（通信与信息系统专业论文）基于arm的汽车黑匣子的研究与设计.pdf

摘要 汽车黑匣子( 又称汽车行驶记录仪) 是一种使用在汽车上的数字式电子记 录装置。这种装置能对车辆的行驶速度、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。汽车行驶记录仪的使用， 对抑制疲劳驾驶、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。本文根据汽车行 驶记录仪国家标准g b t1 9 0 5 6 2 0 0 3 ，并在此基础上开发设计了一种具有音视频 处理功能的汽车黑匣子，采用的是三星公司的$ 3 c 2 4 4 03 2 位a r m 处理器和 l i n u x 操作系统，同时为了使汽车黑匣子能更方便地与上位机之间进行通讯，本 系统采用了u s bm a s ss t o r a g e 设备来实现数据的传输。 论文首先介绍了汽车黑匣子的研究背景，并对国内外汽车黑匣子的研究现 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，给出了最后的 设计方案，并建立了系统的开发平台。在硬件设计方面详细地介绍了各主要功 能部件及电路的设计和特点。在软件设计单元介绍了l i n u x 操作系统和 b o o t l o a d e r 的特点，并给出了系统软件的各模块程序设计。在文件系统设计部分， 论文讨论了在n a n d f l a s h 中建立f a t 文件系统的实现方法。最后通过l i n u x 下 u s bm a s ss t o r a g e 设备驱动的设计和调试，实现汽车黑匣子记录的数据通过u s b 接口与p c 机或p d a 之间的通信。 本文在结束处对整个课题作出总结，并指出在本系统现有的基础上性能还 可以进一步改善和改进的地方。 关键词：汽车黑匣子，$ 3 c 2 4 4 0 ，l i n u x ，f a t 文件系统，u s bm a s ss t o r a g e a b s t r a c t t h eb l a c kb o xo fv e h i c l e ( a l s on a m e dv 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 sad i g i t a l e l e c t r o n i cr e c o r di n s t r u m e n t ，w h i c hc a nr e c o r da n ds t o r et h es p e e d ，s t a r t i n gt i m e ， s t o p p i n gt i m e ，m i l e a g ea n do t h e rs t a t u si n f o r m a t i o no fv e h i c l e i tc a nh eu s e db r o a d l y a n dp l a yav e r yi m p o r t a n tr o l ei nm a n yw a y s i te n a b l e ss t r i c ta n de f f e c t i v ec o n t r o lo f t h ed r i v e r so p e r a t i o n s ，s ot h a ts a f ed r i v i n gi se n h a n c e da n da c c i d e n t sd i m i n i s h e d i t a l s op r o v i d e sd e t a i l e da n dr e l i a b l ed r i v i n gd a t at oh e l pt h ep u b l i cs e c u r i t ya u t h o r i t i e s a n a l y z e a n dh a n d l e a c c i d e n t s a c c o r d i n g t ot h en a t i o n a ls t a n d a r do fg b t 19 0 5 6 2 0 0 3 ( v e h i c l et r a v e l i n g d a t ar e c o r d e r ) ，ak i n d o fv e h i c l eb l a o kb o xi s d e s i g n e di n t h i sp a p e rw h i c hh a saf u n c t i o no fp r o c e s s i n gt h ev e d i oa n da u d i o d a t a t h ev e h i c l eb l a c kb o xt a k e st h e3 2 b i tm i c r o p r o c e s s o ro fs a m s u n g s $ 3c 2 4 4 0 a n dt h el i n u xo p e r a t i o n a tt h es a m et i m e ，t h eu s bm a s ss t o r a g ed e v i c ei sa