（测试计量技术及仪器专业论文）基于arm的汽车行驶记录仪研究及应用.pdf

中文摘要 汽车行驶记录仪，俗称汽车黑匣子，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。本文在参考了国内外多种不同结构，不同领域的汽车行驶记录 仪的设计与研究的基础上，将现今领先的g p r s 通信技术与人机对话技术应用在传 统的汽车行驶记录仪上，以达到能够有效地记录数据并与用户实时互动等多项功 能。 本记录仪的设计是基于s a m s u n g 公司出产的a r m 9s 3 c 2 4 1 0 的处理器，相应的 操作系统是广泛采用的l i n u x 操作系统。本文在介绍并分析了国内外汽车行驶记 录仪的相关背景和现状之后，提出了本课题需要完成的目标。接下来，论文阐述 了记录仪的整体系统结构，同时详细介绍了系统各个模块的硬件设计及其结构。 接下来，在介绍了各个模块结构的基础上，详细分析了通信模块的设计，并将现 今领先的g p r s 技术应用于记录仪的通信环节。在介绍了硬件模块的各个方面之后， 论文进入了软件设计部分的阐述。在软件部分中，本文先介绍了本系统的软件流 程。并在此流程的基础上详细说明了系统采用的l i n u x 操作系统的配置，剪裁， 移植等方面，同时也介绍了本系统所采用的b o o t l o a d e r - - v i v i 。在软件设计的部 分，论文还详细研究了基于l i n u x 操作系统的界面设计应用软件平台m i n i g u l ，并 重点阐述了m i n i g u i 在p c 上位机环境下的配置和编译工作，以及在交叉编译环境 下的编译工作等复杂的环节。最后，是通过串口线将系统与连接板相互交叉进行 同步编译，同步测试，并展示出最后的完成结果。 本论文在结束处对本课题已完成的部分进行了比较深入的总结，并将出现的问 题进行了分析和小结。同时还对系统性能提出了进一步改善的可行性建议。 关键词：汽车行驶记录仪，s 3 c 2 4 1 0 ，l i n u x ，m i n i g u i a b s t r a c t t h ev e h i c l ed a t ar e c o r d e r , w h i c ha l s on a m e db l a c kb o xo fv e h i c l e ，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 tt or e c o r dt h es p e e d ，t i m e ，m i l e a g ea n do t h e rs t a t u s i n f o r m a t i o no fv e h i c l eb yi n t e r f a c e t h eu s a g eo fi n s t r u m e n tp l a y ss i g n i f i c a n tr o l eo n m a n yw a y ss u c ha sm a k i n gs t r i c tp r o v i s i o no fo v e r s p e e d ，f a t i g u ed r i v i n g ，a n ds u c h u n h e a l t h yo p e r a t i o n t h ep a p e rp u tt h e l e a dt e c h n o l y - g p r sa n dm a n - m a c h i n e c o n v e r s a t i o ni n t ot h et r a n d i t i o n a li n s t r u m e n ta f t e rh a v i n gr e f e r e n c e & r e s e a r c ho fs e v e r a l i n s t r u m e n t sw i t hd i f f e r e n ts t r u c t u r e sa n df i e l d si no r d e rt om e e tt h ed e m a n ds u c ha s e f f e c t i v ed a t ar e c o r da n dr e a l t i m ei n t e r a c t i v ew i t hu s e r t h ed e s i g no ft h ei n s t r u m e n ti sb a s e do na r m 9s 3 e 2 4 1 0p r o c e s s o r ；w i t hl i n u x o p e r a t i o ns y s t e ma st h ep l a t f o r m t h ep a p e rr a i s et h et a r g e ta f t e rg i v i n ga ni n t r o d u c t i o n a n dc o n c i s ea n a l y s i so ft h eb a c k g r o u n do ft h er e c o r da th o m ea n db o r o a d 。