汽车行驶状态记录仪设计.doc

汽车行驶状态记录仪设计汽车行驶状态记录仪设计 1 绪论 汽车行驶记录仪(Vehicle travelling data recorder)，亦称“汽车黑匣子”，是安装在车 辆上，对车辆行驶速度、时间、里程以及有关车辆行驶的其他状态信息进行记录、存 储并可通过接口实现数据输出的数字式屯子记录装置。汽车行驶记录仪能完整、准确 地记录汽车行驶状态下的有关情况，能将汽车行驶轨迹完整记录，并通过专用软件在 电脑上再现，对遏止疲劳驾驶，车辆超速的违章、约束驾驶员不良行为，分析鉴定事 故，提高交通的管理执法水平和运输管理水平、保障车辆运行安全也有着重要的实际 作用及意义1。 1.1 研究背景 随着国家经济和社会的快速发展，人流、物流越来越频繁，中国公路运输业也得 到了长足发展。汽车保有量以年均15以上的速度增长，2004年底达到2742万辆。但 就在人们感到出行越来越方便，物流配送越来越准时、快捷的同时，交通事故、特大 交通事故也在频频发生，给国家、社会和个人造成极大的生命，财产损失，影响着千 百万人的幸福生活。据新浪网报道，2005年，我国共发生公路交通事故450254起，造 成死亡98738人，469911人受伤，直接财产损失188亿元，平均每天就有270人因公路 交通事故死亡，而这一数字是2001年以来，最少的。造成事故的主要原因是驾驶员有 意或无意违规驾驶。其中，超速、超载和超时(疲劳驾驶)堪称马路杀手三甲。而交通 事故一旦发生，事故现场往往又被认定为唯一责任分担依据。这就为引发一系列人为 或非人为因素的干扰提供了可能，从而直接威胁到交警断案的准确度、可信度问题。 更有甚者伪造事故现场、破坏和转移事故现场，以避责或骗保2。 为了有效遏制驾驶员的超速和超时驾驶等违章行为，预防和降低交通事故的发生， 或事故发生后，交通执法人员能拥有更充分的证据信息进行事故责任认定，以提高断 案的公正性、准确性，我们除了加强交通法规的宣传教育，增添大批警力在关键路段 的执法检查，利用“电子眼”等高科技手段监控某些交叉路口或路段的车辆行驶情况外， 更需要加强汽车行驶状态数据的实时收集。随着飞机黑匣子在空运管理上的成功运用， 专门用来记录汽车行驶状态的汽车黑匣子即汽车行驶状态记录仪(又叫行车记录仪、车 辆行驶记录仪等，以下均简称记录仪)也在许多国家和地区大量推广和应用起来。 1.2 国内外发展概况 记录仪(最早叫Tachographs)最早于1925年在德国发明。最初的功能主要是记录行 车时间，以避免驾驶员过度疲劳行车而影响安全，以及车辆过度运转而引起事故。到 20世纪70年代，由于传感技术的发展和成熟，欧洲率先推出了机电模拟式记录仪，用 于记录汽车行驶的速度和距离。经推广使用，证明在降低事故方面具有较好的效果3。 1984年，提出了数字式记录仪(Digital Tachographs)概念。90年代初，德国首先开 发出了数字记录仪。由于功能更强大，采集的信息更为详尽，受到了商业车队的欢迎4。 1992年欧盟成立后，先后制定颁布了关于规范驾驶员驾驶时间、数字式记录的技 术性能、监督企业和实施路面执法等一系列重要法规。其中2003年，欧盟颁布的新规 定，要求自2004年8月起，在欧盟注册的毛重超过3.5吨以上的商用车强制安装使用IC卡 技术、有打印功能的数字式记录仪。这种记录仪由IC卡和车载单元两部分组成。IC卡 记录驾驶员的基本信息、车辆使用信息、驾驶员活动信息(由驾驶员自行输入)、起止 站点等5。IC卡可保存28天的信息。车载单元存储车辆的基本信息、IC卡插入或抽出的 信息、里程表信息、速度信息等，可保存365天的信息。车队管理员可以用公司IC卡读 取驾驶员驾驶活动资料，警察或交通管理单位则可用IC控制卡检查车辆和驾驶员的行 驶记录6。 在日本，把记录仪称作车辆运行记录器。有关机动车的法律法规中，涉及记录仪 的主要有道路运输法、道路运输车辆法、货车运输事业法三项，分别涉 及记录仪安装车辆的规定、记录仪运用管理的规定、记录仪技术标准要求和市场准入 制度的规定等方面。日本法律规定，拥有5辆汽车以上的汽车运输公司必须配备一名专 职安全管理人员，以后每增加20辆汽车必须增加一名安全管理人员，以定期采集分析 记录仪的各种数据资料，完整、准确地判定驾驶员的操作和车辆的运行状态。以此为 依据加强运输企业的安全生产管理。在全日本，虽然有7000多万辆机动车，但由于广 泛使用了记录仪，每年交通事故的死亡人数不到1万人7。 在北美地区，美国、加拿大等国将记录仪称之为EDR(Event Data Recorder)即 “事件数据记录器”。它能通过加速度传感器记录、分析车辆碰撞事故中的加速度信 号，还能记录车辆的多种状态信号以实现车辆故障诊断。美国国家运输安全委员会也 一直在强烈要求汽车生产厂商安装记录仪。在它的推动下，福特、克莱斯勒等公司已 为数百万出厂车安装了记录仪。没有安装记录仪的商用车在美国和巴西等国则不可以 上公共道路8。 国内是20世纪80年代开始引入记录仪的，起步比较晚。1985年某大学的记录仪申 请了专利。1988年有汽车记录仪的研究项目列入国家计委等部门重大新产品试产计划。 1995年全国从事记录仅的生产厂家已近百家。