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硕士论文 新型汽车行驶记录仪的研制 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。记录仪是典型 的机电一体化产品，它通过记录车辆的行驶信息，对驾驶人员的驾驶活动进行记录并 及时反馈，起到预防超速和疲劳驾驶等不良驾驶行为的作用；同时也为道路运输企业 管理和交通管理部门执法提供了可靠的依据。 本文首先介绍了汽车行驶记录仪的现状与发展趋势。阐述汽车行驶记录仪在交通 及车辆管理等方面的重要意义；并结合汽车行驶记录仪系统的国家标准，介绍记录仪 的功能及性能指标。 然后本文详细论述了汽车行驶记录仪的软硬件设计。汽车行驶记录仪系统主要包 括记录仪和p c 管理系统两部分。记录仪部分主要功能是记录车辆行驶中的数据，由 微控制器，时钟芯片、数据存储器、液晶显示模块、串口通信模块、i c 卡、u s b 接 1 3 、键盘及其他辅助芯片构成。p c 管理系统使用d e l p h i 开发，包括记录仪数据的分 析和管理、i c 卡管理、上载u 盘数据等功能。 本文所设计的汽车行驶记录仪已经通过公安部国家标准的检测，为车辆行驶的安 全和交通管理部门的有效监控提供了保障。 关键词t 汽车行驶记录仪，微控制器，u s b 硕士论文 新型汽车行驶记录仪的研制 a b s t r a c t 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 sad i g i t a le l e e t r o n i c a la p p a r a t u sw h i c hi su s e dt o r e c o r dd a t as u c ha sv e l o c i t y , t i m ea n dm i l e a g ea n dt h eo t h e ri n f o r m a t i o nr e l e v a n tt ot h e s t a t u so f t h ev e h i c l e n ed a t as h o u l db ee x p o s e dt ot h ec o m p u t e ro ro t h e rd e v i c e st h r o u g h c o m m t m i c a t i o ni n t e r f a c e t h er e c o r d e ri st h et y p i c a li n t e g r a t i o no fm a c h i n e r yp r o d u c t , i t t h r o u g hr e c o r d st h ev e h i c l e st h et r a v e li n f o r m a t i o n , p r o m p t i n gt h ef e e d b a c kt od r i v e r s ， p r e v e n t st r a f f i cp e e c a n c ys u c ha so v e rs p e e da n dt i r e d - d r i v i n g ；砒t h es 锄et i m ei ta l s o p r o v i d e st h er e l i a b l eb a s i sf o rt h el a we n f o r c e m e n to fw a n s p o r t a f i o nm a n a g e m e n ta n dt h e t r a 街cc o n t r o ld e p a r t m e n t f i r s to f a l lt h ep a p e rd e s c r i b e st h ed e v e l o p m e n t , a n dt h ed e v e l o p m e n tt e n d e n c yo f t h e 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 i te x p a t i a t e s0 1 1i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c eo ft h ev e h i c l ed a t a r e c o r d e ro nt h em a n a g e m e n to ft r a 位ca n dv e h i c l e ；t h ep a p e rw i l li n t r o d u c et h em a i n f u n c t i o na n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h er e c o r d e r , c o m b i n ew i t ht h en a t i o n a ls