（信号与信息处理专业论文）汽车行驶记录仪的设计.pdf

f l ! ：i 卜论文汽车行驶汜泶仪的设计 ￥6 2 4 5 4 5 摘要 本文是对汽车行驶主要参数进行检测记录系统的研究。汽车行驶记录仪是一种以 可靠戆形式，镣存汽车行驶辩及发生事故翦轰有关数据、嚣驳凝态麓各项参数豹竣备。 记漾仪保存的鬟要数据，有髓于在事故分析时获褥可靠的、正确的肖关数据和信慈， 脊勋于确定事故的真实原因。 文中讨论了研制新一代汽车行驶记录仪的技术要求，并提出了解决方案。对主要 参数豹捡溺方浚逐雩亍了骚突，重点对车速豹检溺方法致箕鼹矮霍尔传感器送嚣了谤 论。系统的硬件实现选用8 位m c s 5 l 单片机为核心，给出了各部分磺件实现的设计。 整个系统，以单片机为下位机，p c 机为上位机避行检测。整个检测系统进行模 块纯设诗，上缎辘应蠲软 孛逡曩lv i s u a lb a s i c 语言开发，劳对数据邋 亍数据库管蠼。 与阀类产品楣跑较，可敬更究整、更精确地记录汽车行驶时的车速与工况。 关键词t 汽车行驶记录仪糕尔传感器单片机v b 数据库 殛士论文汽车行驶记录仪的殴计 a b s t r a c t t h i st h e s i sp r e s e n t st h er e s e a r c ho np r i m a r yp e r f o r m a n c eo ft h ev e h i c l et r a v e l i n gd a t a r e c o r d e r 。t h ev e h i c l e t r a v e l i n gd a t ar e c o r d e r m e a n st om a i n t a i nas t o r e ，趣as e c u r ef o r m ，o f i n f o r m a t i o n c o n c e r n i n g t h er e l e v a n t d a t a ，s t a t u so f r u n n i n g o v e r p e r i o du p t oa n d f o l l o w i n g a ni n c i d e n t i n s t a l l i n gav e h i c l et r a v e l i n gd a t ar e c o r d i n gs y s t e ma b o a r dc a r sw h i c hc o l l e c t s e s s e n t i a ld a t aa st ot h ec i r c u m s t a n c e sa n do r i g i n so fa na c c i d e n tw i l lg r e a t l yi m p r o v et h e s u p p l y t or e l i a b l ei n f o r m a t i o n i ti n c l u d e st h et e c h n i c a ls p e c i f i c a t i o n ，d i f f i c u l t i e s ，a n ds o l u t i o n so ft h en e wv e h i c l e t r a v e l i n gd a t ar e c o r d e r 。d i s c u s s i o na n dd e s i g no f t h em e t h o da n dh a l ls e n s o ro f s p e e d t e s ta r ek e y s t o n e ，i ti sb a s e do n8b i tm c s 5l c h i pm i c r o c o m p u t e r ，w ei m p r o v e d t h ed e s i g n o f h a r d w a r e i nt h ew h o l et e s t i n gs y s t e m ，s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e ri sl o w e rm a c h i n ea n dp ci s u p p e rm a c h i n e t h em e a s u r i n gs y s t e mc o n t a i n ss e v e r a lm o d u l e s ，t h es o f t w a r eo fu p p e r m a c h i n ei sv i s u a lb a s i c ，i tc a nr e c o r dt h ev e l o c i t ya n do t h e rw o r kc o n d i t i o n so f t h ev e h i c l e i n t e g m l l t ya n dp r e c i s e l y k e yw o r d s ：v e h i c l et r a v e l i n gd a t ar e c o r d e r h a l ls e n s o r s i n g l e c h i pm i c r o c o m p u t e r v bd a t a b a s e 硕l 一论文 汽车行驶记录仪的设计 1 绪论 随着经济的发展，人民生活水平的提高，现代交通也迅速发展。