（通信与信息系统专业论文）汽车行驶记录仪的研制.pdf

南京航空航天大学硕士学位论文 摘要 汽车行驶记录仪记录、存储、显示和打印车辆运行速度、时间、里程以 及其它车辆运行状态信息，能够提醒、督促驾驶员安全驾驶，对保障车辆行 驶安全具有十分重要的作用。研制汽车行驶记录仪具有重大的现实意义。 本文研制了汽车行驶记录仪系统。该系统集数据记录存储、数据采集、 数据统计分析为一体，包括汽车行驶记录仪、手持式采集器和装有数据分析 软件的计算机三部分。论文首先简要叙述了汽车行驶记录仪的研制背景、性 能要求以及系统构成；然后详细介绍了汽车行驶记录仪的硬件结构和软件设 计；接着论文对两种不同性能的手持式采集器进行了描述：此外，论文还讨 论了计算机数据分析软件的结构模块、功能实现和界面设计；最后论文对研 制工作进行了总结，呈现了研制成果，并对产品进行了改进，提出系统升级 的进一步设想。 通过项目的研制，使作者加深了对专业理论知识的理解，锻炼了解决实 际问题的能力，为作者今后从事研发工作积累了宝贵经验。 关键词：单片机、a r m 、汽车行驶记录仪、手持式采集器、数据分析软件 壅圭堑塾望茎堡堕婴型 一一一一 a b s t r a c t av e h i c l et r a v e l i n gd a t ar e c o r d e rc a l lb eu s e dt or e c o r da n ds t o r et h e i n f o r m a t i o no fv e h i c l e s ，s u c ha sv e l o c i t y , t i m e ，d i s t a n c e ，e t c ，i tc a d _ a l s od i s p l a y a n d p r i n tt h ed a t a s t o r e d t h ev e h i c l et r a v e l i n gd a t ar e c o r d e rr e m i n d sd r i v e r so f s a f ed r i v e ，a n di ti so fg r e a ti m p o r t a n c ei ne n s u r i n gt h es a f e t yo ft h ev e h i c l e t r a v e l i n g t h e r e f o r e ，i ti sn e c e s s a r y t od e v e l o pt h i sp r o d u c t i nt h i sp a p e r , av e h i c l et r a v e l i n gd a t ar e c o r d e rs y s t e mi si n t r o d u c e d t h e s y s t e mi n c l u d e sav e h i c l et r a v e l i n gd a t ar e c o r d e r , ad a t a - c o l l e c t i n gd e v i c ea n d a c o m p u t e ri n s t a l l i n gd a t a - a n a l y s i s i n gs o f t w a r e f i r s to fa l l ，ab r i e fd e s c r i p t i o n o ft h es t r u c t u r eo ft h es y s t e mi sm a d e s e c o n d ，t h ea u t h o rd i s c u s s e st h ev e h i c l e t r a v e l i n gd a t ar e c o r d e ri n c l u d i n gt h e h a r d w a r ea n dt h es o f t w a r e t h e na r e d e s c r i b e dt h ed e s i g no ft h ed a t a - c o l l e c t i n gd e v i c ea n dt h ed a t a - a n a l y s i s i n g s o f t w a r e t