d o p t e d f o rt h em o r ec o n v e n i e n ta n df a s tc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ev e h i c l eb l a c kb o xa n d t h ep c t h ed e v e l o p i n gb a c k g r o u n do fv e h i c l eb l a c kb o xi sf i r s ti n t r o d u c e d t h e n d o m e s t i ca n do v e r s e ad 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 db a s e do nt h e s u m m a r i z a t i o nt h ea i mo ft h i st h e s i si ss e tf o r t h i nt h ef o l l o w i n gp a r t ，t h et h e s i s d 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 es y s t e ma n dd i f f e r e n tp l a n so fe a c h f u n c t i o nm o d u l ea n dd e s c r i b e st h ef i n a ld e s i g n i n gp l a ni nd e t a i l ，a f t e rt h a ts y t e m d e v e l o p p i n gp l a t f o r m i sb u i l t i nt h es y s t e mh a r d w a r ed e s i g n p a r t ，t h et h e s i s d e t a i l e d l yi n t r o d u c e st h ed e s i g na n dc h a r a c t e r i s t i co fe a c hf u n c t i o np a r ta n dc i r c u i t i n t h ea s p e c to fs o f t w a r ed e s i g n ，t h et h e s i si n t r o d u c e s t h ec h a r a c t e r i s t i co fl i n u xa n d b o o t l o a d e r , a n de a c hm o d u l ep r o g r a m m ei sg i v e ni nt h ef o l l o w i n gp a r t i nt h ef i l e s y s t e md e s i g np a r t ，t h et h e s i sd i s c u s s e st h er e a l i z i n gm e t h o do fb u i l d i n g 汀f i l e s y s t e mi nn a n d f l a s h a tl a s t ，t h eu s bm a s ss t o r a g ed e v i c ed r i v e ri sf i n i s h e di no r d e r t or e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h ev e h i c l eb l a c kb o xa n dp c a tt h ee n do ft h ep a p e r , w es u m m a r i z et h ew h o l et h e s i sa n dp o i n to u ts o m e p l a c e sw h e r et h ep e r f o r m a n c eo ft h i ss y s t e mc a nb ei m p r o v e da n da m e n d e db a s e do n t h ef o u n d a t i o n n k e yw o r d s ：v e h i c l eb l a c kb o x ，$ 3 c 2 4 4 0 ，l i n u x ，f a tf i l es y s t e m ，u s bm a s s s t o r a g e i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，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 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 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阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，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) 签名：江杰翮妣潞牟嗍础多 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 汽车黑匣子的研究背景 随着城市交通行业的高速发展，机动车作为现代社会的一种重要的交通工 具，愈来愈显示出强大的生命力。