为了在日益拥 挤的交通方面，更好的保障交通安全。世界各国纷纷采取了许多措施，其中汽车行驶 记录仪作为预防交通事故发生，实时监控行驶速度的一种电子产品，得到了越来越广 泛的应用。 1 1 研究背景与意义 汽车行驶记录仪，也称“汽车黑匣子”、“综合记录仪”、“机动车信息记录仪”、 “车辆智能管理仪”等。它是2 0 世纪7 0 年代以后才率先在欧洲出现并得到广泛使用 的种能够安装在车辆上全过程同步记录、监控车辆运行状态、预防道路交通事故发 生的用于交通安全管理的产品。在我国，目前随着国民经济的快速发展，私人拥有轿 车已不再是梦想，随之而来的交通事故也日趋增长，因此预防交通事故的发生，实时 监控驾驶员的驾驶行为，记录各种行车数据并能根据需要随时调出数据进行分析的行 驶记录仪发挥着越来越重要的作用。 早在2 0 世纪7 0 年代，发达国家就开始安装使用行车记录仪，欧共体推出机电 模拟式汽车行驶记录仪，用于记录汽车行驶的速度和距离。2 0 0 1 年l o 月2 4 日，公 安部、交通部、国家安全生产监督管理局共同发布了公通字 2 0 0 1 1 8 3 号关于加强公 路客运交通安全管理的通告的文件，明确长途客车应当使用行驶记录仪。我国自 2 0 0 1 年以来，交通部交规划发 2 0 0 1 1 2 6 8 号发布的公路行业产业政策、交公路发 f 2 0 0 2 1 2 2 6 号、交公路发 2 0 0 2 1 4 1 8 号和交公路发 2 0 0 2 1 5 1 l 号等文件分别要求利用全球 定位系统( g p s ) 以及行车记录仪对运输全过程进行跟踪，尤其是长途客运车辆、危 险品运输车辆和旅游客运车辆要逐步采用g p s 、行车记录仪，以确保运输安全。由我 国公安部交通安全产品检测所等单位负责起草的汽车行驶记录仪国家标准于2 0 0 3 年4 月1 5 日正式发布，并于2 0 0 3 年9 月1 日正式实施。这将大大提高装罱的标准化， 有效的改善通用性。 1 2 汽车行驶记录仪系统的设计概述 随着汽车保有量的增加，发生交通事故的概率也随之增加，如何在发生事故后 及时、准确地分析故障的存在，客观地分析事故的责任，通过记录仪对实时时钟、日 期及驾驶时间的采集、记录、储存，车辆行驶速度、里程的测量、记录、储存，就为 硬论文 汽车幸亍聚记录 望篷设计 驾驶员把握行车状态及粼定交邋攀敌原因提供了依撵。 本文主要完成汽车车速、时间和刹车情况的记渌和处理。由于汽车内部已经安 装了车速传感器，因此车速信号的测量只需直接提取该信号即可，由单片机对传感器 的信号进行处理计算得到相应的车速，再通过内部橼序把车速的代码稃入存储器。对 于剩车蕊号，汽车内部并没袁域减弱传惑装置，考懋戮驾袋员在驾驶汽车霹，健豹操 作毒亍为鼹通过指示灯与舞器交流静，逶过对其搽律l 逢程静分辑，灯毙缝合有3 l 释。 在这里，可取制动灯的状态作为刹车信号，这样就省去了加传感器的费用，从而降低 了成本。尚需要记录其它操作状态时，也只需提取相应的指示灯信号，翁于扩展。由 于汽车内部衡电瓶供电，因此熬个记录仪的电源就从汽车内部提取，缀避稳篮变换后 成为5 v 纛漉奄压佟秀记录仪豹电源，麓保证在出联意外帻况导致汽窜浅郝终电时， 记录坟傻戆将数据完整豹写入露德器，翥配譬惫潺簸控芯片，露霹带蠢器门獍电露， 防止出现意外时程序运行混乱产生“死锁”，对系缆笈位。 整体组成框图如下 阁1 1组成框图 技术指标如下： 该产赫蘑实魏豹主要囊裁蠢：实舞霹镑、羁鬟及驾驶粒瓣熬采集、滠茕、存穑； 车辆行驶状态、速度斡潮量、诡泶、存诺；数据逶傣。 1 、实时时钟：记录仪提供北京时间的日期和时钟，该日期和时钟被用于为汜录 仪实现所有功能( 记录、输出、数据通信等) 标淀网期和时间；记录仪可对连续驾驶 时间进行记泶；连续记录2 4h 的误差在士5 s 以内。 2 、车骥行驶装态、速度翦溅垂、毒己录、存储：记录仅鞋0 + 2 s 兹辩阉越骚持续记 录并存储耱攀蓊2 0s 实辩辩阕辩应瓣车辆行驶速菠。其中速度静记录攀缀必k m h ， 测量范围为0 2 2 0 k m h ，测爨分辨率为l k m h ) 。记漾汽车每次的刹率时间及刹车时 坝l 论史汽车行驶记录仪的殴计 的车速。这些详细的数据将作为事故疑点数据，为查明事故原因提供第一手资料；当 车速传感器输出的脉冲信号超过5 脉冲s 并持续5 s 以上时，则认为车辆处于行驶状 态，否则则为停止状态。记录仪以l m i n 的时间间隔持续记录并存储车辆在最近7 2 0h 内的行驶速度数据，其中车速是以l m i n 的间隔记录实时时间相对应的每分钟间隔内 的平均行驶速度值；对车速的记录误差不大于5 km h 。 3 、数据通信：单片机与p c 机之间数据的传输。 4 、p c 机的终端界面及数据库软件的设计：一方面是接收记录仪存储的数据，进 行数据库管理，数据处理；另一方面可以修改单片机中存储的一些参量。 