2001年10月24日，公安部、交通部、国 家安全生产监督管理局于联合下发了公安部、交通部、国家安全生产监督管理局关 于加强公路客运交通安全管理的通告，通告要求：长途客运车辆驾驶员一次连续驾 驶车辆不得超过3小时，24小时内实际驾驶时间累计不得超过8小时；长途客运车辆应 当逐步安装、使用符合国家有关标准的行车记录仪3。 到目前为止，已经有600多家企业在生产或代理记录仪。其中，北京伟航科技、四 川大科星、中电科技、深圳新纵横公司和湖北普信堪称主力厂商。同时，记录仪的推 广力度也在加大。北京市已经有3万辆客货车完成了记录仪的安装，并要求2006年底前 在北京注册的所有公路营运客车和货车完成记录仪的安装。青海省今年首批安装了汽 车行驶记录仪的汽车就有1700辆。其它各地也在加大记录仪的推广。 1.3 记录仪的发展趋势 进入21世纪以来，汽车行驶记录仪也发生了质的飞跃，从原来的单纯记录型发展 到现在的管理型，并具有地理位置跟踪和违章预警等功能。记录仪己经不再是原来的 “事后诸葛亮”，只简单地为事故提供证据支持，而是更多地参与到交通管理和营运管 理当中，真正成为一种交通管理设备，如深圳新纵横公司的NC7001型行驶记录仪加装 了GPS卫星定位系统，从而使管理中心GIS实时电子地理信息系统，可以随时确定车辆 所在的地理位置，方便了调度管理；四川大科星公司的记录仪还加装了语音报警系统， 当车辆超速或驾驶员疲劳驾驶时，记录仪可以提醒驾驶员注意交通安全。此外，国内 一些公司和个人又开发了具有“3G”技术的记录仪，这类记录仪综合全球定位系统 （Globale Positioning System，简称GPS）技术、地理信息系统（Geographic Information System，简称GIS）技术和各种无线通信网络技术于一体，实现并扩展了车辆的实时调 度和综合管理，为城市的整体交通管理提供了先决条件。由此可见，记录仪也正在摆 脱传统的单机模式，正向着3G 、多媒体和环保型发展，不久的将来将真正地融入城市 智能交通网络，并成为这一网络中不可替代的一环。 1.4 课题研究的目的及意义 汽车行驶记录仪能够为驾驶员提供其驾驶活动的反馈信息，为道路运输企业提 良好的管理工具。它的使用对保障道路交通安全起到直接的作用，可以产生显著的社 会效益和经济效益。 首先，汽车行驶记录仪在车辆超速或超时行驶时能发出报警声，督促司机安全行 车。而且，司机保持车辆中速行驶，对延长车辆使用寿命、节约燃料、减轻耗损都起 到重要的作用，可减少企业经营成本。 其次，汽车行驶记录仪能真实、准确反映车辆运行中的实际状况，记录相关的数 据。其存储的数据可作为企业加强对车辆的使用、运行、调度的科学管理的依据。 另外，汽车行驶记录仪记录的数据，对交通事故的原因和责任分析，也有一定的 作用。 我国公安部为遏制日益频繁的交通事故，责成公安部交通管理科学研究所、中国 公路学会客车学会、中国航空工业第 61l 研究所、中国道路运输协会、中国汽车技术研 究中心、广州银宜智能交通有限公司参加起草并制定了汽车行驶记录仪的国家标 准 GBIT90562003，并将在我国的营运车辆中运用法规强制安装汽车行驶记录仪。 因此，研制汽车行驶状态记录仪具有重大的现实意义。 1.5 本设计的主要任务 针对目前汽车行驶记录仪的研制情况，对本设计来说，获取行驶状态信息是所有 工作的前提，系统的首要任务是采集汽车行驶状态信息，包括速度、里程、超速度及 时间、停车次数及时间等。完好地反映出汽车行驶的状态，为事故后分析鉴定提供理 论依据。 在具体实现上，本系统主要分为硬件和软件两大部分。硬件系统主要包括数据采 集、控制、键盘输入、液晶显示、日历、数据存储等功能模块。软件系统则是指如何 在实现的硬件平台上实现软件的设计过程。 本文首先讨论了本设计的产生和应用背景，接着讨论了系统的主要功能及总体结 构，接下来主要具体讲述了系统各构成部分的原理和设计实现，以及如何在实现的硬 件平台上实现软件设计等。在本文的最后提出了如何提高系统的可靠性性以及抗干扰 性的方法。 2 汽车行驶状态记录仪的主要功能及总体结构 本章首先介绍了汽车行驶状态记录仪的的主要功能及技术指标，接着是整体外形 结构及说明，最后对其总体结构及系统模块进行了说明。通过本章我们将对汽车行驶 状态记录仪有整体的了解，其具体的硬件及软件设计将在第三章第四章阐述。 2.1 主要功能和技术指标 汽车行驶状态记录仪主要功能包括以下几个方面。 （1）能够实时监测并记录汽车的各种状态信息，包括速度、里程等重要数据。 （2）为每个驾驶员提供单独的可移动存储卡式设备，用于记录驾驶员信息（如姓 名、工号等）和汽车信息（如车号等），为有关部门检查提供必要的信息；同时，还 需要提供存储发车站和终点站的功能。 （3）安装在汽车上的汽车行驶状态记录仪要提供方便、灵活的操作界面，可进行 输入信息的提示，同时还要有实时信息的显示，并可根据用户要求或设置，另外还要 具备汽车超速时的报警功能。 （4）安装在计算机上的汽车行驶信息分析软件应用提供方便的图形用户界面，支 持鼠标和键盘操作，能统计任何时段的行驶速度、行驶里程、停车次数、停车时间、 超速次数、超速时间、发车以及到站时间，并能用图形显示速度、里程的变化情况； 在汽车正常行驶或发生交通事故时，可想管理部门提供翔实的汽车行驶数据，帮助管 路人员全面了解汽车的行驶情况，同时也可提供故障诊断功能，便于汽车维护和维修 人员判断及修理。 