随着国民经济的快速增长，使得公路运输业 蓬勃发展，机动车的数量也在不断增长，这必然导致城市交通拥挤状况同益严 币。全国的公路交通重大、特大肇事案例足以说明这一问题的严重性。由于交 通肇事的事故现场被认定为唯一的事故责任分配依据，各种各样的人为及非人 为的干扰，致使交警断案的准确性、可信度等出现问题。伪造事故现场、破坏 事故现场、转移事故现场等等不法行为时有发生。为了能有效地判断事故真相， 了解事故现场的真实情形，及事故发生后的及时报警己成为人们迫切需要解决 难题。随着飞机“黑匣子”在空运管理方面的成功运用，汽车黑匣子( 即汽车行 驶记录仪) 也陆续在许多国家和地区大量使用【l 】【2 】。 汽车黑匣子，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。它能完整、准确地记录汽车行驶状态下的有关情 况，能将汽车行驶轨迹完整地记录下来，并通过专用软件在微机上再现。新一 代汽车黑匣子在功能、体积和性能方面已取得了较大的突破。一般来说，该产 品体积只有香烟盒般大小，能防潮、防水、防腐和耐高温。它除了具有传统的 黑匣子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起动时间、行驶里程、行 驶时问、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。黑匣子还可以设置反劫防盗功能。装上 该产品后，除了车主和车主委托的人外，其他人即使有了车钥匙也无法起动汽 车! 即使拆除黑匣子也仍然无法起动汽车，从而在传统防盗器的基础上又有了 新的技术突破。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 汽车黑匣子的国内外发展现状 2 0 世纪7 0 年代后期，欧洲率先推出了机电模拟式驾驶记录仪；2 0 世纪9 0 年代初，美国和德国又开发了数字式汽车事故记录仪( 即汽车黑匣子) ，用以监督 汽车驾驶员的超速驾驶行为1 3 j 。由于汽车黑匣子能真实记录事故过程中汽车驾驶 员的操作和汽车运行情况，因而它既可作为事故分析依据，同时也是考核汽车 驾驶员违规操作的重要监督手段。由于这种“监督”、“见证 的功能，大大提 高了汽车驾驶员的安全责任感，从而大幅度降低了事故率。据德国1 v r s 、比利 时w e s t b e lc l u m 公司使用汽车黑匣子前后事故率统计情况表明，事故率比 没装汽车黑匣子前降低了3 4 5 3 唰4 1 1 引。 欧共体( e e c ) 早在1 0 多年前就有法规( 3 8 2 0 8 5 ) 规定，重要车辆( 载客8 人以 上，载货3 5 吨以上) 必须安装汽车记录仪。据报道，欧共体已立法规定其1 5 个 成员国必须在期限内为9 0 0 万辆的商用车辆装上汽车黑匣子。在美国，主管交 通安个的国家安个委员会( n t s b ) - - 直在致力干推广汽车黑匣子的工作 6 1 。3 年前 n t s b 正式要求各汽车生产产家安装黑匣子，通用、福特等汽车公司纷纷行动1 7 j 。 据报道，仅通用一家公司就为6 0 0 万辆出产的车辆安装了汽车黑匣子。马来西 亚和新加坡正式立法，要求长途巴士等客运车辆在2 0 0 1 年9 月底前必须装用黑 匣子，其它商用车也要限期安装。同样，在日本、南美、东南亚和香港等国家 和地区，也不断有使用汽车黑匣子的报道。 我国从8 0 年代后期开始，在少数地区也曾试用过数字式记录仪。国内的使 用情况表明，记录仪为国家行政管理部门提了有效的执法工具、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，其使用对保障道 路交通安全起到了直接的作用。为此，为了在国内推广使用汽车行驶记录仪， 公安部、交通部和国家安全生产监督管理局早在2 0 0 1 年底就联合下发了关于 加强公路客运交通安全管理的通告，通告要求：长途客运车辆应当逐步安装、 使用符合国家标准的行车记录仪。国家相关部门也于2 0 0 3 年发布实施汽车行驶 记录仪的国家标准g b t 1 9 0 5 6 2 0 0 3 引。目前国内生产汽车黑匣子的有6 0 多家通 过国标检测的企业，其中2 3 是贴牌生产，或代理销售其它企业产品；真正有技 术、有资金、有生产线的企业只有1 8 家左右，其中比较著名的是四川大科星、 北京伟航、惠州锐神等1 9 1 。但其汽车黑匣子多是运用8 位或1 6 位单片机作为处 理器，采用汇编语言，运用程序也比较单一。虽然也有公司研制出了第二代汽 2 武汉理工大学硕士学位论文 车黑匣子，功能也比较多但其还是没有运用操作系统到上面，所以在扩展性和 稳定性上面还是有缺陷。在国外，俄罗斯最新研制出来的汽车黑匣子可以当事故 发生后，车辆空间运动物理量变化将被“黑匣子”记录得一清二楚，从而帮助 人们分析事故怎样发生，汽车以后可以怎样改进。在嵌入式系统方面，欧洲的 i c e 已经成功的把嵌入式系统运用到了汽车黑匣子上。 