1 3 论文主要研究工作 本设计系统主要是根据汽车行驶记录仪国家标准的要求，完成对汽车行驶 主要参数：车速及时间数据的采集和处理工作，以曲线的形式形象地反映出汽车行驶 的状态。具体到本文，主要是实现时间和车速数据的采集和处理。在具体的实现上， 主要解决了车速传感器的数据采集、车速的计算、数据的存储、看门狗、单片机与 p c 机的通信、终端数据库操作等问题。论文中侧重分析了车速的计算及在系统中的 硬件和软件实现，另一个重点是主c p u 模板的单片机对整个系统的控制，以及p c 机 的终端数据库软件的设计。 在器件的选择上，主要采用了a t 8 9 c 5 1 和a t 2 9 c 0 4 0 a 。这是从本设计的实际要求 出发而考虑的，采用a t 8 9 c 5 1 可以以最小的成本来实现对系统的要求：而采用f l a s h 存储芯片，主要是可以满足数据反复擦写的要求，同时该芯片为并行存储器，数据的 传输速率较高。在软件的编写上，单片机部分全部采用了c 5 1 语言；p c 机的终端控 制由v b 来实现。 本文针对车速数据采集的要求，首先讨论了本设计的产生和应用背景，接着讨 论了车速测量的原理及整个系统的整体实现原理，接下来主要具体讲述了单片机及系 统各部分的原理和设计实现，p c 终端数据的处理。在文章的最后给出了具体设计中 应该注意的一些问题。 硕上论文汽车行驶记录仪的设计 2 主要参数检测方法的研究 2 1 引言 考虑到每辆汽车都必须有车速表以显示车速，所以车速信号的检测方法可以参 考车速表的工作原理。基于这样的思路，本章先分析了常用的车速表的工作原理，由 此引出车速测量的重要器件一车速传感器。详细介绍了当前主要应用的车速传感器一 霍尔传感器的工作原理。在此基础上，讨论了转速测量的三种主要方法，并进行了比 较，分析得出了车速测量的具体实现方法。 2 2 车速表的工作原理 国内外常用的汽车转速表速度表原理为： l 、传统的机械式车速表 原理：传统的机械式车速表是由变速箱第二轴输出动力，经驱动涡轮轴带动软 轴头端同步转动，使与软轴另一端固连的永久磁铁跟着同步转动，从而产生旋转磁场， 该磁场作用于转动盘，便使转动盘连同车速表指针发生同向的偏转。当电磁转矩与弹 簧产生的阻力矩平衡时，指针偏转停留在某一角度上，指针偏转角与车速成正比，因 而可表示车速。 缺陷：机械式车速表的缺陷是明显的。由于表盘指针偏转程度正比于软轴转动 时产生的磁力，当转速较低时，磁力较小，随转速变化较大。因此，低速时车速表指 针摆动剧烈、测量及显示精度不高，该种仪表已被渐渐淘汰。 2 、简易电子式车速表 原理：这类仪表基本原理都是设法由电子器件代替传动软轴取得汽车运行旋转 信号，进而处理显示出转速或车速信息。常见的有脉冲式电子转速表和简易晶体管式 转速表。前者旋转信号采自分电器，发动机工作时，分电器触点不断开闭，其开闭次 数与发动机转速成正比。触点开闭产生断续电流，通过积分电路整形，形成具有固定 幅值和一定脉冲宽度的矩形波电流，矩形波的脉冲宽度正比于发动机转速。用该矩形 波驱动电流表，即显示发动机转速信息。晶体管式转速表的输入信号也来自于点火系 统分电器的断点器触点，在其触点打开时提供电路触发脉冲信号。工作中通过晶体管 的导通和截止来控制给电容的充放电，由电容放电驱动表盘指针转动，进而实现显示 转速信息。 缺陷：该类型的仪表转速信息来自于分电器触点，断电器所提供的触发脉冲宽 坝士论文汽车行驶记录仪的设计 度随着发动机转速而变化，故点火系统的触发脉冲振幅和持续时间是转速表精度的关 键参数。但信号在经过整流滤波处理过程中不可避免会损失和失真，导致显示失真， 影响精度。 3 、程控集成电路车速表 集成电路程序控制车速表通常是采用固定于发动机输出轴或变速箱第二轴驱动 的蜗轮轴转盘上的车速传感器产生车速信号，经过放大，光隔离和整形以后，送至主 控制e c u ，由单片机定时计数，并输出控制信号，驱动表盘指针旋转或用数字显示。 主控制e c u 接受整形后的转速信号，通过定时计数器判别当前转速大小，然 后通过查表方式从存储器中读出事先标定好的控制信号，输出到指示机构，由指示机 构将该信号改变为模拟信号，驱动表盘指针。如果是采用数显方式，则e c u 只需将 记速信号输出至显示处理电路。 优点：程控集成电路车速表的优点是明显的。首先由于大规模集成电路技术的 成熟，可供选择的单片机种类很多，可满足不同功能仪表的需要。集成芯片体积小、 稳定性高、抗干扰能力强、控制灵活，能适应汽车仪表对高可靠性、防震、防水、宽 范围工作温度的要求。通过编程控制表头指针的偏转，可达到很高的控制精度，并能 消除指针低速抖动现象，清晰便于视认，并且适合大批量生产。 综上所述，当前汽车的车速表主要是采用程控集成车速表，它实际上是对发动机 输出轴或变速箱第二轴驱动的蜗轮轴转盘的转速进行测量，然后将转速测量结果换算 为车速。因此，转速传感器是转速测量系统中的主要组成部分。对有些型号较老或配 置较低的汽车，可能并没有安装转速传感器，这时需要另外安装。 2 3 转速传感器的分类及特点 转速传感器是将机械运动这个非电量转换成电量信号的传感器，是用非电量电 测法测量转速的测试系统的主要组成部分。