所设计的汽车行驶状态记录仪还应满足下面要求： 合适的数据记录频率：数据采样周期可设置为 1 次/s0.2 次/s。 一定的数据记录容量：0240h。 较长的数据存储时间：掉电情况下可至少保存 10 年。 监测汽车行驶速度范围：0240km/h。 记录需要的汽车行驶数据，包括速度、里程、超速度及时间、停车次数挤时间。 存储卡还要可以存储驾驶员信息、汽车信息、发车时间和到站时间、起始站和 终点站。 要能够抗电磁干扰、防火、防潮、抗冲击。 尺寸要合适，便于在汽车上安装。 2.2 整体外形结构及说明 硬件组成:六大模块。主机模块、显示模块、打印机模块、GPS 模块、无线局域网 传输模块、记录仪的接口: 前面板 图 2.1 RS232 通讯口 按键 USB 通讯口 打印纸出口 IC 卡插槽 显示屏 后面板 图 2.2 GPS 天线接口 GSM 天线接口 信号线插座 主机为模块式结构。基本模块包括记录仪及显示屏，有的加了打印机。在有显示 屏的记录仪正面，包含了记录仪操作键及通讯接口。背面为线束接入口。 （1）通讯接口：显示屏左边的塑料保护片打开，可以看到有 RS232 通讯接口及 USB 接口；（见图 2.2、） （2）显示屏右边有四个按键：“菜单”、 “确定”、 “”、 “ ”键；按“取消” 键，表示将退 出显示屏目前显示状态；“确定”键表示确定选择显示屏目前显示状态；其余两键表示 选择显示屏目前显示状态或选择“记录”项中的上下条； （3）显示屏：显示屏可选择的显示项有：标准时间（年、月、日、时、分、秒） ，驾 驶员（该员该次里程、代码） ，里程（今日里程、累计里程） ，信号（左灯、右灯、刹 车、鸣号、远光、近光、编程等） ，疲劳，通讯，位置（加装 GPS 模块后显示汽车位 置） ，记录（停车前 15 分钟的每分钟速度） ，系数（传动比，特征系数，脉动系数） 。 2.3 系统的总体结构 供电单元 单片机系统 汽 车 内 部 液晶 显示 信息存储 信号采集 键盘 输入 图 2.3 汽车行驶状态记录仪总体结构框图 在图 2.3 中，单片机系统是整个系统的核心，通过硬件和内部软件的整体配合控制 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的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，这其中需要用光藕模块进行隔离，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之后存储到智能 IC 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分析。键 盘输入和液晶显示是常用的单片机输入/输出模块，为用户提供友好方便的热机操作界 面，用户输入特定信息，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。 下面对各个模块的功能进行说明： 电源模块：提供记录仪运行所需要的电能，有断电保护功能。 时钟模块：确保时间准确。 数据采集模块：采集汽车行驶过程中的相关参数，要确保采集数据的正确性。 数据存储模块：按照规定的格式准确的存储相应数据，需要达到相应的数据安全要 求。 人机交互模块：主要包括按键、显示器、打印机、提醒装置等，主要提供较好的人 机交互界面，提高汽车行驶记录仪的可操作性。 通信模块：将记录的数据导出以便数据处理软件分析，并可导入设置文件以便对汽 车行驶记录仪进行设置。 认证模块：口令认证、IC卡认证。 整体设计：符合整体电磁兼容性，气候环境适应性，机械环境适应性，外壳防护等 级等方面的要求。 3 汽车行驶状态记录仪的硬件设计 汽车行驶状态记录仪的硬件结构分为以下几个模块：数据采集系统的设计、电源 模块的设计、IC 卡接口的设计、数据通信的设计、液晶显示接口的设计、实时时钟功 能的实现以及键盘接口电路的设计等。本章首先介绍了单片机的选择原则以及在设计 过程中应注意的问题。 3.1 单片机的选择 在嵌入式项目的初期，必须做出单片机的最初选择。因为其使用的硬件平台对后 期的软件和硬件设计决策有相当大的影响，随着项目的推进及产品换代升级，原有的 单片机有可能会不能满足新的要求，这样就会出现必须更换单片机的情况，而这种改 变对硬件、软件都会有很大的影响，必定产生额外的费用，所以应尽量避免这种情况， 才能减少不必要的二次开发费用。 单片机的选择主要考虑以下几个问题： 1）所选的单片机的性能能否满足所需完成的任务的需要； 2) 所选的单片机是否有足够的片内存储器来存储需要的数据和代码，如果不够， 那么单片机是否允许使用适当的外部存储器； 3) 所选的单片机是否有足够的端口引脚(或合适的串行接口)来满足连接外部元件 (诸如键盘、LCD 显示)的所有要求； 4) 所选的单片机的功耗是否合适。 由于单片机技术在各个领域正得到越来越广泛的应用，世界上许多集成电路生产 厂家相继推出了各种类型的单片机。在单片机家族的众多成员中 MCS51 单片机以其 优越的性能，成熟的技术及高可靠性和高性能价格比迅速占领了工业测控和自动化工 程应用的主要市场，成为国内单片机应用领域的主流。 