（通信与信息系统专业论文）汽车行驶记录仪的研究与开发.pdf

武汉理工大学硕士鬻位论文 中文摘要 汽牟行驶记录仪魁一种特殊的数字式电予记录装髓，它可以对车辆行驶速 度、辩鬻、里羧孩及套关车辆嚣驶熬其德状态蘩患进牙诧录存镶，然嚣遁过u s b 和r s 2 3 2 接口实现数据输出。汽车行驶记录仪的使用不仅可咀遏止交通违章、 终紊驾驶员不趣驾驶习惯，两显霹跌鸯效逮该貉道路交邈事故麴发生，并为执法 人员谶行事故的分析、处理提供科学、忠实的原始数据，因此程交通运输管理中 发挥罄+ 分重要熬终髑。 本文首先分析了记泶仪系统需求，制定了记录仪由数据采榘子系统、数据存 德子系统期通信接口予系统三部分构成的总体络构图。井在国标要求的基础上， 扩展了图像采集及存储的功能，为交道事故发生的原阂提供了爱直观的依据。 设计了数据采集系统，详细介绍了速度采嫫模块、开关量采集模块、时钟模 块、电源模块殿双c p u 通信模块的硬件设计及其驱动程序开发。 阐述了数摆存储蓉统，详细介绍了键盘模块、显示模块、打印机模块、i c 存储卡模块蘸站身份诀诞卡横获的硬件设诗及其驱动程序开发，给潞了裙应瓣 软件流图。 说明了图像采集及存储模块，详纲介绍了z m 4 6 0 数码穗鞔模块、辩锋毫臻、 闪速存储器电路。给出了图像采集及存储部分的软件流图及编程时的淀意事项。 奔绍了上簇数攥努辑较箨，分辑了数据分辑较译瓣总体霰求，j c 季数据主餐、 数据下载、数据输出的要求及流程进行了详细描述。并给出了j 二层数据分析软件 的葙荧赛瑟。 最后本文总结了研制工作，并对记录仪提出了升级的设想。 关键词；汽车行驶记录仪，单片机，c 5 1 ，数据分析软件 武汉理工大学顼学毽论文 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 sas p e c i a ld i g i t a te l e c t r o n i cr e c o r d e rw h i c hu s e d t oa c q u k ea n ds t o r ev e h i c l e 。st r a v e l i n gs p e e d ，t i m e ，d i s t a n c ea n do t h e rr e l a t e ds t a t u s i n f o r m a t i o n ，a n dt h e nt r a n s m i td a t av i au s ba n dr s 2 3 2i n t e r f a c e t h eu s eo fv e h i c l e t r a v e l i n gd a t ar e c o r d e rc a l ln o tm e r e l yh a l tt h eb r e a ki nt r a f f i cr u l e sa n dr e g u l a t i o n s ， r e s t r a i nt h ed r i v e r sf r o mb e i n gd r i v ea tb a dh a b i t ，a n dc a np r e v e n tt h et r a f f i ca c c i d e n t e f f e c t i v e l y , i tc a n a l s oo f f e rs c i e n t i f i c , f a i t h f i l li n i t i a ld a t af o rt h et i p s t a f f sc a r r i e so f f t h ea c c i d e n t s s oi tp l a y sa v e r yi m p o r t a n tr o l ei nt r a n s p o r t a t i o nm a n a g e m e n t 。 i nt h i sp a p e r , s y s t e mr e q u i r e m e n to fv e h i c l et r a v e l i n gd a t ar e c o r d e ri sa n a l y z e da t f i r s t ，t h es y s t e mi sc o n s i s t e do fd a t aa c q u i s i t i o ns u b s y s t e m ，d a t as t o r a g es u b s y s t e m a n dc o r r e s p o n d e n c ei n t e r f a c es u b s y s t e m b e y o n dt ot h er e q u e s to fg b ，i m a g e g a t h e r i n ga n ds t o r ef u n c t i o ni se x p a n d e d a si t c a no f f e rm o r ev i s u a lb a s i sf o rt h e c a u s eo ft r a f f i ca c c i d e n t “ d a t aa c q u i s i t i o ns u b * s y s t e mi sa l s od e s i g n e di nt h i sp a p e r , a n dt h eh a r d w a r e c i r c u i ti sg i v e n 。