h ep a p e re n d s 、i t i las u m u po ft h er e s e a r c hw o r ka n df lf u r t h e r c o n c e p t i o no f t h es y s t e m k e yw o r d s ：m c u 、a r m 、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 、d a t a c o l l e c t i n g d e v i c e 、d a t a a n a l y s i s i n gs o r w a r e 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容 外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本 论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 作者签名：堡兰生 日 期：丝堕聋! 旦兰9 壹室堕窒堕墨查堂婴主堂堕笙苎一 绪论 汽车行驶记录仪( 简称记录仪) ，是安装在车辆上能够记录、存储、显示和 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p 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旧 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。在我国目前，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 家制定出汽车行驶记录仪的国家标准0 b 厂r 1 9 0 5 6 2 0 0 3 ，并己于2 0 0 3 年9 月l 臼开始实施。 汽车行驶记录仪的使用，对遏制疲劳驾驶、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。所以，研制汽车行驶记录仪具有很重要的现实意义。 本文所研制的汽车行驶记录仪，以国标g b t 1 9 0 5 6 - - 2 0 0 3 为基本要求。研 制时采纳了用户的许多意见和建议，因此在满足国标的基础上，还对功能进行 了扩充，从而功能更强大，更能满足用户的需求。 产品的研制工作包括三部分：汽车行驶记录仪、手持式采集器和计算机( 上 位机) 数据分析软件。这三部分构成一个完整系统。记录仪安装在汽车上，记 录、存储车辆行驶状态数据；采集器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，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；第二章讨论记 录仪的硬件结构，其中对主要器件的功能和使用方法进行详细的描述；第三章 是记录仪的软件设计，讨论了记录仪软件的流程以及各个软件模块的功能和实 现方案；第四章对采集器的硬件和软件进行描述，分别设计了两种不同性能的 采集器；第五章分析了上位机数据分析软件的结构和功能；第六章对研制工作 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。 塑主堡墼望茎堡堕里! 型一 第一章汽车行驶记录仪概述 1 1 汽车行驶记录仪研制背景 1 1 1 汽车行驶记录仪发展概况 汽车行驶记录仪制造和应用的发源地在欧洲。1 9 3 4 年，德国发明了世界上 第一台纸盘式行驶记录仪。1 9 7 0 年起，欧洲的德国等6 个国家强制推行行驶汜 录仪。而在美国、巴西等国，商用车若没有安装行驶记录仪则不可以使用公共 道路。欧美国家使用行驶记录仪后，交通事故显著下降。 随着我国国民经济的快速发展，我国道路交通事故也呈上升趋势，尤其是 长途客运车辆的重、特大道路交通事故增多，带来了巨大的经济损失。为此， 国家质量监督检验检疫总局于2 0 0 3 年4 月1 5 日正式发布了汽车行驶记录仪的 国家标准g b 厂r 1 9 0 5 6 2 0 0 3 ，并已于2 0 0 3 年9 月1 日开始实施。 1 1 2 研制汽车行驶记录仪的现实意义 汽车行驶记录仪能够为驾驶员提供其驾驶活动的反馈信息，为道路运输企 业提供良好的管理工具。