按输出信号的模式可分为模拟式和数字 式，按工作原理又可分为电涡流式、光电式、磁电式等。其分类方法如下： 图2 1 转速传感器的分类 盏 善蔼 凰 回 一 坝十论文 汽车行驶记录仪的设计 1 、模拟式转速传感器是取其与被测转速成正比的电压幅度作为输出信号，称为 测速发电机，包括直流测速机和交流测速机两种，其中交流测速机又分为同步和异步 两类。测速机的构造简单可靠，耐振动冲击，但速度范围小，温漂较大，不适于高温 环境。 1 ) 直流测速机 直流测速机由永磁体定子和匝数很多的电枢组成。直流测速机可以有很高的灵 敏度，能实现在低速测量时的高精度，但输出有纹波现象，并有电火花干扰等缺点。 2 ) 交流测速机 交流测速机可分为异步式和同步式两种。交流异步测速机输出电压的幅值正比 于转速，而电压的频率和激磁信号的频率有关，与转速无关。最常用的结构是空心杯 转子，特点是惯量小、无电滑动接触、寿命长、精度高，但存在剩余电压、相位差等 缺点。 交流同步测速机一般用永磁体代替激磁绕组，输出电压与转速比可做得较高， 其输出电压大小与转速成正比，而且输出电压的频率也与转速成正比。目前，一般采 用电子线路先整流再滤波的方法，得到与转速有关的平均电压的幅值。 2 、数字式转速传感器是取其与被测转速的频率成正比的电脉冲作为输出信号， 按获取转速信号的方式可分为电涡流式，光电式和磁电式三种。 1 ) 电涡流式 电蜗轮式转速传感器是利用电涡流效应制成的。当传感器线圈上通有一交流电 i ，时，电流的强弱变化在线圈周围产生一个交变磁场h l ，当导体( 如旋转盘) 置于 该交变磁场内，由于互感磁通的变化，在金属导磁盘上感生电涡流1 2 ，电涡流磁场 h 2 ，形成互感电势v 2 。 v 2 = 一j 。2 m i i( 2 1 ) 式( 2 1 ) 中：m 传感器与旋转盘之间的互感系数，表示为单位电流所产生的互 感链数； m 2 交流电动角频率。 电流i j 、1 2 的互感影响是同时发生的，1 2 也在传感器上产生附加感应电势v i = 一jui m l 2 ，可以用耦合系数k 来表示它们互相影响的程度。由电磁学原理可知： k ：竺( 2 2 ) 三1 工2 式( 2 2 ) 中，互感系数m 及线圈和旋转盘的电感量l l 、l 2 都影响着耦合系数， 只要影响这些参数的物理量有一个发生变化，都将最终反映到感应电势v i 数值的变 化。就转速信号的测量而言，可使用固定于旋转体上的齿轮，随着齿轮的旋转，交替 硕 l 论文 汽车行驶记录仪的设计 改变豹甥对距离交 乏，妻鼹地反映到溪测铡疑感应邀势频率上，遂疆可以换算出车轮 的角速度，即： n， 。3 = 2 n 2 = z 4 一e 7 1 r a d s( 2 3 ) 厶 式( 2 3 ) 中：n ：齿轮懿每秒转邃； f 。感应电势的频率； 。镀测转动嚣熬惫速凌； z 齿轮的齿数。 具钵溯量时抟测量彀路可以是电辑魄路、调幅、调频电路等，但无论蔹月何辨 电路，最聪终将得到交变的输出信号，经过检波、整形后均可输入计数器进行计数。 2 ) 光电式车速信号传感器：图2 2 为直射式光电车速传感器的示意图。 光电式传感器是利用光波作为媒介采实现测赞的，属于非接触式测趱方法。它 由光源、带孔圆擞( 光栅) 和光敏管及有关魄路组成。转动圆盘被安装在转锄上，汽车 车轮在滚动时，带动光栅以一定的转速旋转，光源连续发光，当光束通过光裰上的小 孔时，光袋照到光敏管上，使它产生相应的电脉冲信号。此信号邀入计数器即可得到 被测轴的转速。圈2 3 为光电式车速传感嚣基本测量电路。 光壤元姊 图2 2 赢射式光电车速传感器示意图 图2 3 光电式车速传感器熬本测量电路 一般采角硅发光二掇管作为毙源，选择光敏二极警躐光敏三缀警褡为光敏梭溺 元件。当测速光孔盘旋转切割光束时，光敏检测元件输出一串光电流脉冲信号，脉冲 频率与转速成歪跑。转速n 与赫、辟频率f 关系为： n = 6 0 + f p ( r m i n )( 2 4 ) 7 硕l ：论史汽车行驶记录仪的设计 其中p 为圆盘开孔总数。若取p = 6 0 ，则f = - n ，即转速传感器输出信号频率便是被 测轴每分钟转数。将脉冲信号进行处理后，就可以最终计算出车速。 光电式转速传感器的处理电路简单，可利用v f 变换电路，噪声容限大，有较 强的抗电磁干扰能力，不适于高温环境，易受环境油污、粉尘及杂光的影响。 3 ) 磁电式车速信号传感器：图2 4 为磁电车速传感器工作示意图。 磁电式转速传感器是利用磁场作为媒介或利用永磁体的各种物理效应来实现转 速测量，也是一种非接触式转速传感器，它由固定于被测转轴上的旋转齿轮和永久磁 铁磁芯及感应线圈等组成。汽车车轮滚动时，带动齿轮以一定的转速旋转，当磁电传 感器对准齿顶时，磁电传感器感生电动势增强，同理当磁电传感器对准齿槽时，磁电 传感器感生电动势减弱，由于磁阻的变化，磁电传感器输出的电压信号为交变信号。 信号电势的频率随转轴角速度变化，角速度越快，电势幅值越大。但因信号较弱( 一 般在3 m v 左右1 ，所以必须经过信号放大及整形电路，将交变信号变为脉冲信号，送 入c p u 输入口，以获取车速信号。 