AT89S52 单片机是一种低功耗、高性能且系统内带有 8KB 可编程 FLASH 存储器 的 8 位 CMOS 微处理器。它是一种高灵活性，花费有限资源就可产生许多嵌入式控制 应用系统的高性能处理器9。具有以下特点： 1) 增强的 8052 内核，2568 字节内部数据存储器； 2) 掉电后中断可恢复； 3) 性能可靠的看门狗定时器； 4) 双向数据指针； 5) SPI 串行接口； 6) 8KB 可通过 SPI 接口下载的闪存； 7) 2KB 片内 EEPROM，可擦写 10 万次； 8) 功耗低，价格适宜。 AT89S52 与过去的 T89CSX 单片机相比，拥有更好的性价比，除了可直接代换外， 还加了看门狗系统可编程功能。系统可编程功能的出现，给平时编程及程序升级带来 了极大方便，编程可以在焊接线路板之前，也可以在焊接好之后通过串行电缆编程。 通过对以上几个问题的综合考虑，选择了 ATMEL 公司的 AT89552 单片机。其引脚如 3.1 所示 图 3.1 AT89S52 引脚图 3.2 数据采集系统设计 对于本系统来说，获取行驶状态信息是所有工作的前提，系统的首要任务是采集 汽车行驶状态信息，包括速度、里程、超速度及时间、停车次数及时间等，其中最重 要的是速度信息，其他信息可由速度计算或分析得出。 3.2.1 速度的测试原理 本系统选用磁电式传感器将速度信号转换为电信号，考虑到传感器的体积要小， 便于安装，误差要尽量减小等要求，我们采用车轮旋转一周速度传感器要输出若干个 脉冲的方法，具体采用速度传感器旋转一周输出三个脉冲的方法13. 设车轮系数(车轮半径)为 R，传感器半径为 r， 则车轮旋转一周速度传感器输出的 脉冲个数为 n，计算脉冲个数的公式: (3-1)rRn/3 设采样率为0.2秒，则0.2秒计数器测得的脉冲数(频率)为f，车轮旋转圈数为N: (3-2)nfN/ 在0.2秒钟内汽车行驶的距离为L: (3-3)RNL2 在1秒钟内汽车行驶的距离为L1: (3-4) LL5 1 在1小时内汽车行驶的距离(速度)为V: (3-5) 1 3600LV 由于汽车的车轮直径不同，由上面的公式计算出的速度可能与车行的实际速度相 差很多，为此，我们设计一个速度校正系数M，使测得的速度值尽量与实际速度值接 近。由此得出校正后的速度公式V1为: (3-6)MLV 11 3600 最终的速度计算公式V2为: (3-7)RfMV2 . 5 .3600. 2 3.2.2 速度的测量方法 速度的测量方法有光电法、磁电法等。 光电法测速优点是电路实现简单、易用；但是，其抗外界光线干扰能力差，而且 易受外界灰尘污染，使得测量的准确性大幅度降低。磁电法测速不但不怕污染，而且 器件的寿命长，对外界环境要求低，电路实现简单，体积小，易于将磁电式传感器与 外围器件封装在一起，使得速度传感器的体积大为减小。 3.2.3 霍尔传感器的选择 汽车内传感器的工作环境十分恶劣，因此对传感器的要求也十分严格。这些传感 器必须要经受住从一 40+150的温度变化，而且要求精度高、可靠性好、反应快、 抗干扰和抗振动能力强，才能准确地实时检测汽车运行的有关状态，并将这些状态转 换成电信号供给单片机处理。 霍尔传感器是利用霍尔效应制成的转速传感器。霍尔元件和霍尔传感器的体积比 传统的磁电式传感器小，外围电路简单，频带宽，动态特性好，寿命长，因此广泛应 用于测控系统中。 霍尔元件是霍尔传感器的主体，霍尔元件是由在单晶片的两端焊上两根控制电流 引线，另两端焊上两根输出引线而构成的，如图 3.2 所示。 1 1 2 2 图 3.2 霍尔元件 由于霍尔集成式传感器具有可靠性高、体积小、重量轻、功耗低等特点，因此， 在速度传感器中我们选用开关型霍尔集成式传感器，霍尔传感器是本系统的重要组成 部分，在选择霍尔传感器时，一定要选择工度范围宽，寿命长，稳定性好的霍尔集成 式传感器。 在本系统中我们选用了UGS一3040T霍尔集成式传感器。 UGS一3040T的特性 电源电压4.5V一24v； 工作温度范围-400C-1250C； 阈值（工作点）磁通典型值150G； 释放点磁通典型值100G； 最大输出电流25mA。 3.2.4 开关量的测量 记录仪要对汽车行驶过程中的开关量进行记录，比如左右转向灯、刹车、远光灯、 近光灯、雾灯、倒车灯、喇叭、雨刮器、车门等等，这些开关量在汽车端的控制方式 有两种，一种控地形式、一种为控火形式。这两种控制方式的不同在于开关的位置， 图3.3是两种控制方式的示意图： 图3.3 车辆开关信号的控制方式 我们使用S3C44BOX的通用I/O直接对这些开关量进行测量，使用GPD0GPD7， 和GPE6和GPE7来测量这十个开关量，其实在我们的系统中，S3C44BOX还有一些引脚 没有用到，这些引脚大都可以功能复用为I/O，我们还可以根据需要进行扩展，来测量 更多的开关量，这也是我们使用S3C44BOX的原因之一，扩展性好。 在测量这些开关量时，并不能直接将信号引入I/O，而必须经过光电隔离，光电隔 离的作用主要是将两个能量系统隔离开来11，以免产生互扰。采用4光耦芯片TLP521- 412，每一片有4个独立的光耦模块，74LVl是6路施密特触发器，对开关信号进行滤波， 去掉一些毛刺。