它的使用对保障道路交通安全起到直接的作用，可以 产生显著的社会效益和经济效益。 首先，汽车行驶记录仪在车辆超速或超时行驶时能发出报警声，督促司机 安全行车。而且，司机保持车辆中速行驶，对延长车辆使用寿命、节约燃料、 减轻耗损都起到重要的作用，可减少企业经营成本。 其次，汽车行驶记录仪能真实、准确反映车辆运行中的实际状况，记录相 关的数据a 其存储的数据可作为企业加强对车辆的使用、运行、调度的科学管 理的依据。 另外，汽车行驶记录仪记录的数据，对交通事故的原因和责任分析，也有 一定的作用。 正因为此，研制汽车行驶记录仪具有重大的现实意义。 壹塞堕窒堕丕奎兰堡主兰焦兰苎一 1 2 性能要求 1 2 1 记录仪性能要求 一电气性能 国标规定，记录仪的主电源应为车辆电源。记录仪必须具备以下几方面的 性能： 1 电源电压适应性 在按表1 1 给出的电源电压波动范围进行电压适应性试验时，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。 表1 1 电气性能试验参数( 单位：伏特) 电源电压极性反接 标称电源电压过电压 波动范围试验电压 1 29 1 61 4 o 12 4 2 41 8 3 22 8 4 - 0 23 6 3 62 7 4 84 2 4 - 0 25 4 2 耐电源极性反接性能 在表1 1 规定的标称电源电压极性反接试验下，记录仪应能承受1 分钟的极性 反接试验，除熔断器外( 允许更换烧坏的熔断器) 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、数据通信等各项功能均应正常。 3 耐电源过电压性能 在表1 1 规定的过电压下，记录仪应能承受1 分钟的电源过电压试验。试验 后记录仪的数据记录、显示、打印输出、数据通信等各项功能均应正常。 4 断电保护性能 记录仪断电，自动进入保护状态，断电前存储的数据至少经过1 5 天不丢失。 二功能 1 自检功能 记录仪在通电开始工作时，应首先进行自检，自检正常后应指示工作正常， 如有故障则指示故障信息。 2 实时时间、同期及驾驶时间的采集、记录、存储功能 壅主堑墼望茎垡堕堡型 ( 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 d 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。 ( 2 ) 记录仪应能对连续驾驶时间进行记录。 ( 3 ) 连续记录2 4 小时数据，记录时间允许误差在5 秒以内。 3 车辆行驶速度的测量、记录、存储功能 ( 1 ) 事故疑点数据 记录仪应能以不大于o 2 秒的时间间隔持续记录并存储停车前2 0 秒实时时 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 ( 千米川、时) ，测量范围为o k m h 2 2 0 k m h ，测量分 辨率等于或优于1 k n l 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1 分钟的时间间隔持续记录并存储车辆在最近3 6 0 小 时内的行驶状态数据，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。 4 车辆行驶里程的测量、记录、存储功能 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 。 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。 。 6 数据显示功能 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 童室堕窒鉴丕奎堂堕主堂焦堡茎 码；通过操作按键应能实现如下显示： ( 1 ) 最近1 5 分钟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 小时的所有数据记录； ( 3 ) 车辆特征系数。 7 数据打印输出功能 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) 。 