1 3 汽车黑匣子的组成和功能 目前，国内市场上所开发的汽车黑匣子主要由记录仪( 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) ，传感 器和p c 机处理软件系统这几个部分组成。传感器能够向记录仪提供汽车行驶时 的速度、信号和方向。记录仪能在汽车行驶中客观、精确地记录下多种工作状 态，当遇到事故或被切断电源后，原先记录下的数据能够完好地保留。p c 机处 理软件系统可直接采集设置记录器中的汽车参数、时间、限速范围，还能以图 线形式再现发生事故的汽车行驶轨迹。 根据国家颁布的汽车行驶记录仪的标准( g b t1 9 0 5 6 2 0 0 3 ) ，记录仪应该具 有如下功能： 自检功能 记录仪在通电丌始工作时，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及显示屏显示方式指 示故障信息。 数据采集、记录和存储功能 能够对实时时间、日期、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。 数据处理功能 记录仪能够按照具体要求，对所采集到的数据实时的进行处理，并在必要 的情况下采取相应的措施对车辆进行管理。 驾驶员身份记录功能 记录仪可以实现驾驶人员身份记录功能，同时可以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。 武汉理工大学硕士学位论文 数据显示功能 记录仪的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r 期、实时车速以及各类报警提示等。 操作功能 记录仪具备按键操作功能，应用于数据打印输出以及数据的上传和下载以 及车辆特征系数的设定等操作。 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 及超速驾驶时段等信息。 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1 2 c 总线接 口) 与外部环境进行通信，实现数据的交互。 掉电保护功能 数据对记录仪至关重要，如果由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i j i 数据的保存工作。 数据分析软件系统 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，并能通过r s 2 3 2 串行接口 进行数据传输或u s b 接口读写磁盘数据，即完成数据上载( 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 本文的主要研究内容 本文的研究目标是开发设计基于汽车行驶记录仪标准( g b a 1 9 0 5 6 2 0 0 3 ) ( 以下简称国标) 的汽车黑匣子，并在此基础上扩展了汽车黑匣子的音 视频处理功能。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， 汽车黑匣子主机模块的处理器采用3 2 位的a r m 处理器$ 3 c 2 4 4 0 ，软件平台采 用l i n u x 操作系统。 本课题的主要研究内容： ( 1 ) 给出了汽车黑匣子的总体设计，对各主要功能模块方案进行比较，并建 立系统的开发平台。 4 一 武汉理工大学硕士学位论文 _ 二二二二_ = 一 ( 2 ) 完成系统的主要功能部件和电路的硬件设计。 ( 3 ) 研究嵌入式l i n u x 的特点和b o o t l o a d e r 的启动过程，给出系统软件设计 的各模块程序流程设计。 ( 4 ) 研究f a t 文件系统的特点，并讨论了在n a n d f l a s h 下建立f a t 文件系统 的实现过程。 ( 5 ) 研究嵌入式l i n u x 下u s b 设备与p c 机通信的方法，并编写u s bm a s s s t o r a g e 设备驱动，实现汽车黑匣子与上位机的数据通信。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章系统的总体设计 2 1 系统的总体结构 本系统设计的是一个满足国家最新的汽车行驶记录仪( g b t1 9 0 5 6 2 0 0 3 ) 标准和在其基础上扩展音视频处理功能的汽车黑匣子。按照国标规定，汽车黑 匣子需具备自检，实时时间、日期及驾驶时间的采集、记录、存储，数据显示 等功能。为方便系统设计及调试和以后系统功能的扩展，汽车黑匣子硬件按照 功能可分为主处理模块、数据采集模块、数据通信模块、数据存储模块、实时 时钟模块、人机接口模块和电源模块等几个部分。系统结构框架如图2 1 所示。 图2 1 系统的结构框架 主处理模块：该模块是整个汽车黑匣子的核心部分，通过主处理器负责对 采集来的数据进行处理并根据键盘的操作，以响应各种任务包括数据的实时显 示、保存和通信等。 数据采集模块：该模块除了采集车辆状态的各种信号( 包括模拟量信号、数 字信号和丌关量信号) 之外，还对车辆事故发生前后一段时间的音视频信号进行 采集。 