n e x t ，t h e p a p e re x p o u n dt h eo v e r a l ls y s t e mc o m p o s i t i o n ，a n de a c hh a r d w a r es t r u c t u r ed e s i g n 。o n t h eb a s i so fh a r d w a r em o d u l ei n t r o d u c t i o n ，p a p e ra n a l y z e sc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o ni n d e t a i l ，a n dp u tt h el e a dg p r st e c h n o l yi n t oa p p l i c a t i o n 。i nt h es o f t w a r ep a r t ，t h ep a p e r g i v e sas o f t w a r ef l o wi nt h eb e g i n n i n g a f t e rt h a t ，i te x p l a i n st h ed e p l o y i n g ，c l i p p i n g , t r a n s p l a n to fl i n u xo si nd e t a i l ，a n dt h eb o o t l o a d e r 、，i 啊a sw e l l i nt h es o f t w a r ep a r t , t h ep a p e ra l s os t u d ym i n i g u i ，b a s e do nt h el i n u xo si n t e r f a c ed e s i g na p p l i c a t i o n s o f t w a r ep l a t f o r m ，a n di t sd e p l o y m e n t ，t r a n s l a t e & e d i to fm i n i g u iu n d e rt h ep c e v i r o m e n t ，t o g e t h e rw i t ht h ec o m p l e xl i n ko fc r o s sc o m p i l e r a tl a s t ，t h es y s t e ma n d a r mi sl i n k e db ys e r i a lp o r t s ，w i t hs u p e rt e r m i n a la st h ec o n n e c t o r , a n dt h ef i n a l o u t c o m ei sr e v e a l e di nt h ee m b e d d e ds y s t e mp l a t f o r m i nt h ee n do ft h ep a p e r , i tg i v e sa t h o r o u g hs u m m a r yo ft h ei s s u e ，w i t ht h ea n a l y s i s a n dc o n c l u s i o no ft h ea r i s i n gp r o b l e m s ，t o g e t h e rw i mt h ef u r t h e rf e a s i b l ep r o p o s a lo f s y s t e r np e r f o r m a n c ea tl a s t k e y w o r d ：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 3 c 2 4 10 ，l i n u x ，m i n i g u 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，除了文中特另l j j n 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 武汉理工大学或其他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。 签名 ，扯日期：边丛粤 学位论文使用授权书 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 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c 签名，名蝤导师c 签名荡晦日期矽仁夕 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章概论 1 1 汽车行驶记录仪的研究背景 随着日益加快的快节奏生活，交通事故的出现率也日益增加，这无疑给社会 和家庭带来无法预想的后果，道路交通的安全与人们的生活息息相关，所以为 了能够有效地控制严重的交通问题，尽可能多地保障人民生命财产的安全，交 通执法部门联合各国相关部门纷纷出台了一系列的保障交通安全的智能系统， 其中汽车行驶记录仪就是其中广为关注的热点。 