t a n d a r d so f 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 t h e nt h i sp a p e re l a b o r a t e ss o i t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no f t 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 s y s t e mi n c l u d e st h er e c o r d e rp a r ta n dt h ep cm a n a g e m e n ts y s t e mp a r t r e c o r d e r p a r tm a i n l yr e c o r d st h es t a t u sd u r i n gt h ed r i v i n g ，c o n s i s to fm c u 、r a m 、l c d 、s e r i a l c o m m u n i c a t i o n 、i cc a r d 、u s bi n t e r f a c e 、k e y b o a r da n do t h e rr e l e v a n tc h i p s t h ep c m a n a g e m e n ts y s t e md e v e l o p e db yd e l p h i ，i n c l u d i n gt h ed a t aa n a l y s i sa n dt h em a n a g e m e n t , t h ei cc a r dm a n a g e m e n t , u p l o a d st h ed a t at h r o u g hu s bi n t e r f a c e t h i sp r o d u c th a sa l r e a d yp a s s e dt h em i n i s t r yo fp u b l i cs e c u r i t yc o l r l t r ys t a n d a r d e x a m i n a t i o n , p r o v i d e dt h es a f e g u a r df o rt h ev e h i c l e st r a v e ls e c u r i t ya n dt h et r a 伍cc o n t r o l d e p a r t m e n t se f f e c t i v em o n i t o r i n g k e y w 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 ，m i c r o c o n t r o l l e r ，u s b 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：韭汐名年绢日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：二啦 矿6 年钥 日 硕士论文新型汽车行驶记录仪的研制 1 绪论 1 1 汽车行驶记录仪简介 汽车行驶记录仪，又称汽车工作信息记录仪、汽车综合信息记录仪，也有人将其 形象地称为汽车电子警察。它能全程同步记录、监控车辆运行状态，并将汽车行驶轨 迹通过专用软件在电脑上完整、准确的再现。 新一代汽车行驶记录仪在功能、体积和性能方面己取得了较大的突破。一般来说， 该产品体积小巧，能防潮、防水、防腐和耐高温。它除了具有传统的记录仪所拥有的 事故分析功能外，还能在汽车驾驶员超速行驶时发出超速报警声，以提醒驾驶员减速 行驶，并详细记录车辆每次的开车时间、行驶里程、行驶时间、最高车速，以及每次 最高车速的持续时间，方便交通管理部门根据所记录的有关数据对车辆进行有效的管 理。汽车行驶记录仪在汽车上已经得到广泛的开发应用，它由硬件和软件两部分组成。 硬件部分包括面板、单片机及辅助电器元件；软件部分包括控制、处理各种数据的仪 表功能程序系统。该仪器可实现多种信息处理，显示汽车状况，进行自我诊断，对车 速、发动机转速、水温、油压、燃油量、油耗和蓄电池电压等一系列参数进行有效监 控。并通过控制发光二极管、液晶显示、蜂鸣器等报警手段，为司乘人员提供直接的 汽车状况信息和发出各种超限情况的报警等，可有效防范和化解车辆事故的发生。 1 2 汽车行驶记录仪发展的历史与现状 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 输竞争日趋激烈，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 路交通安全瞄l 。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 制推行使用汽车行驶记录仪。