6 武汉理t 大学硕士学位论文 数据存储模块：该模块负责对通过主处理器处理后的数据进行保存，以便 停车后与上位机实现数据通信。 数据通信模块：经过处理保存的数据需要通过该模块传送到上位机，它包 括r s 2 3 2 和u s b 两种通信接口。 人机接口模块：该模块包括l c d 显示和操作键盘两个部分。l c d 能够实时 显示车辆的各种状态信息包括实时时间、速度、里程等，键盘负责对系统的各 种任务进行人机操作。 实时时钟模块：汽车黑匣子在对数据进行采集的过程中，需要实时记录和 存储各种信息，这就要求此系统必须要有实时时钟发生器。该模块对系统的实 时性、准确性和可靠行都起着至关重要的作用。 电源模块：该模块负责提供系统所需的各种电源。 2 2 系统的方案设计 2 2 1 主处理器的选择 目前汽车黑匣子的微处理器一般采用的是8 位或1 6 位单片机，此类单片机 应用广泛，价格相对较低，发展也较成熟，是黑匣子低端方案的首选。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高实时性、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，以a r m 9 2 0 t 为内核的$ 3 c 2 4 4 0 。以下是根据系统各方面指标要求对 5 1 单片机和a r m 处理器的比较： a r m 架构复杂，适用于系统复杂度较高的产品；m c s 5 1 单片机架构简单， 硬件资源相对较少，适合于一般的应用。汽车黑匣子输入信号众多，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。 m c s 5 1 单片机采用汇编语言，对内存的管理能力和扩展有限，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【i0 1 。 汽车黑匣子需要处理的数据众多，且处理的实时性要求较高( 如每0 2 秒需 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m c s 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。 汽车黑匣子对性能要求较高，a r m 处理器内部寄存器很多，可用于存放中 7 武汉理t 大学硕士学位论文 间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 处理器的编译器具备优化功能，可以生成高效率执行的 机器代码i l l 】。 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。a r m 处理器的高性能、低功 耗设计非常适合于小的电源供电系统。 a r m 处理器应用广泛，有着成熟强大的软件支持工具，处理器制造厂商也 能提供评估板，因此能加速产品的开发，加快系统的实现速度，并且能提供可 靠性的保障1 1 2 】。 2 2 2 数据采集方案的选择 本系统的输入信号较多，除了汽车的行驶状态信号包括模拟信号、数字信 号和开关量信号等三类状态信号以外，系统还对3 路视频和1 路音频信号进行 采集处理。不同种类的信号采用不同的采集方式。 ( 1 ) 汽车行驶状态数据的采集 模拟信号包括水温、油量和油压，共3 路输入信号。一般对来自汽车内部 传感器的模拟信号的采集和处理是采用a d 转换器进行的，由于$ 3 c 2 4 4 0 处理 器内置了8 通道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。 数字信号主要是指车速信号。由于汽车内部有自己的传感器实际上就是有 现成的信号提供给记录仪 1 3 】。汽车轮子每转动一周，会通过车子内部的霍尔传 感器送出一对差分信号，此差分信号经过信号采集模块变成满足要求的计数脉 冲【1 4 j ，此信号经过一定的处理即可用来得到速度、里程等信息。 开关量信号包括制动、左转向灯、右转向灯、尾灯、雾灯、近光灯、远光 车、鸣笛等8 路信号。这些信号首先通过传感器接收，然后可以通过处理器的 i o 端口对这些信号进行输入。 ( 2 ) 音频、视频数据的采集 与传统的汽车黑匣子相比，本系统增加了音视频处理功能，能够记录汽车 发生事故前后一段时间内的车内外图像和其它重要数据，同时还会记录车内的 声音信息，帮助有关部门迅速准确地分析事故发生原因。 视频信号主要由外置的c c d 摄像头来摄取。传统的视频监控系统一般采用 武汉理工大学硕士学位论文 基于p c 机平台+ 视频采集卡的形式，该方案体积大、成本高【15 1 ，而本设计采用 的$ 3 c 2 4 4 0 处理器内置了摄像头接口( 即视频采集接口) ，系统从从c c d 摄像头 采集模拟视频信号，然后经过编码、d m a 传输到内存缓冲，接着由软件对内存 中的数字视频数据进行压缩并存储。 另外系统增加了对一路音频信号的处理功能，提供录音功能，以便更加全 面地记录事故的发生经过。由于$ 3 c 2 4 4 0 处理器内置音频i i s 总线接口，外围只 需扩展音频解码芯片配合使用即可实现模拟音频信号的采集和数字音频信号的 模拟输出。 2 2 3 数据存储方案的选择 由于汽车行驶状态数据需要保存到汽车出现交通事故后，因此数据存储芯 片应具有掉电长时间保存数据的功能【i 引，并自身具有一定的可靠性。