（测试计量技术及仪器专业论文）基于arm的汽车行驶记录仪——主机模块设计.pdf

浙江人学烦j 学位论立 摘要 汽车行驶记录仪是对车辆行驶速度、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电子记录装置。 汽车行驶记录仪的使用，对遏止疲劳驾驶、车辆超速等交通违章、约束驾驶人 员的不良驾驶行为、保障车辆行驶安全以及道路交通事故的分析鉴定具有重要 的作用。一个完整的汽车行驶记录仪系统包括主机和上位机管理分析软件两部 份。 本文详细论述了汽车行驶记录仪主机模块软硬件的设计与实现。论文首先 介绍了课题的研究背景，并对国内外汽车行驶记录仪的研究现状进行了概括， 在此基础上提出了本课题需要完成的目标。接下来，论文阐述了系统总体设计 的构思以及各个功能模块不同方案优劣的比较，并对最终方案进行了描述，此 后详细介绍了各主要功能部件的功能特点及应用。在系统软件设计单元，对主 机软件开发环境、调试方法以及系统各功能模块的流程设计做了详细描述，并 着重介绍了各功能模块的函数接口。在系统测试单元，根据软硬件测试的不同 方法分别进行了硬件测试的描述和软件测试的描述，并论述了测试过程中碰到 的各种问题。最后，论文对整个系统的功能和特点进行了总结，并对下一步工 作以及记录仪今后的发展进行了展望。 关键词：汽车行驶记录仪嵌入式系统a r m c a n 总线u s b 总线接口技术 s p i 总线p c 总线 浙江大学硕i ：学位论立 a b s t r a c t v e h i c l et r a v e l l i n gd a t ar e c o r d e r ( v t d r ) i sa d i g i t a le l e c t r o n i cd e v i c e ，w h i c h c a nr e c o r dv e h i c l es p e e d ，r e a lt i m e ，m i l e a g ea n dv e h i c l e so t h e rs t a t u si n f o r m a t i o n v t d ri si m p o r t a n tt oh o l db a c kt r a f f i cp e c c a n c i e ss u c ha st i r e d - d r i v i n g ，o v e r s p e e d ， a n di ti sa l s oi m p o r t a n tf o ra u t h e n t i c a t i n ga n da n a l y z i n gt r a f f i ca c c i d e n t aw h o l e v t d rs y s t e mi n c l u d e st w op a r t s ，o n ei st h em a i n f r a m ea n dt h eo t h e ri st h e m a n a g i n g a n da n a l y z i n gs o f t w a r e t h i st h e s i s m a i n l y d e s c r i b e sh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g n i n g o fv t d r m a i n f r a m e v t d rd e v e l o p i n gb a c k g r o u n di sf i r s ti n t r o d u c e di nt h ef i r s tc h a p t e r t h e nd o m e s t i ca n do v e r s e a d e v e l o p i n ga c t u a l i t i e sa r es u m m a r i z e d ，a n d b a s e do nt h e s u m m a r i z a t i o nt h ea i mo fv t d r d e v e l o p i n gi s s e tf o r t h i nt h ef o l l o w i n gp a r t ，t h e t h e s i sd i s c u s s e st h ed e s i g n i n gc o n c e p t i o no ft h ew h o l e s y s t e ma n dd i f f e r e n tp l a n so f e a c hf u n c t i o nm o d u l e a tl a s t ，t h ef i n a ld e s i g n i n gp l a ni sd e s c r i b e di nd e t a i l i nt h e s y s t e m s o f t w a r e d e s i g n i n g u n i t ，t h e t h e s i si n t r o d u c e ss o f t w a r e d