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 2 3 j 。 我国从2 0 世纪8 0 年代后期开始，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。近年来随着我国国民经济的快速发展，道路交通事故呈上升趋势， 尤其是长途客运车辆的重、特大道路交通事故频发，给国家和人民生命财产带来了巨 大损失。为了控制我国不断增长的交通事故，借鉴发达国家管理车辆安全行驶的成功 做法，2 0 0 1 年底，公安部、交通部、国家安全生产监督管理局联合下达了公安部、 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 l 硕士论文 新型汽车行驶记录仪的研制 求：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。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，其中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。2 0 0 2 年5 月2 4 日交通部下发 2 0 0 2 1 2 2 6 号 文关于继续进行道路危险货物运输专项整治的通知，文中对于从事运输剧毒化学 品、爆炸品等危害性极大的危险化学品的车辆，应安装行驶记录仪或g p s 卫星定位 系统和通讯设备。到2 0 0 3 年4 月1 5 日，由公安部有关部门起草、国家标准化管理委 员会，国家经贸委审定通过，国家质量监督检查检疫总局发布了汽车行驶记录仪的国 家标准( g b t 1 9 0 5 6 - 2 0 0 3 ) ，于2 0 0 3 年9 月1 日起正式实施。实施对象包括所有的在 用车和新车，将逐步由点到面，分批分时的展开。据不完全统计，全国有广东、四川、 吉林、湖南、上海、浙江等2 0 多个省、自治区、直辖市汽车行驶记录的应用工作取 得进展，已安装使用行驶记录仪的客运、货运企业约3 5 0 多家，车辆约2 万辆。同时 中华人民共和国道路交通安全法实施条例第十四条规定：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、连续驾驶时间以及其它行驶状态进行检查。 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，还是在电性 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、行驶里程，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。 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。因此 有必要设计出符合国家标准的汽车行驶记录仪，为国内的统一推广和安装提供便利。 1 3 课题研究的意义 近年来国家立法强制安装汽车行驶记录仪，证明了记录仪产品在道路交通安全管 理的突出贡献，特别是在遏止交通违章、约束驾驶员不良驾驶习惯等方面，发挥着十 分重要的作用。不仅可以有效地预防道路交通事故的发生，而且为执法人员进行事故 分析和处理提供了科学依据。 一、汽车行驶记录仪能带来的显著的经济效益 ( 1 ) 可以高效地对车辆进行合理调度，从而降低其运营成本。 ( 2 ) 通过各项管理报表，实现对公司员工的绩效考核，建立高效的竞争机制，提 2 硕士论文新型汽车行驶记录仪的研制 高公司的经济效益。 ( 3 ) 通过改变内部员工驾驶的不良习惯，减少轮胎、刹车片等耗件的损耗，降低 车辆运行、维修成本。 ( 4 ) 通过防止公车私用等现象，杜绝因此而造成的公司资本流失。 二、使用汽车行驶记录仪同时也提供显著的社会效益 ( 1 ) 提高行车安全，更好的保障社会群众及乘客的生命安全。 ( 2 ) 将可大幅减少车辆违规肇事、司机监守自盗等社会案件。 ( 3 ) 遇到交通事故，记录仪上留下的数据为公安交警部门的事故处理、协助破案 提供了有效的手段和依据。 ( 4 ) 为交通管理部门的车辆检验( 如年检) 提供了更全面的参考数据，使交管部 门的车辆检验工作更加客观、科学。 ( 5 ) 遇到事故意外，有充足的证据来分清肇事责任归属，可作为保险部门进行理 赔的辅助工具。 1 4 论文主要的研究工作 本文所研究的目标是设计开发一个完整的汽车行驶记录仪系统，它主要包括记录 仪模块和p c 机管理系统模块两个部分。 考虑到系统的实用性，记录仪模块的处理器采用8 位的m c u ，它通过与外围电 路进行合理的配合主要来完成如下功能： 1 自检功能，自检结束后能够对结果予以提示； 2 实时时钟、日期以及驾驶时间的采集、记录和存储功能； 3 驾驶员身份识别功能； 4 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； 5 显示及操作功能；通过键盘输入对记录仪进行操作，并通过显示屏显示相应 信息； 6 数据通信功能，具备r s 2 3 2 串口通信、u s b 通信； 7 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，对车辆超速、驾驶员疲劳驾驶等情况予以 报警提示。 