汽车行驶记录仪是集智能化，电子化，人性化等多种功能为一体的高级智能 行驶仪器，它的出现很大程度解决了交通肇事，交通事故等多方面的交通隐患 问题，它能完整并准确地记录下汽车在行驶过程中的各种状态和信息，并且能 够完整地记录下汽车行驶的轨迹，并在电脑上面进行实时显示，以便在交通事 发后采取有效的跟踪，模拟等任务的实施。除了实时显示等功能，汽车行驶记 录仪还能够分析，警告，提醒驾驶员超速行驶等多项功能，以方便交管部门进 行数据分析和处理。 国外对汽车行驶记录仪的认识比较早。1 9 7 0 年，欧共体开始在成员国内强 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，汽车行驶记录仪的合理利用可以在很大程度上缓解交通 压力，提高道路利用率，特别是对于城市公交的合理动态调度有显著的效果， 汽车行驶记录仪的出现很大程度上可以为国家的行政部门等提供比较完善可靠 的交通执法工具，在行驶过程中为驾驶员提供其驾驶的实时跟踪信息，对保障 交通道路安全起到了非常巨大的作用。 1 2 汽车行驶记录仪的国内外技术发展状况 在2 0 世纪后半叶，交通事故频频发生，欧盟最先提出了机电模拟式驾驶仪 的概念，在后面到了2 0 世纪9 0 年代初期，美德两国也随即研发出了数字式汽 车事故记录仪的前期模拟，用来监控驾驶员的违章超速等违法行为。汽车行驶 记录仪的跟踪模拟，和实时显示功能，数字分析等功能，使得它的使用在很大 程度上为事故发生后提供事故分析依据，监督驾驶员违规情况等提供了强有力 的支持。欧盟早在上世纪9 0 年代就已有法律规定，重型车辆必须配备有汽车行 驶记录仪。据报道欧盟已经立法在其成员国内在9 0 0 万辆商用机动车上必须在 限定时间内配备有汽车行驶记录仪。在美国，交通管理部门已经着手大力推广 武汉理工大学硕士学位论文 汽车行驶记录仪的大规模使用，通用，福特等汽车公司也纷纷加入行动。在日 本，南美，东南亚以及香港等地区也陆续有汽车行驶仪的大范围使用n 儿2 儿3 1 。 从上世纪8 0 年代后期开始，我国就已经在少数地区试用数字式汽车记录仪。 记录仪的出现为我国交通管理部门执法提供了有利的工作，也为交通运输的安 全提供了安全的保障，使交通管理更加方便有效。国家相关部门于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 。现国内汽车行驶记录仪多 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车行驶记录仪，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。 1 3 汽车行驶记录仪的功能要求 根据我国汽车行驶仪的国家标准( g b t1 9 0 5 6 - 2 0 0 3 ) ，汽车行驶记录仪应该 具备以下各项功能： 自检功能 在记录仪开始上电工作时，最先开始应该能够自检。正常情况下应该以绿灯 闪烁的信号或者是显示屏显示工作正常的方式来指示记录仪一切正常，如果不 正常，则应该以红色信号灯闪烁的方式提示记录仪出现了故障。 数据采集，记录以及存储功能 记录仪应该能够对驾驶时间，行驶速度，行驶里程，实时时间，行驶日期等 数据量进行采集，记录，存储和分析，并能使数据在长时间内不会丢失。需要 被检测采集的数据输入信号量一般来说包括三类：模拟信号输入量，数字信号 输入量和开关信号输入量。 数据处理功能 能够按照要求，对所采集到的数据进行整理，分析，并在需要的时候采取措 施对相应的车辆进行交通管理。 驾驶员身份认证功能 记录仪应该可以对驾驶员的身份进行识别，记录驾驶员代码和交管部门核 发的机动车驾驶证的i d 号。 数据显示功能 可以在记录仪的显示面板上面显示各项数据指标，包括行驶路线，驾驶员 i d 号，日期，实时时间，实时车速，以及报警等多项功能。 数据通信功能 能够通过各种方式与外部进行实时通信，实现数据的交互。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 本课题所要解决的问题 1 ) 分析和研究汽车行驶记录仪涉及的相关技术。 2 ) 研究相关所需要用到的各个模块如g p r s 模块，存储器，a r m 处理器的性 能特点。 3 ) 重点研究基于a r m 的l i n u x 操作系统的平台应用程序的开发，以及图形界面 系统m i n i g u 的软件设计。 4 ) 系统样机整体调试。 1 5 论文结构 结合所要研究的具体内容，论文的整体结构如下如述： 1 ) 介绍国内外汽车行驶记录仪的发展状况，并列出了本课题要解决的基本问题。 2 ) 在详细了解a r m 硬件系统的基础下，对各个模块进行了详细的设计与应用。 3 ) 重点介绍l i n u x 操作系统的移植和软件应用程序的设计与开发。 4 ) 图形操作界面系统m i n i g u i 的开发与移植。 5 ) 调试整体系统与展望。 3 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章系统硬件模块的研究 2 1 系统总体设计结构 本系统是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 ) 来设计 相关的技术要求的。基本体系结构如2 1 图所示： 图2 1 硬件体系结构 数据处理模块：此行驶记录仪的核心部分。