f u r t h e r m o r e8 l lf u n c t i o nd r i v e rp r o g r a m so fm o d u l e sa r ei n t r o d u c e d 。 i n c l u d i n gs p e e dg a t h e r i n gm o d u l e ，i m p l u sg a t h e r i n gm o d u l e ，c l o c km o d u l e ，p o w e r s o u r c em o d u l ea n dt h ec o m m u n i c a t i o no fd o u b l e - c p ui n t e r f a c em o d u l e d a t as t o r a g es u b - s y s t e mi sd e s c r i b e d 纽d e t a i l 。t h eh a r d w a r ec i r c u i ti sd e s i g n e d a n da l lt h ef u n c t i o nd r i v e rp r o g r a m sa r ei n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gk e y b o a r dm o d u k ， d i s p l a ym o d u l e ，p r i n t e rm o d u l e ，i cm e m o r y c a r dm o d u l ea n di cs t a t u sa u t h e n t i c a t i o n c a r dm o d u l e t h ec o r r e s p o n d i n gs o f t w a r ef l o wc h a r ti ss h o w nt o o t h i sp a p e ri n t r o d u c e si m a g eg a t h e r i n ga n ds t o r em o d u l e 。t h eh a r d w a r ec i r c u i ti s g i v e n ，i n c l u d i n gz m 4 6 0d i g i t a lc a m e r am o d u l e ，c l o c kc i r c u i t ，f l a s hm e m o r yc i r c u i t 。 c o r r e s p o n d i n gs o f t w a r ef l o wc h a r ta n dt h ea t t e n t i o n so fp r o g r a m m i n ga r ea l s oi n s i d e d a t aa n a l y z i n gs o f t w a r ei si n t r o d u c e d , t h eo v e r a l lr e q u i r e m e n to fd a t aa n a l y z i n g s o f t w a r ei sa n a l y z e d ，a n dt h ed e m a n do fd a t au p l o a d i n g 。d a t ad o w n l o a d i n ga n dd a t a o u t p u th a v ed e s c r i b e di nd e t a i l t h ei n t e r f a c eo fd a t aa n a l y z i n gs o f t w a r ei ss h o w n t h ep a p e re n d sw i t has u m - u po ft h e r e s e a r c hw o r ka n dp r o p o s e saf u r t h e r c o n c e p t i o n 蔗t h e n e w s y s t e m 。 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 ；s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ；c 5 1 ； d a t aa n a l y z i n gs o l ! l , w g a r e i i 此页若属实请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所垦交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：罩b 玉辑日期型：垃圣 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借澜： 学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：耳睥导师签 注：请将此声明装订在论文的 日期至鲥尘丝 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 在中国经济保持快速、稳定增长的环境下，人们生活水平不断提高，汽车产 业也快速发展，汽车变成了继彩电、冰箱、洗衣机之后的又一个耐用消费品。