。 1 5 论文各章节内容安排 本文共分7 个章节。 第一章绪论部分主要介绍本课题的背景和意义，以及汽车行驶记录仪系统的研究 3 颂士论文新型汽车行驶记录仪的研制 价值和发展状况。 第二章结合记录仪的国家标准，介绍记录仪的性能指标以及系统方案的规划。 第三章针对记录仪系统的硬件设计，详细地介绍了系统用到的几种重要芯片的功 能特性及使用。 第四章针对系统的软件设计，详细论述了记录仪底层软件的设计 鉴于u s b 系统实现的复杂性，第五章专门介绍了u s b 接口的实现和写u 盘程序 的设计，同对还讨论了各个功能模块函数的实现并给出几个主要函数的流程图。 第六章介绍p c 管理软件部分，对每个模块之间的关系通过图形方式演示出来。 本文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。 4 硕士论文新型汽车行驶记录仪的研制 2 汽车行驶记录仪国家标准介绍 在2 0 0 3 年4 月1 5 日，由公安部有关部门起草、国家标准化管理委员会、国家经 贸委审定通过，国家质量监督检查检疫总局发布了汽车行驶记录仪的国家标准 ( g b t 1 9 0 5 6 2 0 0 3 ) ，并于2 0 0 3 年9 月1 日起正式实施。本文所设计的汽车行驶记录 仪完全符合国家标准，下面结合国标对记录仪的构成和具体功能进行介绍。 2 1 记录仪的组成 根据国家标准的规定，汽车行驶记录仪应由如下几部分组成： 1 主机：包括微处理器、数据存储器、实时时钟、显示器、操作键、打印机、 数据通信接口等装置。如果主机本体上不包含显示器、打印机，则应留有相应的数据 显示和打印输出接口； 2 车速传感器； 3 数据分析软件。 2 2 记录仪的功能 根据国家标准的规定，汽车行驶记录仪应有如下功能： 1 自检功能 记录仪在通电开始工作时，应首先进行自检，自检正常后应以绿闪信号或显示屏 显示方式指示工作正常，如有故障则应以红闪信号或显示屏显示方式指示故障信息。 2 实时时钟、日期及驾驶时间的采集、记录、存储 ( 1 ) 记录仪应能提供北京时间日期和时钟，该日期和时钟被用于为记录仪实现所 有功能( 记录、输出、显示、数据通信等) 标注日期和时间。记录仪应能以年、月、 日或y y y y m m d a ( 狗方式记录实时日期；应能以时、分、秒或h h ：m m ：s s 的方式记录实 时时钟。 ( 2 ) 记录仪应能对连续驾驶时间进行记录。 ( 3 ) 连续记录2 4 h 数据，记录时间允许误差在5 s 以内。 3 车辆行驶速度的测量、记录、存储 ( 1 ) 事故疑点数据 记录仪应能以不大于0 2 s 的时间间隔持续记录并存储停车前2 0 s 实时时间对应的 车辆行驶速度值及车辆制动状态信号、记录次数至少为l o 次。 速度记录单位为k m h ，测量范围为0 k m h 2 2 0 k m h ，测量分辨率等于或优于 5 硕士论文新型汽车行驶记录仪的研制 l k m h 。 ( 2 ) 行驶状态数据 无论车辆在行驶状态还是停驶状态，记录仪均应能提供实时时间对应的车辆行驶 速度信息。 当车速传感器输出的脉冲信号超过1 脉冲秒并且持续5 秒以上时，可认为车辆 是在行驶状态，否则认为车辆是在停驶状态。 记录仪应能以不大于l m i n 的时间间隔持续记录并存储车辆在最近3 6 0 h 内的行驶 状态数据，该行驶状态数据为：车辆在行驶过程中与实时时间相对应的每分钟间隔内 的平均行驶速度值。 速度记录单位为k m h ，测量范围为o k m h 2 2 0 k m h ，分辨率等于或优于l k m h 。 ( 3 ) 记录误差 分别输出相当于2 0 k m h 、6 5 k m h 、l o o k m h 、1 4 5 k m h 的模拟速度信号对记录仪 进行测试时，其速度记录允许误差为l k m h 。 记录仪安装在测试用车上进行实车路试，在行驶速度恒定在4 0 k m h l k m h 和行 驶速度在4 0 k m h 6 0 k m h 变化情况下分别进行测试时，其速度记录允许误差为 2 k m h 。 ， 记录仪在安装到车辆上使用后，在4 0 k m h 的行驶速度进行测试时其速度记录的 最大允许误差为6 k m h 。 4 车辆行驶里程的测量、记录、存储 ( 1 ) 记录仪应能持续记录车辆从指定统计时间开始的累计行驶里程。车辆行驶里 程记录单位为k m ，行驶里程的测量范围为0 9 9 9 9 9 9 9 k m ，分辨率应等于或优于 0 1 k m 。 ( 2 ) 行驶检验时，记录仪安装在测试用车上进行实车行驶里程误差测试，当测试 距离为5 k m 时，行驶里程允许误差为0 1 k m 以内。 5 驾驶员身份记录功能 记录仪应能实现驾驶人员身份记录功能，应能记录驾驶员代码和公安交通管理部 门核发的机动车驾驶证证号。 