负责对采集来的数据进行处理， 保存，分析等多项功能，并响应人机接口模块的操作，将数据传送到输出接口， 以显示和通信。在这里主要是采用a r m 9s 3 e 2 4 1 0 x 主控芯片来完成这一功能。 数据采集模块：负责采集车辆状态的各种信号( 包括模拟量信号，数字信号， 开关量信号) 。 数据存储模块：负责对通过主处理器处理后的数据进行保存，以实现与上位 机之间的通信。 数据通信模块：经过处理了的数据通过此模块传送到上位机。 人机接口模块：包括l c d 和操作键盘两个部分。用来实现与用户的人机操 作功能。 电源模块：负责提供系统所需要的各种电源。 2 2 数据处理模块方案的选择 本系统所采用的是s 3 c 2 4 1 0 x ，$ 3 c 2 4 1 0 微处理器是一款由s a m s u n g e l e c t r o n i c sc o l t d 为手持设备设计的高度集成，低功耗的微处理器，并且采用 的是2 7 2 引脚的f b g a 封装，内含一个a r m 9 2 0 t 内核，如图2 2 所示： 4 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 2s a m s u n 9 2 4 1 0 扳实例图 s 3 e 2 4 1 0 x 在时钟方面也有比较突出的优点，它集成了一个p u ，和r t c ，其中 p l l 是由( m p l i , u p l l ) 合成的芯片时钟发生嚣，而r t c 带有日历功能。m p l l 产生主时钟，可以使处理器的工作频率最高值高达2 0 3 m h z ，这样的工作频率可 以使u c o s ，w i n c e 。和l i n u x 等嵌入式操作系统轻轻松松地运行在这些处理器上 来处理比较复杂的信息。 s 3 c 2 4 1 0 x 将整个系统的可用存储空间分成了8 个小组，每个小组的大小均是 1 2 8 m b ，共计1 g 。从第l 组到第6 组，即b a n k 0 - - b a l l l 【5 ，开始的地址均是固定 不变的，主要是用于r o m 和s r a m 的存储应用。其后的两组，即b a n k 6 b a r t k 7 用在s d r a m ，s r a m 或者是r o m 上它们可编程的大小空间是一样的。所有 这些内存的访问周期都是可以实时编程的。芯片采用n g c s 7 ：0 1 八个通用片选的 信号来选择这些组。 s 3 e 2 4 1 0 x 芯片支持从存储区n a n df l a s h 这一部分最先启动，与n o rf l a s h 相比，n a n d f l a s h 具有容量大，价格低等诸多特点。将s d r a m 与n a n ) f l a s h 相组合，往往可以获得比较高的性价比。s 3 e 2 4 1 0 x 一共具有三种启动模式，可 以通过管脚o m i ：o 】来进行选择。 s 3 e 2 4 1 0 x 的内部功能模块如图2 - 3 所示： 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 3s 3 e 2 4 1 0 x 内部功能模块 2 3 数据采集模块方案的选择 国家规定的汽车行驶状态应该被测量的信号量包括模拟信号量，数字信号 量，和开关信号量等三大类状态信号。 1 ) 模拟量信号 包括水温，油量和油压三路输入信号。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，s 3 c 2 4 1 0 x 处理器内置了8 通道的l o 位 a d c 转换器，可以满足模拟信号的采集需求。 2 ) 数字信号 主要包括车速信号。现在一般车辆上面都会装有霍尔式集成传感器，车速转 换成电压信号后直接传送到车速表，这样信号采集会比较方便。具体方法是直 接从车速表的接线端子取得车速信号。具体的接线方式是要根据车速表信号输 出电路来确定。信号从车速表端子出来后传送到光耦t l p 5 2 1 高速隔离开关。通 过屏蔽和光耦的隔离，可以得到波形比较干净的信号。为了得到比较良好的矩 形波，能让车速达到一定的精度，本系统采用的是施密特触发器l m 3 1 1 来完成 波形的整形，待信号采集功能完成之后，采集到的信号就要送到可编程逻辑器 件中进一步的处理，然后再将处理好的信号传送到主控制芯片s 3 e 2 4 1 0 x ，尽可 能地将所有的干扰信号在进入主芯片之前能降到最低1 4 1 。 3 ) 开关量信号 6 武汉理工大学硕士学位论文 主要是包括制动，左转向灯，右转身灯，尾灯，雾灯，近光灯，远光灯，鸣 笛等8 路信号。它们通过传感器接收，然后通过处理器f o 端口对这些信号进行 输入。 2 4 数据存储模块方案的选择 汽车行驶状态数据有时需要保存到汽车出现交通事故需要调用，因此数据存 储系统应该具有相应的掉电长时间保存数据的功能。本系统采用两级硬件结构， 第一级结构为大容量的数据存储器，次级结构为实时数据的存储器用来当作数 据的临时缓冲区。 a r m 9 系统里面有多种规格的存储器：s d r a m ，n a n df l a s h 以及n o r f l a s h 。s d r a m 不具有掉电保持数据的特性，但其存取速度大大高于f l a s h 存储器，而且具有读写的属性。