以 北京为例，目前私家车已经突破2 0 0 万辆。这一切全仰赖于中国经济快速稳定发 展的节奏。据预测，到2 0 1 0 年，中国的轿车拥有量将达到1 亿辆。日益繁忙的 交通为现代化社会创造了不可估量的财富，但同时逐年上升的汽车事故也为人们 带来了严重的人员伤亡和财产损失。因而有必要加强行车安全的管理和法规建 设。 汽车行驶记录仪( 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 ) 按国标定义就是：安装 在汽车上，记录、存储、显示、打印车辆运行速度、时间、里程以及有关车辆运 行安全的其他状态信息的数字式电子记录装置。汽车行驶记录仪，也有称行车记 录仪、机动车信息记录仪、车辆智能管理仪、黑匣子、绿匣子等1 1 j 。 汽车记录仪已在全世界范围内广泛使用。早在，1 9 9 0 年以前，当时的欧共体 就通过了在汽车上安装记录仪的立法。目前美国、日本等国家也在大量使用记录 仪。统计资料表明，使用汽车行驶记录仪后，交通事故显著下降，减少了人员伤 亡和财产损失，产生了明显的社会效益与经济效益。目前在我国，交通事故发生 率比以前有较大的上升，给各方面造成越来越多的经济损失。因此，国家制定了 汽车行驶记录仪的国家标准g b f f1 9 0 5 6 - - 2 0 0 3 ，并已于2 0 0 3 年9 月1 日开 始实旌。 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。同时，国内外的使用情况表明，记录仪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，它的使用对保障道路交通安全起到了直接的作用1 2 1 。 本文所研制的汽车行驶记录仪，以国标g b t1 9 0 5 6 _ 2 0 0 3 所规定的功能为 基本要求。并扩展了汽车行驶过程3 分钟内图像信息的采集及存储功能，对事故 的鉴定和责任认定有很大的作用。因此在满足国标的基础上，还对其功能进行了 扩充，从而功能更加强大，同时也更能满足用户的需求。 研究与开发工作包括三部分，数据采集系统、记录仪系统和计算机( 上位机) 数据分析软件。这三部分构成一个完整系统。数据采集系统将采集的数据送至汽 车行驶记录仪，记录仪记录行驶过程中的数据，然后通过r s 2 3 2 串口和u s b 口 把数据从记录仪中读取出，再送至上位机，上位机安装有专用的数据分析软件， 武汉理工大学硕士学位论文 能够接收数据，并将其保存，以图表的形式显示或打印输出。 本文叙述了以下内容。第一章对汽车行驶记录仪进行概述；第二章分析了本 论文所讨论的记录仪设计方案；第三章对数据采集系统进行了描述；第四章讨论 了汽车行驶记录仪的数据存储系统，其中对主要器件的功能和使用方法进行详细 的描述：第五章详细讨论了图像采集及存储模块。第六章论述了数据存储系统的 软件设计，包括数据存储系统软件的流程以及各个软件模块的功能和实现方案； 第七章分析了上位机数据分析软件的结构和功能，并给出了相关界面设计；第八 章对研制工作进行总结，分析目前产品所存在的不足，进行了改进，并提出升级 的设想。 本论文的创新点： 新增汽车行驶记录仪的图像记录功能，有助于事故原因的鉴定及责任认定。 1 1 汽车行驶记录仪的发展概况 1 9 2 5 年记录仪在德国发明出现，最常用的记录仪内的英语单词“t a e h o g r a p h ” 就是由两个德语单词“t a c h o m e t e r ”i 转速表) 和“g r a p h i k ”( 绘图，记录) 演变而 来的。最早的记录仪是用纸带和纸盘做记录的，1 9 8 5 年以后，电子控制的汽车 发动机开始面世，发动机制造厂家寻求采用微型计算机控制发动机。微机在发动 机控制中的应用十分自然地就具备了采集发动机状况并显示给驾驶员的功能。一 些厂家的这类显示系统很快就转变成了记录装置，为用户记录相关的信息。电子 控制汽车发动机出现的同时，电子控制的其他汽车部件与总成，以及基于移动通 讯的其他设备也开始在汽车上使用。这些记录装置的用户要求装置记录更多的信 息，于是具有多种监测能力的全功能记录仪面世了。以后，汽车的o e m ( 原始设 备制造商1 结合用户的这种需求，将其数据连接标准化，以利于记录仪的使用。 大多数的o e m 都能供应基于该数据总线的车载设备和仪表组合，在记录仪记录 的各种信息中，特别注意了记录那些可帮助诊断故障的信息，此时，记录仪已经 进入了数字式网络化的阶段。欧盟、日本等国家早在7 0 年代就开始以立法的形 式在部分客运车辆及货车上强制安装使用记录仪，我国从8 0 年代后期开始，在 少数地区也曾试用过由国内一些科研机构及企业自主研制的数字式记录仪。