（无线电物理专业论文）telematics车载单元研究与开发.pdf

旦生竺苎堕兰望兰垄婴塑兰茎垄 论文题目：t e l e m a t i c s 车载单元研究与开发 专业：无线电物理 硕士生：郭俊钊 指导教师：张光昭教授 摘要 t e l e m a t i c s 是指通讯技术与汽车技术结合产生的- - f 新兴技术，它被用于 汽车的远程测控、远程诊断甚至远程定位管理等。由于市场广阔，t e l e m a t i c s 已 被视为汽车工业继高压缩引擎、微电子之后另一波的革命。 汽车行驶记录仪已陆续在许多国家和地区大量使用。记录仪可以对驾驶员的 行为进行管理和监督，减少交通事故。从2 0 0 2 年中开始，我国的汽车行驶记录 仪标准制定工作开始进行。2 0 0 3 年4 月，g b t 1 9 0 5 6 2 0 0 3 汽车行驶记录仪标准 正式颁布并于同年9 月1 日正式实施。 本论文的第一部分描述了作者在国标产品y c 2 0 0 3 - - a 汽车行驶记录仪开发 过程中，在总体设计、硬件设计和软件设计上所做的工作。汽车的电气环境比较 恶劣，优化记录仪抗干扰、抗破坏设计是整个开发中最重要的部分。在使用和质 量检测中，y c 2 0 0 3 一a 显示出良好的抗干扰性能，体现了对这个问题的重视程 度。该产品已于2 0 0 3 年7 月通过国家质量检测，是首批通过质量检测的产品之 一，现已进入市场销售阶段，产生了一定的经济效益。 依靠目前国标要求记录的数据，只能知道汽车发生碰撞前后的状态无法计 算出汽车在碰撞过程中的轨迹。本文的第二部分在现有基础上展开了汽车碰撞轨 迹重建的研究。利用记录汽车碰撞瞬间的加速度，建立轨迹重建模型。设计开发 了实验系统，进行了一系列验证重建模型的碰撞实验。同时，通过通信接口，实 现了实验系统与g p s 、g p r s 模块的对接，形成了一个完整意义上的t e l e m a t i c s 车载设备，为进一步的研究开辟了道路。 关键字：t e l e m a t i c s ，汽车行驶记录仪，碰撞轨迹重建 摘要 t i t l e ： m a j o r ： n a m e ： t e l e m a t i c sd e v i c e sr e s e a r c ha n dd e s i g n w i r e l e s sp h y s i c s j u n z h a og u o s u p e r v i s o r ：g u a n g z h a oz h a n g a b s t r a c t t e l e m a t i c si sa na d v a n c e dt e c h n o l o g yt h a tc o m b i n e sa u t o m o t i v e t e c h n o l o g yw i t ht e l e c o m m u n i e a t i o nt e c h n o l o g y i ti sah a r d w a r es o l u t i o n u s e df o rl o n g d i s t a n tc o n t r o l ，d i a g n o s e sp u r p o s e s t e l e m a t i t sh a sb e e n r e g a r d e da sar e v o l u t i o ni na u t o m o t i r ei n d u s t r y v e h i c l et r a v e l i n gd a t ar e c o r d e ri su s e di nm a n yc o u n t r i e sa n dr e g i o n s i th e i p st os u p e r v i s ed r i v e r sa n da v o i dt r a f f i ca c c i d e n t s v e h i c l e t r a v e l i n gd a t ir e c o r d e rs t a n d a r d i z a t i o np r o g r a ms t a r t e di nt h em i d d l eo f 2 0 0 2 i na p r i lo f2 0 0 3 。v e h i c l et r a v e l i n gd a t ar e c o r d e rs t a n d a r d ( g b t 1 9 0 5 6 2 0 0 3 ) i sr e l e a s e do f f i c i a l l y i th a sb e e nc a r r i e do u ti n s e p t e m b e rl “，2 0 0 3 w o r k si nd e s i g n i n gt h ey c 2 0 0 3 一av e h i c l et r a v e l i n gd a t ar e c o r d e rb a s e d o ng b t 1 9 0 5 6 2 0 0 3 ，a r ed e s