电路原理图如图3.4所示： 图3.4 光电隔离原理图 图中只给出了一路信号，对于要采集的每一路都做上述处理。INPUT为要采集的 开关量。 3.2.5 模拟量的采集 我们要采集的模拟量有些是汽车上仪表盘上有显示的，也有必须配传感器的，如 对汽车加速度的测量。 现在的汽车的仪表盘上大都有电磁式的蓄电池电压表、水温表、机油压力表等仪 表，这类表的测量原理非常类似，我们以电磁式的水温表为例说明这些量的测量原理。 电磁式水温表有热敏电阻式传感器和电磁式指示表组成，如图3.6所示，温度传感 器内装有热敏电阻，其阻值随温度的升高而减小。在指示表中有两个线圈。L2与传感 器串连，L1与传感器并联。两个线圈中间装着带有指针的衔铁。串联电阻R用来限制线 圈L2的电流，其等效电路如右图所示，当水温低时，热敏电阻阻值大，流经L1线圈与 L2线圈的电流相差不多，但L1的匝数多，产生磁场强，吸引衔铁使指针偏向左侧。当 水温升高时，热敏电阻阻值减小，分流作用增强，流经L1的电流减小，磁力减弱，衔 铁被L2吸引，指针向右偏转，指向较高温度。 图3.5 汽车电磁式水温表的测量原理 我们采集线圈L1两端电压信号，经调整电路将信号放大至02.5V，引入 S3C44BOX的A/D，在使用前我们先对水温表的刻度进行标定，由于汽车上的表的刻度 大都比较粗略，因此我们采用对这些刻度值建立对照表的方法，对每次的采样量进行 范围比较。 由于对汽车模拟量的测量尚未有国家标准的支持，各种汽车车型的这些模拟量的 测量具有比较大的差异，我们需要根据不同车型的仪表进行信号的调整和刻度表的测 定，这种工作的工作量是巨大的。 3.3 电源模块 电源系统是任何汽车电子设计中最重要的子系统之一，电源设计非常重要，如果 电源设计比较糟糕的话，其它单元设计无论多么完美，系统也不能正常发挥作用。整 体功耗、电源反接保护、电磁干扰和汽车起停电压脉冲干扰等都是必须考虑的因素。 3.3.1 电源方案的选择与论证 汽车的供电电压通常为+12V或+24V，而主机需要+5V和+3.3V的工作电压。因此 需要采用DC/DC变换将汽车供电电压转变为满足主机要求的供电电压。实现DC/DC变 换的方式主要有两种：线性稳压变换和开关电源。下面将对两种DC/DC变换方法进行 对比。 1线性稳定电源 线性稳压芯片(又称三端稳压器)是一种最简单的电源转换芯片，基本上不要外围 元 件，就可以实现DC/DC的转换。传统的线性稳压器，如78xx系列都要求输入电压要比 输出电压高2V一3v以上，否则不能正常工作：现在许多电源芯片公司推出了低压差线 性稳压器(Low Dropout Regulator，简称LD0)，这种电源芯片的输入输出电压只要有0.2 V1.3V伏的差值，就可以正常工作。 线性稳压电源的优点是：稳定性高，纹波小，可靠性高，并且电路简单。 线性稳压电源的缺点是：体积大、较笨重、效率相对较低。因为线性稳压电源的 功率调整管工作在线性区，靠调整管之间的电压降，来实现稳压输出。由于调整管静 态损耗大，通常需要安装散热器给它散热。 在本记录仪电源模块的设计中，由于输入电压比较高(+12V或+24V)，系统工作电 流较大，最大时需要+5V/2.5A输出(在打印机工作的情况下)。如果采用线性稳压电源， 电源的工作效率将很低，可以计算得：在+12V电源供电的情况下，线性稳压电源的工 作效率只有41.7；在+24V电源供电的系统中，其效率只有20.8。这样大部分的电能 将被白白的浪费，一方面不能满足节电、高效的要求，另一方面能源的损耗给散热带 来了很大的困难，而加装散热装置，则不利于电源的微型化。同时考虑到汽车电源有 较大的电压波动范围，特别是汽车电源存在较大的瞬时尖峰干扰，如果采用线性电源， 其输出电压也将会产生较大的波动，从而影响记录仪的供电质量。考虑到以上因素， 本记录仪主供电模块(+5V)不宜采用线性稳压电源，+3.3V供电模块可以考虑采用该方 案。 2开关电源 开关电源是采用脉宽调制的原理进行工作的，开关电源的调整管工作在饱和或截 止状态，因而发热量小，效率高(75以上)，能够省掉大体积的散热装置；其输入电 压的波动范围可以比较大，输入端的绝大多数干扰都可以在电源内部被吸收或抑制， 不会对输出端产生影响，可以很好抑制一些瞬间的尖峰脉冲等干扰。 开关电源的体积小，重量轻，稳定可靠；但是，开关电源的设计要比线性稳压器 要复杂得多，如果设计不合理将会带来较大的电磁干扰和纹波干扰。在该系统中如果 采用开关电源，可以提高电源的工作效率，缩小电源的体积，便于整个产品的微型化； 能够很好的满足宽电压范围(汽车电源的电压波动范围较大，例如：在+12V系统中电压 的波动范围在+9v-+16V，在+24V的系统中电压的波动范围在+18V +32V的要求。通 常情况下，采用合理的设计和布线，开关电源的同样可以取得较高精度和稳定性，并 且电磁辐射也很小。因此该系统主供电模块(+5V)可以考虑采用开关电源。 通过上述比较，可以得出：由于本记录仪对效率和体积有较高要求，电源功率较 大，作为一种大众化的推广产品，应当严格的控制其生产成本，因此主供电模块(+5V) 采用开关电源较为经济，而对于电能需求比较小的数据闪存单元(最大电流35mA)，可 以采用低压线性稳压器供电。 3.3.2 电源模块设计 汽车上各种电气设备很多，各种开关、继电器等动作频繁，造成的电干扰很大。 