国内 部分省份也已经规定。长途客运车必须安装汽车行驶记录仪。近几年来，国内相继 出现多种汽车记录仪产品，但功能较为筒单，记录的量不大，数据的读取显示不够 方便，并且所设定的记录参数相对固定，无法灵活地进行系统的移植或扩充1 3 - 6 1 。 2 武汉理工大擎硕士学位论文 1 2 汽车行驶记录仪的蚕嚣发意义 汽车行驶记录仪能够为麓驶员提供其驾驶活动的反馈信息，为邀黯运输企业 毽侠莛静煞警壤王其。宅豹俊翔辩绦簿逶鼹交遴安全藤翻囊接戆终穗，剪黻产生 擞著的社会效菔和经济效益。 酋毙，汽举手亍驶记最仪在举辆趟速或越时行驶鲢熊发出报警声，誉健司梳安 垒跨擎。嚣且，霹嘏豫持车辆中遽孪亍驶，对延长攀辆使用寿命、节约燃攀斗、减轻 耗损郝超捌鬟骚豹俸箱，可减少企韭经营成本。 其次，汽牮行驶记录仪能真实、准确反映车辆运行中麴实际状况，记蒙稻关 的数据。其存储豹数掇可作为企业加强对率辆的使用、逡行、调度的科学管理静 袋据。 另外，汽窜行驶记录仪记蒙的数据，对交通事故的驭因和黉任分擀，也宥一 怒鹩律鞠。 筏嚣公安郝灸迢测爨盏鞭繁麴交通搴散，爨成公安部交遵管理科学磷究艇、 巾謦公路学会客车学会、审潜靛空芏鼗露6 是研究所、巾嚣遴貉运输协会、串嚣 汽率投沭研究中心、广娴银露智e 交通翕黻公司参加起草并制定了汽车行驶记 蒙仪酶国家标准g b t1 9 0 5 酗屹0 0 3 ，辩将在我国的管遥车辆中运嗣法规强截 安装汽攀杼骏撼荣仪。 因戴，研露汽车行驶诡聚仪舆有錾犬的现实意义。 誊 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章汽车行驶记录仪的设计方案 2 1 汽车行驶记录仪的性能要求 根据国标说明，汽车行驶记录仪的功能要求如下。 魄录纹主婺出3 都分组成，分别楚主规、攀速转感器羁数撰分橱软搏。圭戡 包括微处理器、数据存储器、舆时时钟、显示器、操作键、打印机、数据通信接 口等装置。如聚主祝零体上不毽含显示器、打印枫，鬟q 应塑有棚应的数握显示粒 打印输出接口。 记录仪的邀源电聪适应性必在按亵2 1 给出的电源电压波动范围进哥亍电压邋 应性试验时，试验后记录仪数据记录、显示、打印输出、数据i 嚣信等备项功能均 应正繁。同时在表厶l 规定的标称电源电压极性反接试验下，记录仪应能承鼹 1 r a i n 的极性反接试验，除熔断器井( 允许更换烧坏静熔断器) 不应有其他电气 故障。试验后记录仪的数据记录、显示、打印输出、数据通信镣各项功能均应照 常。柱表2 - 1 规定的邋电压下，记录仪应能承受1 r a i n 的电源过电压试验。试虢 后记淤仪的数据记录、显示、打印输出、数据通信等备项功能均应正常。当记激 仪断魄，应鑫动进入保护获森，断电蔚存储的数据至多1 5 天不丢失。 表叁l 电气经髓试验参数单位：茯特 电源电压极性反接 标称电源电压 过电压 波动箍嚣试验毫藤 1 29 - 1 61 4 0 12 4 2 4王8 f 3 22 8 圭0 23 6 3 62 7 卅84 2 0 25 4 记录仪应有如下功能：自检功能；实时时间、日期及驾驶时间的采集、记聚、 存薅璇能；车辕器驶滚发戆测爨、记蒙、存德凌靛；攀耩嚣驶嫩程豹测蘧、谗蒙、 存储功能：辑驶员身份记录功能；数据显示；操作功熊；数据打印输出功能；数 豢逶馈凌毙。其缝未娥定豹臻戆铡造舞可按爰产要求巍霞增燕，毽不反与本撅潦 中相关条款榈抵触。相应的功能概述如下：( 1 ) 自检功能。记潦仪在通电开始工 终慰，应蓄先遴露是捡，童捡惩零螽威以绿闵绩号或黢汞屡曼零方式撰示工穆难 常，如有故障m 应以红闪信号或显示屏显示方式指示故障信息。( 2 ) 寅时时钟、 强期及驾驶辩阍戆采集、记录、存糖。包括：记录仪应能提供北京对阉嚣期秽 4 武汉理工大学硕士学位论文 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 d g 的方式记录实 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。( b ) 记录仪应能对 连续驾驶时间进行记录。连续记录2 4 h 数据，记录时间允许误差在5 s 以内。 车辆行驶速度的测量、记录、存储功能要求。事故疑点数据的测量、记录、 存储要求：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1 0 次。速度 记录单位为k m h ，测量范围为0 k m h 一2 2 0 k m h ，测量分辨率等于或优于l k m h 。 车辆行驶里程的测量、记录、存储功能要求。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 99 9 9 9 k m ，分辨率应等于或优于o 1 k m 。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o 1 k m 以内。 驾驶员身份记录功能要求。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。 数据显示功能要求。