e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t a r ma d s a l s o ，t h ed e b u g g i n gm e t h o d a n dt h ef l o w c h a r to fe a c hf u n c t i o nm o d u l ea r ed i s s e r t a t e d ，i nw h i c h p a r tt h ef u n c t i o ni n t e r f a c e s a r ee m p h a s i z e d i nt h es y s t e mt e s t i n gu n i t ，h a r d w a r et e s t i n ga n ds o f t w a r et e s t i n ga r ed i s c u s s e d e a c hp r o b l e mf o u n d d u r i n gd e b u g g i n gs t e pi sd e t a i l e d l yd e s c r i b e d a n d a n a l y s e d i nt h el a s tc h a p t e r ，t h et h e s i sp u tf o r w a r dt h es u m m a r i z a t i o na n dt h ep r o s p e c ta s t h ew h o l ee n d k e yw o r d s ：v t d re m b e d e d s y s t e m a r mc a n b u s u s b b u si n t e r f a c es p i b u sp c b u s - i i - 浙江大学顾i ：学位论文 第一章绪论 1 1 课题开发背景 汽车行驶记录仪制造和应用的发源地均在欧洲。1 9 3 4 年，世界上第一台记 录仪诞生在德国，随着汽车工业的发展，早期的记录仪和其他仪表配合在汽车 上得到了广泛的应用。第二次世界大战后，德国的经济开始复苏，交通运输业 迅速发展，道路运输竞争同趋激烈，导致驾驶员疲劳驾驶和超速驾驶等违法行 为大量出现，严重威胁道路交通安全【1 1 【7 1 。为了保障道路交通安全，规范道路 运输市场，1 9 5 3 年，德国开始强制推行使用记录仪。1 9 7 0 年，欧共体开始推广 德国的经验，在成员国内强制推行使用记录仪。1 9 9 2 年欧盟成立，替代欧共体， 原欧共体有关记录仪应用的各项法规继续有效。截至目前，欧盟1 5 个成员国约 7 0 0 多万辆商用货运和客运车辆安装了记录仪，是世界上使用记录仪数量最多 的地区1 2 】【23 1 。 自7 0 年代强制推行使用记录仪以来，欧盟各国预防和减少道路交通事故成 效显著，事故发生率和死亡人数大幅度降低f 3 。据德国交通运输部公布的德国 客车及货车安装记录仪后的事故统计数据，从1 9 7 0 年欧共体开始全面强制使用 i 己录仪至今，德国客运及货运车辆道路交通事故发生率一直呈下降趋势【1 1 l 。如 1 9 7 0 年，货车为平均行驶约每5 0 力公罩发生一起事故，到2 0 0 0 年下降为每1 6 0 万公罩发生一起事故，事故发生率降低了2 2 倍；客车从1 9 7 0 年的每4 0 万公 艰发生起事故，到2 0 0 0 年下降为每1 0 0 万公旱发生一起事故，事故发生率降 低了1 5 倍。根据德国交通运输部公布的1 9 7 0 年至1 9 9 8 年部分欧共体国家 道路交通事故死亡人数的降低百分比数据，从1 9 7 0 年到1 9 9 8 年，英、法、德、 简、意等国道路交通事故死亡人数均大幅度下降。其中英国降低9 0 、法国降 低8 5 、德国降低8 5 、荷兰降低7 3 、意大利降低5 9 4 1 1 2 引。 欧洲道路交通事故分析专家认为：欧盟各国交通事故死亡人数大幅降低有 曼个丰要原因：一是随着高速公路建设的发展，交通安全设施、交通标志、标 线等信号设施大大改善；二是机动车辆安全性能不断提高；三是记录仪的成功 应用，有效遏制了驾驶员疲劳驾驶、超速等严重违法行为，从根本上提高了道 路交通安全水平f 5 】【7 】【2 3 1 。 浙江人学硕j ：学位论文 近年来，随着国家经济的飞速发展，我国道路交通业也得到了蓬勃发展。 嗣世界上许多发达国家曾经经历过的情况一样，我国的交通事故也逐渐呈上升 趋势，极大地威胁了人们的生命财产安全。目前，我国是世界上交通事故死亡 人数第一位的国家。全世界6 0 亿人口每年死亡5 2 0 0 万人，其中死于交通事故 的有5 0 万人，占死亡人数的l ，排在人类死亡原因的第十位。而我国年交通 事故死亡9 力 人，占世界总死亡人数的百分比为1 5 ，排在死亡原因的第七位。 2 0 0 0 年，我国交通事故死亡人数9 3 8 5 3 人，4 1 8 7 2 1 人受伤，直接经济损失达 2 6 7 亿元口8 1 。在这些交通事故中，每死三个人就有两个是违章驾驶，违章的主 要原因是超重、超载和超车【2 6 】。 为了借鉴发达国家管理机动车安全行驶的成功做法，控制我国不断增长的 交通事故发生，我国也加大了对道路交通安全状况管理的力度，各项法律法规 纷纷出台并实施【3 9 1 。