如果记录仪直接利用车内电源，将会因电压不稳及瞬间电压脉冲的干扰而无法正常工 作。另一方面，目前汽车的电平电压虽然绝大多数是12V的，但仍有一部分为24V(一 般为12V的整数倍)，而记录仪正常工作时，内部芯片所需的电压为5V。为了保证记录 仪的正常工作，需要将12V24V甚至更高一点的直流电变换成5V直流电，因此选用 DC/DC变换器MC34063A组成DC/DC 降压变换器5。 芯片介绍:MC34063A是单片式DC/DC变换器。该器件内部包括：具有温度补偿的 基准电源、比较器、可控占空比振荡器(含有限流电路)、驱动器和大电流输出开关。 该芯片主要特点为: 输入电压范围为:3v40v； 备用电流很小； 输出电流限制； 输出开关电流可达1.5A； 输出电压可调； 工作频率高达1OOkHz； 精度为2%。 具体应用:电路如图3.5所示。 图3.5 电源电路接线图 图中:R1:限流电阻，使流入内部开关管的电流不超过1.5A； C2:振荡器定时电容，确定振荡器工作频率； R2、R3：确定输出电压，VOUT =(1+R2/R3)1.25V。这里R3取3.6K，R2取 1.6K； C1、C3: 分别是输入、输出电容。 3.4 IC 卡接口的设计 IC 卡的概念是 20 世纪 70 年代初提出来的，法国布尔(BULL)公司于 1976 年首先 创造出 IC 卡产品，并将这项技术应用到金融、交通、医疗、身份证明等多个行业，它 将微电子技术和计算机技术融合在一起，提高了人们生活和工作的现代化程度13。 3.4.1 确定所用 IC 卡的类型和 IC 卡座 IC 卡接口的设计包括 IC 卡和 IC 卡座的选型、IC 卡的供电电路和信号接口电路的 设计等方面。 根据卡中所镶嵌的集成电路的不同可以分为三类14: 1.存储器卡卡中的集成电路为 EEPROM。 2.逻辑加密卡卡中的集成电路具有加密逻辑和 EEPROM。 3.CPU 卡中的集成电路包括中央处理器 CUP、EEPROM、随机存储器 RAM 以及 固化在只读存储器 RMO 中的片内操作系统 COS。 在汽车行驶状态记录仪中 IC 卡是用来存储驾驶员和汽车的各种信息的，可以选用 存储卡或逻辑加密卡，但是考虑到产品的市场价值，选择逻辑加密卡更好，而且两者 的价格也相差无几。所以，本系统中选择了 SIMENS 的 SLE4428 IC 卡。图 3.6 是 SLE4428 IC 卡片的引脚定义。其中 C1 和 C5 分别为 IC 卡的电源引脚和地引脚；C2 为 IC 卡的复位信号引脚；C3 为 IC 卡的时钟信号引脚；C7 为 IC 卡的数据输入输出引脚。 VCC C1 C5 GND RST C2 C6 N.C. CLK C3 C7 I/O N.C. C4 C8 N.C 图 3.6 SLE4428 IC 卡引脚定义 本系统使用的 IC 卡是 SIMENS 公司设计的 SLE4428 逻辑加密 IC 卡，容量为 1K8Bit，设有两个字节的密码。只有通过了密码验证，才可以对 IC 卡内的没有设置 写/擦除保护的内容进行写/擦除。如果连续 8 次校验密码不成功，IC 卡将自动被锁死， 数据只能读出，不可再对数据进行写/擦除操作，也不可以再校验密码。每个字节都可 以单独的设置写/擦除保护，一旦设置了写/擦除保护功能，这个字节的数据就不能再写 /擦除了，而且写保护功能只能设置一次。除了密码区，其他所有字节在任何时候都可 以读出来。由于 SLE4428IC 卡内置了高压产生器，因而只需电源电压即可进行操作， 简化了接口电路的设计，可直接由单片机驱动，此卡的基本特点如下15: l)具有 10248 位 EEPROM 存储器； 2)以字节为编址单位； 3)具有 1O241 位保护存储器，保护存储器设置后不可撤消； 4)三线串行总线； 5)可进行 10 万次擦写操作； 6)数据保存 10 年； 7)卡内具有 2 个字节的 PCS 程序加密位，数据仅在密码检验正确后，方可进行写 操作。 IC 卡座是实现 IC 卡与 IC 卡接口间的物理连接的部件，有若干种产品可选用。在 选用 IC 卡座时需考虑其触点的电气性能、卡座的插拔寿命、对卡的磨损程度、卡从接 触好到识别有效的位置差和价格等因素。IC 卡在插入和拔出时其触点的压触和脱离方 式主要有滑触式(Sliding)和着陆式(Landing)两种结构。滑触式结构卡座的触点是固定 的。IC 卡在插入时，与触点相互摩擦滑动，通过一系列不相关的位置，最后达到固定 位置。退出时，也滑动通过同样的距离。因而对卡的触点位置磨损较大，寿命约为 5 到 10 万次。滑触式结构的卡座结构简单，价格较低。着陆式结构卡座的触点是活动的， 在 IC 卡的插入过程中，触点与 IC 卡同步运动，逐步下压，稳定于最终位置。此结构 在触点对卡的着力过程中触头与卡之间没有相对位移，对卡的表面磨损小，触点寿命 可达 30 到 100 万次，但价格相对要高。卡座对 IC 卡的插入和退出过程的控制与机械 结构有多种形式，如:推入-拉出结构，推入-推入弹出结构，压入-弹出结构，压入-电磁 弹出结构，电动式入出卡控制结构等等。推入-拉出结构是最常见，机械结构最简单的 一种结构形式。 为了保证产品的可靠性，提供产品寿命，最终选择了触点接触方式为着陆式，卡 的进退为推入-推入弹出结构的 IC 卡座。 