磁电式转速传感器由于具有结构简单、安装方便、价格适中等优点，且一般不 受油污、粉尘及杂光的影响，所以一直被广泛应用于车辆的自动控制系统中。但是， 它的抗电磁干扰的能力较差。 3 1 蛸子2 ，斑缒 3 糸戈礅疑 棘冲漱膳 图2 4 磁电车速传感器工作示意图 4 霍尔转速传感器的原理 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2 5 ( a ) 所示。 塑主堡奎壅圭堑壁塑茎堡盟堡堕 一 抽) 雹端教厦电豫瑶 图2 5 霍尔效应原理图 图2 5 ( b ) 是霍尔效应的电原理图。当在半导体薄片两端通以控制电流i ，并在 薄片的垂直方向施加强度为b 的磁场时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电势 u h ( 称为霍尔电势或霍尔电压) ，这种现象称为霍尔效应。 霍尔效应是由于运动电荷受磁场中洛仑兹力作用的结果。霍尔电势u h 可用下式 表示 u h ：_ r h i b ( v ) ( 2 5 ) 口 式( 2 5 冲：r 为霍尔常数，1 2 1 _ 3 c ；i 为控制电流，a ：b 为磁感应强度，t ； d 为霍尔元件的厚度，m 。 令k h ：r h d ，则u h = k h i b ，由该式可知，霍尔电势的大小正比于控制电流i 和磁感应强度b 。k h 称为霍尔元件的灵敏度，它只与材料的性质有关而与几何尺寸 无关。 图2 6 给出了霍尔转速传感器的基本结构。磁片的磁力线穿过霍尔元件，当处于 ( a ) 状态时，磁力线分散，穿过霍尔元件的磁场相对较弱；当处于( b ) 状态时，磁力 线密集，穿过霍尔元件的磁场较强，这样就引起霍尔电压的变化。霍尔元件通过磁片 的运动输出m v 级的脉冲电压。 硕士论文汽车行驶记录仪的设计 v e c o u 苫 o n d 图2 6 霍尔转速传感器基本结构 把霍尔元件、温度补偿电路、放大器及稳压电源等做在一个芯片上，然后封装 起来就构成了霍尔传感器。霍尔传感器可分为线性型集成和开关型集成两种。集成霍 尔传感器是在制造硅集成电路的同时，在硅片上制造具有传感器功能的霍尔效应器 件，因此使集成电路具有对磁场敏感的特性。 开关型霍尔传感器由稳压电源、霍尔元件、放大器、施密特触发器和输出晶体 管组成。它是把霍尔器件的输出电压经过一定的闯值鉴别处理和放大，输出一个高电 平或低电平的数字信号，其基本电路如图2 7 所示。 ( o u t ) 图2 7 开关型集成霍尔传感器基本电路图 t 一稳压器a 一放大器s 一施密特触发器b 一开关型三极管 h 一霍尔元件v c c 一输入电压u o 一输出电压 在输入端输入一个电压v c c ，经稳压器稳压后加在霍尔元件的两端，当霍尔元件 处于磁场中时，在垂直电流的方向产生霍尔电势差，再经过放大器将该电势差放大后 输给施密特触发器，由触发器整形，使其成为脉冲或方波输出给开关型三极管( 该晶 体管是集电极开路的) ，这样就组成一个开关型集成霍尔传感器。 它的主要特性是输出电压u 。与霍尔元件感应面所在位置的磁感应强度b 的关 系，如图2 8 所示。 顺l 论文 汽车行驶记录仪的设计 v o h v 8 ”b o p b 图2 8 开关型霍尔传感器输出特性曲线 磁感应强度b 由零开始增加，而输出电压u o 保持在一个与v c c 相近的高电平 v o h 。当b 增加到b o p 时，霍尔电势足够大，使输出电压始终保持在低电平。相反， b 由大于b o p 开始下降，输出电压为v o l 。当b 减小到b r p 时，霍尔电势差不足以触 发旌密特触发器，输出电压突然跳回v o h ，b p p 称为释放点。为使传感器输出稳定， 一般b o p 与b r p 的差值定，此差值称为磁滞，用b h 表示。 这种b o p 与b p , p 都大于零的集成霍尔传感器称为单稳态传感器。另有一种b r p 小 于零的传感器称为双稳态传感器，也叫锁键型霍尔传感器，这种传感器当磁感应强度 超过b o p 时，输出由高电平跳变为低电平，而在外磁场撤消后，其输出状态保持不变 ( 即锁存状态) ，必须施加反向磁感应强度达到b r p 时，才能使电平产生变化。 在实际测量过程中，由于传感器内部为集电极开路输出，开关型集成霍尔传感 器在1 、3 两端间须接一1 2 k q 的上拉电阻，当施密特触发器输出的脉冲电压达到 某一高电平时三极管导通，则2 、j 间的电压几乎降为零，即o c 门输出端3 输出低 电平。反之亦然，施密特触发器输出脉冲小于另一值时，三极管截止，2 、3 问的电 压基本与输入电压v c c 相同，即输出高电平。 2 5 转速计算方法 通过前面的论述可知，车速测量实际上是对发动机输出轴或变速箱第二轴驱动 的蜗轮轴转盘的转速进行测量，然后将转速测量结果换算为车速。对转速的测量常用 的有测频率法( m 法) 、测周期法( t 法) 以及多倍周期法( m 厂r 法) 。 硕士论文汽车行驶记录仪的设计 2 5 1 定时累计平均值法( m 法) 测量转速最基本的方法就是定时累计平均值法，即计算在固定时间内测量转速 输出脉冲的个数的方法，又称为测频率法或m 法。利用定时累计平均值法，转速脉 冲频率f 为： r i m = 堕 ( 2 6 ) 一。