c r i b e di nt h ef i r s t p a r t o ft h i st h e s i s f u r t h e r m o r e ，a n t i - j a m m i n ga n da n t i d e s t r o y i n gd e s i g n sa r ee m p h a s i z e da s w e l l y c 2 0 0 3 一av e h i c l et r a v e l i n gd a t ar e c o r d e rh a sp a s s e dg b t 1 9 0 5 6 2 0 0 3 q u a l i t yc e r t i f i c a t i o ni n7 u l y2 0 0 3 r e s e a r c h e so fa c c e l e r a t i o n b a s e dc r a s ht r a c kr e b u i i d i n gm o d e la r e d e s c r i b e di nt h es e c o n dp a r to ft h i st h e s i s w ed e s i g n e da ne x p e r i m e n t s y s t e mt ov a l i d a t et h et r a c k r e b u i l d i n gm o d e l _ m o r e o v e r ，g p s g p r sm o d u l e w a sc o n n e r t e dt ot h i ss y s t e mv i ac o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c et of o r mar e a i t e 】e m a t ic sd e v c e k e y w o r d ：t e l e m a t i e s ，v e h i c l et r a v e i n gd a t ar e c o r d e r ，c r a s ht r a c k 【i t e l e m a t i c s 车载单元研究与开发 1 1 研究背景 第一部份研究背景 t e l e m a t c s 是指通讯技术与汽车技术结合产生的一门新兴技术，它被用于汽 车的远程测控、远程诊断甚至远程定位管理等。 t e l e m a t i t s 可向驾驶者提供各项服务，当前己发展的应用有全球卫星定位 系统能力和双向语音沟通功能，可提供实时交通信息、气象报告、个人化内容的 消息及详细道路指针光标之类的服务。t e l e m a t i c s 产品也集成了一些汽车安全 相关的特色，如遥控门锁、防盗警报、启动安全气囊及其他紧急事故发生时的必 要装置。t e l e m a t i c s 被视为汽车工业继高压缩引擎、微电子之后另一波的革命。 目前全球汽车年销售量约5 ，5 0 0 至6 ，0 0 0 万辆，使用中的汽车数量约7 亿 辆，其商机自然不可小觑。据经资中心m i c 的估计，至2 0 0 0 年汽车配备 t e l e m a t i c s 的比例仅0 4 ，未来应用及发展其市场潜力已被视为广义i a ( 信息 家电) 中最闪亮的明星。 嚣事 袅潭：d a i n l l c te h d i l e i f 2 0 0 ls t l i ， 图i 一1t e l e m a t i c s 网络系统概念 第一部分研究背景 利用无线通讯、公众网络及全球卫星系统( g p s ) 技术，t e l e m a t i c s 系统将使 车辆变为个人行动信息及通讯的网络系统中心，个人可传输、接收并处理来自 办公室、家庭间的信息及事项。目前t e l e m a t i c s 应用的主要终端装置，其核心 包括：移动电话( g s m 、g p r s 及c o m a 等) 、车用个人电脑( c a r p c 或a u t o p c ) 、 卫星定位系统g p s 、g i s 电子地图以及呼救服务系统。 据w i r e l e s sr e v i e w 于2 0 0 i 0 4 统计信息显示，美国t e l e m a t i c s 产业才 刚开始发展，2 0 0 0 年近t 0 0 万组的t e l e m a t i c s 产品被使用，其中g m 的o n s t a r 系统已装配在g m 车约8 0 0 ，0 0 0 辆；a t x 则提供m e r c e d e s b e n z 、j a g u a r 、 i n f i n i t i 、l i n c o l n m e r c u r y 及f o r d 等各大车厂的车种近2 0 0 ，0 0 0 组 t e l e m a t i c s 产品。当前这些已装配t e l e m a t i c s 的车子，仅占全美车辆0 ，5 左 右而已，另外，据f r o s t s u l l i v a n 研究报告，i n c a r 无线连结市场预估将 出现巨幅成长，2 0 0 7 年北美地区t e l e m a t i c s 市场将达7 0 亿美元的规模，相 比2 0 0 0 年该市场规模为3 8 亿美元，未来的五年间市场增长幅度将超过2 0 倍。 