基于時間觸發(fā)模式的汽車防盜系統(tǒng)的設(shè)計
一種基于時間觸發(fā)模式的汽車防盜系統(tǒng)的設(shè)計
1.引言
目前防盜器市場的主流產(chǎn)品是電子式防盜器，分為單向防盜器和雙向防盜器，這兩種防盜器都是車主通過遙控器來控制汽車，雙向防盜器可以把車輛的真實狀況反饋給車主。
GPS汽車防盜器依托全球定位系統(tǒng)，它將報警信息和報警車輛所在位置無聲地傳送到報警中心。由于車主不能直接控制車輛，價格和使用費用較高，使其推廣應(yīng)用受到很大限制，目前還沒有普遍使用。GSM汽車雙向防盜器是網(wǎng)絡(luò)式防盜器的后起之秀，它依托全球GSM網(wǎng)絡(luò)，車主可直接通過手機接受報警和控制車輛，性能價格比較好，它代表著汽車防盜器的發(fā)展趨勢，自推出以來收到客戶的青睞。
本文提出的汽車嵌入式車載防盜系統(tǒng)屬于GSM防盜系統(tǒng)，沒有采用昂貴的GPS模塊，CPU采用了C51單片機，市場價格低廉，經(jīng)過多年工業(yè)應(yīng)用，穩(wěn)定可靠，具有很高的性價比。
2.時間觸發(fā)模式
電子控制系統(tǒng)一般都是實時系統(tǒng)，常需要處理許多并發(fā)事件的輸入數(shù)據(jù)。這些事件的到來次序和幾率通常都是不可預(yù)測的，而且還要求系統(tǒng)必須在事先設(shè)定好的時限內(nèi)作出響應(yīng)。
對于如何控制系統(tǒng)的復(fù)雜行為，普遍采用的是事件觸發(fā)方案，即系統(tǒng)的所有行為響應(yīng)外部事件而執(zhí)行。然而，中斷丟失與事件觸發(fā)系統(tǒng)的開銷是人們經(jīng)常忽略的問題。為了滿足安全，低成本及程序盡可能簡單等苛刻要求，電子控制系統(tǒng)的開發(fā)最終走向事件觸發(fā)結(jié)構(gòu)。事件觸發(fā)意味著所有的采樣輸入，計算輸出結(jié)果等相關(guān)的動作在預(yù)定的時間前執(zhí)行，因而能保證準(zhǔn)確的調(diào)度時間。
時間觸發(fā)模式是一種利用MCU的硬件定時器產(chǎn)生的時標(biāo)信號對多任務(wù)進行調(diào)度的嵌入式軟件模式，它可以應(yīng)用于8位51系列單片機上。時間觸發(fā)模式可以將控制精度控制在毫秒級，很適合于實時控制系統(tǒng)。在時間觸發(fā)嵌入式系統(tǒng)中，設(shè)計人員能夠通過仔細(xì)安排可控的順序，保證一次只處理一個事件。除了能夠提高可靠性之外，時間觸發(fā)模式中對于存儲器及 CPU資源的占用很少，即使在小型嵌入式系統(tǒng)中采用這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，也能從中獲益。
時間觸發(fā)合作式調(diào)度器通常通過一個定時器硬件定時器來實現(xiàn)，多有的任務(wù)都是時間觸發(fā)的，這也意味著出了定時器中斷以外，沒有其他形式的中斷。硬件定時器將被設(shè)置為產(chǎn)生一個周期中斷信號，這個周期中斷信號頻率可以到1KMz。
時間觸發(fā)合作調(diào)度器的主要功能就是喚醒預(yù)先確定好時間執(zhí)行的任務(wù)。在工作期間，調(diào)度器檢查靜態(tài)的任務(wù)鏈表，根據(jù)任務(wù)的周期判斷是否有任務(wù)需要執(zhí)行。如果有則立即執(zhí)行任務(wù)；任務(wù)執(zhí)行完后繼續(xù)檢查任務(wù)鏈表，重復(fù)上一個過程。完成鏈表檢查后，CPU可以進入休眠狀態(tài)，等待下一個時鐘節(jié)拍的到來。其任務(wù)調(diào)度機制如圖1所示。由于合作式調(diào)度器能保證在同一時刻，系統(tǒng)中只有一個任務(wù)被觸發(fā)，而且在任何時刻系統(tǒng)中都可以保證有任務(wù)在執(zhí)行。這樣，系統(tǒng)的使用效率得到了提高。
