汽车行驶状态记录仪设计论文开题报告.doc

南昌大学共青学院本科生毕业论文（设计）开题报告论文题目汽车行驶记录仪状态设计课题性质 基础研究 应用课题 设计型 调研综述 理论研究学生姓名彭闯萍指导教师虞礼贞学 号8110109024专 业电子信息工程系 别信息工程系班 级09电信本开题报告内容：（包括拟研究或解决的问题、采用的研究手段等，不少于2000字）一、研究目的及意义汽车行驶状态记录仪是一种安装在汽车上实现类似于飞机“黑匣子”功能的设备，它可以全程记录汽车行驶数据，并通过对所记录的行驶信息数据进行分析,从而对车辆的各种状况予以精确的掌控。本课题主要研究基于单片机的汽车行驶状态记录仪系统设计，实现对汽车行驶过程中实时信息的采集、处理、传送和存储。首先，汽车内部霍尔传感器传过来的一对分差信号经过适当的变换变成一个脉冲信号提供给单片机系统，然后单片机系统将采集到的信息经过适当的运算处理之后存储起来并进行处理。另外，当汽车超速时，系统会发出警报，以提醒司机减速。本课题设计的汽车行驶状态记录仪可有效预防驾驶员违章驾驶、遏制重大交通事故，具有准确性、高效性和易用性等。学生签名： 年 月 日二、国内外相关研究现状 1.国外有关 国外对汽车行驶记录仪的认识比较早，20世纪70年代后期，欧洲率先推出了机电模拟式汽车行驶记录仪。目前，较为流行的为纸盘机械式汽车行驶记录仪。 国外汽车行驶记录仪发展至今，一直为机械式记录仪。随着电子信息技术的迅速发展，欧盟开始制订数字式记录仪的技术标准和法规，并规定从2004年8月起，在新注册的机动车上强制安装数字式记录仪，已经逐渐替代现行传统的纸盘模拟记录仪。目前较为常见的电子式记录仪包含：记录仪、显示器、数据采集处理卡、传感器以及pc机处理软件等几个部分，其中数据采集处理卡为便捷式的磁卡，可插入记录仪进行数据采集，亦可将采集到的数据送计算机进行图像处理和事故分析。2001年8月，日本某汽车研究所开发小组研制出能记录交通事故发生时驾驶数据的记录仪。它通过传感器记录速度、方向角度、刹车或急转弯使汽车达到一定的加速度以上时，便判断为“事故”，并将“事故”发生前十秒和后五秒间的各种数据自动记录入磁盘中。同时采用图像处理技术，利用相机自动收录“事故”发生前十秒和后五秒间从驾驶席上能看到的场面。但是这种基于传感器和图像处理的汽车行驶记录仪价格昂贵，使得这种产品最终没有得到广泛的应用。 2.国内对汽车行驶记录仪的认识晚于国外。80年代末，几家国营、民营、合资企业开始着手研制、推广记录仪。到目前为止，我国生产汽车行驶记录仪的企业多达70余家，产品上百种，并不断有新品推出。经过国家有关权威部门检验合格后，开始在全国各省市推广使用记录仪对提高车队的营运效率和降低事故率等方面的显著效果，受到物流运输、汽车租凭、企事业车队、保险公司和交通管理部门的欢迎。但由于它的安装配套成本相对较大，目前私家车安装使用的比较少。 欧盟推广使用的汽车行驶记录仪大多以机械式为主，以纸盘机械式汽车行驶记录仪为例，这种产品价格昂贵，维护费用高，还需要人工填写姓名、行驶里程，使用起来极为不便。我国的产品均为数字式的电子设备，能够实时监测记录车辆行驶的各种状态信息、有效准备地鉴别驾驶员身份，同时还具备超速报警功能、具备串口通信接口以及打印输出功能。各类产品体积小巧、价格合理、无需专人维护且使用方便。国内记录仪的市场虽然已经初具规模，但是各类产品在数据结构和格式、数据传输方式等方面还是有较大差异，这对记录仪的规范管理和大面积推广极为不利。而且绝大多数产品采用的主处理器为8位或者16的单片机，这也将极大地限制记录仪系统的接口扩展、功能的完善以及实时性能的提高。 三、研究内容 1 功能和技术指标汽车行驶状态记录仪包括汽车行驶记录仪的主机和计算机端的数据分析软件这两部分组成。本课题中重点设计汽车行驶记录仪的主机部分。 参照汽车行驶状态记录仪的国家标准(gb/t19056-2003)的要求，本课题所设计的汽车行驶记录仪主要实现如下功能：自检功能；实时时间、日期及驾驶时间的采集、记录、存储功能；车辆行驶速度的测量、记录、存储功能；车辆行驶里程的测量、记录、存储功能；驾驶员身份记录功能；键盘操作功能；数据显示；数据通信功能 2。