3.4.2 IC 卡的供电电路和信号接口电路设计 IC 卡的接口电路是连接 IC 卡与控制器的通路，由它实现对 IC 卡的供电，并满足 IC 卡不带电插拔的要求。一般来说，逻辑电路的1和O只是反映电压大小的关系， 都处于带电状态，如果带电插拔 IC 卡，有可能会给 IC 卡带来损伤，甚至损坏 IC 卡。 因此在插拔前应先断开向 IC 卡供电的电源，并切断其逻辑连接，实现对 IC 卡的保护。 IC 卡接口设备中的 IC 卡供电电路也应该是一个相对独立于其他回来，并提供完善 的过流保护措施的稳压电路，这是由于 IC 卡接口设备是一个独立于 IC 卡的设备，当 有卡插入时，接口设备便开始向 IC 卡提供向其供电。如果插入的是一张电源与地击穿 的坏卡，或是一个金属片之类的物质，就会造成供电回路的短路现象，若 IC 卡接口电 路中无过流保护措施，就会造成设备的损坏。 从图 3.7 中可以看出，SLE4428IC 卡使用了其中的 Cl、C2、C3、C5、C7 这五个 引脚，其中 C1 和 C5 为 IC 卡的电源引脚，C2、C3 和 C7 为 IC 卡的信号引脚。下面给 出本系统设计的 IC 卡接口电路(如图 3.7 所示)和 IC 卡接口的电源电路(如图 3.8 所示)。 图 3.7 SLE4428 IC 卡接口电路 在上图中，在 IC 卡的信号引脚上都加入了箱位保护二极管，这些箱位二极管可以 使各个引脚上的电压严格的限定在-Vd 到+Vd 之间(Vd 是箱位二极管的正向压降，本 系统中的采用工 N4148，Vd 为 O.3V)。这样可以抑制由于线路干扰和逻辑电平变化的 边沿产生抖动所带来的瞬态过压，为 IC 卡提供了进一步的保护措施19。 为了保证在不带电的状态下插拔 IC 卡，接口电路的各条信号线上加入缓冲电路， 本系统中缓冲电路选用 7H4C07 OC 门缓冲器。7H4C07 缓冲器的电源和 IC 卡的供电电 源使用同一个电源，这样当给卡断电时保证整个接口电路处于不带电状态。SLE4428 IC 卡的信号引脚为集电极开路，所以需要在其信号引脚处加入上拉电阻，上拉电阻的 电源端与 IC 卡的供电电源相连接。当 IC 卡处于供电状态时，整个接口电路接通，汽 车行驶状态仪与 IC 卡间构成逻辑通路；而当 IC 卡处于断电状态是，上拉电阻的电源 端失去了供电，整个接口电路处于不带电状态。 系统给 IC 卡供电电路如图 3.8 所示，IC 卡的供电电路必须独立于系统中其它部分 的电源电路，其输出必须是程序可关断的，以保证不带电插拔 IC 卡，还应有过流保护 措施。本系统采用 78L05 三端稳压模块为 IC 卡接口电路供电。78L05 带有短路保护功 能，短路保护电流起点在 150mA 到 200mA 左右，最大输出电流可达 l00mA。当插入 的卡是一个电源对地的短路负载时，78L05 会因输出过载而形成短路保护。这一短路 信息通过 R9 和 D2 构成的电路送入单片机的，正常情况下 INT1 引脚为高电平，当发 生短路时，INT1 引脚变为低电平，产生外部中断，短路信息送入单片机。 图 3.8 IC 卡接口的电源电路 当有卡插入时，置 PWR 为低电平，三极管 Q1 导通，为 IC 卡电路供电，同时插 卡指示灯 D1 亮。当卡拔出之前，置 PWR 为高电平，三极管 Q1 截止，使 IC 卡接口部 分断电，这样可以安全的拔掉 IC 卡了。 3.5 数据通信的设计 在实际中，两个设备经常需要信息交换，所有这些信息交换均可称为通信。通常 通信的形式可分为两种:一种为并行通信，另一种为串行通信。并行通信是指数据的各 位同时进行传送的通信方式，其优点是传送速度快;缺点是数据有多少位，就需要多少 根传送线。并行通信在位数多、传送距离又远时就不太适宜。串行通信指数据是一位 一位按顺序传送的通信方式，它的突出优点是只需要一对传送线，这样就大大降低了 传送成本，特别适用于远距离通信;其缺点是传送速度较低，现在的智能设备一般都配 有串行通信接口。 3.5.1 RS-232 通信接口 RS-232 接口是目前最常用的一种串行通信接口，机械特性规定使用一个 25 芯的 标准连接器。实际的用户并不一定需要用到 RS-232C 标准的全集，这在个人计算机(PC)高 速普及的今天尤为突出，所以一些生产厂家为 RS-232 标准的机械特性作了变通的简化， 使用一个 9 芯标准连接器，将不常用的信号舍弃27。 RS-232C 接口是用于点对点通信方式的，主要特点: 1)数据传输速率不超过 20Kbit/s； 2)传输距离最好小于 15 米； 3)每个信号只有一根导线，两个传输方向共用一个信号地线； 4)接口使用不平衡的发送器和接收器； 5)只适用于点对点通信，无法用最少的信号线完成多点对多点的通信任务； 6)电气上，RS23C2 的逻辑电平与 TTL 电平不同，因此与 TTL 电路接口时必须经 过电平转换电路。 由于 RS-232 采用负逻辑，+5V+15V 为逻辑 0，15V5V 为逻辑 1，而 TTL 电平的“1”和“O”的特征电压分别为 2.4V 和 O.4V，用 RS-232 总路线进行串行通信需外 接电路实现电平转换。在发送端需用驱动电路将 TTL 电平转换成 RS-232 电平，在接 收端用接收电路将 RS-232 转换为 TTL 电平。