8 数据通信功能 记录仪应同时配置两种标准接口：u s b ( 通用串行总线) 标准接口和标准 r s 2 3 2 c d 型9 针接口。 ( 1 ) 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。 ( 2 ) 上载信息 记录仪应能通过通信接口，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。 9 附加功能 本文所研制的记录仪除了满足国标规定的功能外，还在以下几个方面作了 扩充： ( 1 ) 超速、超时报警 庀录仪对车辆速度随时监控，当发现车辆行驶速度超过设定上限时，发出 警告声，提醒司机减速慢行。超速上限值默认值为1 2 0k m h ，且可从上位机下 传。 4 记录仪记录同一驾驶员连续驾驶的时间。当同一驾驶员连续驾驶时间超过 设定上限时，记录仪发出警告声，提醒司机不得超时驾驶。超时上限值默认值 皇兰堑墼塑墨堡堕塑型 为国标规定的3 小时，且可从上位机下传，但数值不得大于3 小时。 ( 2 ) 记录开关量数据 记录仪以1 秒的时间间隔扫描开关量，当开关量中的某一路或几路发生变 化时，记录下当时的时间和所有开关量的瞬时状态，存储最近4 0 0 0 条开关量记 录。 ( 3 ) 记录驾驶员驾驶记录 某一驾驶员的驾驶记录包括该驾驶员的驾驶证号码及其驾驶浚车辆的开始 时间( 插入i c 卡的实时时间) 和结束时间( 拔出i c 卡的实时时间) ，存储最近 3 0 0 条驾驶记录。 1 2 2 数据分析软件性能要求 国标对记录仪上位机数据分析软件作了明确的规定。但因为本文所研制的 记录仪所记录的数据在国标的基础上有所扩充，相应地，数据分析软件的性能 也必须进行扩充。综合以后，对数据分析软件的具体性能要求如下： 1 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。 2 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、 操作权限管理筹功能。 3 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 内容及记录格式应符合前述对事故疑点数据的要求，曲线图的横坐标为实 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， 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 内容及记录格式应符合前述对一般行驶速度记录的要求，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，蓝线图上同时还应 包含车牌号码、车牌分类、驾驶证号码等内容。 ( 3 ) 开关量记录曲线图 内容及记录格式应符合前述对开关量记录的要求，其横坐标为实时时间及 日期，纵坐标为与实时时间对应的开关量状态。 ( 4 ) 数据列表 南京航空航天大学硕士学位论文 列表应包含如下内容：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、开关量状态数据、车牌号码和驾驶证号码。 1 3 汽车行驶记录仪系统 本文设计的是一个集数据记录存储、数据采集、数据统计分析为一体的完 整系统。该系统包括三部分：汽车行驶记录仪、手持式采集器和装有数据分析 软件的计算机，系统结构如图1 1 所示。 图1 1 系统结构示意图 汽车行驶记录仪实时记录汽车行驶过程中的各种状态数据，除了在自身显 示器上显示部分数据外，还能通过打印机打印相关数据，而更大量的数据是通 过通信口( r s 2 3 2 口和u s b 口) 上载给手持式采集器，经采集器传输到计算机， 由计算机处理。记录仪自身也可以通过通信口直接与计算机通信，与计算机进 行数据交换。 手持采集器在记录仪和计算机之间起着桥梁作用，它可将数据从记录仪读 出，再传给计算机。采集器共有两种，一种是串口采集器，使用r s 2 3 2 口通信； 另一种是u s b 口采集器，使用u s b 口通信。串口采集器能够对记录仪下传数据， 对其进行校时。 计算机( 上位机) 安装有数据分析软件，能够接收采集器的数据，并进行存 储、处理，最终以图表的形式显示或打印输出。 