2 系统总体结构根据记录仪功能要求和工作特点，在设计时主要从运行可靠性、记录数据准确性及数据存储容量三方面考虑。系统的总体设计如图1所示。在图1中，单片机系统是整个系统的核心，通过硬件和内部软件的配合控制整个系统的运行。供电单元的作用是将汽车内部配电模块提供的电压转换成记录仪可以正常工作的电压，这其中为了避免汽车内部电机的干扰，需要进行屏蔽。信号采集模块是指将汽车内部霍尔传感器传过来的一对差分信号经过适当的变换变成一个脉冲信号提供给单片机系统，这其中需要用光耦模块进行隔离，来避免强脉冲信号对电路板的干扰。信息存储是指单片机系统将采集到的信息经过适当的运算处理后存储到ic图1 汽车行驶状态记录仪系统结构框图 智能卡中，ic卡中的信息可以长时间保存，可以用读卡设备读出其中的信息，然后进行分析。键盘输入和液晶显示是常用的单片机输入/输出模块，用户可以输入特定的信息，也可以看到实时的速度、里程及时间等信息，可以做出实时判断。设计这样的单片机系统还要用到可编程逻辑器件，它可以灵活方便地产生译码、控制等信息。四、研究方法4.1. 系统硬件设计1 记录仪的供电记录仪需要的是+5v供电，而汽车内部产生的供电是+12v，所以系统需要供电模块来实现+12v+5v的电源变换，其工作原理如图2（1）、2（2）所示 图2（1） 电源部分原理图 图2(2)电源部分原理图图2（2）中mc34063是美国ai公司的dc/dc转换控制电路芯片，其输入电压为330v范围之内，内部有1.6a的峰值电流切换电路，它的工作频率在100hz100khz，器件内部具有比较器、温度补偿电路，以及周期振荡器，它是带有有效电流限制电路的受控周期振荡器。mc34063主要应用于dc-dc转换模块，它内部 的工作原理如图3所示。图中第五脚是反馈脚，通过电压的反馈控制以确保输出稳定的+5v电压 3。 2 信号采集模块对于整个系统来说，获取行驶状态信息是所有的工作前提，系统的首要任务是采集汽车的行驶状态信息，包括速度、里程等。汽车内部有自己的传感器，也就是有现成的信号提供给记录仪。汽车轮子每转一周，会通过车子内部的霍尔传感器送出一对差分信号，此差分信号经过信号采集模块获得一个对应的脉冲信号，通过对脉冲信号计数，以及已知的轮子直径信息计算，得到车子的运行速度，然后根据速度和计时信息就可算出里程 4。 图3 mc34063内部工作原理图4信号采集源模块原理图信号采集模块的电路原理图如图4所示。图中u8是东芝公司的单光耦芯片tlp521-2，实际上它的内部就是两组光敏三极管，如图5所示。光敏三极管是利用硅pn结的光电效应制成的，使用过程中，其基极通常开路，基极-集电极产生的光感生电流直接反馈入基极，并被光敏三极管自己所放大，因此光敏三极管的灵敏度比光敏二极管通常要大100多倍。光敏三极管的最大工作频率只有几百khz 5。记录仪上的+5v工作系统是弱点电路，因此汽车内部提供的图5 单光耦芯片tlp521内部工作框图脉冲信号在送入记录仪之前必须经过光耦隔离的处理。光耦模块主要就是通过电-光-电的变换将电信号隔离开来的，它可以避免一侧对另一侧产生的干扰。图4中hp和fp是汽车轮子转一周内部提供的分差信号，它在通过信号采集模块后产生sig信号，以达到状态记录仪系统可以使用的信号； pb为屏蔽线，由它构成了屏蔽网络，有效地屏蔽了汽车电动机等对硬件电路的干扰。通过屏蔽和光耦隔离，得到波形干净的sig信号，则完成信号采集功能。采集到的sig信号需要送到可编程逻辑器件中进一步处理，再由单片机系统对处理后的结果进行相应的运算，可以得到速度、里程等状态信息 6。3.单片机模块对于整个汽车行驶状态记录仪系统而言，单片机模块起到控制和枢纽作用，是其中最重要的部分，其工作原理如图6所示。图中u4为12m晶振，它为单片机提供稳定的12mhz工作时钟。图6中u1为at89s8252，是atmel公司的带有8kb flash的8位微控制器单片机芯片，它完全与mcs-51系列单片机兼容（从指令集到引脚）。和51单片机相比at89s8252还具有一些增强型的功能，例如它的某些p1口可以配置成特殊的功能来使用。