而本系统是需要在掉电以后仍然能提供数据的， 所以不能使用s d r a m 。f l a s h 由于它的非易失性，电可擦除性，可重复编程等 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之中。 n a n df l a s h 和n o rf l a s h 是市场上两种主要的非易失闪存芯片。n a n df l a s h 与n o r f l a s h 相比，在容量，功耗，使用寿命等许多方面的优势使其成为高数据存储密 度的理想解决方案。但n o rf l a s h 的传输效率高，写入和擦除速度却较低。通过 以上分析比较，n a n df l a s h 更适合于本系统的存储设计。本设计选用的是 s a m s u n g 公司生产的n a n df l a s h 的一页为5 2 8 个字节，其中5 1 2 个字节是用来 进行正常的数据存储的，剩下的1 6 个字节可以用作错误处理，也就是说只能5 1 2 个字节的存储量都采集完成了才能够写入f l a s h 里面，因此这就要用到缓存机制， 在这里缓存机制采用的是f r a m + f l a s h ，因为这样搭配，掉电以后可以保存数据， 而且几乎可以无限次读写，非常适合本系统的使用。 2 。5 数据通信模块方案的选择 我国汽车行驶记录仪的通信方式有很多种，常见的有以下几种： 1 ) r s 2 3 2 和u s b 方式，这一种是国家标准g b t 1 9 0 5 6 2 0 0 3 规定的标准接口。 2 ) i c 卡，i c 卡是用来记录驾驶员的身份验证的。 3 ) 蓝牙，蓝牙是一种很时尚的通信方式，支持短距离传输。 在正常情况下，汽车在行驶过程中会产生大量的数据，如速度，开关，停车， 起步等许多信号，其中大部份的信号，对于管理来说是不需要立即采用实时上 传的，因为这些信号对车辆的安全性能等方面并不起决定作用，而采用的一小 部分数据，如超速，超时，紧急停车，抢救等信号的时效性是非常重要的，像 7 武汉理工大学硕士学位论文 以上两类数据若采用同一种方式传输，显然是不科学的，有鉴于此，在本系统 中决定采用r s 2 3 2 和g p r s 两种通信方式相结合的方法来实现记录仪的管理【5 1 。 2 6 人机接口模块方案的选择 常见的触摸屏一共有三种类型，分别是电阻式，电容式，电感式。触摸屏的 控制是需要采用专门的芯片来处理是否有笔或者手指按下触摸屏，并在按下的 同时分别给两组电极通电，然后将其对应位置的模拟电压经过a d 转换送回处 理器。送回控制器的x 和y 值不具备实用价值，因为值的大小与显示器的分辨 率有关，并且与l c d 贴合程度有关。而且l c d 分辨率和触摸屏分辨率一般也 是不相同的，坐标也不一样，因此需要转换。 与a r m 9s 3 e 2 4 1 0 x 配套的是s h a r p 公司的3 5 寸的触摸屏，对电阻式触摸的 控制有专门的芯片，如t i 公司生产的芯片a d s 7 8 4 3 。很显然，控制芯片要完成 以下两件事情，其一，完成电极电压的切换；其二是采集接触点处的电压值f 即 a d ) 。 s 3 e 2 4 1 0 x 选取p g 口与a d s 7 8 4 3 接口，共使用p g 2 - p g 7 的6 条口线，也可 以选择其它的i o 口，但注意不要与i o 口上已经设定的功能相冲突。其中 x + ，y ，+ ，x ，v 引脚直接与触摸屏的相应管脚相连。 利用连接好的电路设置p c o n g 寄存器如下： r p c o n g = o x 0 1 5 f ；其中p e n i r q 最好加上内部上拉，设置为：r p u p g & = o x 8 0 。 编程采用固定参考电压模式，因此s e r d f r = i 。首先检测p e n i r q 是否为低电 平，如果为低电平，则认为有接触；否则认为触摸屏没有接触。利用软件模拟 d i n ，d o u t 和d c l k 上的3 线串行传输时序，将读取的x 或y 坐标数值的控制 字串行送入a d s 7 8 4 3 ，然后再串行读出坐标值。最后将x 和y 轴坐标值送串口显 示即可。最后送控制字并读取结果子程序 7 1 。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章数据通信模块的实现 3 1 从接收数据中提取记录 在数据进行通信的过程中，双方通信是通过通信协议来进行的，无论是采取 哪样的一种通信方式，都是需要将记录仪一端传输过来的数据通过通信协议添 加到系统的数据库当中进行进一步的处理，要解决这一问题的关键是从传过来 的数据中解析并提取出需要的数据。本系统的处理方法如下： 1 数据从记录仪这一端传输到管理器端计算机上的数据库的基本流程： 1 ) 当记录仪接收到管理器端的计算机传送过来的需要上传数据的基本要求后， 系统会根据需要上传指令的基本类型，将要上传的数据按照指令格式进行一定 的封装( 1 0 帧封装) ，然后再进行上传； 2 ) 当记录仪发送过来的传输数据帧被管理器一端的计算机接收到以后，它会将 数据帧存放在一个缓冲区里面，等待迸一步的处理； 3 ) 管理器端的计算机将缓冲区里面的数据按照帧格式进行逐步解析，然后获得 帧命令字和相应数据； 4 ) 系统根据命令字的基本类型，将已获取得到的数据存入事先早已准备好了的 变量之中； 5 ) 然后再次重复以上过程，直到完成所有需要上传的数据。 