驾驶员代码为阿拉伯数字，其最大长度不超过7 位，代码设置方法由使用者根据 需要自定，在同一记录仪的数据记录中，某一驾驶员的代码应与其机动车驾驶证证号 唯一相对应。 在每次驾车前，驾驶人员首先应确认自己的代码，确认方式由制造商自定。 6 硕士论文新型汽车行驶记录仪的研制 6 显示及操作功能 显示器应符合如下要求： ( 1 ) 显示字符应笔划完整、清晰规范，在使用中不依靠环境光源也能正确读数： ( 2 ) 显示数据参数时字符高度不小于4 m m ： ( 3 ) 在显示数据参数的同时，应以显示或面板标识的方式清楚表示数据参数的名 称及单位，字符高度不小于3 m m ； ( 4 ) 显示器在车辆点火开关通电后应处于工作状态； ( 5 ) 在任意恒定的速度下，车速显示值的变化范围不得超过l k m h 。 当无按键操作时，可默认显示车辆的实时行驶速度、实时时钟或驾驶员代码。通 过操作按键应能实现如下显示： ( 1 ) 最近1 5 m i n 内每分钟的平均车速记录； ( 2 ) 最近2 个日历天内同一驾驶员连续驾驶时间超过3 h 的所有数据记录： ( 3 ) 车辆特征系数。 操作按键设置应能满足使用要求，并应在对应的位置标出各按键名称；仅使用面 板按键应不能对速度、时间、里程等原始数据的进行修改、删除。 7 数据打印输出功能 打印方式 ( 1 ) 数据打印只能在停车状态下进行； ( 2 ) 从打印开始到每分钟平均车速记录内容打印结束，时间不应超过3 0 s ： ( 3 ) 打印字符字迹应清晰、规范； ( 4 ) 打印字符的高度应不小于2 4 m m ，宽应不小于1 s m m ： ( 5 ) 打印纸上应留有足够的空白位置供驾驶员或其他人员签名及简单备注之用。 打印内容 记录仪至少应能打印输出车牌号码、车牌分类、驾驶员代码、驾驶证号码、打印 实时时间、停车时刻前1 5 m i n 内每分钟的平均车速、疲劳驾驶记录( 一次连续驾驶时 间超过3 h 的所有记录) 。 8 数据通信功能 记录仪应同时配置以下两种标准接口： ( 1 ) u s b ( 通用串行总线) 标准接1 ：3 ，建议采用主结构式u s b 接口； ( 2 ) 标准r s 2 3 2 c d 型9 针接1 ：3 。 应能通过规定的通信接口，实现对记录仪中如下参数和信息的输入、设定、存储： ( 1 ) 车辆识别代号、车牌号码、车牌分类： 7 硕士论文新型汽车行驶记录仪的研制 ( 2 ) 驾驶员代码、驾驶证证号； ( 3 ) 实时时钟： ( 4 ) 记录仪主机可识别的唯一性编号及初次安装日期。 记录仪对每一次下传的日期及时阃进行记录、存储。应能通过通信接口，向外部 设备输出至少包含如下内容的信息： ( 1 ) 实时时钟； ( 2 ) 事故疑点数据； ( 3 ) 最近3 6 0 h 内车辆行驶速度数据( 记录间隔为l m i n ，数据为每分钟内的平均 速度) ； ( 4 ) 对应实时时钟的车辆行驶里程数据； ( 5 ) 车辆识别代号、车牌号码、车牌分类； ( 6 ) 驾驶员代码、驾驶证证号； ( 7 ) 车辆特征系数： 上载数据时，应不改变和删除记录仪内存中已存储的任何数据。记录仪应对每一 次上载的日期和时间进行记录、存储。 2 3 数据分析软件 记录仪的数据分析软件应全部使用中文界面，并具有一定兼容性，能在通用的中 文操作系统中安装使用。 数据分析软件应具有原始数据读取、查询、统计、图表生成、参数设置、操作权 限管理等功能。 在采集原始数据后，数据分析软件应能生成至少如下图表： ( 1 ) 事故疑点数据曲线图。曲线横坐标为实时时间及日期，纵坐标为与实时时间 对应的车辆行驶速度值和制动状态信号或客户所要求的其它信号，曲线图上同时还应 包含车牌号码、车牌分类、驾驶证号码等内容。 ( 2 ) 一般行驶速度记录曲线图。曲线横坐标为实时时间及日期、纵坐标为与实时 时间对应的车辆行驶速度值和客户所要求的其它信号，曲线图上同时还应包含车牌号 码、车牌分类、驾驶证号码等内容。 ( 3 ) 数据列表。至少应包含如下内容： 曲符合记录间隔时间要求的实时时间及日期； b ) 实时时间所对应的车辆行驶速度等数据； 0 车牌号码，驾驶证号码。 8 硕士论文 新型汽车行驶记录仪的研制 2 4 数据安全性 记录仪应防止数据被更改或删除。应从记录仪硬件和数据分析软件系统两个方面 来实现： 1 硬件上，应在记录仪主机上或其它适当的地方采取可靠安全措施( 如铅封) 防止数据储存器等重要器件被更换； 2 记录仪主机内车辆行驶速度、里程、驾驶时间等原始数据不能通过外部设备 进行任何改写或删除操作； 3 分析软件对车辆识别号、车牌号码、车牌分类、车辆特征系数、驾驶员代码、 驾驶证号码等重要参数，一般情况下只能读，不能更改或删除。在记录仪初始化调试、 校准、维修或其他特殊情况下需对上述重要参数进行设置操作时，需经操作授权。 2 5 本文设计的汽车行驶记录仪总体结构 本设计系统主要是根据汽车行驶记录仪国家标准的要求，完成对车辆行驶的车速 及时间数据的采集和处理工作，并通过p c 机软件将相关数据以直观的形式反映出汽 车行驶的状态。 