在本课题中将p14、p15、p16和p17配置成spi（serial programming interface）接口，因为记录仪最终需要将记录的车辆行驶状态信息存入ic卡，而ic卡是通过spi口存储的，这也是选用单片机芯片at89s8252的重要原因之一。 图6单片机模块原理图spi接口可以配置成主模式或从模式，配置方法可参照表3-1。表3-1 p1口配置成spi接口端 口增 强 功 能p14ss（主/从模式选择输入）p15mosi（主模式数据输出/从模式数据输入）p16miso（主模式数据输入/从模式数据输出）p17sck（主时钟输出/从时钟输入）由表3-1可知，主从模式的选取是通过p14脚输入信号的高低来决定的，低电平为从模式，高电平为主模式。在此选用主模式，p1口的57脚作为spi接口使用，和后文将介绍的ic卡芯片相连 7。图7 单片机模块键盘部分原理图 at89s8252的p1口剩下的4个引脚用于键盘的设计，原理如图7所示。记录仪的键盘设计比较简单，只用了4个按键，s2表示“+”键，用于输入数字；s3表示“-”键，用于移位操作；s4表示“clr”键，用于清除操作；s5表示“ent”键，用于确认操作 8 。单片机的复位信号hrst由单片机监控电路产生，如图8所示。监控芯片采用美信公司的max707，其1脚mr为手动复位脚，低电平有效，当1脚电压低于0.8v时，芯片的8脚hreset（高电平有效）和7脚lreset（低电平有效）产生复位指示信号。max707的pfi和pfo脚是用于检测上电失败（power-fail）的，在此将pfi接vcc，不作使用。max707是一款较为简单的单片机监控芯片，不具有看门狗的功能。选用它是因为at89s8252内部带有看门狗的设计，其内部寄存器wmcon专门用于看门狗和内存的控制，该寄存器的高3位ps2、ps1和ps0用于设置看门狗定时器周期；位0是看门狗使能位；位1用于看门狗定时器的复位。通过at89s8252内部的看门狗可以防止程序跑飞或进入死锁状态 9。 图7 单片机模块键盘部分原理图图8 单片机监控电路原理图单片机的外部中断0由外部按键“fun”产生，“fun”是系统的功能键，在汽车到站停车的时候按下此键，然后主屏会显示提示信息，这时可以输入到站站号。单片机的定时中断0由日历时钟芯片ds12877产生，ds12877的23脚是频率可控的方波信号输出脚，方波信号如同时钟信号，它直接和单片机的int0脚（外部中断0）相连，这样可在单片机程序中定时产生中断，并且定时时间可自行设定。同时此“clk”信号还提供给可编程逻辑器件作为它内部模块需要的时钟信号。at89s8252的p0口用做地址数据复用总线ad0ad7，和30脚的ale输出配合使用，这和普通51单片机的使用方法相同，在此不作详细说明。 at89s8252的p2口用做其他功能。p20脚csb和p21脚csa和液晶显示模块接口相连，由单片机控制产生液晶显示模块内部的芯片选择信号；p23脚oe是单片机输出给可编程逻辑器件的，此信号作为可编程器件内部实现的一个计数模块的输出使能脚；p24脚“speed”设置为超速信号输出脚，单片机程序根据采集的脉冲信号计算出实时的速度并与设定的速度门限比较，超出就置高，然后超速报警红灯亮；p25脚r/w和p26脚d/i也是提供给液晶显示模块使用的，前者为读/写控制，后者为液晶显示模块内部移位寄存器的数据输入/输出控制信号；p27脚和可编程逻辑器件相连，它主要用于地址译码 10。4. 可编程逻辑器件图9 可编程逻辑器件工作原理图本系统中可编程逻辑器件主要完成的功能包括：脉冲信号的计数、定时器和产生芯片选择信号。实现的功能较为简单，使用端口不多，故选用altera公司的epm7032s44。可编程逻辑器件电路的工作原理如图9所示。可编程逻辑器件设计的常用方法有图形输入法和文本输入法，这里采用了图形输入和文本输入结合的方式，开发工具选用altera公司的开发软件maxplus，设计的gdf文件如图10所示11。图10 可编程逻辑器件顶层图形输入设计由图10可知，液晶显示模块和日历时钟芯片的片选信号由读、写信号及最高位地址线a15经过简单的逻辑电路搭建而成，这实际上就是一个地址译码电路。