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：最近1 5r a i n 内每分钟 的平均车速记录；最近2 个日历天内同一驾驶员连续驾驶时间超过3 小时的所有 数据记录；车辆特征系数。其他显示参数由制造商根据客户需要自定义。 数据打印输出功能要求。数据打印只能在停车状态下进行。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 分钟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 小 时的所有记录) 。 数据通信功能要求。记录仪应同时配置两种标准接口：u s b ( 通用串行总线) 标准接口，建议采用主结构式u s b 接口和标准r s 2 3 2 c d 型9 针接口。下传信 息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：车辆识别代号、车牌号码、车牌分类、驾驶员代码、驾驶证证号、实时时钟、 记录仪主机可识别的唯一性编号及初次安装日期。上载信息应能通过通信接口， 向外部设备输出至少包含如下内容的信息：实时时钟、事故疑点数据、最近3 6 0 小时内车辆行驶速度数据( 记录间隔为1 分钟，数据为每分钟内的平均速度。) 、 对应实时时钟的车辆行驶里程数据、车辆识别代号、车牌号码、车牌分类、驾驶 5 武汉理工大学硕士学位论文 员代码、驾驶证证号、车辆特征系数。上载数据时，应不能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。 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：事故疑点数据曲线图。其横坐标为实时时 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；一般行驶速度记录曲线图。其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；数据列表。数据列表至少应包含如下内容： 符合记录间隔时间要求的实时时间及日期：实时时间所对应的车辆行驶速度等数 据；车牌号码，驾驶证号码。 2 2 本设计的研究目标、研究内容和拟解决的关键问题 ( 1 ) 符合2 0 0 3 年9 月1 日国家质量监督检验检疫总局颁发的汽车行驶记 录仪国家标准。其标准编号“g b t1 9 0 5 6 - - - 2 0 0 3 ”； 但) 具有图像采集及存储功能，并且能到达很好的运用，能够对车辆事故前 的原始图像数据记载下来，以便进一步的分析； ( 3 ) 行驶记录仪的数据可以直接和上位机之间进行通信。行驶过程中的一些 原始数据直接存在行驶记录仪自带的存储器里面，事故以后可以通过上位机对存 储器的通信来了解事故原因及事故前车辆的状态： ( 4 ) 行驶记录仪的材料要具有极强的抗火、耐压、耐冲击振动、耐海水( 或 煤油) 浸泡、抗磁干扰等能力。 设计的主要组成部分由数据采集系统、数据存储系统、图像处理模块、上层 数据分析软件等组成。设计的汽车行驶记录仪，符合国家标准汽车行驶记录仪 g b t1 9 0 5 6 2 0 0 3 的各项要求，实现自捡功能；实时时间、日期及驾驶时间的 采集、记录、存储功能：车辆行驶速度的测量、记录、存储功能；车辆行驶里程 的测量、记录、存储功能：驾驶员身份记录功能；数据显示、人机对话功能；数 据打印输出功能；数据通信功能。而且面向未来汽车发展技术和社会需求，本产 品增设的功能是图像的采集及存储功能。 本设计的关键问题在于汽车行驶记录仪的通用功能实现( 即符合国家标准 汽车行驶记录仪g b t1 9 0 5 6 - 2 0 0 3 ) 的各项要求) 及图像的采集和存储。 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 本设计的汽车行驶记录仪组成 结合国标要求及本设计的新增功能，设计的记录仪下位机部分总体框图如图 2 - - 1 所示。 图2 1 记录仪总体结构框图 上传厂f 载 上侍- - f 载 由图2 - 1 可以看出，记录仪下位机主要由3 大系统组成，一是数据采集系统， 这部分包括速度采集模块、开关量采集模块、电源模块、时钟模块及数据通信模 块。二是数据存储系统，这部分包括键盘显示模块、打印机模块、图像采集模块 及数据存储模块。数据存储模块存储的数据包括从数据采集系统采集的数据及图 像数据。三是通信接口模块，系统预留了2 种通信方式和上位机进行通信，分别 是r s 2 3 2 串口和u s b 接口。其中数据采集系统采集的数据通过r s 2 3 2 串口传至 上位机，图像数据通过u s b 接口传至上位机。 综上所述，艇个记录仪系统是一个集数据采集、数据传输、数据存储为一体 的系统。 记录仪总体软件设计流程如图2 2 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 图2 2 记录仪总体软件设计流程图 由于文章篇幅有限，通信接口部分没有在文中讨论，r s 2 3 2 串口采用的是 m a x 2 3 2 接口芯片转换；u s b 接口采用p d i u s b d l 2 接口芯片实现。