合作式調(diào)度器可靠且可預(yù)測的主要原因式在任何時刻只有一個任務(wù)是活動的，這個任務(wù)運行直到完成，然后把CPU的控制權(quán)交給調(diào)度器。如果采用搶占式調(diào)度，有多個活動任務(wù)執(zhí)行“上下文切換”和“關(guān)鍵段保護”等將增加系統(tǒng)的開銷。許多研究表明，相對于搶占式調(diào)度器，合作式調(diào)度器具有很多優(yōu)點。
3.系統(tǒng)概述
3.1系統(tǒng)功能分析和狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖
經(jīng)過需求分析，我們定義了系統(tǒng)應(yīng)該實現(xiàn)的功能如下：
1）系統(tǒng)將監(jiān)視汽車發(fā)動機的狀態(tài)；
2）系統(tǒng)可以接受手機用戶的設(shè)置，并設(shè)置手機號碼；
3）如果系統(tǒng)報警開啟，汽車啟動時，將通過無線模塊給指定的手機用戶報警；
4）系統(tǒng)接受手機用戶的控制短信，對汽車進行斷油，斷電處理；
5）系統(tǒng)接受手機用戶的查詢短信，可以報告汽車的位置，在市區(qū)可以精確到無線小區(qū)；
6）系統(tǒng)將采取確定的措施以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
以上的各項目標(biāo)功能同時也是衡量系統(tǒng)設(shè)計的指標(biāo)。在以后面的設(shè)計中，我們將利用有限狀態(tài)機等工具將各項功能進行進一步細(xì)化，直到完成系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。
基于對系統(tǒng)工作流程的分析，進一步我們可以設(shè)計出系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖（圖2），從上面我們可以清晰的看到系統(tǒng)的工作流程。
3.2系統(tǒng)模塊構(gòu)成
嵌入式系統(tǒng)設(shè)計中常用模塊化設(shè)計方法，以降低開發(fā)難度，減少各個部分之間的耦合度，增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如圖所示，整個系統(tǒng)主要由CPU，傳感器，RS232 接口以及GSM模塊構(gòu)成。其中CPU是系統(tǒng)的核心控制部分，負(fù)責(zé)接受各模塊信號，進行處理，并控制其它模塊；傳感器探測汽車被啟動；GPRS模塊用來收發(fā)短信，向車主手機通過RS232接口與CPU進行通信；電子開關(guān)電路用于控制汽車電路系統(tǒng)，能夠達到對汽車斷油，斷電的目的。
3.3系統(tǒng)硬件部分
1）采用了Atmel公司生產(chǎn)的AT89S52單片機作為處理核心，該處理器有32個I/O口，3個Timer，最多支持8個中斷。因為256B的片上RAM資源不夠，所以系統(tǒng)使用了擴展的64KRAM，此外AT89S52的8K片上flash對于該系統(tǒng)來說已經(jīng)足夠。該處理器可以支持不同的功耗模式，適用于對于成本和功耗敏感的場合。
CPU外接型號為AT24C01的EEPROM作為數(shù)據(jù)存儲器，用來存放車主電話號碼等信息。AT24C系列串行E2PROM具有I2C總線接口功能，功耗小，寬電源電壓（根據(jù)不同型號2.5V～6.0V），工作電流約為3mA,靜態(tài)電流隨電源電壓不同為30μA～110μA。系統(tǒng)中使用了P2口模擬I2C總線與E2PROM連接，這樣的方式相比硬件實現(xiàn)I2C協(xié)議可以簡化電路，降低成本。
AT89S52芯片中提供了內(nèi)置看門狗，在一定的時間周期內(nèi)，我們必須對看門狗的寄存器進行設(shè)置，如果沒能及時設(shè)置，看門狗將使系統(tǒng)復(fù)位。
2）每臺終端在使用前需要進行初始化設(shè)置。該設(shè)置是通過串口來完成的，通過復(fù)用與GPS連接的串口來實現(xiàn)終端設(shè)備的初始化。需要定義好其通信協(xié)議和需要配置的具體內(nèi)容。