图中另外一部分电路由两个子模块timer和sigcounter构成，它们的作用是对信号采集模块采集到的信号sig进行计数，结果通过系统的地址/数据复用总线送给单片机处理。timer模块用vhdl语言实现，代码如下： subdesign timer（clk : input;suocun : output;）variable f3.0 : dff; suocun : dff;begin f.clk=clk; suocun.clk=clk; f.d=(!suocun)&(f+1); suocun.d=f3 & !f2 & !f1 & !f0;end; timer模块的输入信号为日历时钟芯片产生的方波信号，输出为计数模块sigcounter需要的锁存信号“suocun”。 计数模块sigcounter也采用vhdl编程实现，代码如下： subdesign sigcounter (sig, lrst, suocun, oe : input;ad7.0 : output;)variable cnt07.0 : dff; cnt17.0 : dff; reg4.0 : dff; tnode7.0 : tri_state_node;begin reg0.clk=suocun;reg0.d=!reg0; reg1.clk=!oe; reg1.d=!reg0; reg2.clk=!suocun; reg2.d=reg0; reg3.clk=!oe;reg3.d=reg0;reg4.clk=!suocun;reg4.d=!reg0;cnt0.clk=sig & reg0; /计数cnt1.clk=sig & !reg0;cnt0.clrn=lrst &(reg3.q # reg4.q);cnt1.clrn=lrst &(reg1.q # reg2.q);cnt0.d=cnt0+1;cnt1.d=cnt1+1;tnode7=tri(cnt07.q, oe & !reg0); /三态门tnode7=tri(cnt17.q, oe & reg0);tnode6=tri(cnt06.q, oe & !reg0);tnode6=tri(cnt16.q, oe & reg0);tnode5=tri(cnt05.q, oe & !reg0);tnode5=tri(cnt15.q, oe & reg0);tnode4=tri(cnt04.q, oe & !reg0);tnode4=tri(cnt14.q, oe & reg0);tnode3=tri(cnt03.q, oe & !reg0);tnode3=tri(cnt13.q, oe & reg0);tnode2=tri(cnt02.q, oe & !reg0);tnode2=tri(cnt12.q, oe & reg0);tnode1=tri(cnt01.q, oe & !reg0);tnode1=tri(cnt11.q, oe & reg0);tnode0=tri(cnt00.q, oe & !reg0);tnode0=tri(cnt10.q, oe & reg0);ad=tnode; /输出 end; 5 日历时钟芯片汽车行驶状态记录仪需要对状态发生时所对应的时间信息做相应的记录，以便以后的分析使用，所以需要获取详细的时间信息。文中选用达拉斯半导体公司的芯片ds12887。图11 日历时钟芯片ds12887工作原理图ds12887是一款实时时钟芯片，内部有锂供电的石英晶振，它可以在无外部供电的情况下将数据保存10年以上。它内部通过计数可以实现时间的记录，时间信息可以详细到时、分、秒、年、月、日，以及星期；时间显示模式可以选择带有“am”和“pm”指示的12小时模式及正常的24小时模式；芯片可以提供闹钟的设置，在芯片内部有15个字节的时钟和控制寄存器，以及113个字节的通用ram空间，另外还提供有关于世纪信息的寄存器。ds12887采用的是8位地址/数据复用的总线方法，复用的实现方法和51单片机一样，都是通过锁存信号as实现地址的锁存，然后通过读、写的时钟配合实现数据的输入/输出。时间和日期等信息存放在芯片内部的固定寄存器中，通过正确的寻址就可以获取需要的时间信息。