公安部、交通部、国家安全生产监督管理局于2 0 0 1 年底 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，2 4 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汽车行驶记录仪。同时，为了在全国范围内 继续深入丌展预防和减少道路交通事故的工作，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，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【3 4 】。2 0 0 3 年9 月1 日开始实施的汽车行驶 i 己录仪国家标准( g b t 1 9 0 5 6 - - 2 0 0 3 ) ，规定了汽车行驶记录仪的定义、要求、试 验乃l 去、检验规定、安装、标志、标签以及包装等内容。国标规定：“汽车行驶 记求仪是对车辆行驶速度、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电子记录装置”1 6 6 。2 0 0 4 年5 月1 二f “中华人民共和国道路交通安全法”开始实施。其中第二章第十四条明 确规定：“用于公路营运的载客汽车、重型载货汽车、半挂牵引车应当安装使用 符合国家标准的行驶记录仪。交通警察可以对机动车行驶速度、连续行驶时间 以及其他行驶状态信息进行检查。安装汽车行驶记录仪可以分步实施，实施步 骤山幽务院机动车主管部门会同有关部门规定”i 3 4 1 。 汽车行驶记录仪的推行使用对遏止疲劳驾驶、车辆超速等交通违章、约束 浙江人学硕l j 学位论上 驾驶人员的不良行为、保障车辆行驶安全以及道路交通事故的分析鉴定都具有 极为重要的作用。它为国家行政管理部门提供了有效的执法工具、为道路运输 企业提供了管理工具、为驾驶员提供了其驾驶活动的反馈信息。汽车行驶记录 仪的广泛运用既是交通运输安全的必然要求，同时也是交通运输向现代化、信 息化发展的必然趋势f 1 4 l 【2 1 j 【砌。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外汽车行驶记录仪研究现状 网外对汽车行驶记录仪的认识比较早，从1 9 7 0 年起，欧盟国家以立法的方 式规定，从事营运的6 5 吨以上的货车和七座以上的客车必须强制安装机动车 行驶记录仪，并规定记录仪中的资料要保留两个月，已各路砸警察随时抽查 | 8j 。马来西亚和新加坡等国已经通过正式立法，要求客运车辆在2 0 0 1 年9 月 底f j i 必须安装汽车行驶记录仪，其它商用车也要限期安装1 1 孙。在美国，主管交 通安全的国家安全委员会( n t s b ) 一直在努力推广汽车行驶记录仪【9 】。n t s b 要 求各汽车生产厂家安装记录仪，通用、福特等汽车公司已经开始行动【l o 】。 2 0 世纪7 0 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，如图1 1 。 图1 1 纸盘机械式汽车行驶记录仪 这种记录仪内通常放置着一张直径为1 2 厘米的双面圆形纸盘，这种纸盘由 国家统一印制，每天放一张在记录仪内。驾驶员在放入之前，要在纸盘上填写 姓名、国籍、车号、r 期、丌车时间等。在行驶途中，记录仪自动在纸盘上记 录f 各种数据( 丌车、收车时间，车速，休息时间，修车时间，最长运行时问等) ， 沥江大学领i ：学位论义 像心电图一样双面刻画在纸盘上，见图1 ，2 。纸盘上的车速刻画，是从2 0 公早， 小时丌始记录，直至1 2 5 公旱4 , 时。从中刻画出在行驶过程中的各种车速及其 时间的统计数据 2 8 1 。 ，”， 、一i j簿7 ，! 雾 。，+ * j 黪、j 。| 图1 2 纸盘机械式汽车行驶记录仪车速刻画 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2 0 0 4 年8 月起，在新注册的机动车上强制安装数字式记录仪，已逐渐替代现行传统 的纸盘模拟记录仪。目前较常见的电子式记录仪包含记录器、显示器、数据采 集处理卡、传感器以及p c 机处理软件等几个部分，其中数据采集处理卡为便 携式的磁卡，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【1 5 】【1 6 】【5 5 j 。 2 0 0 1 年8 月，闩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、方向盘角度、刹车板及油门情况， 当急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”发生前五十五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降格昂贵，使得 这种产品最终没有得到广泛的应用1 8 1 1 2 8 1 。 1 2 2 国内汽车行驶记录仪研究现状 囤内对汽车行驶记录仪的认识晚于i 玉l j l - 。8 0 年代末，几家国营、民营、合 资企业玎始着手研制、推广记录仪。