在主要器件的选择上，考虑到汽车行驶记录仪的性能指标和实用性，一款8 0 c 5 1 系列微控制器已经足够，本设计采用了p h i l i p s 公司生产的p g g c s l r d 2 。考虑到记 录仪需要记录大量的数据，记录的过程中需要多次擦写存储器，为了延长存储器的使 用寿命并能安全准确的记录数据，设计中采用了大容量主存储器和辅助存储器配合的 方案，用非易失的辅助存储器作为缓存，选用一款带有4 k 字节附加空间的时钟芯片 d s l 7 4 8 7 正能满足设计的需要，4 k 空间用来记录车辆行驶过程中的各种状态信息， 当空间写满后再将数据写入主存储器中。主存储器选用5 1 2 k 字节的f l a s h 存储芯 片a t 2 9 c 0 4 0 a ，周来记录车辆行驶的历史数据并能有效的防止数据的丢失。液晶显 示模块为北京青云创新科技的l c m l 2 8 3 2 z k ，可显示两行，每行可显示8 个汉字，并 提供了一个6 4 * 2 5 6 点的绘图区域( d r a m ，可以灵活的显示出各种状态信息。为了 配置国标中规定的u s b 接口，选用了c y p r e s s 公司生产的s l 8 1 1 h s 芯片，作为u s b 的主控制模块。设计中采用了价格相对较低。且使用方便的接触式i c 卡作为识别车 辆驾驶人员的工具。另外还选用了必要的串1 3 通信及电源等模块，合理的与主要器件 相配合，以达到汽车行驶记录仪的国家标准。 9 硕士论文新型汽车行驶记录仪的研制 系统总体框图如图2 5 1 所示： i 存储器l e 苫2 3 2 雕接目铡p 抑c 机 ii 一 r l 时钟芯片障 微 控 刊u s b 控制接口h u 盘 制 i 液晶显示 ： 器 ： i i c 卡 l i 键盘事 i 速度信号采集l 图2 5 1 系统总体框图 随着单片机硬件性能的提高以及单片机高级语言编译器的日趋完善，为简化系统 编程，增加单片机应用系统程序的可读性和可移植性，在软件的编写上，采用c 5 1 进行底层软件的开发，以便于系统的维护和升级；考虑到c 5 1 编译器的好坏直接影 响着生成代码的效率，大小和可靠性，选用德国k c i ls o f t w a r e 公司的pv i s i o n 2 集成 开发环境。从源程序编写，编译，连接都可以在其中完成。p c 机的终端软件由d e l p h i 编写，并使用a c c e s s 数据库对记录仪的数据进行合理的管理和保存。 l o 硕士论文 新跫汽车行驶记录仪的研制 3 汽车行驶记录仪的硬件设计 3 1 微控制器p 8 9 c 5 1 r d 2 1 微控制器简介 p 8 9 c 5 l i 2 是采用先进c m o s 工艺制造的8 位微控制器，指令系统与8 0 ( 2 5 1 完 全相同。该器件有6 4 kf l a s hr o m 、1 kr a m 、3 个1 6 位定时计数器、7 个中断源 - 4 中断优先级嵌套的中断结构、1 个增强型u a r t 、片内振荡器及时序电路。 该微控制器具有6 4 k 并行可编程的非易失性f l a s h 程序存储器并可实现对器件 在系统编程( i s p ) 和在应用中编程( i a p ) 。这种方法通过调连接远程片内r o m 中 固化的默认的串行加载程序( b o o t l o a d e r ) ，允许i s p 通过串口将程序代码装入f l a s h 存储器，而f l a s h 代码中则不需要加载程序。对于i a p 用户程序通过使用片内r o m 中的标准程序对f l a s h 存储器进行擦除和重新编程。 该器件可通过并行编程或在系统编程的方法对一个f l a s h 位进行编程，从而选择 6 时钟或1 2 时钟模式。此外，也可通过时钟控制寄存器c k c o n 中的x 2 位选择6 时 钟或1 2 时钟模式。另外当系统处于6 时钟模式时，片内外设可以选择一个机器周期 6 时钟或是1 2 时钟。可通过c k c a n 寄存器对每个外设的时钟源进行选择。 2 特性 8 0 c 5 1 中央处理单元； 具有i s p 和i a p 功能的片内f l a s h 程序存储器； 片内b o o tr o m 包含底层f l a s h 编程子程序，以实现通过串口下载程序； 可实现最终用户应用的编程( i a p ) ； 与8 7 c 5 1 兼容的并行编程硬件接口； 每个机器周期为6 个时钟周期( 标准) ； 可通过并行编程器选择6 时钟1 2 时钟模式( 芯片擦除后默认的时钟模式为 1 2 时钟) ； 可通过i s p 对选择6 时钟1 2 时钟模式的h a s h 位进行擦除和编程； 可通过s f r 位“在运行中改变”6 时钟1 2 时钟模式； 当c p u 为6 时钟模式时，外围功能( p c a 、定时器、u a r t ) 可选择使用6 时钟1 2 时钟模式； 采用6 时钟周期时频率可高达2 0 m h z ( 相当于4 0 m h z ) ，采用1 2 时钟周期时 频率可达3 3 m n z ； 全静态操作； r a m 可外部扩展到6 4 k 字节； 4 个中断优先级； 硕士论文 新型汽车行驶记录仪的研制 7 个中断源； 4 个8 位i ，o 口； 全双工增强型u a r t 一帧错误检测； 一自动地址识别： 电源控制模式 一时钟可停止和恢复； 一空闲模式； 一掉电模式； 可编程时钟输出； 异步端口复位； 双d p t r 寄存器； 低e ( 禁止a l e ) ； 可编程计数器阵列( p e a ) 一p w m ： 一捕获，比较。 