日历时钟芯片ds12887的工作原理如图11所示。 图11中ad0ad7即为8位地址/数据复用总线，它们和单片机at89s8252的p0口直接相连，as为锁存输入脚，它和at89s8252的锁存输出脚ale直接相连，这样即可实现数据和地址线的时分复用。ds12887有两种工作时序，即motorola和intel时序，由mot引脚的电平指定。当mot接高电平时，芯片工作在motorola总线定时方式；接gnd或者悬空则选择的是intel总线定时方式。图中选择后者，也就是mot引脚接gnd。在intel总线定时方式下，芯片的17脚ds起的是读使能的作用，15脚r/w起的是写使能（低电平有效）的作用。 是ds12887的片选脚，低电平有效，它由可编程逻辑器件产生，在对ds12887内部空间（如寄存器）操作的时候，可编程逻辑器件会通过所操作的地址产生低电平有效的cs信号输出给芯片ds12887 12。图12 日历时钟芯片ds12887内部工作原理框图芯片的23脚是方波输出脚sqw，它可以对芯片内部晶振产生的时钟分频得到方波输出，方波的输出频率可通过设置内部的特定寄存器来改变，方波信号也可作为时钟来使用。芯片ds12887的内部工作原理如图12所示。由图12可知，ds12887内部可看成由电源、时间信息、寄存器和存储器，以及总线接口4部分构成，4部分配合工作，共同实现了芯片的功能。图11中ds12887的方波输出脚sqw用来产生时钟信号。由图12可知，sqw信号是由芯片内部晶振通过多个分频电路分频产生的，sqwe是方波信号的输出使能控制位；寄存器a的低四位rs0rs3是方波信号的输出频率选择位。它们对sqw的操作方法可参见表3-2。比如要产生频率1mhz的时钟信号，寄存器的设置为：sqwe=0；rs3=0；rs2=1；rs1=1；rs0=0表3-2 sqw输出频率选择表sqwe(reg b的bit 3)select bits reg asqw 输出频率rs3rs2rs1rs000000none00001256hz00010128hz000118.192khz001004.096khz001012.048khz001101.024khz00111512hz01000256hz01001128hz0101064hz0101132hz0110016hz011018hz011104hz011112hzds12887的内存空间为128个字节，且这128个字节都是掉电非易失性的，其空间映射图如图13所示。由图可知ds12887的11个字节专门用于存储实时时间信息，字节0为秒，字节2为分，字节4为时，字节6为星期，字节7为日，字节8为月，字节9为年，字节50为世纪； 4个字节0ah0dh分别为寄存器a、b、c、d，专门用于控制和存放状态信息，剩下的113个字节为用户可以使用的普遍ram空间。直接对合适的字节地址操作，就可以设定或获取所需要的时间。ds12887实时时钟芯片可以产生详细的时间和日期信息，可以记录汽车行驶过程中各种状态发生时对应的时间信息，它完全满足系统的功能要求图13 日历时钟芯片ds12887工作原理图6 液晶显示模块对于现在流行的嵌入式电子产品，如便携式仪表、智能电器，消费类电子产品等，显示输出模块是必不可少的，而在诸多的显示方式中，液晶显示已经成为首选。对于汽车行驶状态记录仪来说，需要液晶显示界面来让用户及时了解汽车行驶过程中的重要状态信息。本文中液晶显示模块lcd（liquid crystal display）选用图形液晶显示模块gxm12864，它是一种采用低功耗cmos技术实现的点阵图形lcd模块，内含ks0108b/hd61202控制器，有8位微处理器接口，通过内部的12864位映射ddram（display data ram）实现128点64点大小的平板显示。该液晶显示模块使用ks0108b作为列驱动器，同时使用ks0107b作为行驱动器。ks0107b不与mpu发生联系，只要提供电源就能产生行驱动信号和各种同步信号，比较简单。gxm12864的内部逻辑电路如图14所示 13。图14 液晶显示模块gxm12864内部逻辑电路图在gxm12864中，两片ks0108b的adc均接高电平，rst也接高电平。