到1 7 1 前为止，我国生产汽车行驶记录仪的 企l k 多达7 0 余家，产品上百种，并不断有新品推出m 1 。经过国家有关权威 浙江人学预 ：学位论文 部门检验合格后，开始在全国各省市推广使用1 2 ”。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、汽车租赁、企事业车队、 保险公司和交通管理部门的欢迎【4 8 1 。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。 虽然我国的研制工作起步较晚，但是无论在安装、操作、使用方面，还是 住电性能、信息记录存储、数据的下传、上载方式等方面，我国的记录仪都比 欧盟的起点高。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、行驶旱程，使用起来极为不便。而我国的产品均为数字式的电子设备， 能够实时监测并记录车辆行驶的各种状态信息、有效准确地鉴别驾驶员身份， 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1 6 。 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1 6 位的单片机，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。 1 3 课题目标 本课题的目标是设计开发一个完整的汽车行驶记录仪系统，它包括主机模 块以及上位机管理分析软件模块两个部分。考虑到系统的扩展性、实时性以及 大量数据处理能力等因素，主机模块的处理器采用3 2 位的a r m ，它通过与外 i 圈电路进行合理的交互来完成如下主要功能：自检功能，自检结束后能够对结 果予以提示；实时时钟、日期以及驾驶时间的采集、记录和存储功能：驾驶员 身份识别功能；对模拟输入、数字输入以及开关量输入信号的采集、处理和存 储功能；车辆行驶速度、里程以及里程小计的测量、记录、存储功能；显示及 操作功能；数据通信功能，具备r s 2 3 2 串1 2 1 通信、u s b 通信以及c a n 总线通 信接口；数据打印输出功能，能够通过微型打印机打印出车辆信息、驾驶员信 息、疲劳驾驶时段、超速驾驶时段等；报警功能，对水温过高、油压过大、车 辆超速、驾驶员疲劳驾驶等情况予以报警提示。 浙江人学砸i 学位论文 上位机管理分析软件是运行在p c 机上、界面友好的g u i 软件，具有丰富 的功能，包括：系统管理功能，能够对系统参数、车辆信息以及驾驶员信息进 行管理；数据查询分析功能，以表格和图形方式进行数据分析显示；数据统计 功能；数据传输功能，能够通过串行方式接收来自于主机模块的数据。 系统的技术规格参见下表： 编码项目规格 1工作电压d c ：1 2 v 2 4 v 3 6 工作温度 一2 0 7 0 一 3 相对湿度 2 0 一9 0 4 采数频率0 2 秒 5 主存储器容量 5 1 2k 6车速测量范围o 2 2 0k m h 7 里程测量范围 0 9 9 9 9 9 9 9k m 8 数据传输方式r s 2 3 2 接口、u s b 接口、c a n b u s 接口 9打印机针式微打 l o 显示方式点阵式液晶显示 1 1 输入信号模拟输入、数字输入、开关量输入 表1 1 汽车行驶记录仪系统技术规格 经本课题研发出的记录仪各项功能指标完全符合国家标准的要求，部分性 能参数还优于国家标准，保证了技术上的国内领先水平。本文主要论述记录仪 系统主机模块的设计和丌发。 1 3 1主机功能 根据国家标准，结合实际的需求，本记录仪应该具备的功能如下： 1 、自检功能 记录仪在通电开始工作时，应首先进行自检，自检正常后应以绿汹信号或 显示屏显示方式指示工作正常，如有故障则应以红闪信号及显示屏显示方式指 示故障信息。 2 、数据采集、记录和存储功能 浙江人学硕 ：学位论立 能够对实时时问、同期、驾驶时间、车辆行驶速度、行驶里程等数据进行 测量、记录和存储，并保证存储的数据在较长时间内不丢失。需要被采集的输 入信号包括三类：模拟信号输入、数字信号输入以及开关量信号输入，其中模 拟信号有水温、油量和油压3 路，数字信号有车速和发动机转速2 路，而开关 量信号有1 3 路：前门、后门、大灯、左灯、右灯、倒车灯、远光灯、近光灯、 点火、刹车、鸣号、雨刷、中控锁。 3 、数据处理功能 对采集到的数据进行处理，判断是否需要报警。 4 、驾驶员身份记录功能 记录仪能够通过记录和识别驾驶员身份来规范驾驶员的行为。 5 、数据显示功能 记录仪显示面板能准确显示各类信息，包括驾驶员代码、实时时间、实时 闩期、实时车速以及各类报警提示等。 6 、操作功能 【己录仪具备按键操作功能，应用于数据打印输出、驾驶员登录登出、数据 的上传和下载等操作。 7 、数据打印输出功能 记录仪能够通过针式微型打印机打印出车辆信息、驾驶员信息、疲劳驾驶 时段以及超速驾驶时段等信息。 8 、数据通信功能 记录仪能够通过多种方式( 包括r s 2 3 2 串行接口、u s b 接口以及c a n b u s 接口) 与外部环境进行通信，实现数据的交互。 9 、掉电保护功能 数据对b 录仪至关重要，如果出于某些意外情况导致记录仪掉电，系统应 能及时检测，并做好当前数据的保存工作。 