汽车行驶记录仪的研制 第二章汽车行驶记录仪硬件设计 汽车行驶记录仪的硬件结构分为三个部分：电源和信号采集模块、数据处 理模块和人机接口模块。图2 1 表示各部分之间的关系。 圈2 1 记录仪硬件结构示意图 电源和信号采集模块为调理电路，对电源和信号分别进行抗干扰处理，以 保证在强干扰情况下电源的稳定和信号的正确；数据处理模块由单片机控制， 对输入信号进行处理，包括数据存储器、实时时钟( r t c ) 和i c 卡读取电路等， 能够记录汽车的行驶速度、时间、里程和驾驶员身份等信息；人机接口模块实 现键盘输入和数据输出，包括键盘、l e d 显示器、r s 2 3 2 通信口和u s b 通信口。 2 i 电源和信号采集模块 2 i i 电磁兼容陛( e m c ) 一 电气电子设备在正常运行时向外发射电磁能量，有可能对其它设备产生不 塑室堕皇堕鲞查兰堕主兰垡笙兰 良影响，即电磁干扰。汽车行驶记录仪安装在汽车上，周围有许多其它的装置 和设备，因此必然要考虑记录仪和其他设备之间的电磁干扰。如何使处于同一 电磁环境下的各种电气电子设备能够正常工作而又互不干扰，这正是电磁兼容 性学科研究的主要内容。 电磁兼容性( e m c ) 是指设备或系统在其电磁环境中符合要求运行，并且 不对其环境中的其它设备产生无法忍受的电磁干扰的能力。它包括电磁干扰 ( e m i ) 和电磁敏感性( e m s ) 两个方面，即：一方面，设备在正常运行过程中 对所在环境产生的电磁干扰不能超过定的限值；另一方面，设备对所在环境 中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度。简单地说，就是设备既能抵抗来自 外界的电磁干扰，自身又不对其它设备产生电磁干扰。对于汽车行驶记录仪而 言，其自身对外界产生的干扰很微弱，而且记录仪的金属外壳还对整个记录仪 进行屏蔽，从而很好地防止了记录仪对其它设备产生电磁干扰。所以我们着重 考虑的是如何抵制外界对它的电磁干扰。 从电磁兼容性角度研究电磁干扰，主要包括三个因素：干扰接受器、干扰 传输途径和干扰源。 干扰接受器，就是被干扰的对象，本文就是汽车行驶记录仪。 对记录仪产生电磁干扰的干扰源，主要是汽车点火产生的电磁干扰。其最 主要的干扰因素是点火时产生的电流的突变和电弧。点火时产生波形前沿陡峭 的火花电流脉冲群和电弧，火花电流峰值可达几千安培，并且带有振荡性质， 振荡频率为2 0 k h 驴l m h z 。 点火系统对记录仪的干扰，通过两种方式传输到记录仪：空间辐射和导线 传导。前者是点火过程中，高达1 0 k v 2 0 k v 的放电电压产生的强大的空间电磁 干扰。后者是指干扰分别通过电源线和信号线传导至记录仪。电源线传导是由 于点火系统和记录仪共用一个电源，点火线圈在放电时会在记录仪的电源线上 产生尖峰脉冲，导致输入到记录仪的电压产生大幅度波动，使记录仪不能正常 工作。同样，在信号线上也形成串扰，使记录仪产生误判，从而得出不正确的 数据。 针对点火系统对记录仪产生的干扰，记录仪在硬件上采取了一系列行之有 效的抗干扰措施。一般而言，屏蔽、接地、隔离和滤波是几项比较常用的干扰 抑制技术。屏蔽主要用于切断通过空间辐射的干扰传输途径；接地除了提供设 备运行所必需的信号参考地，将设备与大地相连还能提高设备系统工作的稳定 汽车行驶记录仪的研制 性，有效的抑制干扰；隔离可以从物理上切断两个电路的地环路，从而在传递 信号的同时起到抑制干扰的作用；滤波技术主要用来抑制沿导线传输的传导干 扰，是提高设备抗传导干扰能力的主要措施。 记录仪采用金属外壳，这样能够很好的对其自身起到屏蔽作用，并将金属 外壳有效接地，从而可以更好地防止来自空间的电磁干扰。另外，在记录仪内 部的电路板上，也很好地利用了接地技术来提高设备的稳定性和抗干扰能力。 但试验证明，仅靠屏蔽和接地，还不能保证记录仪能够完全抵制外界的点 火干扰。所以，还必须在电源和信号部分利用滤波、隔离等技术进行抗干扰处 理，消除电源线和信号线上的串扰。 2 1 2 电源抗干扰处理 由于点火系统和记录仪共用一个电源，点火线圈在放电时会在记录仪的电 源线上产生尖峰脉冲，导致输入到记录仪的电压产生大幅度波动。为了抑制这 种通过电源线传输的传导干扰，对输入到记录仪的电源进行了滤波等抗干扰处 理后。这样，由于输入至d c d c 的电源电压始终保持稳定，波动幅度很小，就 可以保证d c - d c 输出电压的稳定。