跟ks0108b（1）的cs1相连，跟ks0108b（2）的cs1相连，因此、=01选通ks0108b（1），、=10选通ks0108b（2），为其他值时禁止选通，总线处于高阻态。 gxm12864的引脚定义如表3-3所示。表3-3 gxm12864引脚定义引脚名称引脚定义片选1片选2vss数字地vdd逻辑电源+5vvo对比度调节d/i指令数据通道r/w读/写选择e使能信号，数据在下降沿时被写入lcm；在高电平时被读出lcmdb0db78位数据线rst复位信号vee液晶驱动电源a背光正电源端k背光接地端gxm12864共有20个引脚，其中db0db7是8位双向数据总线，它的方向由读写控制脚r/w来决定，高电平为读，此时数据出现在总线上，可以由cpu读走；低电平为写，可以写入8位数据。e为使能信号脚，在e的下降沿，数据被锁存写入ks0108b，在e高电平期间数据被读出。d/i是数据指令选择脚，为高电平表示数据操作，低电平表示写指令或读状态 14。gxm12864模块的工作原理如图15所示。图中电位器r10的作用是调节提供给驱动器的供压，从而调节液晶显示的对比度。rst是复位脚，接高电平vcc。数据线db0db7和单片机的p0口相连，控制线d/i、r/w和片选线、分别与单片机p2口的6、5、1、0脚相连。列驱动芯片ks0108b与ks0107b配合对液晶屏进行列驱动，可直接与8位微处理器相图15 液晶显示模块gxm12864工作原理图连。ks0108b驱动器具有如下特点： 内部有64*64=4096位显示ram，ram中每位数据对应lcd屏上一个点的亮暗状态。 ks0108b列驱动器，具有64路列驱动输出。 ks0108b的占空比为1/321/64。 ks0108b内部有输入/输出寄存器，它们相当于是微处理器和内部的显示ram之间的缓冲器。7 信息的存储汽车行驶状态记录仪最终的任务是要将记录下的信息存储到智能ic卡中，以便以后对信息进行分析。ic卡采用符合国际标准的智能卡，文中选用atmel公司的at45d041a。at45d041a是4m位的串行数据flash，采用+5v供电，它支持在系统的页编程，删除操作可选择页或块删除，支持spi接口的读写操作，主要用于数字语言、图像和数据的存储。at45d041a具有4m位的内存空间，此空间由2048页构成，每页264b，除此以外，它还有两个sram数据缓冲，每个缓冲区的大小也是264b，缓冲区的作用使得主内存重新编程的时候允许接受新的数据。at45d041a的内部结构如图16所示 15。图16 ic卡芯片at45d041a内部结构框图与普通flash并行的数据接入不同，at45d041a使用spi接口串行接入数据，采用简单的串行数据接口可以增加系统可靠性，减小器件的封装，减少引脚数目。ic卡芯片at45d041a在本文中应用的工作原理如图17所示。spi接口sck、si和so与单片机at89s8252的spi接口相连，at89s8252的spi接口工作在从模式，所以p1.5和si相连，p1.6和so相连。单片机的主从模式选择脚p1.4和ic卡芯片at45d041a的cs脚相连，低电平的时候单片机工作在从模式，同时at45d041a片选有效。图17 ic卡芯片at45d041a工作原理图 at45d041a的内存空间为4m，共分成三个等级：扇区、块和页面。以页为单元，内存中共有2046页，每页264b；以块为单元，内存中共有256块，每块2112b，8页构成一块；以扇区为单元，内存中共有6个扇区，扇区0由8页构成，相当于第0块，扇区1由248页构成，对应第1到第31块，扇区2由256页构成，对应第32到第63块，扇区3、4、5均为512页，每个扇区对应64块的空间。所有对数据flash的编程操作都以页为基本单元，而擦除操作可以选择页操作或者块操作。对ic卡的读写操作由主控制器发送指令来实现，由于是串行的接口，一条有效的指令是从cs的下降沿开始的8位指令代码加上后面的目的buffer或者主内存的地址。具体实现如下：当cs为低电平时，启动sck时钟控制si输入脚装载指令代码和操作对