòng)軟硬件的設(shè)計(jì)。
1 汽車智能防盜系統(tǒng)的功能及構(gòu)成
汽車智能防盜系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制車門的關(guān)閉，并同時(shí)啟動(dòng)智能防盜功能。正常開(kāi)啟車門時(shí)，可以使用常用的遠(yuǎn)程遙控鑰匙，同時(shí)也可以由IC卡開(kāi)啟車門。當(dāng)出現(xiàn)碰撞和非正常開(kāi)啟車門時(shí)，汽車各種防盜傳感部件檢測(cè)到信號(hào)，通過(guò)聲音報(bào)警電路發(fā)出急促的報(bào)警聲音，同時(shí)由無(wú)線通信模塊發(fā)出短信息，以此來(lái)通知車主汽車的當(dāng)前狀況，車主根據(jù)信息對(duì)汽車發(fā)出控制指令。
本系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，它由嵌入式ARM核心控制模塊、存儲(chǔ)器模塊、無(wú)線通信模塊、遠(yuǎn)程控制模塊、汽車防盜檢測(cè)驅(qū)動(dòng)模塊、人機(jī)接口模塊和聲音報(bào)警模7大模塊組成。
嵌入式ARM核心控制由ARM920TDMI的32位微處理器SamsungS3C2410X[3]芯片實(shí)現(xiàn)，該芯片共有272只引腳，它采用了FBGA封裝技術(shù)，具有大量的電源、接地引腳、地址總線、數(shù)據(jù)總線、通用I/O口以及其他的專用模塊，如UART、I2C等接口。在硬件系統(tǒng)中，芯片引腳的類型有輸入（I）、輸出（O）、輸入/輸出（I/O）等。輸出類型的引腳主要用于S3C2410X對(duì)外設(shè)的控制或通信，由S3C2410X主動(dòng)發(fā)出，這些引腳的連接不會(huì)對(duì)S3C2410X自身的運(yùn)行有太大的影響。輸入/輸出類型的引腳主要是S3C2410X與外設(shè)的雙向數(shù)據(jù)傳輸通道。在參考文獻(xiàn)[2]中，對(duì)GPRS模塊和GPS模塊的嵌入式開(kāi)發(fā)，以及如何應(yīng)用這兩個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)短信息收發(fā)通信等系統(tǒng)功能進(jìn)行了詳細(xì)的研究設(shè)計(jì)。人機(jī)接口模塊通過(guò)LCD觸摸顯示屏完成人機(jī)交互功能。存儲(chǔ)器模塊由Flash RAM和SDRAM組成，實(shí)現(xiàn)引導(dǎo)程序存儲(chǔ)和執(zhí)行中的程序及產(chǎn)生的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[4]中有了較好的說(shuō)明。防盜檢測(cè)驅(qū)動(dòng)模塊包括汽車的車門智能卡傳感與檢測(cè)、位移傳感與檢測(cè)、點(diǎn)火傳感與檢測(cè)、電源傳感與檢測(cè)、方向盤傳感與檢測(cè)等，汽車防盜檢測(cè)驅(qū)動(dòng)接口部分通過(guò)各種傳感的聲學(xué)量和物理量的監(jiān)測(cè)，把監(jiān)測(cè)的參數(shù)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，由CAN總線傳送給ARM9處理?？傊?，系統(tǒng)在嵌入式芯片ARM9TDMI控制下，通過(guò)軟件和硬件的結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了汽車防盜報(bào)警智能化。下面主要對(duì)汽車智能防盜的關(guān)鍵部分車門智能卡、音頻報(bào)警模塊軟硬件及遠(yuǎn)程控制發(fā)射模塊硬件進(jìn)行研究。
2?系統(tǒng)關(guān)鍵硬件部分設(shè)計(jì)
2.1 智能卡硬件部分設(shè)計(jì)