1 3 2 管理分析软件功能 + = 位机管理分析软件要实现的功能是 l 、系统管理 浙江人学硕j 学位论文 对记录仪系统参数进行设置与管理，包括用户权限的管理、驾驶员信息的 管理、汽车信息的管理以及车辆特征系数的设定等。 2 、数据查询分析 对来自于主机的源数据进行查询( 可以设置多种查询条件) ，并以图形与表 格的方式进行结果分析，如生成事故疑点数据曲线图、一般行驶速度记录曲线 图、数据列表等。 3 、数据统计 按照一定的统计规则，将结果数据进一步地统计分析，以得出相应的数据 规律，为进一步提高安全行驶提供技术基础。 4 、数据传输 包括r s 2 3 2 串行接口的通信以及u s b 磁盘数据的读写，即完成数据上载f 从 记录仪传输到p c 机) 与数据下传( 从p c 机传输到记录仪) 。 1 4 论文结构 论文第二章讨论了系统方案的确定过程，对各种方案的优缺点和可行性进 j ：了比较，并对最终方案进行了描述和归纳。 第三章讨论的是系统的硬件设计，详细地介绍了系统用到的几种重要芯片 的功能特性，并讨论了原理图和p c b 图的设计。 第四章详细论述了底层软件的设计，介绍了软件的开发环境、调试工具， 给出了软件运行的流程图，同时还讨论了各个功能模块函数接口的实现。 第血章阐述了系统的软、硬件测试，对测试过程中碰到的各种问题进行了 讨沦。 论文的最后一章对全文进行了回顾和总结，并对进一步工作进行了展望。 浙江人学坝一l ：学位论文 第二章系统总体设计 2 1 系统总体方案 如图2 1 所示，本系统由主机部分和上位机管理分析软件两部份组成。其 中主机部分包括：信号输入、数据保存和处理、数据显示、数据通信、复位电 路和掉电保护电路等部分。 前fj 、后f 叫 厶纠：左龃j 幽灯叫开关量 剿：霆垄引驭刹午、呜号叫鬻八 阿刷、巾掩锁 午速 发动机 转述 数字信 号输入 上位机管理分析软件 存储器 u s b 磁盘 显示面板 操作按键 打印输出 l c d 液晶 霹 微型打印机 心电悼矧m 电i 车内带c a n 接口的其他仪表 1 ! ! j 【! ! ：! ! ! ! j 【! ! 】 。9 4 。”。 图2 i 系统总体方案图 系统以一个3 2 位的r i s c 微处理器为核心，对外部模拟输入、数字输入以 及丌关量输入三种信号分别进行采集。需要保存的数据经过处理后存储于内部 大容量存储器中，实时数据( 如实时车速、实时时间) 及报警信号等可通过显示 面板输出显示。 复位电路不仅能够复位系统，同时还借用专用微处理器电源监控芯片来提 高系统的可靠性，从而保证r i s c 微处理器对电源、时钟源等诸多方面提出的 较高要求。 时钟电路提供实时时钟，当发生超速、疲劳驾驶等情况时，处理器从实时 时钟电路读取实时时间进行处理和保存，以供同后打印输出。 浙江人学坝l 学位论文 时钟电路读取实时时间进行处理和保存，以供日后打印输出。 掉电保护电路为实时数据的保存提供了一种安全机制。当系统供电电压低 于某个特定值时，掉电保护电路认为掉电发生，于是触发相应的中断。在中断 处理程序中，处理器将对当前尚未保存的实时数据分别处理和存储，从而避免 数据的丢失。 系统具备u s b 接口，当插入u s b 磁盘时，可利用主控u s b 功能，将存储 器中的数据导入磁盘中。上位机软件可利用此u s b 磁盘采集到的数据进行数据 分析和车辆、人员管理 6 6 1 。 上位机管理分析软件还可通过串口方式与处理器通信，在约定的串口通信 协议下，以特定的格式将存储器内部的数据通过串口线传入p c 机【40 1 。 系统提供的c a n b u s 接口可以方便记录仪与车内其他带有c a n b u s 接 口的仪表进行通信，是系统的扩展功能。 上位机管理分析软件是提供给车辆管理中心人员使用，它具备管理和分析 两火功能。一方面它可以采集管理中心属下的所有车辆信息和驾驶员信息，进 行统一编号和管理；另一方面它可以采集车辆行驶的实时数据，掌握驾驶员的 驾驶情况【3 5 】。此外它还可对发生事故的车辆进行事故分析鉴定，为交通部1 3 5 执法部门提供相应的交通事故鉴定报告呻l 。 2 2 主机模块方案 2 2 1差处理器的选择 微处理器对于整个系统来说至关重要，如果将系统比作一个人，那么微处 理器就是人脑，它指挥身体的各个部分协调工作，j i l 页n 完成一切行为。 目前汽车行驶记录仪的微处理器一般采用的是8 位m c s 5 1 单片机，此类 尊片机应用广泛，价格相对较低，发展也较成熟，是记录仪低端方案的首选。 低端方案虽然能够实现系统的基本功能，但是却不能保证系统对实时性、大量 数据的处理能力、扩展接口等各方面的要求，故考虑采用高端方案3 2 位 r i s c 处理器，如嵌入式处理器a r m 3 1 】 5 3 】。以下是根据系统各方面指标要求对 5 l 单片机和a r m 处理器的比较： 1 、 a r m 架构复杂，适用于系统复杂度较高的产品；5 1 单片机架构简单，硬 浙江人学领i 。学位论文 件资源相对较少，适合于一般的应用。汽车行驶记录仪输入信号众多，处 理数据庞大，流程复杂，用a r m 处理器可以很方便地解决这些复杂问题。 