3）該終端安裝在汽車比較隱蔽的地方，采用汽車電源供電的方式。該終端的主要功能是負(fù)責(zé)GPS信號的接收處理、告警數(shù)據(jù)的上報、中心控制命令的接收、處理及命令的執(zhí)行等工作。
4）GPRS模塊采用法國WAVECOM公司Q2406B,上傳速率可達2618kbits/s,下載速率可達5316kbits/s。GPS模塊有以下兩種選擇：
a）直接選擇串口連接方式的GPRSMODEM。
b）選擇內(nèi)置的GPRS模塊外加天線的設(shè)計方法。
采用第一種方法可以降低開發(fā)和維護的難度，而且安裝方便，但是成本比較高。第二種方法需要在硬件上設(shè)計相關(guān)的電路，開發(fā)難度較大，不過可以降低成本。
5）車輪速度傳感器也叫輪速傳感器或轉(zhuǎn)速傳感器，它可以測出車輪與驅(qū)動軸共同旋轉(zhuǎn)的齒圈數(shù)，然后產(chǎn)生與車輪轉(zhuǎn)速成正比的交流信號。車輪速度傳感器信號通過ADC電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳送給CPU進行判讀。
3.4任務(wù)的設(shè)計
通過對圖2以及系統(tǒng)功能的分析我們將系統(tǒng)軟件劃分為多個任務(wù)，任務(wù)的名稱，任務(wù)周期以及執(zhí)行時間等信息如表1所列。
在表列出的各項任務(wù)中，Task1每1ms對buffer進行查詢，如果有需要收發(fā)的信息，馬上通過串口收發(fā)。串口收到的string流存放到緩沖區(qū)中，交給Task2進行處理。Task2周期為1s，負(fù)責(zé)PUD短信的編解碼，對命令的識別和控制信號的發(fā)送，它是系統(tǒng)中最耗費資源的任務(wù)。Task3每隔10s執(zhí)行一次，它對車速傳感器采集的信號進行判別，如果需要告警，則將消息發(fā)送給Task2進行處理。Task4每48ms檢測一次消息，完成對汽車控制信號的發(fā)送。Task5在小于16383個CPU機器周期內(nèi)（這里以12ms為周期），對看門狗進行置位，保證系統(tǒng)的正常運行。
根據(jù)合作式調(diào)度器的原理與各任務(wù)的周期，設(shè)置定時器每1ms產(chǎn)生一個周期中斷信號。因為有多個任務(wù)的執(zhí)行時間超過1ms,Task1無法按規(guī)定的頻率執(zhí)行。因此采用直接將Task1包含進定時器中斷服務(wù)子程序的方法，從而使所有任務(wù)的周期及執(zhí)行時間均能滿足系統(tǒng)任務(wù)可調(diào)度的要求。
在工程中采用事件觸發(fā)模式很大程度上會增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，導(dǎo)致龐大的代碼結(jié)構(gòu)。這樣的代碼長度及復(fù)雜性不適合普通開發(fā)人員構(gòu)建，而商業(yè)實時操作系統(tǒng)往往價格昂貴，并且需要很大的操作系統(tǒng)開銷。采用基于時間觸發(fā)模式開發(fā)系統(tǒng)可以滿足實時、簡單、可預(yù)測性等工程要求。在應(yīng)用實例中也可以看到，對于任務(wù)周期與執(zhí)行時間相差懸殊的任務(wù)，為滿足可調(diào)度性的要求，將需頻繁執(zhí)行的短任務(wù)加入定時器中斷服務(wù)子程序的方法延長了中斷處理的時間，同時削弱了系統(tǒng)實時響應(yīng)能力及可預(yù)測能力。此外，也可以通過將執(zhí)行時間長的任務(wù)分解成幾個執(zhí)行時間短的任務(wù)來滿足任務(wù)可調(diào)度性。相對于事件觸發(fā)模式，時間觸發(fā)模式對工程技術(shù)人員的要求更高。
4.結(jié)語
通過軟硬件的設(shè)計，汽車防盜系統(tǒng)實現(xiàn)了對汽車的實時監(jiān)控和報警，并能實現(xiàn)硬件硬件防盜功能。汽車電子中嵌入式系統(tǒng)得到了大量運用，如何整合汽車的原有資源，設(shè)計出強大而且實用的應(yīng)用，將是未來汽車嵌入式開發(fā)的目標(biāo)。
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