智能卡（Smart Card）是把集成電路芯片嵌入塑料基片中，利用讀卡器，讀取卡上的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)行身份認(rèn)證。智能卡主要有存儲(chǔ)卡、邏輯加密卡和CPU卡。本系統(tǒng)中使用的存儲(chǔ)卡，選取Atmel公司的AT24C04。 AT24C04[5]是美國(guó)Ateml公司的AT24系統(tǒng)2線串行（I2C總線協(xié)議）EEPROM芯片。該芯片支持雙向數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，16 B頁(yè)面寫入方式，自定時(shí)寫入周期最大10 ms，具有高可靠性，可使用100 000次寫/擦除，數(shù)據(jù)保留期為100年，且提供多種封裝形式。存儲(chǔ)芯片為8引腳，其中4個(gè)引腳未引用，另外4個(gè)引腳分別為VCC、SCL、SDAT和GND。串行時(shí)鐘輸入SCL（Seial Clock Input），當(dāng)串行時(shí)鐘為上升沿時(shí)，數(shù)據(jù)輸入到芯片；串行時(shí)鐘為下降沿時(shí)，數(shù)據(jù)從芯片中輸出。串行數(shù)據(jù)SDA（Serial Data），設(shè)置為雙向串行傳送數(shù)據(jù)。該端為漏極開(kāi)路驅(qū)動(dòng)，可與任意數(shù)量的其他漏極開(kāi)路或集電極開(kāi)路器件“線或”。器件/頁(yè)面地址（Devicpage Addresses）有A2、A1、A0,它們作為器件的地址輸入端，應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)封裝中，在IC卡模塊封裝中不將A2、A1、A0引出到觸點(diǎn)上。
AT24C04的器件讀寫操作分成5個(gè)部分。（1）開(kāi)始狀態(tài)：SCL處于高電平時(shí)，SDA從高電平轉(zhuǎn)向低電平表示一個(gè)“開(kāi)始”狀態(tài)，該狀態(tài)表示一種操作的開(kāi)始，因此必須在任何其他命令之前執(zhí)行；（2）確認(rèn)應(yīng)答：所有地址和數(shù)據(jù)字以8位碼串行輸入/輸出EEPROM，EEPROM在收到每個(gè)地址或數(shù)據(jù)碼之后，置SDA于低電平作為確認(rèn)應(yīng)答，該確認(rèn)應(yīng)答發(fā)生于第9個(gè)時(shí)鐘周期；（3）輸出數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)按字節(jié)（8位）逐位輸出，每個(gè)時(shí)鐘脈沖輸出1位。SDA總線上的數(shù)據(jù)應(yīng)在SCL低電平期間改變，在SCL高電平期間穩(wěn)定；（4）輸入數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)按字節(jié)（8位）逐位輸入，每個(gè)時(shí)鐘脈沖輸出1位；在SCL低電平期間將數(shù)據(jù)送往SDA總線上，在SCL高電平期間SDA總線上的數(shù)據(jù)穩(wěn)定，供接口設(shè)備讀??；（5）停止?fàn)顟B(tài)：SCL處于高電平時(shí)，SDA由低電平轉(zhuǎn)向高電平表示一個(gè)“停止”狀態(tài)。該狀態(tài)表示一種操作的結(jié)束并將終止所有通信。
智能卡與ARM9芯片的連接利用I2C總線進(jìn)行通信，如圖2所示。
2.2 音頻報(bào)警部分硬件設(shè)計(jì)
嵌入式ARM9芯片S3C2410X的聲音報(bào)警電路，利用S3C2410X支持的I2S總線，結(jié)合音頻驅(qū)動(dòng)芯片UDA1341TS的部分功能，外加音頻功放電路，實(shí)現(xiàn)防盜報(bào)警。
音頻驅(qū)動(dòng)芯片UDA1341TS引腳功能描述如表1所示。
嵌入式ARM9芯片S3C2410X芯片的各種傳感器接收到監(jiān)測(cè)的物理參數(shù)，由S3C2410X進(jìn)行內(nèi)部處理，報(bào)警數(shù)據(jù)信號(hào)通過(guò)S3C2410X芯片的I2S接口輸出，即串行數(shù)據(jù)輸入（I2SDI）、串行數(shù)據(jù)輸出（I2SDO）、通道選擇（I2SLRCK）和串行時(shí)鐘（I2SCLK），連接到音頻驅(qū)動(dòng)芯片UDA1341TS的I2S音頻接口，即DATA0、DATA1、WS、BCK、SYSCLK端口。