而另根据v o d a f o n e 的统计，未来8 年在欧洲新车中所配备t e l e m a t i c s 的车 子将会自2 0 0 0 年极低的数量成长至2 0 1 0 年的l ，2 0 0 万台以上，而在各国车 辆的比例中也将接近2 0 的水平，故市场潜力非常大。未来当汽车制造商成功 地行销t e l e m a t i c s ，汽车购买者普遍认为其为必备特性后将带动整体市场的 成长。 1 3 4 6 1 2 当前研究状况 t e l e m a t i c s 技术是多种新兴技术的结合体，而且面向的市场相当广阔因此 世界上多个研究机构和商业团体都对其研究和发展给予高度的关注。 目前，国际上研究t e l e m a t i c s 的组织一一t e l e m a t i c s 研究组( t e l e m a t i c s r e s e a r c hg r o u p ) 就t e l e m a t i c s 今后的发展提出了一些规划，如下表： 汽车领域改善a c n ( a u t o m a t i cc o l l i s i o nn o t i f i c a t i o n ) 功 能 2 0 0 5 年后实现e d r ( e v e n td a t ar e c o r d ) 功能 t e l e m a t i c s 车载单元研究与开发 遥远诊断功能 自动防撞系统 语音识别系统 资讯系统t e l e m a t i c s 专用c p u 处理速度每年提高4 0 5 0 t e l e m a t i c s 内存容量每年增加2 5 一3 5 t e l e m a t i c s 系统专用操作系统( w i n d o w s c ef o r a u t o m o t i v e ) 无线通信技g p r s 、c d m a 等2 5 g 、3 g 技术 术 b l u e t o o t h 接口 w l a n 功能 服务系统即时交通调度系统 基于位置的服务( l o c a t i o nb a s e ds e r v i c e ) 导航技术( r o a df i n d e r ) 表1 - 1t e l e m a t i c s 的技术发展规划 从2 0 0 1 年开始，国外汽车和【t 厂商开始密切注视t e l e m a t i c s 产品的开发。 自2 0 0 1 年以来，摩托罗拉公司已分别与宝马和大众签订了上亿美元的合同，共 同开发t e l e m a t i c s 系统。进入此领域的厂商类型繁多，包括各大汽车厂( b e n z ， b m w ，g m 等) 、通讯设备供应商( e r i c s s o n 、n o k i a 、m o c o r o t a 、s i e m e n s 等) 、 半导体芯片供应商( i n t e l 、m o t o r o l a 、h i t a c h i 等) 以及软件供应商( m i c r o s o f t 已推出了面向车载系统的o s 新版本“w i n d o w sc ef o ra u t o m o t i v ev e r s i o n3 ” 并组建了“w i n d o w sc ef o ra u t o m o t i v ef o r u m ”致力于推动开发及改进车载 信息系统的操作系统) 2 i 3 当前的一些t e l e m a t i c 系统 a o n s t a r 系统 7 】 o n s t a r 系统是g m 的子公司o n s t a r 公司开发生产，自1 9 9 6 年开始提供 服务。o n s t a r 到2 0 0 2 年已有1 4 0 万用户，每天增加的用户为5 ，0 0 0 位，2 0 0 3 第一部分研究背景 年底在4 0 0 万g m 汽车上使用。 目前o n s t a r 系统可以提供的功能包括：紧急呼救、个人电话、电子导航、 防盗报警、气囊打开通知、远距开锁、远程诊断等等。 目前使用o n s t a r 系统的汽车品牌包括：雅确、奥迪、别克等。 b 奔驰公司的t e l e a i d 系统 奔驰公司的t e l e a i d 系统的功能相对o n s t a r 来说比较弱一点，但是它实 现了当前t e l e m a t i c s 系统的所有基本功能。它通过一系列的碰撞传感器检测 汽车的行驶状态，利用g p s 确定汽车的位置，使用无线通信系统与服务中 心通信。 t e l e a i d 系统还提供了远程诊断功能，不过这种诊断并非通过计算机自动 识别的，而是通过服务中心的工作人员利用系统中的通信设备向车主了解情 况后进行的。 1 4t e l e m a t i c s 系统的关键技术 与通常意义上的资讯产品不同的是，汽车产品的生存周期约为l o 年，比资 讯产品长约两倍以上。同时，汽车产业所应用的电子技术全部是经过时间检验 的成熟稳定的技术，相关的技术包括了无线通信、计算机硬件系统、操作系统、 以及软件技术等。 