= 、， c 式( 2 6 ) 中：t c 进行转速脉冲累计的时间间隔： m l 固定时间t c 内脉冲计数值。 转速为： 。= 婴 ( 2 7 ) p 每转产生p 个脉冲。 由于人为的设定一定的时间间隔，考虑t c 两端 差，所以绝对误差和相对误差分别为： f - 毒 计数可能有一个脉冲的计数误 ( 2 8 ) ：一1 ( 2 9 ) 6 m m 、 从以上两式可知，增大累计时间间隔t c ，可阻使绝对误差减小，同时，由于可 能计数得到的脉冲数增多，相对误差值也可能减小。但是由于上式计算的频率是作为 t c 时间间隔中瞬时转速的脉冲频率的估计值，当t c 增大时，估计的误差就越来越大。 另一方面，当车速较低时，即使时间间隔设得较大，仍不能数的较多的脉冲，速度计 算的相对误差将变大。因此，适用于高速测量。 2 5 2 有效脉冲发生时刻法( t 法) 有效脉冲发生时刻法就是通过计算转速信号两个有效脉冲之间的时间间隔来计 算转速，又称为测周期法或t 法。对实际的以一定检测时间间隔来读取计数器数值的 测试系统来说，在t 内对固定的时钟脉冲频率f 0 进行计数，其转速频率的算法如图 2 9 所示。 硕士论文汽车行驶记录仪的设计 有效脉冲 时刻 有效脉冲 时刻 图2 9 有效脉冲发生时刻法转速算法示意图 由图2 9 可知： 弁2 石t 而“去t o = 七m 2 1 聊 f 1 + 1f o + f of l 一 22 式( 2 1 0 ) 中：t _ 一时钟脉冲周期； m 2 图2 8 中t o ”和t 1 ”之间的时钟脉冲数。 转速为：n 一6 0 a 一1 ( 2 1 1 ) p 每转产生p 个脉冲。 由于时钟脉冲检测时间间隔不能无限小，所计算的转速频率的绝对误差和相对 误差分别为： 斩2 瓦一去3 南c z 均 s ，：l ：l( 2 1 3 ) 。7 1 m ，tm ，一1 、 由图2 9 和式( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 可知，对某一确定的转速，缩短时钟脉冲周期t ， m 2 增大，绝对误差和相对误差都会减小。对一定值t ，当转速增加，m 2 减小，绝对 误差和相对误差都会增大。该法适用于低速测量。 2 5 3 多倍周期法( m t ) 通过对以上两种转速处理计算方法的分析可知，在低转速时，利用定时累计平均 值的测量误差较大，在高转速时，利用有效脉冲发生法的测量误差较大。因此，把m 法和t 法结合起来，采用转速脉冲倍乘的措施，可以展宽转速测量范围，提高测量精 度，即多倍周期法( m t 法) 。如图2 1 0 所示。 硕士论文汽车行驶记录仪的设计 其测量过程为：在转速输出脉冲的下降沿启动定时器( 定时长度为t c ) ，同时， 记取转速输出脉冲个数( m 1 ) 和时钟脉冲个数( m 2 ) 。测量时间到，先停止对转速输 出脉冲个数m ，的计数，待下一个转速输出脉冲下降沿到来时，再停止对时钟脉冲个 数m 2 的计数，以保证测到整个转速传感器的输出脉冲。所设的基本测量时间t c 可避 免t 法因转速高导致测量时间减小的缺点；同时读取对时钟脉冲的计数值可避免m 法因转速降低导致精度变差的缺点。 转速输；h 称冲 门r _ 1 门；f _ m 辕l 曼辽一 定1 舛疋l 唾一! l 一 转连输m 辣绅1 厂 l 。 矗 ； f 法内部时钟昧冲1 几几厂 ，订n h 广 * 上止一 转逑粮泓噼冲1n | _ + t _ l 雌k b o _ li 内部i 时钟昧冲1 一n n r，_ 1 n nr 1 一厂 m 法 定埘l k k 一 定埘lk 二王_ 叫 ： ； 竺； ，i 实际穰敏时晦 一_ 生_ r i 图2 1 0m 法、t 法和m t 法示意图 由上图可知，多倍周期法中的转速频率可由下式计算： f m r r = m l 一1 ：旦 ( 2 1 4 ) i jm 2 y 式中：t d 实际测量时间。t d = t c + a t ：m ，生 转速：n 一6 0 f o 旦 ( 2 1 5 ) pm 2 式( 2 1 5 ) 中的m i 值不再可能有一个脉冲的误差，故m t 法的测量误差值只可 能因m 2 计数值存在一个脉冲的误差引起。所以转速频率的绝对误差和相对误差分别 为： 硕士论文 汽车行驶记录仪的设计 叠一嘉2 南亿 e m i t = 竽= 士 ( 2 1 7 ) 一了i 面j 由于采用转速脉冲周期的m l 倍乘措施，这样测得的转速为m 。个转速脉冲周期 的平均值。由于每个转速脉冲周期都存在着的误差，如转速传感器本身的分度误差等， 这种误差有正有负，所以取m 。个转速周期的平均值的误差必然小于单个周期的误差， 从而提高了转速测量的精度。 但是，由于这种方法对低频转速脉冲信号进行了倍乘，所以多倍周期法在提高 高频转速计算精度的同时，拉大了低频转速计算的时间间隔，从而降低的低速检测时 的实时性。 2 5 4 三种转速计算方法的比较 图2 1 0 为三种转速测量计算方法的示意图。从图中可以看出实现多倍周期法需 要2 个定时器和1 个计数器。 