对本系统 而言，数据的存储采用了两级硬件结构：第一级结构为大容量数据的存储器， 次级结构为实时数据的存储器用来作为数据的临时缓冲区。 闪存( f l a s hm e m o r y ) 由于其具有非易失性、电可擦除性、可重复编程以及高 密度、低功耗等特点，被广泛地应用于手机、m p 3 、数码相机、笔记本电脑等数 据存储设备中。n a n df l a s h 和n o rf l a s h 是目前市场上两种主要的非易失闪存 芯片。与n o rf l a s h 相比，n a n df l a s h 在容量、功耗、使用寿命等方面的优势 使其成为高数据存储密度的理想解决方案。n o rf l a s h 的传输效率很高，但写入 和擦除速度较低；而n a n df l a s h 以容量大、写速度快、芯片面积小、单元密度 高、擦除速度快、成本低等特点，在非易失性类存储设备中显现出强劲的市场 竞争力。通过以上的分析和比较，n a n df l a s h 更适合于大容量数据存储的嵌入 式系统。本设计选用s a m s u n g 公司生产的n a n df l a s h 存储器芯片k 9 f 1 2 0 8 作 为存储介质，用于存储黑匣子记录的大容量的数据。k 9 f 1 2 0 8f l a s h 的一页为5 2 8 个字节，其中5 1 2 个字节用于正常数据存储，其余1 6 个字节用于错误处理，也 就是说只有存储够5 1 2 字节的采集数据才能将数据写入f l a s h ，这就需要采用缓 存机制。缓存机制的选择可以采用以下三种： r a m + f l a s h ：这种机制是存取速度快，但要占大量的微控制器资源，而且 掉电后数据会丢失，这会导致关键数据无法获取； e e p r o m + f l a s h ：这种机制虽然能够在掉电后保持数据，但存取速度太慢， 不适宜高速数据记录，而且记录次数有限； 9 武汉理丁大学硕士学位论文 f r a m + f l a s h ：由于铁电存 i 者器( f r a m ) 读写速度快，掉电后能够保持数据， 而且可以接近无限次读写，因此非常适合于车辆行驶记录仪中使用【17 1 。f r a m 在本系统中除了作为数据的临时缓冲区外，还可以用来保护在突然掉电的情况 下来不及存入f l a s h 中的数据。 2 2 4 数据通信方案的选择 ( 1 ) r s 2 3 2 通信 根据国标规定，汽车黑匣子要留有r s 2 3 2 数据接口，以便于使用专用软件 读取黑匣子存储的数据和对黑匣子进行参数设置。 ( 2 ) u s b 通信 随着u s b 接口与u 盘的普及，黑匣子提供了u s b 通信方式。可以使用专 用软件通过u s b 接口读取黑匣子存储的数据和对黑匣子进行参数设置，黑匣子 也可以将存储的全部数据根据驾驶员号生成符合w i n o d w s 文件系统的文件，保 存到u 盘中。在本系统中，利用$ 3 c 2 4 4 0 内置的u s b 设备控制器，可以将黑匣 子设计成m a s ss t o r a g e 设备直接与上位机传送数据，而不需要再携带u 盘作为 中介存储器。 2 2 5 实时时钟方案的选择 主处理器$ 3 c 2 4 4 0 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 正常工作下去，这对于计时精度较高的黑匣子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，而黑匣子存在断电的危险，所以选择的 时钟芯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。它具备掉电检测功能， 平时p c f 8 5 6 3 有主机电源供电，可利用纽扣电池为后备电源，一旦发生掉电， 后备电池将作为主要的供电设备确保其正常工作。 2 2 6 驾驶员身份识别方案的选择 目前汽车黑匣子采用的驾驶员身份识别方式主要有直接输入识别、非接触 1 0 武汉理- t 大学硕七学位论文 式i c 卡识别以及接触式i c 卡识别。 方案一：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， 但也存在着占用c p u 引脚多，增大记录仪体积等缺点。 方案二：非接触式i c 卡识别。其读写过程通常由非接触式i c 片和读写设 备间的无线电波来完成。非接触式i c 卡识别方式操作过程简单，但是抗干扰能 力相对较弱，且成本较高【l 引。 方案三：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i o 口读取数据，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f l9 i 。接触式i c 卡存储量大，读写机构造价便宜，维护方 便。但读写故障率较高，同时由于i c 卡触点外露导致存在污染、磨损、静电等 缺点。 综合考虑，采用方案一作为记录仪主机的驾驶员身份识别方案。 2 2 7 嵌入式操作系统的选择 汽车黑匣子是一个比较复杂的系统，它要求多个任务能够同时协调运行。 因此，需要设计一个很好的控制调度机制来协调这些任务间的正常工作。在进 行了充分考虑后，选用嵌入式操作系统来进行任务管理。