本系統(tǒng)由KD-9561產(chǎn)生報(bào)警音樂(lè)，同時(shí)也可以提供個(gè)性化的報(bào)警聲音，利用音頻UDA1341TS芯片的聲音輸入接口，連接小型麥克風(fēng)，對(duì)UDA1341TS聲音輸入接口的模擬音頻信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，采集音頻數(shù)據(jù)信號(hào)，由ARM芯片的I2S控制器讀I2S總線，通過(guò)DMA2通道實(shí)現(xiàn)個(gè)性化報(bào)警音存放在內(nèi)核的DMA緩存區(qū)。保存的報(bào)警聲音數(shù)據(jù)傳輸由內(nèi)部總線送到內(nèi)存，然后傳到BDMA控制器通道，再通過(guò)I2S控制器寫入I2S總線，最后傳輸給音頻驅(qū)動(dòng)芯片UDA1341TS。音頻驅(qū)動(dòng)芯片對(duì)報(bào)警聲音的處理，由24與26腳輸出音頻信號(hào)，經(jīng)過(guò)功放進(jìn)行功率放大，揚(yáng)聲器轉(zhuǎn)換聲音報(bào)警。具體實(shí)現(xiàn)電路如圖3所示。
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2.3 汽車遠(yuǎn)程控制發(fā)射硬件部分設(shè)計(jì)
汽車遠(yuǎn)程控制由遠(yuǎn)程控制發(fā)射和遠(yuǎn)程控制接收兩部分組成，遠(yuǎn)程控制接收電路通過(guò)UHF無(wú)線接口，接收到遠(yuǎn)程控制信號(hào)，進(jìn)行解碼處理，送ARMS3C2410X芯片進(jìn)行處理。本文只研究發(fā)射部分，實(shí)際就是遙控發(fā)射器。本部分電路采用Atmel公司新型RF發(fā)送器芯片ATA5771作為汽車的遠(yuǎn)程控制發(fā)射器,芯片為系統(tǒng)級(jí)封裝 (SiP)，集成了Atmel知名的AVR微控制器ATtiny44V和RF發(fā)送器T5750/53/54，使用的頻率為868 MHz～928 MHz，并采用微型QFN24封裝，尺寸僅為5 mm x 5 mm，能夠用具有競(jìng)爭(zhēng)力的成本設(shè)計(jì)出極小的鑰匙。A5771的原理框圖如圖4所示。
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控制發(fā)射器作為指令的發(fā)射終端，它由ATtiny44把PA端口的按鍵信號(hào)，由內(nèi)部的ADC電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，寫入8 bit的數(shù)據(jù)總線并進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算，轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的控制命令，用T5750進(jìn)行FSK鎖相環(huán)調(diào)制發(fā)射。發(fā)射在UHF波段范圍內(nèi)。遠(yuǎn)程控制發(fā)射模塊主要由內(nèi)部SRM、EEPROM、PROGRAM FLASH、CPU核心、Power up/down、PLL和50Ω的微帶天線組成。CPU核心是整個(gè)控制器的核心，處理外部來(lái)的指令及運(yùn)算數(shù)據(jù)。鎖相環(huán)部分由PLL、VCO和XTO三部分對(duì)需發(fā)射的頻率和相位進(jìn)行控制，保證UHF信號(hào)的相位穩(wěn)定。微帶天線的阻抗為50Ω，實(shí)現(xiàn)RF信號(hào)與UHF無(wú)線信號(hào)的轉(zhuǎn)換。遠(yuǎn)程控制發(fā)射器具體電路如圖5所示。
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3 系統(tǒng)關(guān)鍵部分軟件設(shè)計(jì)
3.1智能卡部分軟件設(shè)計(jì)
智能卡驅(qū)動(dòng)程序的實(shí)現(xiàn)：
#define DTYPE_ALL?????? 0 //芯片控制命令
#define DTYPE_SECURITY? 1 //加密命令
#define DTYPE_ICCARD??? 2 //智能卡讀寫命令
...