比较m t 法与t 法，f o 为时钟脉冲频率，t r 为转速脉冲周期，从关系式m 2 = f o + t r 和m 2 = m 1 * f o * t ，可得：m 2 = m l * m 2 ( m l 1 ) ，从表2 1 所列的相对误差表达式可知， m t 法的相对误差较小，精度较高。 当转速计算公式为n = 1 5 f 1 1 ( r m i n ) ，输入信号频率f 由e 3 1 2 a 型通用计数器 测出。利用m t 法测量转速的相对误差见表2 2 。 表2 1 三种测量算法的结果对比 算法mtm t 转速频率计算公式 m l t c 1 m 2 tm l m z t 检测时间t cm 2 t m l m a t 精度l m r1 ( m 2 - - 1 ) 1 ( m l m 2 1 ) 表2 2 测量转速相对误差 输入信号频率( h z )8 8 01 6 4 03 4 8 04 1 6 05 8 0 08 3 o o 转速计算值( r m i n )1 2 0 02 2 3 64 7 4 55 6 7 37 9 0 91 1 3 2 转速测量值( r m i n )1 2 0 42 2 3 94 7 3 95 6 9 47 8 7 41 1 3 8 转速相对误差( )0 3 3o 1 3o 】30 3 7 0 4 4 o 5 3 硕上论文汽车行驶记录仪的设计 通过对以上转速计算方法的对比，有以下结论： 1 ) 定时累计平均值法由于受限于转速传感器输出脉冲的间隔，无法进一步提高 精度，要平均速度越准确( 相对误差越小) ，其估计的瞬时速度就越不准确，反之， 瞬时速度越准确，速度相对误差越大。为了提高精度，需要增加传感器每转输出脉冲 的密度，即增加齿数或磁片数。因此，该法适合高速发动机转速测量。( 0 2 0 0 h z ) 2 ) 有效脉冲法受限于检测速度，即检测时间间隔，为提高高速时的计算精度， 应尽量提高检测速度。该方法实际上是对计数器进行计数，相当于累计平均值法对脉 冲进行计数，从方法上有着较高的精度。该法适合低速车速的测量。( 0 - 4 0 h z ) 3 ) 有效脉冲法对应每个转速脉冲都进行了转速的计算，已经最大限度地利用了 传感器所提供的转速信息。对于检测系统，该方法能最大程度地反映转速的变化过程， 记录脉冲序列发生的脉冲延迟能最大程度地保留传感器输出信号所携带的转速信息。 2 6 车速的测量 在汽车上，车速信号是通过安装在变速器的车速传感器，将车轮的转速按一定 转速比转换后得到的。目前我国使用的车速里程速比有3 种：1 0 0 0 ：1 、6 3 7 ：1 和6 2 4 ： 1 。当有些型号的汽车没有安装车速传感器时，选用霍尔车速传感器。在变速箱第二 轴驱动的蜗轮轴转盘边沿固定一对永久磁钢，在转盘附近固定安装一个霍尔器件( 磁 钢和霍尔器件正对时距离不超过2 m m ) ，同时在霍尔器件上通以大小方向不变的控制 电流i ，转盘旋转时，受磁钢产生的旋转磁场的影响，霍尔器件将感受到交变磁感应 强度，输出频率与车速成正比的脉冲信号。在车辆行驶观察中，传感器在单位时间里 发出的脉冲随车速的不同而不同，亦即发出每个脉冲所用的时间不同。下面，以车速 里程比6 2 4 ：l 为例，说明车速的测量原理。 汽车正常行驶时： 当安装对磁钢时，轴每旋转一周，就产生一个脉冲，当汽车以1 k m h 速度前 进时，软轴接口每小时输出6 2 4 转。则1 6 0 k m h 速度前进时，输出1 6 0 6 2 4 = 9 9 8 4 0 转。每个脉冲所用时间为：t 2 嚣器= 3 6 0 5 7 岬，频率为：f 2 7 7 3 h z 0 因此，可采用 有效脉冲发生时刻法( t 法) 检测车速。 车速脉冲经信号处理电路送入单片机的i o 口，c p u 对输入的脉冲进行周期检 测，如图2 1 1 所示，在t 1 时刻开始定时，t 2 时刻结束即可得到一个脉冲的周期t l ， 相应车速为： v = 车轮周长t 1 = 等1 0 3 - 3 6 0 0 ( 2 1 8 ) 硕士论文 汽车行驶记录仪的设计 式( 2 1 8 ) 中： v ：时速。单位：k m h d ：车轮直径。单位：m t l ：脉冲周期。单位：s t t 1 t 2 图2 1 1 周期检测示意图 设车轮半径为o 5 m ，若将转速传感器安装在车轮处进行检测，则当车速为 1 6 。k m h 时，脉冲周期为：t 2 器2 3 5 3 2 5 “s 0 可以看到两处测得的脉冲周期 加 略有不同，但由于汽车工作于非常恶劣的环境，车轮处尤其如此，干扰非常严重，如 果在这里提取信号将导致数据的很大误差；而取软轴接口处的脉冲周期( 以1 6 0 k n _ l l l 为例) ，计算出车速为：v a1 5 7 k m h ；既便是车速测量的上限2 2 0 k m h ，相应的测量 车速约为2 1 6 k m h ；误差 2 0 0 m s 。而根据国家标准，记录仪以0 2 s 的时间间隔持续记录并存储停车 前2 0s 实对时间对应的车辆行驶速度，也就是说用有效脉冲法测量时车速脉冲周期 的最大周期不能大于2 0 0 m s 。因此，当车速较低时，采用以下方法测量。 取记录时间t = 0 2 s ，在t 时间内对车速脉冲进行计数。