6 ) 最后打开数据表，将以上经过处理的数据进行必要的类型转换，然后插入到 相应的数据表中。 2 由于操作3 ) 比较频繁，所以我们在实现程序的过程中，专门定义了一个解 析帧的自定义函数，以方便系统调用，其函数原型如下： v o i du n f r a m e ( b y t e r e c d a t a b u f , b y t ef r a m e i d ，b y t ed a t a l e n , b y t e d a t a u f f e r ) 其中，输入变量r e c d a t a b u f 是接收数据缓冲区部分的指针；输出变量f r a m e i d 是为帧命令，d a t a l e n ，为数据的长度，d a t a b u f f e r 为数据部分的指针f 8 l - 3 2 采用r s 2 3 2 串口通信 $ 3 c 2 4 1 0 的u a r t 提供了3 个独立的异步串行输入输出口，每一个端口都可 以工作在中断模式和d m a 模式下。r s 2 3 2 是为点对点( 即只用一对收，发设 备) 的通信而设计出来的。其传送距离最大的可达到1 5 m ，最高速率可达到 2 0 k b s 。所以r s 2 3 2 非常适合本地设备之间的通信。s 3 e 2 4 1 0 x 可以非常方便地 利用u a r t 来实现r s 2 3 2 串口的功能，因为r s 2 3 2 电平和c p u 输出的t t l 9 武汉理工大学硕士学位论文 电平采用的是不同的标准，所以我们在电路中选用了m a x i m 公司的m a x 3 2 3 2 芯片进行电平转化。m a x 3 2 3 2 单+ 3 3 v 电源供电，仅需要外接几个电容就可以 完成从t t l 电平到r s 一2 3 2 电平的转换9 1 。$ 3 c 2 4 1 0 与m a x 3 2 3 2 接口电路设计 如图3 1 所示： ” 图3 1r s 2 3 2 接口电路 利用串口r s 2 3 2 进行通信时，数据采集流程图如图3 2 所示： 记录仪端管理器端 图3 2 串口采集模块和记录仪通信模块流程图 3 3 采用g p r s 进行数据通信 若g p r s 的方法被用来进行传输数据的工作，那么必须要满足如下所述的两 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 个条件：一个是s i m 卡必须加载到需要配置g p i 岱的记录仪上，并且已经向相 关的移动服务商申请开通办理了g p r s 业务；第二个是管理器端的计算机必须 连接有因特网，并且拥有p 地址。 具体工作过程简要叙述如下： 1 记录仪端的g p r s 模块必须要先进行初始化工作，因特网事先要跟管理器端的 计算机完成连接，同时打开相应的端口进行监听，记录仪要与管理器端的计算 机建立起相应的连接； ： 2 记录仪要将采集到的车辆行驶状态的信息数据传送到g p r s 的模块当中去； 3 g p r s 模块要对传送过来的状态数据进行t c p d 协议转换，以满足传输要求， 并以g p r s 数据包的形式传送到g p r s 网络中去； 4 g p r s 的网络要通过g p r s 的网关支持节点( g g s n ) ，将传送过来的数据发送到 因特网上去； 5 与因特网相互连接的管理器端的计算机在接收完数据之后，要将其存入进数据 库当中去t 1 0 1 。 程序流程图，如图3 3 所示： 记录仪端 图3 3g p r s 数据通信流程图 管理器端 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章系统软件设计 在设计汽车行驶记录仪的过程中除了采用a r m 9 的核心芯片作为外部硬件 资源来使用外，另外一个非常重要的呋容就是与之相对应的软件设计，硬件资 源只是一个外壳，只有有了与之相对应的软件才称得上是一个整体。在本系统 中涉及到的汽车行驶仪，因为涉及到诸多功能，应该选用一款操作系统来实现 相应的软件功能。同时选用的界面软件设计平台是国内应用相当广泛的 m i n i g t 。 4 1 系统的软件设计流程 汽车行驶记录仪的整个结构比较复杂，首先是检测驾驶员的身份认证，只有 身份认证通过了才会进入记录仪的系统的初始化界面，然后系统进行汽车行驶 过程中的数据采集，存储，通信以及l c d 界面的显示等功能。并在界面上会给 出超速报表，速度波动曲线，以及实时定位等界面的选项。流程图如图4 1 ，4 2 ： 图4 1 记录仪启动流程图 1 2 l c d 显示界面 数据采集处理 车辆记录仪停 止检测 琴 ) 笸 记录仪关闭 图4 2 记录仪运行流程图 武汉理工大学硕士学位论文 4 2 软件模块程序设计 软件系统的整体部分如第一节的流程图所示，共分为上电自检，身份验证， 数据采集，处理以及通信和保存这几部分。 上电自检 系统上电以后，会进行一次自我检查的工作。会检查系统的硬件初始化的 一些工作。若硬件初始化失败了，系统会显示“请重新自检一的消息。若自检 成功，会自动进入系统初始界面。 身份验证 系统的初始界面会显示身份验证的对话框，其中需要输入用户i d 及密码等 用户信息，以便对用户身份进行识别。 