2 、 5 1 单片机采用汇编语占，对内存的管理能力有限，a r m 则具备专门的内 存管理单元m m u ，可以有效地对内存进行管理。 3 、 记录仪需要处理的数据众多，且处理的实时性要求较高( 如每o 2 s 需要处 理一次，对超速需要及时报警等) ，这些指标对于处理位数只有8 位的5 1 单片机而言，无疑是很难达到的。但是，3 2 位a r m 处理器却能够驾轻就 熟。 4 、 本记录仪需要扩展的外围电路较多，它需要有串口、u s b 通信接口、 c a n b u s 接口、实时时钟电路、显示面板、以及多个键盘等，5 1 单片机 只有4 0 管脚，显然很难满足这么多接口的需要，而不少a r m 处理器芯 片具有上百个管脚，内置接口丰富，因此很容易满足各类扩展需求，从而 能够大幅度缩短系统的丌发周期。 5 、 i 己录仪对性能要求较高，a r m 处理器内部寄存器很多，可用于存放中i 副 数据和优化对操作数的访问，这对于提高处理器的性能以及进行实时控制 都极为有利。同时，a r m 处理器的编译器具各优化功能，可以生成高效 率执行的机器代码。 6 、a r m 处理器芯片虽然价格较5 l 单片机高，但是由于它内置了许多功能部 件和接口，所以从整体上来说性价比还是不错的。 由此可见，本系统采用a r m 处理器是必要且可行的。目前，市场上的a r m 芯片有多达数十种结构，几十家生产厂商，各类芯片还有千变万化的内部功能 配置组合，如何选对一款a r m 芯片也是系统开发前期需要考虑的重要问题。 以下几点就是芯片选型的依据： l 、系统时钟控制器 系统时钟决定了a r m 芯片的处理速度。由于a r m 是3 2 位的处理器，所 以采用常见的a r m 7 芯片就能满足系统对处理速度的要求。a r m 7 的时钟主频 为2 0 m h z 13 3 m h z 。 2 、内置u s b 接口 记录仪需要通过主控u s b 接口进行数据通信，所以首选内置有主u s b 接 浙江人学埘l 学位论文 口的a r m 芯片。 3 、g p i o 的数量 本系统需要连接的外围芯片较多， 4 、内置a d c 模块 本系统的模拟输入信号共有3 路， 换电路，缩短开发周期。 5 、内置c a n 总线接口 必须提供足够的管脚。 采用内置的a d c 可以减少外围模数转 c a n b u s 为本系统扩展功能，它可以使得系统与车内其他带c a n 接口的 仪表进行通信。所以选用的芯片必须具备c a n 总线接口。 6 、具有s p i 接口和p c 接口 本系统对丌关量信号的采集是通过具有s p i 接口的m c 3 3 9 9 3 芯片完成，故 处理器需要具有s p i 接口。而p c 接口则可应用于铁电存储器和实时时钟的外 扩。 7 、总线开放 总线不丌放的芯片扩展外围电路时，需要进行时序的模拟，这将增加开发 的工作量和复杂性。选择总线开放式处理器可以大大提高系统的开发速度。 根据如上要求，我们选用了p h i l i p s 公司的l p c 2 2 9 2 作为系统的主处理器。 l p c 2 2 9 2 基于a r m 7 t d m i 内核、1 4 4 脚封装、2 个定时器、2 路c a n 、高速 1 2 c 接口、2 路s p i 接口、总线丌放、包含7 6 个g p i o 口、8 路1 0 位a d c 以 及多达9 个外部中断，是一款性价比较高的a r m 芯片。 2 2 2 数据存储方案的确定 汽车行驶记录仪的数据存储通常有以下几种方案斜l ： l 、s r a m + 电池+ 电源管理i c + e e p r o m 由于e e p r o m 的擦写次数的限制，检测的数据量不能实时写入其中，只 能存储在s r a m 中，当到一定的时间或检测到掉电后再把数据写入e e p r o m 巾。此方案的特点：技术简单但系统复杂，而且成本较高，性能很不可靠。由 于i 司时采用了传统的s r a m 和e e p r o m ，而且增加了电池和电池管理i c ，使 得整个系统的电路复杂，调试困难，成本也较高。发生事故时可能整个系统都 浙江人学硕i ：学位论文 没有电，当系统检测到掉电时，再把s r a m 的数据写入e e p r o m ，已经没有 时l 、日j ，而且汽车系统的环境比较复杂，强烈的电磁干扰也会使得这种方案可靠 性很差。 2 、n v s r a m 汽车行驶记录仪的另一种存储方式是采用n v - s r a m 作为存储器件， n v - s r a m 是挥发性s r a m 加上备用锂电池，系统讵常工作时m c u 利用s r a m 存储及交换数据，停电后用锂电池维持数据。在铁电存储器面世之前， n v - s r a m 也广泛应用于数据写入频度高且要求掉电不丢失数据等应用领域， 但浚类器件昂贵的价格又制约了其在价格敏感领域的应用。另外在性能方面， 如果n v - s r a m 还有电池用完的危险，所以用它来存储数据也不够可靠。 3 、f r a m f r a m 是美国r a m t r o n 公司的产品，被称为铁电存储器，其核心技术是铁 电晶体材料。