对于t e l e m a t i c s 方面产品的要求，主要是能做到具备低功耗、高稳定性、良 好的兼容性以及在车内环境中的易用性。因此其关键的核心技术有： 卫星定位系统与导航( g p s 、g i s ) 【8 】 g p 8 是有美国国防部( u s d e p a r t m e n to fd e f e n s e d o d ) 开发的一套 基于卫星的无线导航系统。无论是陆地、海洋还是太空用户都可以通过g p s 系 统全天侯、一天2 4 小时，在全球任何位置精确定位他们的三维坐标、速度和时 间，其定位精度比目前以及可以预见的将来任何无线导航系统都要高。 首颗g p s 卫星于1 9 7 8 年发射升空，第2 4 颗g p s 卫星于1 9 9 4 发射升空。g p s t e l e m a t i c s 车载单元研究与开发 系统于1 9 9 5 年7 月1 7 日达到全功能应用( f u l l0 p e r a t i o n a lc a p a b i l i t y f o c ) 2 0 0 0 年5 月1 日克林顿政府发布命令取消s a ，当天子夜开始，选择s a 已经 设置为0 。普通g p s 定位( 不加修正) 的精度可以达到l o 1 5 米。 g i s 技术把地图这种独特的视觉化效果和地理分析功能与一般的 数据库操作( 例如查询和统计分析等) 集成在一起。这种能力使g i s 与其他信息系统相区别，从而使其在广泛的公众和个人企事业单位中 解释事件、预测结果、规划战略等中具有实用价值。 g i s 目前遇到的问题是没有统一的标准，这样导致不同公司的g i s 系统无法 兼容，大大降低了g i s 系统的效率，也延长了g i s 系统的开发周期。 无线移动通信( g s m 、g p r s 、c d m a ) 得益于移动通信服务供应商的努力，目前世界各地的g s m 网络、g p r s 网 络和c d m a 网络都已经进入了比较成熟的阶段，并可以提供廉价的双向无线数 据通信服务。这使t e l e m a t i c s 系统不再需要像以前那样投入巨资建立专用的集 群通信网络，大大提升了t e l e m a t i c s 系统的市场潜力。 目前大部分的t e l e m a t i c s 系统都使用廉价的g s m 系统作为其通信部件，主 要是使用g s m 网络中的短信息服务。随着技术的发展，未来的t e l e m a t i c s 系统 将会转向使用2 5 g 的g p r s 系统或者是3 g 的c d m a 系统，主要会使用它们 的“永远在线”( a l w a y so n l i n e ) 功能，充分利用其强大的数据通信能力，实现 完整的网络功能。 计算机硬件平台漫计 对于t e l e m a t i c s 系统来说，硬件平台是最为核心的技术。汽车内部的电气 环境比较恶劣，这对t e l e m a t i c s 系统的抗干扰能力以及抗破坏能力提出了很高 的要求。因此t e l e m a t i c s 的电子系统设计更注重的是系统的稳定性。 目前，由于国际上还没有标准的t e l e m a t i c s 系统体系结构，因此各大电子 硬件供应商( 如i n t e l 、m o t o r o l a 、h i t a c h i 等等) 都争相开发其独有的用于 t e l e m a t i c s 系统芯片。未来几年t e l e m a t i c s 系统的硬件造价很可能会因为这些公 第一部分研究背景 司的努力而迅速下降，所以必须密切留意各大公司发布的t e l e m a t i c s 芯片。 为了提高开发的速度和系统的性能，t e l e m a t i c s 系统的设计应该及早引入嵌 入式系统开发的概念，现在已经有很多公司提供功能强大的嵌入式操作系统， 微软也发布了w i n d o w sc ef o ra u t o m o t i v e ，使用这些操作系统可以提高产品的 稳定性、易用性以及可移植性。 人机界面技术( 语音输入等) t e l e m a t i e s 系统面对的用户主要是开车的驾驶者。因此t e l e m a t i c s 系统的数 据按键应该尽可能少( o n s t a r 系统使用的是三键键盘) ，最好是使用语音输入 技术( v i av o i c e ) 。目前，只有o n s t a r 系统实现了语音输入的功能。当然，使 用语音输入技术，对t e l e m a t i c s 的硬件和软件都提出了相当高的要求。 显示技术 t e l e m a t i c s 系统必须拥有良好的显示输出系统。特别是针对具有电子导航功 能的t e | e m a t i c s 设备，由于它们需要显示电子地图，所以他们需要有高解析度 的显示屏。 基本上，任何个人或家用产品都可以加入到t e l e m a t i c s 系统中。 1 5t e l e m a t i c s 发展趋向 在这些发展趋向中，比较会产生重大影响的主要是： 远程诊断功能 远程诊断不再是t e l e m a t i c s 系统中的遥远诊断技术了。