早期的常见芯片有 MIC488、MIC489 等， 但是需要士 12V 电源供电，接线比较繁琐。随着电子技术发展出现了大量的单电源供 电的电平转换芯片，其体积更小，连接简便，而且抗静电能力强。本系统采用 MAXIM 公司的 MAX232 实现电平转换。 3.5.2 通信接口电路设计 MAX232 芯片是 MAXMI 公司生产的、包含两路接收器和驱动器的 RS-232 电平转 换芯片，适于各种 RS-232 通信接口。MAX232 芯片内部有一个电源电压变换器，可以 把输入的+5V 电源变换成为 RS-232 接口输出电平所需的士 10V 电压。所以，采用此 芯片接口的串行通信系统只需单一的+V5 电源就可以了。对于没有士 12V 电源的场合， 其适应性更强。加之其价格适中，硬件接口简单，所以被广泛采用。 MAX232是双发送/接收器，记录仪使用其中一路。因此，在记录仪中，THN和 R10UT分别接CPU的串行发送引脚TXD和串行接收引脚RXD，T10UT和R1IN分别接PC 机(即 RS232)的 RXD 和 TXD。芯片连接图如下: 图 3.9 MAX232 接口电路图 因为MAX232 具有驱动能力，所以不需要外加驱动电路，这样就形成一个最简单 的串行异步通信的连接方式。这个串口就是单片机与PC进行数据通讯的通信接口。 3.6 液晶显示接口的设计 3.6.1 液晶的选型 液晶是一种在一定温度范围内呈现既不同于固态、液态，又不同于气态的特殊物 质态，它既具有各向异性的晶体所特有的双折射性，又具有液体的流动性。一般可分 热致液晶和热致液晶两类。在显示应用领域，使用的是热致液晶。超出一定温度范围， 热致液晶就不再呈现液晶态，温度低了，出现结晶现象，温度升高了，就变成液体。 液晶显示器件所标注的存储温度指的就是呈现液晶态的温度范围。液晶由于它的各向 异性而具有的电光效应，尤其扭曲向列效应和超扭曲效应，所以能够制成不同类型的 显示器件 LCD(Liquid Cyrsatl Display)18。 液晶显示器是利用液晶的电光效应制作的显示器，相对其他类型的显示部件来说， 有其自身的特点: 1)低电压(35V)； 2)微功耗(luA/cmm 以下)； 3)平板型结构； 4)使用寿命长； 5)被动显示适合人的视觉习惯，不易引起疲劳； 6)显示信息量大，且易于彩色化； 7)无电磁辐射； 8)能与 CMOS 电路匹配。 它的主要优点是:显示柔和，不怕强光冲刷，光照越强对比度越大，显示效果好。 体积小，重量轻。液晶显示器按显示内容分类，可分为以下几类:字段式(或称为笔划式)、 点阵字符型和点阵图形式三种。点阵字符式 LDC 是指以长条笔划状显示的基本单元像 素组成的液晶显示器件。字段式 LCD 以七段显示最为常用，也包括为专用液晶显示器 设计的固定图形及少量汉字。字段式 LCD 主要应用于数字仪表、计算器中。 根据产品的设计要求，显示的内容主要是数值，考虑到产品的成本，我们选择了 七位字段式液晶显示器 QXO14。这种液晶显示器，体积较小，而且接口电路简单。 3.6.2 液晶模块接口电路 一般的液晶模块与单片机连接十分方便，可以采用直接控制方式，也可以采用间 接方式。直接访问方式是把液晶模块作为 I/O 设备直接挂接在单片机的总线上，液晶 的数据线接在单片机的总线上，片选及寄存器选择信号线由单片机的地址总线提供， 读和写操作由单片机的读写操作信号控制。间接控制方式是液晶模块与单片机系统中 的某个并行 I/O 接口衔接，单片机通过对该 I/O 接口的操作间接地实现对液晶模块的控 制。间接控制方式在硬件电路上系统需要一个 8 位并行接口与液晶模块的数据线连接， 作为数据总线，另外还需要几个 I/O 口作为时序控制信号线。间接控制方式的接口时 序由单片机对控制信号的软件编程来实现19。 本系统中已经使用了单片机的数据总线，所以选择直接控制方式，即把 QX014 液 晶模块作为 I/O 口设备挂接到单片机的数据总线上。图 3.10 给出了 QX014 液晶模块与 单片机连接的接口电路。图中的 CS 端接单片机的 Pl.7 口，CLK 端接 Pl.6 口，DATA 端接 Pl.5 的口。可以看出，QX014 液晶显示的接口电路非常简单，而且使用管脚少， 不用扩展单片机端口。 图 3.10 液晶显示接口电路 3.7 实时时钟功能的实现 实现时钟功能有两种方法，即硬件法和软件法。由于系统要实现各种控制策略， 不希望实时时钟程序过多的占用 CPU 的时间，所以通常不宜采用软件法。采用硬件方 法来实现时钟功能，这样可以节省 CPU 的时间、提高效率，是一种行之有效的方法20。 由于系统己经使用了单片机的 P0 和 P2 作为数据总线，所以在设计时选择并行接 口的 DS12C887 时钟芯片。 3.7.1 DS12C887 芯片的介绍 DS12C887 内部含有 128 字节掉电保持 RAM 单元，其中 O13 单元作为内部寄存 器使用，14127 单元提供给用户使用，存储掉电需保护的数据。下面对 DS12C887 内 部最主要的 4 个寄存器进行介绍21： (1)寄存器 A(地址为 XX0AH) 其控制字的格式如表 3-1 所示。 寄存器 A 的内容不受复位影响