这一特殊材料使得铁电存贮产品同时拥有s r a m 和非易失性存储 产品的特性：擦写次数至少可达到1 0 0 0 亿次，超过1 0 0 0 亿次后还可作为s r a m 使用：速度快，没有写等待时问；功耗低，读写电流1 5 0 p a ，静态电流小于l p - a ； 可靠性高；接口方式有p c 和s p i 两种。 h 于方案1 、2 用于保存实时数据的不可靠性，我们决定采用方案3 f r a m 作为记录仪存储器。但是，目前市场上出现的f r a m 芯片容量都不够大， 所以考虑再使用一块大容量f l a s h 作为数据存储器，而将f r a m 作为数据转 存的中介。当需要以微秒级速度保存数据的时候，使用可多次擦写的f r a m 暂 存。超过一定时间或者发生掉电，则立即将f r a m 中的数据转存入f l a s h 中， 这样就能满足存储器容量大且能够多次擦写的要求，而且避免了因掉电而发生 数掂丢失的现象。 2 2 3 信号采集方案的确定 本系统的输入信号较多，大致可分成三类：模拟信号、数字信号以及开关 量信号。不同种类的信号采用不同的采集方式： 1 、模拟信号采集方案 模拟信号包括：水温、油量和油压，共3 路输入信号。一般对模拟信号的 浙江大学硕十学位论文 采集和处理是采用a d 转换器进行的，由于处理器l p c 2 2 9 2 内置了4 路1 0 位 精度的a d 转换器，故无需扩展外围电路即可满足模拟信号的采集需求。 2 、数字信号采集处理方案 数字信号包括车速和发动机转速2 路信号。这两路信号通过各自相应的传 感器转换成车速脉冲和发动机转速脉冲输出，由此可以利用l p c 2 2 9 2 定时器的 脉冲捕捉功能进行采集。通过记录脉冲的输出间隔，从而可以计算出里程、车 速等实时数据，用以保存和报警输出，也无需外扩电路。 3 、丌关量信号采集方案 歼关量信号包括：前门、后门、大灯、左灯、右灯、倒车灯、远光灯、近 光灯、点火、刹车、鸣号、雨刷、中控锁共1 3 路信号。每一路信号的状态发生 变化时，均需要能够及时检测到。l p c 2 2 9 2 内部没有采集开关量信号的部件， 故需要外扩电路，本系统选用丌关检测芯片m c 3 3 9 9 3 来实现此功能。m c 3 3 9 9 3 除了具有2 2 个开关输入引脚之外，还有一中断引脚。当任一开关量输入信号状 态发生变化时，可以通过中断的方式通知主处理器，从而减轻了处理器频繁查 询的负担。芯片的接口方式为4 脚s p i ，能够大大减少处理器需要提供的引脚 数量。 2 2 4 数据显示方案的确定 车辆仪表的显示器常采用v f d 或l c d 液晶显示屏。 v f d ( v a c u u m f l u o r e s c e n td i s p l a y ) & l j 真空荧光显示屏，它是从真空电子管发 展而束的显示器件，它的基础特性与电子管的工作特点基本相同。由发射电子 的阴极( 直热式，统称灯丝) 、加速控制电子流的栅极- 玻璃基板上印上电极和 荧光粉的阳极及栅网和玻盖组成。它利用电子撞击荧光粉，使荧光粉发光，是 一种自身发光显示器件。 v f d 根据结构一般可分为二极管和三极管两种。根据显示内容可分为：数 字显示、字符显示、图案显示、点阵显示：根据驱动方式可分为：静态驱动( 直 流) 和动念驱动( 脉冲) 。显示发光形式有点阵式、固定图形和文字式等。 山于v f d 可以做多色彩显示，亮度高，视角大，体积小，可以用低电压来 驱动，易与集成电路配套，所以被广泛应用在工业仪器仪表和汽车等各种领域。 浙江人学顾学位论文 目前不少汽车行驶记录仪的产品都采用v f d 作为显示器。 l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p t a y ) n 液晶显示器，它使用两片薄膜，利用通电与 束通电时中间的液态晶体改变排列方向来造成透光与不透光效果，从而产生图 形。l c d 液晶器具有图像不失真、无闪烁、无辐射等优点【3 0 t 。 相比而言，v f d 可显示的图像更加丰富多彩，而且界面图形固定，编程简 单( 需要显示某图形时只需点亮它的几段灯即可) 。可是另一方面，记录仪需要 显示的数据较多，包括实时车速、实时时间、驾驶员代码、报警信号等，车辆 运行的过程中还需要进行循环显示。这些对于v f d 而言显示屏上的图形会过多 从而影响美观，也不利于驾驶员观察实时数据。另外，v f d 界面图形固定，虽 然编程方便，可是却限制了显示内容，而l c d 可任意描绘显示的图形甚至表格 和曲线，方式更为灵活多样，屏幕也比较清爽。所以l c d 是本系统显示面板的 首选，型号为信利公司的m s c g 1 2 8 6 4 。 2 2 5 实时时钟方案的确定 主处理器l p c 2 2 9 2 具有内置实时时钟，但是当处理器断电后该实时时钟所 有寄存器的内容将全部丢失，此后没有任何措施保证实时时钟的时间增量器能 丁f 常工作下去，这对于计时精度较高的记录仪来说显然是行不通的。为此，系 统需要使用外部实时时钟。 由于时钟的实时性需要得到保证，而记录仪存在断电的危险，所以选择的 时钟：占片必须具备掉电检测功能并且提供附加电池供电。经过多次比较和参照， p h i l i p s 公司的p c f 8 5 6 3 是符合这一要求的实时时钟芯片。