美国s a e 协会已经 制定了大量的在线诊断协议( o d b i i 等) ，预计到2 0 0 8 大部分的名牌汽车都 会安装在线的诊断设备，汽车上的计算机系统将可吼实时地检测到汽车的性能。 同时s a e 也提出，到2 0 0 8 年，应该以c a n 总线统一汽车上各种电子设备的通 信。因此，t e l e m a t i c s 系统完全可以通过向服务中心传送o d b 系统的数据来实 现服务中心对汽车的远程诊断。 6 r e l e m a t i c s 车载单元研究与开发 即时交通调度与导航 目前i t s 的交通调度系统遇到的最大问题，是路由算法无法获取或者很难 获取道路的拥塞参数，这大大影响了调度的性能。而且即将进入道路的汽车也 无法知道调度的结果。t e l e m a t i c s 可以在很大程度上解决这个问题。服务中心可 以通过获取道路上面的汽车数据，进行交通调度，并将调度参数发回汽车，汽 车上的导航系统根据这些参数给予新的导航建议。这样可以大大提高i t s 交通 调度功能。 基于位置的服务 基于位置的服务是近年提出的一种新业务，对于拥有g p s 定位能力的 t e l e m a t i c s 设备来说，当然是一种很容易实现的附加业务。 图1 一i t e l e m a t i c s 车用己开发开发中的硬件没备、组件 5 1 6 本文进行的工作 t e l e m a t i c s 系统是一个很庞大的研究课题， 结合实验室的项目，本论文进 第一部分研究背景 行了两大部分的工作。第一部分是汽车行驶记录仪的设计与开发工作，该产品 现已通过了公安部交通安全产品质量监督检测中心鉴定，已经进入销售阶段。 第二部分是新一代汽车行驶记录仪的研究。新的研究包括了为汽车行驶记录仪 增加碰撞检测功能，并试图实现碰撞前后汽车运动轨迹的重建工作，总结研究 经验，为进一步的研究指出方向。 t e l e m a t i c s 车载单元研究与开发 第二部分汽车行驶记录仪开发及实现 2 1 汽车行驶记录仪标准及当前研究成果 随着飞机黑匣子在空运管理方面的成功运用，汽车黑匣子已陆续在许多国 家和地区大量使用。对管理者而言，使用行车记录仪可以对驾驶员的行为进行 管理和监督，减少交通事故发生，也降低了车辆的运行费用和维修费用。驾驶 员受“黑匣子”监控后不仅将规范行车，自身也能受到保护。以往发生了交通 事故，驾驶员只能听凭交通部门处理，而有了这个记录仪，就可以据此为自己 的合法权益进行辩护。同时，“黑匣子”记录的数据可以通过计算机进行资料 分析，帮助交通管理部门界定交通事故。 早在1 9 9 0 年以前欧共体就通过了在汽车上安装黑匣子的立法，并具体规定 了商用车安装“黑匣子”。这一立法要求其欧洲的十五个成员国在十年内给予在 用的9 0 0 万辆商用车安装这一装置。美国、日本、香港及马来西亚等国家和地 区也相继广泛使用汽车黑匣子。统计资料表明，汽车黑匣子的使用，使交通事 故率降低了3 7 一5 2 ，大大减少了人员伤亡和财产损失，产生了显著的社会 效益和经济效益。可见，准确汜录运行过程，防患于事故未然是极为重要的。 我国从2 0 世纪8 0 年代后期开始，在少数地区曾试用过由国内一些科研机 构和企业自主研制的数字式记录仪。但长期以来，我国还没有一项汽车行驶记 录仪的国家标准，也没有统一的行业标准。这种局面导致了近年来我国道路交 通事故频发，并且呈上升趋势，给人民生命、企业的经营活动和国家财产造成 了巨大的损失。统计资料表明，大部分事故是驾驶员疲劳驾驶和超速、超载等 交通规章行为造成的。 为遏制交通事故频发，公安部、交通部和国家安全生产监督管理局于2 0 0 1 年1 0 月联合下发了关于加强公路客运交通安全管理的通告，通告要求，长 途客运车辆应逐步安装符合国家有关标准的行驶记录仪。同时，为了在全国范 围内继续深入开展预防和减少道路交通事故工作，公安部、国家安全生产监督 管理局制定了( ( 2 0 0 2 年预防道路交通事故工作方案。该方案明确规定对疲劳 驾驶、车辆超速等8 项违章行为进行集中整治。在这种情况下，尽快制定记录 第二部分汽车行驶记录仪开发及实现 仪国家标准，对规范我国记录仪产品的生产和使用，落实两部一局的通告要求， 保障道路交通安全具有重要意义。从2 0 0 2 年中开始，我国的汽车行驶记录仪标 准制定工作开始进行，同年提出了第一份标准草案。2 0 0 3 年4 月， g b t 1 9 0 5 6 2 0 0 3 汽车行驶记录仪标准正式颁布并于同年9 月1 日正式实施。 3 4 】 笔者有幸参与广州银宜智能交通公司y c 2 0 0 3 一a 型汽车行驶记录仪的整个 开发过程。该公司为国家标准的主要定标单位之一，在汽车行驶记录一方面有 四年的开发、生产及销售经验。 y c 2 0 0 3 一a 型汽车行驶记录仪于2 0 0 3 年7 月通过公安部交通安全产品质 量监督检测中心鉴定，为首批通过检测机型。 2 2 汽车行驶记录仪开发指标 汽车行驶记录仪标准规定的指标主要有电气、机械性能指标、记录功能指 标以及通信功能指标。下面简要列出一些关键的设计指标，详细的指标可以参 阅汽车行驶记录仪g b t 1 9 0 5 6 2 0 0 3 9 。 