各部分详细 设计将在下面的章节中讨论。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章数据采集系统设计 数据采集系统主要包括速度检测模块、开关信号获取模块、电源模块、时钟 模块及数据通信模块。速度检测模块的功能是检测行车时的实时速度。开关信号 获取模块的功能是实时检测8 路开关量信号状态并送单片机处理。电源模块的功 能是将车载电源稳压使其能给记录仪中各芯片供电。时钟模块的功能是完成汽 车行驶过程中时问的存储及读取。数据通信模块的功能是完成双c p u 之间的通 讯。数据采集系统各模块组成框图如图3 1 所示。 图3 1 数据采集系统框图 数据采集系统的总体电路图如附录一所示。 数据采集系统采用的c p u 是a t 8 9 c 5 1 ，a t 8 9 c 5 1 芯片是由a t m e l 公司推 出的5 1 系列8 位单片机，a t 8 9 c 5 1 片内主要有2 0 k bf l a s h 存储器、2 5 6 字节片 内r a m ，4 个8 位的双向可寻址i 0 口，1 个全双工u a r t ( 通用异步接收发送器) 的串行接口、3 个1 6 位的定时器，计数器、多个优先级的嵌套中断结构，以及一 个片内振荡器和时钟电路。 个片内振荡器和时钟电路。 9 武汉理工大学硕士学位论文 皋骘- - r - - c 1 = = l l 舯5 m “c 2 犁气一掣 p l dv c c p 1 1p o d p 1 2p 0 l p 1 3p 0 2 p l p 0 3 p l jp 0 4 p l fp 0 j p l jp 0 6 站tp 0 ， m 3 d胜 口a d ，p ；jn e m m 鹏jm s l n m i t l 鹏3p 2 7 巾3 p 2 6 t l 厅 jp ，j 巾m 擅3 ep ：t , 4 鹏，p 2 3 x l jp 2 2 z c l l船1 谲sp 2 d 图3 - 2a t 8 9 c 5 1 外部电路及其各引脚接口 3 1 速度信号检测模块及其实现 速度信号检测模块的原理是：汽车行驶过程中，车轮旋转经过传感器，单位 时间内输出一定数量的脉冲，传感器输出的脉冲通过放大电路放大整形，然后送 至单片机t o 口计数，得到的脉冲数经过速度计算的公式计算后得到汽车行驶速 度。汽车变速器输出的速度信号是时间上连续的数字信号，为了便于处理、存储， 将这些时间上连续的数字信号转换为时间上等间距的数字信号。系统采用霍尔传 感器将速度信号转换为脉冲信号，霍尔式传感器 7 - 8 1 是利用霍尔元件制成的，霍 尔元件是一种磁传感器。用它可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场 合中使用。霍尔元件以霍尔效应为其工作基础。霍尔元件具有许多优点，它具有 结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便、功耗小、频率高( 可达1 m h z ) 、 耐震动、不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀等特点。 3 1 1 霍尔转速传感器 霍尔转速传感器的结构原理如图3 3 所示。它实际上是利用霍尔开关测转 速。待测物上粘贴一对或多对小磁钢，小磁钢愈多，分辨率愈高。霍尔开关固定 在小磁钢附近。待测物体以角速度。旋转时，每当一个小磁钢转过霍尔开关集成 电路，霍尔开关便产生一个相应的脉冲。检测出单位时间的脉冲数，即可确定待 测物的转数。其主要技术指标如下： 测量范围：0 1 0 0 0 0 r m i n ：输出波形：矩 形脉冲波：供电电压：d c s 2 4 v ；工作距离：3 5 m m ；每转脉冲数；与磁钢 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 数量一薮；錾爨信号蟮篷：蠢憩乎菝i 霞供毫毫澈，低惫泽0 5 v ；工终温囊：一 2 0 + 8 0 c ；外型尺寸：m 1 6 x1 或m 1 2 x1 ； 葜主要蛰蠡如下：( 1 ) 嚷交频率蹇：5 0 q 0 0 k h z ：圆佟接近开关使耀辩，重笈 定位精确高( 小于o 0 2 r a m ) ；( 3 ) 工作电压宽，负载能力强。( 4 ) 抗干扰能力强， 毫可嚣往，长漤会；( 5 ) 逶弱予低转数测量。 艚鋈 网3 3霍尔转速传感器的结构原理 3 。1 。2 速度测试原理 本系统选用霍尔传感器将速度信母转换为电信号，考虑列传感器的体积要 小，倭予安装，误差婺尽量溅小等要袋，本文采搦车轮旋转一蠲速度锩感器要辕 出若干个脉冲的方法，具体采用在变速器上安装3 个小磁钢相皮的输出3 个脉冲 豹方法嘲。 车轮旋转周速度传感器输出的脉冲个数为n 。则脉冲个数如式3 - 1 ： n = 3( 3 1 ) 设0 2 秒内计数器测得的脉冲数为f ，则率轮旋转圈数n 如式3 2 ： 。 ( 3 - 2 ) 托 设车轮半径为r ，则在0 2 秒钟内汽车行驶的距离l 如式3 0 ： l = 2 ，rr n ( 3 3 ) 农1 秒钟内汽车错驶的距离l 1 如式3 - 4 ： l i = 5 l( 3 4 ) 这样就可以褥到最终的速度诗算公式v 如式3 - 5 ： v ：5 2 硝r ( 3 5 ) 抖 n 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 3 由t h s l l 8 型霍尔元件组成的速度测量电路 在系统中，采用了t h s l l 8 型霍尔元件l 争】o j 作为速度测量部分的速度传感器， t h s l l 8 的特性如下：( 1 ) 超小4 引脚封装；( 2 ) 良好的温度特性；( 3 ) 温度工作范围 大( 一5 5 1 2 5 ) ；输出电压线性良好。 图3 4 是采用t h s l l 8 的转速检测电路，磁转子m 选转的同时，使霍尔元 件h 的磁极( n ，s ) 产生变化，从而检测转子的转速。图中a ，b 为输入端，c ， d 为输出端。从霍尔元件结构上看，输出端包含共模电压v c ，电压v c 对霍尔电 压没有关系，使用时此电压必须除去，本系统中采用差动输入的运算放大器来忽 略此电压。霍尔元件的输出端接到差动放大器的输入端，因此，c 点电压等于d 点电压时，运放无输出，c 点电压大于d 点电压或小于d 点电压时，有差动信号 输入，这时，运放输出端有较大的输出电压。t h s l l 8 输出的波形为矩形波。 图3 4 转速检测电路 v 0 的计算公式如式3 6 ： r ， 圪2 寻k ( 3 - 6 ) 式中，v h 为t h s l l 8 的输出电压，由于t h s l l 8 的输出电压是当c 点电压等 于d 点电压时，输出电压0 7 ，c 点电压大于d 点电压或小于d 点电压时，输出 电压为5 5 1 4 0 m v ，由式3 - 7 可知放大电路的增益为1 0 0 - - 3 = 3 3 3 ，这样可以得 到、b 电压为o 4 7 v 。这样的电平输至单片机的t 0 计数口能满足需要。 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 开关信号的获取及其接口电路 开关信号的获取是将8 个并行的仅有“0 ”、“1 ”两个状态的信号通过并行转 串行的芯片转换，转换后的串行信号送给单片机处理。开关信号主要包括刹车、 喇叭、左右灯、大灯、气压、1 号和2 号门、报警器等。为了获取稳定的开关量， 减少误差，提高系统的抗干扰性，系统中可以采用具有置位和清零的d 触发器【1 l 】， 这样可以消除因外界干扰而引起触发器的误动作。 该模块利用7 4 l s l 6 5 型并行输入8 位移位寄存器作为输入口，其硬件电路 如图3 - - 5 所示。利用单片机的3 根i o 口线扩展为8 位的输入口线，图3 5 中 7 4 l s l 6 5 作为8 位的输入线，c l k 为时钟脉冲输入端，d o d 7 为并行输入端， 在系统中就是8 位开关量。s ，l 为低电平时，允许并行置入数据，s l 为高电平 时允许串行移位。这样刹车、喇叭、左右灯、大灯、气压、1 号和2 号门、报警 器等8 路开关量经过d 触发器后并行输入到7 4 l s l 6 5 ，再经7 4 l s l 6 5 转换后， 串行输入给单片机进行处理。 加 d 1 舱 d 3 m 砖 砺 盯 d p 0 p lm tp 1 0 p 2 发 r 3c i k l l l e _ p 1 1 器 4 工8 9 c 5 1 集 p 5 咄 1 2 聆t 4 i s 1 6 s t 坼 r ?s 1 p 1 3 t 4 3 3 电源模块设计 图3 5 开关信号电路接口 由于车载电源般是d c l 2 v 或d c 2 4 v ( 2 0 ) ，而单片机的工作电压是 d c s v ，并且闪速存储器的工作电压是3 3 v ，因而系统需要对单片机及存储器产 生相应稳定电压源。 在系统设计中，本文考虑的是正常的车载电压d c l 2 v ，而按国标规定电源 电压适应性为在按表2 1 绘出的电源电压波动范围进行电压适应性试验、标称 电源电压极性反接试验和过电压试验时，试验后记录仪数据记录、显示、打印输 出、数据通信等各项功能均应正常。 首先考虑电源电压波动。采用输入范围较宽的d c - d c 将输入的车载电压转 换成5 伏壹流电源，提供给内部电路。在本设计中采用了d c d c 转换芯片 武汉理工大学硕士学位论文 m c 3 4 0 6 3 1 ”4 ”。m c 3 4 0 6 3 是m o t o r o l a 推出的一款高性能、外围电路简单的 d c d c 转换芯片。可组成降压式、升压式或电压反转式开关电源。其输入电压 范围为3 4 0 v ，工作电流典型值为2 5 m a ，内部开关管电流1 5 a ，输出电压可 设定或连续可调，工作频率由外部电容确定，最高1 0 0 k h z ，内部有精度为2 的 1 2 5 v 基准电压源，并有输出电流限制电路。 由于单片机的供电电压是d c 5 v ，而闪速存储器的供电电压是d c 3 3 v ，因 而需要对车载电压进行两次电压变换。相应的电路图如图3 - 6 和图3 7 所示。 