3 芯片选用原因 考虑到汽车行驶记录仪的性能指标和实用性，p 8 9 c 5 1 r d 2 微控制器的性能已经 足够，通过良好的软件编程，完全能达到国标的要求，并能很好的提高产品的性价比； 并且p 9 9 c 5 1 r d 2 中的在系统编程和在应用中编程功能可以通过串1 2 ：1 对汽车行驶记录 仪进行软件升级，极大的方便了记录仪的维护工作，为汽车行驶记录仪功能的完善提 供了便利。 3 2 实时时钟芯片d s l 7 4 8 7 1 芯片介绍 d s l 7 4 8 7 是一款由d a l l a s 半导体生产的实时时钟芯片，内部带有非易失性 r a m ，包括1 4 个字节的时钟日历寄存器、1 1 4 个字节的用户空间和4 k 字节的附加 空间。即使在没有电源的情况下，它内置的锂电池也可以保证它正常工作1 0 年它 有一个可编程的方波输出口s q w ，通过编程可实现周期从3 9 0 6 2 5 m s 到5 0 0 m s 的共 1 5 种方波输出。芯片的引脚定义如下表所示： 1 2 硕t 论文 新型汽车行驶记录仪的研制 表3 2 1d s l 7 4 8 7 引脚定义 x 1晶振输入端 x 2 晶振输出端 r c l r1 1 4 个字节用户空间清除端 a d o a d 7 地址数据总线 p w r 电源中断输出端( 低电平有效) k s 使用备用电池信号输入端( 低电平有效) c s 芯片选择端( 低电平有效) a l e 地址锁存使能输入端 w r写信号输入端( 低电平有效) r d 读信号输入端( 低电平有效) i r q 中断请求输出端( 低电平有效) s q w 可编程方波输出端 v c c 电源 g n d地 v b a u x备用电池输入端 d s l 7 4 8 7 与单片机的连接较为简便，引脚s q w 接单片机的外部中断1 ，用来控 制速度信号采样的频率，硬件连接如图3 2 1 所示： 一j i ：；i j 3 ：i ：! ： ll 审1 5o 2 3r n t i f 如1 7 ： k s，s o w 1 9 、。l g n d2 2 。r di r o ：1o l v 。：2 1 v b a u xp w r u ；4 ；7 魁d g ! 钙1 3 ： r c i ra d o ， a d li a i1 4 。 c sa d l 6a d 2 。 w r1 5 a l ea d 2 7a d 3 a d 71 1 。 wrd3 8 d 4 、，2 a d 7 d 4 9a d 二 n ca ( ? 31 0a d 6 。 ncd6 。j _ 上 il i l ld 5 1 7 4 9 7 ：i ：tl lll l ffi ：lliiiifii 图3 2 1d s l 7 4 8 7 的硬件连接图 2 芯片选用原因 国标中规定：记录仪应能以不大于o 2 s 的时间间隔持续记录并存储停车前2 0 s 实时时间对应的车辆行驶速度值及车辆制动状态信号、记录次数至少为i o 次。选用 d s l 7 4 8 7 可以通过软件控制，使s q w 引脚输出周期为6 2 5 m s 的周期方波，3 个周期 接近o 2 s ，符合国标中对速度采样周期不高于o ，2 s 的要求。此外该芯片还带有1 1 4 字 节的用户空间，可以用来存放一些程序运行的中间变量；4 k 字节的附加空间，可以 用来存储通过测量所得到的有关汽车状态的数据。当该空间写满之后，程序就将该空 间的数据写入到数据存储器a t 2 9 c 0 4 0 a 中。这样可以减少数据存储器的擦写次数， 1 3 硕士论文新型汽车行驶记录仪的研制 有效的延长存储器的使用寿命。 3 3 存储器a t 2 9 c 0 4 0 a 1 芯片介绍 a t 2 9 c 0 4 0 a 是一款a t m e l 公司以先进的c m o s 工艺研制的闪存，存储容量为 5 1 2 k 字节，共有2 0 4 8 个扇区，每个扇区包含2 5 6 个字节。每次读写的最小单位是一 个扇区。使用5 v 单一电源供电，读写操作使用同一电源，省去了1 2 v 的编程电源 v p p 。为了避免因人的疏忽或者系统上电、掉电等因素引起对闪速内存的误写操作， a t 2 9 c 0 4 0 a 还设置了软件数据保护s d p ( s o f t w a r ed a t ap r o t e c t i o n ) 功能。 存储器与单片机的硬件连接如图3 3 i 所示： 图3 3 1a t 2 9 c 0 4 0 a 的硬件连接图 2 芯片选用原因 由于汽车行驶记录仪要记录大量的数据，包括实时数据和历史数据，数据量至少 达到3 2 k 字节，但历史数据并不需要经常访问，一般只是在写u 盘和r s - 2 3 2 通讯时 才用到这些数据。