2 2 1 电气性能指标 3 5 1 1 3 6 j 汽车行驶记录仪的额定工作电压分为三个档次，包括1 2 v 、2 4 v 以及3 6 v 档。每个档次的额定工作范围为标称电压的正负2 0 ，同时能承受一分钟的过 电压试验。 电磁兼容性测试，汽车行驶记录仪必须通过g b t 1 7 6 2 6 3 1 9 9 8 标准第三等 级的测试。 抗静电测试，记录仪应满足g b t 1 7 6 2 6 2 - 1 9 9 8 标准第三等级的测试，即空 气放电8 0 0 0 v ，接触放电6 0 0 0 7 的静电测试。 抗汽车打火干扰测试记录仪在1 2 h z 至2 0 0 h z 的打火频率下正常工作5 分 钟。该项目为车载电子设备的特殊测试，主要是检测记录仪的对电源波动和静 电的抗干扰能力。 2 2 2 机械及防水性能指标 o t e l e m a t i c s 车载单元研究与开发 汽车行驶记录仪又被称为黑匣子，在发生交通事故的情况下必须能有效地 保存数据，因此汽车行驶记录仪的机械及防水性能指标要求比较高 对于机械性能，汽车行驶记录仪必须通过8 小时的震动测试和1 1 毫秒的冲 击测试。 对于防水性能，汽车行驶记录仪必须通过一天的浸水测试以及4 8 小时高湿 测试。 2 2 3 记录功能指标 记录功能包括使用者及车辆信息、3 6 0 小时全程记录和2 0 秒瞬时( 记录间 隔小于0 2 秒) 记录三大部分。 速度测量的精度应达到1 h n h ，5 k m 里程测量的精度应优于0 i k m 。 2 2 4 通信功能指标 记录仪必须同时具备r s 2 3 2 c 串行通信以及使用u 盘作为存储介质的能力。 因此，记录仪必须同时具有r s 2 3 2 c 通信口以及u s b 主机通信口。u s b 设备的 引入，给汽车行驶记录仪的开发带来了相当的难度。 2 3 汽车行驶记录仪硬件系统设计 根据前面所述，国标对行驶记录仪的电气及机械性能要求作出了严格的要 求。机械部分不属于作者的设计内容，故在此不作叙述。设计记录仪电路时， 我们将提高记录仪内部电路的抗干扰性能作为设计的重点。 下面就记录仪电路的设计以及如何提高电路抗干扰能力进行叙述。 2 3 1 记录仪硬件电路设计 2 3 i 1 硬件系统设计分析 根据国标，汽车行驶记录仪的设计划分为四大部分：电源系统、测量通道、 处理器系统、以及u s b 外设。 第二部分汽车行驶记录仪开发及实现 电源系统是整个记录仪系统的核心。车内的电源环境比较恶劣，车载设备 的电源系统非常容易受干扰和被破坏，所以几乎全部的抗干扰和抗破坏措施都 会被安排在这个系统内。解决电源抗干扰的问题能大大提高记录仪的性能。 测量通道设计的问题主要是信号比较复杂，信号源的带负载能力也各不相 同。同时，为了避免干扰从测量通道串入记录仪，必须在测量通道内加入一定 的隔离措施。 处理器系统是记录仪的核一t l , ，这部分直接影响记录仪固件开发人员的工作 量和工作强度。同时，它们也会直接影响记录仪的性能。 u s b 外设一般是在商用p c 环境中使用的，在车载设备上使用u s b 外设， 需要对u s b 外设部件增加一定的抗干扰措施。 2 3 1 2 硬件系统框图 根据前面分析，记录仪的硬件系统各模块关系如下图2 - 1 所示 r _ l 电源横块f 1 一 图2 1 记录仪硬件模块 显示打印模块为记录仪的外接配件，本文不详细叙述该模块的设计过程。 实时时钟r t c 为系统提供标准的日历时间。 2 3 1 3 电源系统 电源系统需要由三大参数确定，即输入电压、输出电压和输出功率。 y c 2 0 0 3 一a 型汽车行驶记录仪的标称电压为d c l 2 v ，按国标要求，其输入 工作电压范围为9 至1 6 v ，过电压值为2 4 v 。因此我们实际需要的电源模块的 应在9 至2 4 下仍然可以正常工作，超过2 4 v 时进入保护状态。 1 2 t c l c m a t i c s 车载单元研究与开发 记录仪内部电路系统的工作电压为5 v ，但是由于u s b 系统需要3 3 v 的芯 片工作电压和信号线上拉电压，因此电源系统的输出电压为5 v 和3 3 v 两个输 出值。考虑到前级的抗干扰和抗破坏措施需要比较多，为简便和安全起见，我 使用了分级变压的办法，即通过两次d c - - d c 变换将输入电压变换为5 v ，然 后再变换为3 3 v 。 至于功率方面，由于记录仪内部全部为低功耗的芯片，总功率峰值不超过 2 0 0 m w ，因此功率方面不是电源系统设计的主要问题。 综上所述，电源系统需要由两个核心d c - - d c 变换组成，即1 2 v 到5 v 变 换和5 v 到3 3 v 变换。为此，我选择了日本c o s e l 公司的z u s l r 5 2 4 0 5 集成电 源模块作为1 2 v 至5 v 的变换。该模块的设计输入电压范围为6 至4 0 v ，输出 电压为5 v ，功率为1 5 w ，内置电源滤波电路和过流保护电路( 过流点为表征 电压的1 0 0 ) ，其参数满足了国家标准对1 2 v 和2 4 v 汽车行驶记录仪的要求， 同时也可以支撑u s b 对主机供电的要求。