#define ICCARD_IC2404_name “iccard24c04”
#define ICCARD_NAME “iccard”
typedef struct{
ICCARD_data card_data; /*IC卡數(shù)據(jù)*/
Int lasterrcode;?????? /*最后的錯(cuò)誤碼*/
Wait_queue_head_t wq;? /*等待隊(duì)列*/
Spinlock_t lock;?????? /*自旋鎖*/
}ICCARD_DEV;
...
*******************調(diào)用內(nèi)核函數(shù)*********
static struct file_operations mega8_iccard_fops={
owner: this_module,
? llseek: mega8_iccard_llseek,//IC卡定位函數(shù)
? read: mega8_iccard_read,? // IC卡設(shè)備文件系統(tǒng)讀函數(shù)
? write: mega8_iccard_write, // IC卡設(shè)備文件系統(tǒng)寫函數(shù)
? open: mega8_iccard_open,? //IC卡設(shè)備文件系統(tǒng)的打開(kāi)設(shè)備文件函數(shù)
? release: mega8_iccard_release,// IC卡設(shè)備文件系統(tǒng)的釋放設(shè)備文件函數(shù)
#if 0
poll: mega8_iccard_poll,
#endif
ioctl: mega8_iccard_ioctl,};
上面的程序可以把IC卡的驅(qū)動(dòng)加入到內(nèi)核當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)用戶文件系統(tǒng)的接口。用戶通過(guò)程序去調(diào)用內(nèi)核函數(shù)llseek、open、read、write、release、poll、ioctl的子程序，這里省略。
3.2 音頻驅(qū)動(dòng)部分軟件設(shè)計(jì)
//**************** [ Record_Iis ] ************
void Record_Iis(void){
unsigned int save_B, save_E, save_PB, save_PE;
Uart_TxEmpty(0);
ChangeClockDivider(1,1);??????? //1:2:4
ChangeMPllValue(0x96,0x5,0x1);? //FCLK=135428571Hz, PCLK=3.385714MHz
Uart_Init(33857142,115200);
Uart_Printf('[ IIS (Master Mode) Test (Record Using UDA1341 codec) ]n');
save_B = rGPBCON;??????
save_E = rGPECON;??????
save_PB = rGPBUP;
save_PE = rGPEUP;
IIS_PortSetting();
??????????? //--- Record Buf initialize
??? ??????? //Non-cacheable area = 0x31000000 ~ 0x33feffff
rec_buf = (unsigned short *)0x31000000;
pISR_DMA2 = (unsigned)DMA2_Rec_Done;
pISR_EINT0 = (unsigned)Muting;
rINTMSK = ～(BIT_DMA2);
Init1341(RECORD); //--- DMA2 Initialize
rDISRCC2 = (1<<1) + (1<<0);//APB, Fix?
rDISRC2 = ((U32)IISFIFO);//IISFIFO
rDIDSTC2 = (0<<1) + (0<<0); ????? ?//PHB, Increment
rDIDST2 = (int)rec_buf;//0x31000000 ～
rDCON2= (1<<31)+(0<<30)+(1<<29)+(0<<28)+(0<<27)+(1<<24)+(1<<23)+(1<<22)+(1<<20)+REC_LEN;
//Handshake, sync PCLK, TC int, single tx, single service, I2SSDI, I2S Rx request,
//Off-reload, half-word, 0x50000 half word.
rDMASKTRIG2 = (0<<2) + (1<<1) + 0;??? //No-stop, DMA2 channel on, No-sw trigger
//=========================================
void _WrL3Addr(U8 data){??????