因此选用a t 2 9 c 0 4 0 a 可以满足系统的要求。它提供5 1 2 k 字节的 空间，可以记录下3 6 0 个小时的速度和其他状态信息，即使将来系统需要更大的存储 容量，a t 2 9 c 0 4 0 a 也能够满足要求。 3 4 液晶显示芯片l c m l 2 8 3 2 z k 1 芯片介绍 硕士论文 新型汽车行驶记录仪的研制 液晶显示模块( l c dm o d u l e ，简称l c m ) 是一种将液晶显示器件、连接件、集成 电路、p c b 线路板、背光源、结构件装配在一起的组件，由于其具有显示内容丰富、 体积小、重量轻、寿命长、使用方便、安全省电、无辐射等优点，因此广泛应用于移 动通讯、仪器仪表、电子设备、家用电器等各个领域。 l c m l 2 8 3 2 z k 是具有串并行接口、内部含有中文字库的图形点阵液晶显示模块， 其内置的控制驱动器采用台湾矽刨电子公司生产的s t 7 9 2 0 。因而具有较强的控制显 示功能。l c m l 2 8 3 2 z k 的液晶显示屏为1 2 8 x 3 2 点阵，可显示2 行，每行8 个汉字。 该模块具有2 m b 的中文字型r o m ( c g r o m ) ，共提供8 1 9 2 个1 6 1 6 点阵中文字型； 同时，为了便于英文和其它常用字符的显示，具有1 6 k b 半宽字型r o m ( h c g r o m ) ， 提供1 2 8 个1 6 x8 点阵的字母符号字型；另外，绘图显示画面还提供一个6 4 2 5 6 点阵的绘图区域( g d r a m ) 及2 4 0 点的i c o n r a m ，可以和文字画面混合显示。且内 含c g r a m 可提供4 组软件可编程的1 6 1 6 点阵造字功能。 l c m l 2 s 3 2 z k 模块采用l e d 背光，工作电压电流分别为3 w 1 2 m a 或5 v 2 m a ， 具有2 7 5 5 v 的宽工作电压范围，还具有睡眠，正常及低功耗工作模式，可满足系统 各种工作电压及便携式仪器低功耗的要求。为了适应多种微处理器和单片机接口的需 要，模块提供了4 位8 位并行、2 线3 线串行多种接口方式。 l c m l 2 8 3 2 z k 模块的引脚定义如表3 4 1 所列。 表3 4 1l c m l 2 8 3 2 z k 的引脚定义 引脚名称说明 1 v o l c d 亮度调整，外接电阻端 2 v r l c d 亮度调整，外接电阻端 3g n d地 4v c c3 v ，5 v 5n c 未用 选择寄存器( 并行) 6r s ( c s ) 片选( 串行) ；o ：禁止：1 ：允许 读写控制器( 并行) o ：写入；1 ：读 7r w ( s 日) ) 输入串行数据( 串行) 读写数据起始脚( 并行) ： 8e ( s c l k ) 输入串行脉冲( 串行) 9 1 6 d 0 d 7 数据线o 7 1 7 p s b 控制界面：o ：串行；1 ；并行8 4 位 硕士论文 新型汽车行驶记录仪的研制 续表3 4 1 t 1 8r s t 复位信号，低有效 1 9 l k 背光源负极 2 0l a 背光源正极 2 硬件电路设计 l c m l 2 8 3 2 z k 具有串并行接口，可以方便的与单片机进行连接。为了节约单片 机的硬件资源，设计中使用2 线串行的方式与单片机进行通信。使用单片机的p 1 1 和p 1 0 分别作为显示芯片的数据和时钟端口。另外单片机的p 1 2 和p 1 3 连接系统的 两个按键( “选择”和“确定”) 。硬件连接如图3 4 1 所示： 。fi。lflj c t 7 l li ：tl ll1l ： iiji1 。 l 龋号释目 l1 l s l l jl i _ j ： ：p i p - j ：- m j ：! ； ili：l ： l 。- j _ ：! ”f1 i 1 p l s t t 了ji ；l1 一野十 l 1iillll 锄ll 1ll 叮9 li i ， 2 。i 1 1 7 0 l l【 1 9 b tl 2 v r ul 2 0 i - 7 _ 虻c 3 v c cdd 9 l 、 i 1 o “lg n d 1 4 g n ddl 1 0 ： 卜v c 二一：ii 5 n cd 2 1 1 ： f ，、e 】2 ： c s 瓜sd 3 1 3 0m r “， s i dd 4 j ip ：o 8 s c l 瓦d 5 1 4 i 二； l lii t 3 1 蠕d i 1 , 7 p s bd 6 1 5 ( 0 l jiil! 、，1 8 冉t s td ， 1 6oi ： fi ：l 一、f 。 。个f l lli l ! l ；l c m l 2 8 2 z 耳i lli i l 图3 4 1l c m l 2 8 3 2 z k 的硬件连接图 3 芯片选择的原因 根据国标的规定，汽车行驶记录仪显示字符应笔划完整、清晰规范，在使用中不 依靠环境光源也能正确读数；为了达到国家标准，并兼顾整体的美观性，因此选用了 l c d 显示模块。l