另外，以m a x i m 公司的m a x 8 8 2 芯 片作为5 至3 3 v 的变换，该芯片为l o w i q 的线性稳压芯片，输出电流为2 0 0 m a 。 2 3 1 4 测量通道 根据国标要求，记录仪必须能测量汽车的速度信号和制动信号，同时记录 仪也应能测量车灯亮、灭的信号。 对这些信号波形进行分析目前记录仪需要测量的信号量实际为两大类： 速度脉冲信号( 高频信号) 和制动、车灯信号( 低频信号) 。这两大类信号有个 共同点，都是方波信号，虽然不同信号用不同的电平表达逻辑信号。 制动、车灯等信号可以通过对仪表板上的相应指示灯电平采样获得。 速度脉冲信号则相对复杂。对于一些近年新出品的汽车来说，仪表板速度 表的输入信号已经为数字式的脉冲信号，这些信号可以用记录仪直接测量；而 对于一些较老型号的汽车来说，仪表板速度表的输入信号则不是脉冲信号，对 于这些车辆，需要在其变速箱抽头加装一个霍尔速度传感器来输出数字化的速 度信号。 霍尔速度传感器( 图2 - - 2 ) 配合单片机处理是目前比较成熟的车速测量方 第二部分汽车行驶记录仪开发厦实现 法。实际上新生产的汽车也是使用霍尔速度传感器产生数字化的速度信号。在 霍尔效应速度传感器中，当测速的靶转到霍尔效应传感器的位置，即霍尔传感 器位于靶及磁铁之间，霍尔效应传感器检测到靶感应的磁通量变化。 图2 2 霍尔传感器 霍尔效应技术的特点是允许在任意慢速下检测运动物体的速度。霍尔效应 速度传感器通常能将信号处理电路也集成在同一封装中，从传感器来的信号只 需去很短的距离( 往往仅仅几个密耳) 即到达信号处理电路，短的距离减低了 从干扰源检拾干扰，使霍尔效应速度传感器极好地免除e m i 引起的故障及失效。 这种形式还提供了一些现实的好处，最重要的是无需外加信号处理电路。绝大 多数的霍尔速度传感器直接提供数字信号输出，与数字逻辑、微处理器及p l c 兼容。 很多通用运动装置的工作温度范围从- 4 0 。c 到1 5 0 。c ，这限制了霍尔效应速 度传感器的应用。但这个范围对于测量车轮速度来说已经足够，同时因为霍尔 速度传感器集成了信号处理电路，能测接近零速的能力及数字信号输出，所以 霍尔速度传感器在速度检测应用中往往是设计者的最佳选择。使用转速传感器 必须注意一点，由于转速传感器磨损比较快，需要定期校正传感器的特征系统。 无论采用哪种方法，速度记录仪最终面对的电气信号是基本一样的，因此 记录仪一般只有较简单的信号整形电路和信号读取电路部分。 速度测量部分的框图如下： 速度信号 i 处理器系统 吲僦 几厂 图2 3 速度测量通道示意图 速度脉冲检测电路实际上是一个脉冲计数电路，由于计数功能可以在c p u 内部完成，因此外围电路设计的重点为信号整形与隔离的工作。因为车内的电 t e l e m a t i e s 车载单元研究与开发 磁环境比较复杂，所以速度脉冲信号或多或少会受到大量高频信号的干扰，为 了提高信号检测能力，保护c p u 系统不受干扰，必须在检测通道上加入隔离器 件。光耦可以满足上面的要求。其一，光耦以光为耦合媒介，可以说外部信号 与内部c p u 系统在电气上隔离，在逻辑信号上连通。其二，只有在输入信号的 持续时间达到一定程度下，才能在光耦的输出端建立有效信号，因此光耦可以 有效地屏蔽大量高频毛刺的干扰。同时，这个特点也决定了选取光耦型号时， 必须小心确定型号的响应频率，响应过快不能有效屏蔽高频毛刺，响应过慢则 会导致不能正确识别脉冲信号。 目前汽车上的速度脉冲输出频率为8 脉冲圈至1 6 脉冲圈左右，以直径为 0 5 米的车轮计算，行驶一公里传感器产生的脉冲数为5 0 0 0 至1 0 0 0 0 左右。在 时速为1 0 0 公里d , 时的速度下，信号频率为1 4 2 h z 到2 5 0 h z 左右。因此，速度 脉冲检测电路的最高频率在l k h z 左右即可满足要求。 m o t o r o l a 公司的m o c d 2 0 7 光耦基本满足了上面的要求，其基本指标如下： 前向驱动电流i f = 6 0 斗a 峰值电流 i fc p k ) = 1 a 输入输出隔离度 v i s o = 2 5 0 0 v 打开、关断时间 3 s 上升、下降沿 3 “s 实测是发现输入方波信号频率为i o k h z 时，输出端信号仍比较陡峭，完全 满足前面提出的信号频率要求。 图2 - 4 信号采集通道 第二部分汽车行驶记录仪开发及实现 信号采集通道如上图，d l 为m o c d 2 0 7 的保护电阻，因为m o c d 2 0 7 的输 入级反向电压只有6 v ，因此需要使用一只反向电压为1 2 0 v 左右的二极管作为 保护。r l 配置为2 5 k o h m 前向电流可达4 m a 。 速度检测是时间敏感的操作，因此在处理上应优先处理，对于普通的m c u 可以使用外部中断实现检测功能。而最好的检测方法则是使用m c u 的计数模 块p c a 进行脉冲计数，并定时提取计数值，这样可以利用硬件计数的优势，避 免由于软件计数方法带来的脉冲丢失。 