由距离和速度及时间的 关系，有： s 邛罴仁”。( 2 1 9 ) 式( 2 1 9 ) 中： 硕士论文汽车行驶记录仪的设计 s ：车轮经时间t 走过的距离：单位：m t ：时间周期；单位：s v ：车速；单位：k m h 经时间周期t ，由车轮转动圈数计算出实际距离为： s ：坚旦：! ：塑：翌 i d 一1 z d p 式( 2 2 0 ) 中： d ：车轮直径；单位：m i 。：车速里程比 p ：车速传感器旋转一周输出的脉冲个数，这里p = 1 n ：时间周期t 内的计数脉冲个数 由( 2 1 9 ) 、( 2 2 0 ) 式可得： v ：型 f n t 2 7 小结 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 通过对车速传感器工作原理的研究以及车速测量方法的探讨，最后选择的方案 是：在车内本身已经装有霍尔传感器时，直接提取该传感器输出的车速脉冲：若汽车 内部没有安装的，则需在变速器的相关部位安装。对霍尔传感器输出的车速脉冲进行 处理，在不同的车速范围，根据不同的方法进行计算，从而可较为精确的得到被测的 车速。 倾i 论文汽车行驶记录仪的设计 3 系统的硬件实现 3 1 设计思想 该行驶记录仪分为两部分，一部分是记录装置，另部分是数据的读取、处理 及显示。如果把两部分组合在一起势必增加成本，增加技术的复杂程度，降低仪器的 可靠性。该记录仪的设计是把记录装置装在汽车上，而把数据的读取、处理及显示等 功能交由上位机来完成。正常行驶时，记录仪按要求记录数据，一旦出现意外，则可 取下记录仪，读取数据分析事故原因。本章主要叙述记录装置部分的设计，上位机部 分的设计将在下一章中详述。 3 2 记录装置的设计 在该产品的设计过程中，首先考虑到的便是其所能实现的功能和技术指标是否 符合国家新标准的要求，以使该产品在推向市场后不会因此而受阻。该产品所实现的 主要功能有：实时时钟、日期及驾驶时间的采集、记录、存储；车辆行驶状态、速度 的测量、记录、存储；车辆行驶罩程g i n 量、记录、存储：数据通信。 3 2 1a t 8 9 c 5 1 的体系结构和开发概述 本设计中所采用的c p u 为a t m e l 公司生产的8 位f i 。a s h 单片机系列中的a t 8 9 c 5 l 。 a 1 8 9 ( 2 5 1 是一种低功耗低电压、高性能的8 位单片机，它可兼容m c s - - 5 1 产品。图 3 1 为a t 8 9 c 5 1 的结构框图。主要性能如下： 4 k b 的f l a s h 存储器： 1 2 8 字节的片内r a m ； 3 2 条可编程i o 线； 2 个1 6 位定时器计数器： 2 个优先级的5 个中断源； 布尔处理器； 全双工串行接口； 片内时钟振荡器。 坝士论文汽车行驶记录仪的漫训 x t a l lx i a l 2 p 1o - - p i7r j u r j ， 图3 1a t 8 9 c 5 1 结构框图 存储器 a t 8 9 c 5 l 存储器结构和m c s s l 系列单片机相同，它把程序存储器和数据存储器截 然分开，各自有自己的寻址系统、控制信号和功能。程序存储器存储容量为4 k ，用来 存放始终保留的固定程序和数据。程序存储器用1 6 位地址总线，由1 6 位程序计数器 ( p c ) 和能产生1 6 位地址的指令进行寻址。由于芯片是有内部r o m e p r o m 的，当：芯 片引脚e a 接至高电平时，则指令和数据都从内部r o m e p r o m 中读取，否则，c p u 将 从内部r a m 或外部存贮器读取数据，从外部存贮器读取指令。由于本设计中全部程序 只需要采用内部r o m ，所以，我们将e a 引脚接到高电平。 坝l j 论义 汽车行驶记录仪的设计 内部数据存储器存储空间较小，a t 8 9 c 5 1 只有1 2 8 个字节，它用8 位地址总线寻 址，它的存取速度一般比程序存储器快。内部数据存储器一般用于存放程序运行时所 需要的常数或变量，而且数目不会太多。 中断系统 a t 8 9 c 5 l 总共具有5 个中断源，两个外部中断( i n t o 、7 1 1 ) 和两个内部定时 器中断( 定时器0 、1 ) ，另外还有一个串行口中断。所有的这些中断都属于可屏蔽中 断，即可以通过软件对片内特殊功能寄存器i e 的设置，实现对各个中断源中断请求 的开放( 允许) 或屏蔽( 禁止) 的控制。中断控制寄存器i e 的字节地址为a s h ，可进 行位寻址操作。本设计中，将用到两个外部中断，来实现c p u 对车辆行驶时刹车状态 的采集以及紧急状态时数据保护的请求信号。 定时器计数器 a t 8 9 c 5 1 有两个定时计数器，在本设计中，当处于记录状态时，定时计数器0 、 定时计数器l 配合工作，对传感器输入的车速脉冲进行计数；而当处于数据通信状 态时，定时计数器1 工作于定时状态，它的初始值的设定会直接影响到单片机与p c 机进行串行通讯时的波特率。通过改变它可以相应的凋整数据传输时的波特率。 开发概述： 在早期研制单片机应用系统时，大多以汇编语言作为软件工具，但由于汇编语 言不是一种结构化的程序设计语言，所以执