S32 i,j;
rGPBDAT = rGPBDAT & ～(L3D | L3M | L3C) | L3C;
//L3D=L, L3M=L(in address mode), L3C=H
for(j=0;j<4;j++){ ??//tsu(L3) > 190ns
//GPB[4:2]=L3C:L3D:L3M
for(i=0;i<8;i++){???????????? ? ?//LSB first???
if(data & 0x1)?{??//If data's LSB is 'H'
rGPBDAT &= ～L3C;??//L3C=L
rGPBDAT |= L3D; ??//L3D=H????????????
for(j=0;j<4;j++);???//tcy(L3) > 500ns
rGPBDAT |= L3C;??//L3C=H
rGPBDAT |= L3D;??//L3D=H
for(j=0;j<4;j++);???//tcy(L3) > 500ns
}
else{????????????????????????????????????????? //If data's LSB is 'L'
??? ?? rGPBDAT &= ～L3C;?//L3C=L
????? rGPBDAT &= ～L3D;?//L3D=L
????? for(j=0;j<4;j++);??//tcy(L3) > 500ns
????? rGPBDAT |= L3C;??//L3C=H
????? rGPBDAT &= ～L3D;?//L3D=L
???? ? for(j=0;j<4;j++);??//tcy(L3) > 500ns???????????
}
data >>= 1;
}
rGPBDAT? = rGPBDAT & ～(L3D | L3M | L3C) | (L3C | L3M);???????????//L3M=H,L3C=H??
}
//==========================================
void _WrL3Data(U8 data,int halt) {
S32 i,j;
if(halt){
??????????? rGPBDAT? = rGPBDAT &～(L3D | L3M | L3C) | L3C;
??????????? //L3C=H(while tstp, L3 interface halt condition)???????
??????????? for(j=0;j<4;j++);?//tstp(L3) > 190ns
}
rGPBDAT? = rGPBDAT & ～(L3D | L3M | L3C) | (L3C | L3M);????????? //L3M=H(in data transfer mode)???????
for(j=0;j<4;j++);??//tsu(L3)D > 190ns
????????????????????????????????????? //GPB[4:2]=L3C:L3D:L3M
for(i=0;i<8;i++){
????if(data & 0x1) {????????????????? ?//if data's LSB is 'H'
????????????? rGPBDAT &= ～L3C;? //L3C=L
????????????? rGPBDAT |= L3D;?//L3D=H
????????????? for(j=0;j<4;j++);??//tcy(L3) > 500ns
????????????? rGPBDAT |= (L3C | L3D);?//L3C=H,L3D=H
????????????? for(j=0;j<4;j++);??//tcy(L3) > 500ns
}
else{????//If data's LSB is 'L'
??? ?? rGPBDAT &= ~L3C;??//L3C=L
??????? rGPBDAT &= ~L3D;??//L3D=L
??????? for(j=0;j<4;j++);???//tcy(L3) > 500ns
???????? rGPBDAT |= L3C;???//L3C=H
??????????????rGPBDAT &= ～L3D;??//L3D =L
????????????? for(j=0;j<4;j++);???//tcy(L3) > 500ns
}
data >>= 1;???//For check next bit
}
rGPBDAT? = rGPBDAT & ～(L3D | L3M | L3C) | (L3C | L3M);????????? //L3M=H,L3C=H
}
本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)得以很好的實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)采用ARM9作為系統(tǒng)處理控制中心，應(yīng)用智能卡和新型遠(yuǎn)程控制UHF無(wú)線發(fā)射技術(shù)，結(jié)合音頻驅(qū)動(dòng)報(bào)警功能，實(shí)現(xiàn)了智能化、性能優(yōu)良、安全可靠、性價(jià)比高的防盜系統(tǒng)。課題現(xiàn)正向基于人體生物防盜方向發(fā)展，未來(lái)將增加指紋自動(dòng)識(shí)別汽車防盜功能。
參考文獻(xiàn)
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