2 3 1 5m c u 系统 记录仪的m c u 系统如图2 - - 4 所示，由m c u 、f l a s h 芯片、实时时钟( r e a i t i m ec l o c k r t c ) 、r s 2 3 2 通信接口芯片、检测信号输入接r l 以及其他一些额 外的附加部件( 没有列出) 组成。实际上，这是一个标准的单片微机应用电路， 可见不同产品多数只是功能不同，而在硬件结构上则是大同小异。 图2 4 m c u 系统 整个系统的选型，关键在于m c u 和f l a s h 的选型，因为其他三部分功能都 比较单一，基本没有选择的余地。m c u 的选型关系到整个开发的流程以及系统 性能的问题。f l a s h 的选型则决定记录仪的记录容量以及系统扩展性的问题。 m c u 方面，我选择的是美国s s t 公司生产s s t 8 9 e 5 6 4 r d 处理器。这是一 片8 b i t 的5 1 系列处理器，选择5 1 系列的单片机，主要是考虑到这种单片机的 1 6 t c l e m “c s 车载单元研究与开发 开发流程比较成熟，开发人员比较熟悉，而且该系列的处理器已经经过了长时 间的考验，对于对稳定性要求比较高的记录仪系统而言，选择这种类型单片机 比较稳妥。s s t 8 9 e 5 6 4 r d 自带1 k s r a m ，6 4 k + 8 k f l a s h r o m ，内建w a t c h d o g 功能。更为重要的是，通过s s t 公司的i a p ( i na p p l i c a t i o np r o g r a m ) 功能，可 以通过串口更新m c u 的内部程序，这种功能对于成品后将被防水树脂封闭的 记录仪系统而言，无疑是非常有价值的。 f l a s h 方面主要需要考虑f l a s h 的容量问题。可以粗略估算，以每分钟一次 的间隔，连续记录3 6 0 小时的数据，基本的数据量为2 2 k b y t e ，但考虑到数据 将会被分块，而且考虑日后需要将记录间隔提高至3 秒一次，我使用了2 m b 的 f l a s h 存储器，可以有相当充裕的冗余量。 r t c 需要考虑的问题是后备电源，由于记录仪的工作温度范围是一2 0 至+ 8 0 度，因此对r t c 的后备电池有相当的要求。因此，我选择使用d a l l a s 公司 的d s l 2 8 8 7 系列r t c 芯片，该芯片内置了可用十年的锂电池，制作样品时使 用商业级的产品，生产时再使用工业级的产品。 r s 2 3 2 接口方面，我选择了m a x i m 公司的m a x 2 3 2 芯片，该芯片使用了电 压泵技术，可以使用单5 v 电源生成正负1 2 v 信号电压，而且有1 0 k v 的仿e s d 能力，是比较通用的r s 2 3 2 接口芯片选择。 2 3 1 6u s b 系统 国标要求使用u 盘作为记录仪与p c 之间数据交换的媒介，因此必须在记 录仪内配置u s b 接口芯片以及相关电路。 u s b 全称是u n i v e r s a ls e r i a lb u s ( 通用串行总线) ，它是在1 9 9 4 年底康柏、 i b m 、m i c r o s o f t 等多家公司联合制订的，但直到1 9 9 9 年，u s b 才真正被广泛 应用。自从1 9 9 4 年1 1 月1 1 日发表了u s bv 0 ，7 以后，u s b 接口经历了六年的 发展，现在u s b 已经发展到了2 0 版本，广泛使用的是1 1 版本。 u s b 的产生目的是同意全部商用计算机外设的接口，因此u s b 标准规范了 从硬件电路到软件体系的一系列标准。本节介绍u s b 的硬件要求和指标以及实 现方案，至于软件体系和软件编程方案将在记录仪软件没计章节中介绍，也可 以参阅 1 2 l 。 1 7 第二部分汽车行驶记录仪开发及实现 目前，通用式的u 盘是以从设备( s l a v e ) 的模式并按u s b i i 全速设备( f u l l s p e e d ) 标准设计的，所以记录仪的u s b 接口必须配置为主设备( h o s t ) 。 2 3 1 6 iu s b 电气标准 u s b l 1 标准对u s b 体系内h o s t 部件能向设备提供5 v 、1 0 0 m a 电源。d + 和d 一信号线使用3 3 v 信号电压。标准也建议h o s t 在5 v 供电引线上加上如自 恢复保险丝之类的保护性元件以获得一定的抗能破坏能力。 2 3 1 6 2 u s b 外设芯片选型 1 8 】 目前在u s b 外设芯片上做得比较好的供应商有p h i l i p s 和c y p r e s s 。成熟的 芯片有c y p r e s s 公司的s l 8 1 1 h s 和p h i l i p s 公司的i s p l l 6 1 。s l 8 1 i h s 是8 b i t 接口的芯片， s p l l 6 1 是1 6 b i t 接口的芯片。由于前面已经选定了8 b i t 的 s s t 8 9 e 5 6 4 m c u 作为记录仪的控制器，顾只能选择s l 8 l i h s 芯片作为记录仪 的u s b 接口芯片。 s l 8 l i h s 芯片的模块功能图如下： d d - x 1x z 图2 5s l