数据处理及采集 当系统进入操作界面以后，便会有几个选项可供用户进行选择，分别为超速 报表，速度波动曲线，以及实时定位等界面。 1 ) 数据采集和处理模块 国标里面规定的汽车行驶记录仪是应该能以不大于0 2 s 的时间间隔持续记录 并且存储停车前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。并且记录仪还应该能以不大于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。所以我们的存储要分成两个部分完成， 一个部分是短时存储，即存储实时数据行驶状态数据，另一部分应该是能够存 储事故疑点的数据【1 1 1 【1 2 】。 对于实时行驶状态数据的存储与处理，应该是以每0 2 s 为一个脉冲间隔来存 储，每隔l m i n 需要求一次平均值，并且当存储到3 6 0 h 的时候，要重新更新一 次。流程图所图4 - 3 所示： 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 图4 3 数据采集流程图 实时脉冲o 2 秒中断一次，每中断3 0 0 次求一次平均值，也就是程序将采集 到的实时数据存储在f r a m 中，将连续采集到的3 0 0 个数据进行一次平均值的 计算，再存储到f l a s h 里面，然后将前面f r a m 里的内容清空，重新一轮的存 储。直到3 6 0 h 的数据全部存储进入f l a s h 里面去。等3 6 0 h 全部记录完毕后，将 原来的记录全部清空，重新开始记录。 在软件设计的过程中会用到很多的变量以及状态数据，这些状态数据有车 辆的各个信号开关量，车辆的行驶速度，车辆的实时位置，车辆的行驶方向， 车辆的行驶里程数，驾驶员的信息等等。其中用到的一些数据结构如下所示： 变量相关寄存器大小 信号开关量j 1 l s w i t c h 1 b y t e 行驶速度 j u y s p e e d1 b y t e ( 0 m s - - 6 1 1 m s ) 实时位置 j u y l o c f i o n 2 1 b y t e ( 经纬度) 行驶方向 j u y d i r e c t i o n 5 b y t e 0 行驶里程 j u y m i l e s 4 b y t e ( 0 m 9 9 9 9 9 9 9 0 0 m ) 驾驶员信息j u y d r i v e r 18 b y t e ( 18 位身份证号) 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 实时时间j u y t i m e 行驶时间j o y t e n g t h 车辆信息j u y c a r 驾驶员信息记录数据结构 t y p e d e fs t r u c td r i v e r i n f u n s i g n e dc h a rj u y d r i v e r ； u n s i g n e dc h a r 肼c a r ： ) 汽车信息数据结构 t y p e d e f s t r u c tc a r _ i n f u n s i g n e dc h a rj u y c a r ； u n s i g n e dc h a r ； 2 ) g p r s 通信模块设计 6 b y t e ( 秒分时日月年) 4 b y t e ( 连续记录2 4 h ) 8 b y t e ( 车牌号码) 搴驾驶员信息宰 产驾驶车牌号码宰 严车牌号码 a r m 嵌入式开发平台g p r s 扩展采用的是s i m c o m 公司推出的g s m g p r s 双频芯片s i m l 0 0 - e ，它主要是为语音传输，短消息和数据业务提供无线接口。 s i m l 0 0 e 提供标准的r s 2 3 2 串行接口，用户可以使用串行接口通过a t 命令来 完成对模块的操作。当模块上电启动并报出r d y 后，用户才可以和模块进行通 信，用户首先可以使用模块默认速率1 1 5 2 0 0 与模块通信，并可以通过 a t + i p r = 命令自由切换到其它通信速率。在应用设计中，当m c u 需要通 过串口与模块进行通信时，可以只用3 个引脚：t x d ，r x d 和g n d 。其它引脚悬 空，建议r t s 和d t r 置低。本扩展板上采用的是m a x 3 2 3 2 芯片完成g p r s 模 块的t t l 电平到r s 2 3 2 电平的转换，以能和a r m 开发平台的r s 2 3 2 串口连 接 1 3 】。如图“所示为a r m 9 模块对g p r s 模块间的控制框图： a r m 9 模块向g p r s 模块发 送控制命令 人 a r m 9 模块g p r s 模块 一 送反馈信息 图4 4 删9 & g p r s 的应用系统结构框图 g p r s 模块和应用系统是通过串口连接的，控制系统可以发给g p r s 模块 a t 命令的字符串来控制其行为。g p r s 模块具有一套标准的a t 命令集，包括一 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 般命令，呼叫控制命令网络服务命令，电话本命令。