p c f 8 5 6 3 具备掉电检 测器，当供电电压低予某个阈值时，秒寄存器中的某标志位将置1 ，从而指明 此后实时时钟可能会产生不准确的时钟r 历信息，从而避免了记录仪对错误时 | 、日j 的记录。同时，为了避免供电电压发生意外掉电，可以在p c f 8 5 6 3 的供电引 脚处同时外接一后备电池。当供电电压正常时，它为时钟芯片供电的同时也为 后备电池充电。一旦发生掉电，后备电池将作为主要的供电设备提供芯片正常 一作的电压。 p c f 8 5 6 3 的接口方式为p c ，是两线制接口，占用处理器的管脚较少，且 其1 2 c 的总线速度最高可达4 0 0k b i t s ，能够快速地与处理器通讯，使得系统读 浙江人学顾i ! 学位论文 取到的实时时间精确度较高。 此外，该芯片还具备可编程的时钟输出、中断输出和低电压检测功能。 2 2 6 驾驶员身份识别方案的确定 规范驾驶员行为，作为汽车行驶记录仪基本功能之一，它首先应该能够准 确识别驾驶员身份f 6 6 1 。目前汽车行驶电录仪采用的驾驶员身份识别方式主要 有：接触式i c 卡识别、非接触式i c 卡识别、i b u t t o n 识别以及直接输入识别矧。 1 、接触式i c 卡识别 c p u 一旦探测到有i c 卡插入则通过卡的1 ( 9 读取数据，接着进行程序的 判断处理。当确定为合法的i c 驾驶员卡后，再按照协议读取驾驶员信息【4 9 】。 接触式i c 卡存储量大，读写机构造价便宜，维护方便。但是它的读写故障 率较高，同时还存在由于触点外露而导致卡的污染、磨损、静电等缺点。 2 、非接触式i c 卡识别 非接触式i c 卡的读写过程通常出非接触式i c 卡和读写设备间的无线电波 束先成。该方式操作过程简单，但是抗干扰能力相对较弱，且开发成本较高 5 0 】。 3 、i b u t t o n 识别 i b u t t o n 外形为钮扣式，其硅晶片被保护在不锈钢外壳里，牢固耐磨，有较 强的抗干扰能力。i b u t t o n 的工作原理是利用内置的存储芯片作为一种i d 识别 卡来使用。该方式适合在各种环境使用，且萨常的使用寿命可以长达1 0 年之久。 但是目前i b u t t o n 作为新的存储技术尚未得到广泛应用，难度较大，且开发成本 也较高。 4 、直接输入式识别 直接输入式识别，顾名思义就是直接通过按键，输入驾驶员的信息资料来 确认身份。最常见的是输入与驾驶证号码唯一对应的驾驶员代码和密码，从而 实现驾驶员身份的识别。 直接输入识别方式开发简单，可靠性较高，抗干扰性能也很好。般来说， 存同运输企业中，为了方便管理，设嚣的驾驶员代码具有唯一性。另外，为 了防止违法驾驶，每个驾驶员都有一个确认密码。无论是对开发人员还是驾驶 员以及车辆管理人员来说都是比较方便的，故也是本系统采用的方案。 浙江大学顺。l 学位论文 2 3系统最终方案确定 经过合理规划和多次比较，系统最终采用的设计方案如下： 1 、处理器：l p c 2 2 9 2 。 2 、存储器：两块2 5 6 k b i tf r a m ( f m 2 4 c 2 5 6 ) + 一块5 1 2 k b i tf l a s h ( w 2 9 c 0 4 0 ) 。 3 、信号采集：模拟信号的采集：利用l p c 2 2 9 2 内置的a d 转换器进行采集； 数字信号的采集：利用l p c 2 2 9 2 内部定时器的捕捉功能进行采集；开关量 输入信号采集：采用m c 3 3 9 9 3 开关量检测芯片进行采集。 4 、数据显示：m s c g 1 2 8 6 4 ，l c d 液晶显示器，1 2 8 6 4 点阵。 5 、外扩实时时钟：p c f 8 5 6 3 。 6 、u s b 主控器：s l 8 1 i h s 。 7 、驾驶员身份识别：直接输入识别。 8 、上位机软件与主机模块通信：r s 2 3 2 串口通信。 9 、微型打印机：m 1 9 2 g ，控制板为n g l s p l 9 0 a 4 。 加入各功能部件的原理图如下图所示： 图2 2 系统功能部件原理图 浙江人学碗f j 学位论史 第三章系统硬件设计 3 1 主要功能部件介绍 3 1 1l p c 2 2 9 2 介绍 一一。- 。一。+ 一。一。一。一一。- 。_ 一。- _ 。_ - - - - 。_ 一。_ - 。- - 。，。_ _ 。j 图3 1l p c 2 2 9 2 功能结构图 l p c 2 2 9 2 是世界首款可加密的总线开放的a r m 芯片，它基于一个支持实 时仿真和跟踪的1 6 3 2 位a r m 7 t d m i s “c p u ，并带有2 5 6 k 字节嵌入的高速 f l a s h 存储器。1 2 8 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使3 2 位代码能够在 最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用1 6 位t h u m b 模式 浙江人学硕l 学位论文 将代码规模降低超过3 0 ，而性能的损失却很小1 6 】。 l p c 2 2 9 2 主要特性如下： l 、1 6 1 3 2 位a r m 7 t d m i s 微处理器，l q f p l 4 4 封装。 2 、1 6k