图3 - 65 v 稳压部分电路 图3 73 3 v 稳压部分电路 1 4 武汉理工大学硕士举位论文 囊予m c 3 4 0 6 3 在降压式魄踌中懿辕窭毫援特牲热姣3 7 ： d v o u tt 1 2 5 ( 1 + 兰 ( 3 - 7 ) 显l ( r 1 ，r 2 在图3 - 6 和图3 。7 中分别对应的是r 9 、r 1 0 ，r 1 4 、r 1 5 ) 因而在 设计过程中，只需要调整r 2 和r 1 的太小，就可以设定输出电压的大小。在本 设计中，5 v 稳压部分敬r 2 = 3 ，6 k q ，r 1 = 1 2 k q ，3 3 v 稳篮部分取r 2 - - - - 2k q ， r 1 = 1 2 k q 。 然后考虑极性反接试验奄鹾。零设计采霜黼3 8 掰示酶一个二摄鸷矫电臻， 从图3 ，8 可以看出，无论输入电源的礁极在j 1 的左端还是右端，都能保证j 2 的 上输璐赣莛毫滚正投。 图3 堪电源极性反接保护魄路 最后考虑过电压试验。由- 7 ：m c 3 4 0 6 3 的输入电瓜范围是3 4 0 v ，爨丽在道 电压( d c 2 4 v ) 时，m c 3 4 0 6 3 也能巍现电压转抉，这样保证过电压试验时记泶 仪也派常工住。 3 4 系统时钟模块设计 3 4 1 时钟模块硬件设计 为了记录行车的时蔺，使行驶记录仪能够实时记泶汽车行驶状态，采用专门 豹时钟模块掇供时间信号，本系统选用d s l 2 8 8 f 1 1 6 - 1 7 1 时钟电路。d s l 2 8 8 7 是踌 越2 0 0 0 年的l l 于钟电路，采用4 位数表示年度的日历系统。电路的晶体振荡器、 振荡电路、充电电路和可充电锂电池莓一起封装在芯片的上方，组成个加厚的 集成电路模浚。d s l 2 8 8 7 簸够自动存取并簧新当前静时闻，单片鞔可通遵读 武汉理工大学硕士学位论文 d s l 2 8 8 7 的内部时标寄存器得到当前的时间和日历，也可通过选择二进制码或 b c d 码初始化电路的1 0 个时标寄存器。d s l 2 8 8 7 内部有a 、b 、c 、d 四个寄 存器，主要功能如下：寄存器a 的主要功能有提供时间更新标志，确定在何时 读出正确的时间；提供分频控制功能；可选择输出的方波频率以及周期中断频率。 寄存器b 的主要功能是初始化设置，初始化时必需将相关位置1 ，才能初始化时 间和日历字节；对相关位进行设置，可使系统具有周期中断、闹钟中断、更新结 束中断功能；可控制方波的输出；可控制时间的显示模式，并可自动执行夏令时 制。寄存器c 的主要功能是提供中断请求、周期中断、闹钟中断以及更新结束 中断标志，以供c p u 查询。寄存器d 的主要功能是提供有效r a m 和时间标志。 该标志位出厂前由d a l l a s 公司置状态1 。这一位不可写，应总读出为1 。如果 出现0 ，表明内部电池耗尽。 d s l 2 8 8 7 采用数据与地址总线复用，选择i n t e l 模式与8 0 5 1 总线连接。 a s 是d s l 2 8 8 7 的地址使能端口，它与a 髓9 c 5 l 的a l e 相连实现数据与地址总 线复用。其各引脚接口电路如图3 9 所示。 1 l 1 2 图3 9d s l 2 8 8 7 的各引脚接口电路 3 4 2 实时时钟驱动编程 为使得记录仪具有实时时钟功能，需要编写对应与该时钟外设芯片的驱动程 序。时钟部分在数据采集系统中的编程流程图如图3 1 0 所示，显示器默认显示 的是时钟信息。 1 6 瓤哪排m玳硼蕊i呈玳珊摇蝣。|薹巢荟一髫荟荟荟荟帅 武汉理工大学硕士学位论文 图3 1 0 时钟部分软件流图 时钟驱动程序需羲有以下几个函数： 1 、辩铮雏设兹始他丞数c l o c k l n i t e x t e r nv o i dc l o c k l n i t ( v o i d ) c h a rt e m p = a d d r _ 1 2 8 8 7 1 1 0 0 x 7 0 ； i f ( t e m p ! - - 0 x 2 0 ) 严焱看a 积存器判赎是否醴经初始化4 a d d r1 2 8 8 7 1 1 1 】= 0 x 8 2 ； a d d r1 2 8 8 7 0 = 3 0 ； a d d r1 2 8 8 7 1 1 】= 0 x 尬 a d d r1 2 8 8 7 1 2 = 0 2 ； a d d r1 2 8 8 7 【3 】= 0 x f f ； a d d r1 2 8 8 7 同= 2 2 ； a d d r _ 1 2 8 8 7 5 】= 0 x i f ； a d d r _ 1 2 8 8 7 1 6 = 0 3 ； a d d r _ 1 2 8 8 7 7 】= 2 9 ； a d d r _ 1 2 8 8 7 1 8 = 1 2 ； a d d r _ 1 2 8 8 7 1 9 】= 0 4 ； a d d r _ 1 2 8 8 7 1 0 】= 0 x 2 0 ； ) c l e a r l r q 0 ； a d d r1 2 8 8 7 1 1 】= 0 x 1 7 ； p 设置b 积存器 | 碜* | ，车秒报警 产凳t | 广分报警+ | 链 时报警 芦鬃赣s ， p 曰+ l 卑魏，| p 雄+ 2 、时钟设置函数s e