用户可以直接将扩展板和 计算机串口相连，打开超级终端并正确设置端口和参数：波特率1 1 5 2 0 0 ，数据 位为8 ，关闭奇偶校验，数据流控制采用硬件方式，停止位为1 然后可以在超级 终端里面输入a t 命令并按回车键，即可看到g p r s 模块回显一个“a t 【1 4 1 ； 在g p r s 模块的主函数中主要是实现对各个输入参数的检测，如a r m 9 串 口波特率的设置，串口通信及其它属性的设置，从而使得删9 和g p r s 模块 可以保持正常通信。 3 ) 键盘驱动模块设计 键盘及l c d 显示是与用户的交互窗口，用户可以在行驶仪的l c d 显示屏上 的各种选择菜单上进行条目选择。在l i n u x 操作系统中，l i n u x 对于一个硬件的 进行驱动，一般是可以有两种方式来进行的，第一种方法是以模块的方式来进 行编译，然后编译生成0 的文件。而第二种方法就是直接加载到内核代码中去， 当内核启动的时候就会驱动此硬件设备。当应用程序需要时再加载到内核空间 运行。对于一个设备，它可以在d e v 下面存在一个对应的逻辑设备节点，这个节 点以文件的形式存在，但它不是普通意义上的文件，它是设备文件，也就是设 备节点，这个节点是通过m _ k n o d 命令建立的，其中指定了主设备号和次设备号， 设备号最主要的作用就是声明相对应设备所使用的驱动程序。设备号和相应的 驱动程序是一一对应的，当打开一个设置文件的时候，系统就知道这个设备所 对应的驱动程序了【l 引。 下面介绍一下用户从终端按键这一过程是如何工作的。 首先，当输入一个键盘值的时候，键盘将会发送相应的s c a n c o d e s 给键盘驱 动。一个独立的按键可以产生一个s c a n c o d e s 的队列。键盘驱动中的 h a n d l e函数解析流并通过函数里的转换表s c a n c o d e os c a n c o d e s k d b t r a n s l a t e ( ) ( t r a n s l a t i o n t a b l e ) 将按键事件和释放事件o 【e yr e l e a s ee v e n t s ) 转换成连续的 k e y c o d e 。然后，这些k e y c o d e 通过对k e y m a p 的查询被转换成相应的k e y 符号。 这一步是一个相当复杂的过程。当以上操作完成之后，获得的字符将被送入 r a w t t y 队列，即t t y _ f l i p _ b u f f e r 。r e c e i v e b u f o 函数周期性地从t t y _ f l i p _ b u f f e r 中获 取字符，然后把这些字符送入t t yr e a d 队列。 当用户进程需要得到用户的输入的时候，它会在进程的标准输入( s t d i n ) 调用 r e a d o i 函数s y s _ _ r e a d o i 函数调用定义在相应的t t y 设备( 如d e v t t y o ) 的f i l e _ o p e r a t i o n s 结构中指向t t y 的数来读取字符并且返回给用户进程【1 6 】。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 4 3 嵌入式操作系统的选择 从2 0 世纪末开始，市场上逐渐出现了许多嵌入式操作系统，其中v x w o r k s ， w i n d o wc e 和n e c u l e u s 最为广泛应用。但以上这些操作系统有个共有的问题就 是它们都是商业化产品，其高昂的价格使许多低端产品的小公司望而却步，并 且其源代码的封闭性也大大地限制了开发者的积极性。另一方面l i n u x 对厂商不 偏不倚，并且成本很低，因此很快成为了用于各种设备的操作系统。 嵌入式l i n u x 的发展比较迅速，n e c ，s o n y 已经在销售个人视频录像机等基 于l i n u x 的消费类电子产品。 与u n i x 相比较而言，l i n u x 无论是在安装，还是在管理方面都显得更加地 简单，灵活，这对于许多有深厚u n i x 开发经验的用户而言，是一个很大的优 势，因为l i n u x 中的很多命令和编程所用的函数调用接口和传统的u n i x 都是一 样的，但是对于熟悉w i n d o w s 操作系统的用户来说，却需要一个漫长的适应其 大量命令行参数的过程【1 。7 1 。 在本次的系统设计中，汽车行驶过程中有大量需要处理的数据，以及比较复 杂的传输机制，和通信方式，用l i n u x 的嵌入式操作系统来解决这个问题显然比 较理想。 4 4 嵌入式l i n u x 开发流程 在一个嵌入式的系统平台之下进行l i n u x 的应用程序的开发，一般根据不同 的需要会有不同的配置方式，但总的说来有以下几个步骤来进行开发： 1 建立开发环境 最常用的操作系统一般来说是红帽公司出品的r e a h a t l i n u x ，使用的版本从 7 到9 都可以，也比较稳定，选择定制安装或是全部安装，也可以通过网络下载 相应的g c c 交叉编译器来进行安装( 如a 肌一l i n u x g c c ) 。 2 配置开发