即使外界的干扰很强，也不会影响记录仪内 部的正常工作。 2 1 ，2 1 电源滤波器原理 作为电源滤波器，应考虑共模干扰和差模干扰的滤波。共模干扰是指两根 电源线感应同样幅度及相位的干扰；差模干扰是指两根电源线所感应的干扰幅 度大体相等，但相位相差1 8 0 。 最基本的共模滤波器如图2 2 所示，在两根电源线上均串接电感线圈，并分 别接电容至大地。而最基本的差模滤波器如图2 _ 3 所示，是在电感线圈之前，在 两根电源线之前跨接电容，这样差模干扰干扰电流将通过电容流回电源线而不 进入电子设备。 在实际应用中，由于差模干扰和共模干扰往往同时存在，因此将上述两种 滤波器结合起来，并将电感线圈绕成共模电感线圈，就构成了单级电源滤波器。 采用共模电感线圈，可以允许大的电流通过而线圈不致饱和，因此线圈的体积 可以做得比较小。而跨接于两只线圈之间的电容又可以对差模干扰进行滤波。 壹室堕窒堕丞奎兰堡主堂堡鲨茎 电源币 大地 电源负 图2 2 最基本的共模电源滤波器 图2 3 最基本的差模电源滤波器 2 1 2 - 2 滤波器实际应用 记录仪所需电源从外部输入，电压为1 2 伏或2 4 伏。采用输入范围比较宽 的d c d c ，通过该电源模块将输入电源转换成5 伏直流电源，提供给内部电路。 外部电源( 1 2 伏或2 4 伏) 进入记录仪后，首先经过熔断器。记录仪内部在 熔断器之后，在正、负电源线之前反接了一个二极管。这样，如果按照正确的 电源极性连接电源，记录仪能够正常工作：反之，如果极性接反，二极管导通， 将会有大电流通过，而此时熔断器将会自动断开，保护记录仪完好无恙。 如图2 4 所示，电源经过熔断器后，从d y + 和d y - 接入。d y + 接电源正极， d y - 接电源负极。在进入到d c d c 之前，共经过三级滤波：单级电源滤波器i 、 单级电源滤波器i i 和n 型滤波器。 图中单级电源滤波器i 和单级电源滤波器1 i 正是前文所叙述的单级电源滤 波器。这两者的区别，仅在于共摸电感线圈所绕圈数不同，用于滤除不同频率 的干扰。n 型滤波器，属于l 、c 构成的低通滤波器，能够滤除高频干扰。经过 这三级滤波，到达d c d c 的电源信号已经比较平稳，波动幅度很小。从d c d c 汽车行驶记录仪的研制 输出的v c c ， 0 y + i ) y 一 2 1 3 信号抗千扰处理 图2 4 电源抗干扰处理示意图 记录仪记录汽车运行的两类状态信息，记录时从信号线读取汽车的这两种 信号：来自速度传感器的脉冲和包括制动信号在内的开关量。 速度传感器与汽车车轮转动装置相连，在车轮转动时产生脉冲，通过信号 线传递给记录仪。记录仪记录速度传感器的脉冲，计算出速度和里程数。如果 外界的电磁干扰在信号线上形成串扰，记录仪将会对脉冲误判。计算出错误的 速度和里程。因此，必须采取措施抑制信号上的传导干扰，严格保证记录仪收 到准确无误的脉冲。 开关量信号根据需要，来自汽车的不同部位，也通过信号线传递给记录仪。 同样，也必须采取措施抑制其信号线上的串扰。 2 i 3 i 脉冲信号抗干扰处理 记录仪对信号线传送过来的脉冲进行计数，如果是由于传导干扰而引起信 号线上电平的变化，也被记录仪误认为是有效的脉冲信号而记录下来，形成错 误的汽车运行记录。 为了抑制信号线上的传导干扰，对信号线进行了一系列抗干扰处理，如图 2 5 所示。 图2 5 脉冲信号抗干扰处理示意图 脉冲信号进入记录仪后，首先经过光耦，由光耦将外部和内部电路隔离。 在两电路间采用光耦，通常是切断两电路单元间地环路的最有效的方法。 连接方法见图2 6 。在结构上，光祸的内部封装有一个发光二极管和一个光敏三 南京航空航天大学硕士学位论文 极管。当电路l 的信号电流通过发光二极管后，发光二极管的发光强弱随通过 它的电流变化，这样就把电路1 的信号电流变成强弱不同的光信号。再由光电 三极管把强弱不同的光转化成相应的电流，从而实现了电路间的信号传输。光 耦可把两电路间的地环路完全隔断，有效的抑制地线干扰。尽管由于光耦中电 流与发光强度的线形关系较差，传输模拟信号时会产生较的失真，但对于数字 信号传输非常适用。另外，使用光耦时，电路1 和电路2 必须分别供电，以防 止电源馈线在同一电源中构成新的干扰耦合途径。 图2 6 采用光耦切断两电路间的地环路 光耦对脉冲信号处理后，将其送至有源滤波器，滤除高频干扰信号。