目前比较流行的嵌入 式操作系统有：u c o s i i 、w i n c e 和l i n u x 等。在设计中采用l i n u x 操作系统， 因为相对于其它嵌入式操作系统，l i n u x 比u c o s i i 对设备的支持性更好，比 w i n c e 开发方便，因为l i n u x 代码是开源的。从l i n u x2 6 1 3 开始，s a m s u n g $ 3 c 2 4 4 0 已经称为l i n u x 的标准支持平台之一，无需任何补丁就可以在$ 3 c 2 4 4 0 的目标板上运行得很好了，因此可以很好的进行系统移植和裁剪【2 0 】【2 l 】【2 2 】。 2 3 开发平台的建立 嵌入式l i n u x 系统的开发流程一般包括开发平台的建立，操作系统的移植， 设备驱动的添加，应用软件的开发与调试。 对于嵌入式的开发，因为没有足够的资源在本机( 即开发板系统) 运行开 发工具和调试工具。通常的嵌入式系统的软件开发采用一种交叉编译调试的方 武汉理下大学硕士学位论文 式。交叉编译调试环境建立在宿主机( 即一台p c 机) 上，对应的开发板叫做目 标板【2 6 1 。 简单的说，整个开发流程为：在宿主机上使用针对特定处理器系统的编译 器、链接器将内核编译链接生成目标代码，然后将该目标代码通过j t a g 接口、 串口或以太网接口等方式下载到目标板的f l a s h 里面，上电后内核就能在该目 标处理器上运行了。 本系统s 3 c 2 4 4 0 + l i n u x 的开发平台也是采用宿主机模式，程序下载到目标 板通过j t a g 接口和以太网两种方式，调试可以通过n f s 的m o u n t 命令，在目 标板上运行p c 上的用户程序。开发平台的结构如图2 2 所示。 宿5 t ( r e d h a t 9 0 ) $ 3 c 2 4 4 0 i j 标板 图2 - 2 嵌入式l i n u x 交叉开发平台 l i n u x 下的交叉编译工具主要包括以下几个部分：编译器g c c ；二进制工具 b i n u t i l s ；标准c 库g l i b c 以及l i n u x 内核头文件【2 7 1 。建立一个交叉编译工具链是 一个相当复杂的过程，可以从工具链的官方下载地址：f t p ：f t p a r m 1 i n u x o r g u k p u b a r m l i n u x t o o l c h a i n 一下载g u n 交叉工具链a r n l l i n u x g c c3 4 1 ( 2 6 内核一般要 用3 x 的编译器才行) 并将其解压并加入到环境变量p a t h 中。 主机开发环境的配置： ( 1 ) 主机网口配置：首先要确认主机的网络接口驱动成功，并且配置网络接口 的i p 地址。可以通过i f c o n f i g 命令查看所有网络接口，还可以配置网1 3 的i p 地 址。 ( 2 ) 串口控制台配置：串口通信接口很适合作为控制台，在各种操作系统上 一般都有现成的控制台操作程序可以使用。w i n d o w s 操作系统有超级终端， f l a s h f x p 工具，l i n u x 操作系统有m i n i c o m 工具。 ( 3 ) 配置t f t p ：t f t p 是目标板下载映像所需要的网络服务，可以通过编辑 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 t f t p 配置文件启动t r i p 服务。以r o o t 身份登陆，完成下面操作：# v i e t c x i n e t d d t f t p 修改d i s a b l e 一行，把y e s 改为n o ，使用下面的命令使x i n e t d 重新启动t f t p 服务： 拌e t c i n i t d x i n e t dr e s t a r t 。 ( 4 ) 配置n f s ：n f s 网络文件系统( n e tf i l e s y s t e m ) 是一种在不同机器、不同 操作系统之间通过网络互相共享文件的技术，n f s 可以让目标板通过网络将远 端的n f s 服务器( 这里即是宿主机) 共享的文件系统安装到自己系统中【2 8 】。n f s 是l i n u x 内置的功能，但一般安装时并不会自动指定在开机时启用，可以使用 n t s y s v 命令使得开机时启用n f s 功能。选中“n f s ”和“p o r t m a p ”，这样每次启 动计算机都可以启动n f s 服务器了。设置完成以后重新启动n f s 服 务：e t c r c d i n i t d n f sr e s t a r t 。 配置完成后，可以用如下方法简单测试一下n f s 是否配置好：在超级终端 或l i n u x 下的m i n i c o m 窗口输入( 假设主机的i p 地址是1 9 2 1 6 8 0 1 8 ) ： m o u n t - tn f s19 2 16 8 0 18 ：h o m e b o o t t m p 其中h o m e b o o t 是n f s 设置的共享目录，如果在t m p 目录下的文件是p c 的 h o m e b o o t 下的文件，则说明m o u n t 成功，n f s 配置成功。 2 4 本章小结 本章从介绍系统总体结构设计入手，接着讨论了系统的各功能模块的方案 设计，重点描述了主处理器、数据采集、数据存储等主要模块的设计方案，采 用了l i n u x 操作系统作为系统的软件运行平台，最后相应地建立了系统的开发平 厶 口。 武汉理丁大学硕士学位论文 第3 章系统的硬件设计 本文所设计的汽车黑匣子系统主要由3 2 位嵌入式微处理器、信号采集、数 据存储、l c d 、操作键盘、数据通信接口、实时时钟等部分。系统的硬件设计 框图如图3 1 所示。 图3 1 系统硬件设计框图 系统通过主处理器对外部开关量信号、数字量信号、模拟量信号以及音视 频信号分别进行采集。需要保存的数据经过处理后存储于外部大容量存储器中， 实时数据如实时车速、实时时间和其他状态信号等可通过l c d 液晶显示屏输出 显示。 下面将对系统的主要硬件功能部件和电路设计依次进行介绍。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 主控芯片 $ 3 c 2 4 4 0 芯片是一款基于a r m 9 2 0 t 内核的1 6 3 2 位r i s c 嵌入式微处理器， 主频可以根据需要选择为3 0 0 m h z ，4 0 0 m h z ，5 3 3 m h z 。该处理器主要面向嵌入 式设备，具有性价比高、功耗低的特点，并且在嵌入式l i n u x 操作系统下可移植 性好，具有较强的控制能力和丰富的片内资源。 作为$ 3 c 2 4 4 0 芯片的c p u 内核，1 6 3 2 位a r m 9 2 0 tr i s c 微处理器采用 0 13 u mc m o s 标准单元结构。a r m 9 2 0 t 核由a r m 9 t d m i 、存储管理单元( m m u ) 和高速缓存三部分组成，采用a m b a ( a d v a n c e dm i c r o c o n t r o l l e rb u sa c h i t e c t u r e 、 架构。其中，m m u 可以管理虚拟内存，高速缓存由独立的1 6 k b 地址和1 6 k b 数据高速c a c h e 组成【2 3 1 。 $ 3 c 2 4 4 0 芯片提供了一套比较完整的通用系统的外围设备，并且使得这个系 统消耗最小。片上集成的功能主要包括以下几个方面： 1 2 v 内核供电，1 8 v 2 5 v 3 3 v 存储器供电，3 3 v 外部i o 供电，具备 16 k b 的i - c a c h e 和16 k b d c a c h e m m u 微处理器 外部存储控制器( s d r a m 控制和片选逻辑) o l c d 控制器( 最大支持4 k 色s t n 和2 5 6 k 色t f t ) ，提供l 通道l c d 专用d m a 0 4 通道d m a 并有外部请求引脚 0 3 通道u a r t ( i r d a l 0 ，6 4 字节t xf i f o ，和6 4 字节r xf i f o ) 2 通道s p i l 通道i i c b u s 接口( 多主支持) 1 通道i i s b u s 音频编解码器接口 a c 9 7 解码器接口 兼容s d 主接口协议1 0 版和m m c 卡协议2 1 1 兼容版 2 端口u s b 主机1 端口u s b 设备( 1 1 版) 0 4 通道p w m 定时器和1 通道内部定时器看门狗定时器 0 8 通道1 0 比特a d c 和触摸屏接口 具有日历功能的r t c 相机接口( 最大4 0 9 6 4 0 9 6 像素的投入支持。2 0 4 8x0 4 8 像素的投入， 支持缩放) 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 0 个通用i o 口和2 4 通道外部中断源 具有普通，慢速，空闲和掉电模式 具有p l l 片上时钟发生 $ 3 c 2 4 4 0 内部功能模块如图3 2 所示。 图3 2 $ 3 c 2 4 4 0 的内部功能模块 3 2 存储器接口电路 3 2 1f l a s h 存储器 本系统采用的n a n d f l a s h 存储器型号为k 9 f 1 2 0 8 u o a 。k 9 f 1 2 0 8 u o a 的存储 容量为6 4 m 字节，数据总线宽度为8 位，工作电压为2 7 v 3 6 v ，采用4 8 脚t s o p 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 封装。内部存储结构为5 2 8 字节x 3 2 页4 0 9 6 块，页大小为5 2 8 字节，块大小为 ( 1 6k b + 5 1 2 字节) ，可实现程序自动擦写、页程序、块擦除、智能的读写和擦除 操作，一次可以读写或者擦除4 页或者块的内容。仅需要3 3 v 电压即可完成在 系统的编程与擦除操作。 k 9 f 1 2 0 8 u o a 的i o 口既可接收和发送数据，也可接受地址信息和控制命令。 在c l e 有效时，锁存在i 0 口上的是控制命令字；在a l e 有效时，锁存在i o 口上的是地址；r e 或w e 有效时，锁存的是数据。这种一口多