有源 滤波器是含有有源器件的滤波网络，其中的有源器件是晶体管和运算放大器。 与利用电感、电容实现滤波功能的无源滤波器相比，有源滤波器省去了体积庞 大的电感元件，便于小型化和集成化。另外有源滤波器还可以获得电压或电流 增益，以补偿滤波网络的衰耗。 信号经过有源滤波器后，再由比较器对其整形。 经过上述三级抗干扰处理后的脉冲信号，送至记录仪的c p u 。 2 1 3 2 开关曩信号抗干扰处理 与脉冲信号一样，对开关量信号也要进行抗干扰处理。但由于记录仪对开 关量信号的读取方式不同于脉冲信号， 对开光量信号是每秒读取一次，高频干 扰不会引起误判，所以相应的抗干扰措施相对简单。各路开关量信号进入记录 仪后，分别经过光耦，由光耦将外部电路和内部电路隔离后输出，供c p u 读取。 2 2 数据处理模块 数据处理模块是记录仪的核心部分，对输入数据进行记录、保存，并响应 键盘的操作，将数据送至数据输出接口，以显示、打印或通过通信口上载。数 据处理模块包括：c p u 、数据存储器、实时时钟、i c 卡读取电路等。 记录仪采用5 1 系列单片机作c p u 。记录仪选用的p 8 9 c 6 6 8 单片机内带6 4 k 塑主i 王墼里茎垡堕堕塑 f l a s h ，可省去外接程序存储器；两个外部数据存储器，分别为并行铁电数据 存储器f m l 8 0 8 和串行1 2 c 接口e 2 p r o m a t 2 4 c 1 0 2 4 ；实时时钟( r t c ) r x 8 0 2 5 带有1 2 c 接口，其内部集成3 2 7 6 8 k h z 晶振，使用简单方便；i c 卡芯片a t 2 4 c 0 2 也带有1 2 c 接口，用于对驾驶员进行身份识别。 2 2 1c p u p 8 9 c 6 6 8 是p h i l i p s 公司设计生产的8 位8 0 c 5 1 单片机，内部包括4 个8 位f o 口，3 个1 6 位定时计数器，8 个中断源，4 个中断优先级和全双工增强型 u a r t 。该单片机在6 个时钟周期内执行一条指令，是传统8 0 c 5 1 的两倍，也可 选择为传统的1 2 个时钟周期。在每个机器周期6 个时钟周期下，速度可高达2 0 m h z ( 相当于传统8 0 c 5 l4 0 mh z 性能) 。另外，该c p u 还具有1 2 c 串行接口， 只使用2 根线就可以和1 2 c 器件实现双向数据传送。 p 8 9 c 6 6 8 内部带有6 4 k 字节f l a s h 存储器，该存储器既可并行编程也可以 串行在系统编程( i s p ) 。在b o o tr o m 中，可通过一个默认的串行下载器 ( u a r t ) 对f l a s h 作i s p 编程。 总之，该款单片机运行速度快，开发比较方便，另外器件价格合适且货源 充足，是一款比较合适的c p u 。 2 2 2 数据存储器 传统的主流半导体存储器可以分为两类：易失性和非易失性。易失性存储 器包括静态存储器s r a m 和动态存储器d r a m 。s r a m 和d r a m 类型的存储 器易于使用、性能好，可是它们在掉电的时候均会失去保存的数据；非易失性 存储器有非易失性静态读写存储器n v s r a m 、可紫外线擦除的可多次编程存储 器e p r o m 、可电擦除的可多次编程存储器e 2 p r o m 和f l a s h 存储器等。非易 失性存储器的基本特点是数据掉电不丢失，且在上电和掉电的过程中数据不会 发生混乱。在需要使用非易失性存储器的场合，经常会选用n v s r a m ，但内部 带有电池的n v s r a m ，其价格和体积往往制约了它在许多领域的应用。 记录仪存储多种数据，包括3 6 0 小时内行驶速度数据、开关量数据、驾驶员 的驾驶记录、疑点数据、2 天内的超时记录、累计里程等。而且在记录仪掉电后， 保存在记录仪内的这些数据不能丢失，因此记录仪内的存储器必须选用非易失 性存储器。但出于内都带电池的n v s r a m ，体积较大，不适合在记录仪中使用。 堕室堕窒堕鲞查堂堡主兰垡笙苎 一 本文采用的方案是铁电存储器和1 2 c 接口的e 2 p r o m 配合使用。这两种存储 器的优点是体积较小且价格合适。e 2 p r o m 读写速度比较慢，不适合频繁读写， 但容量较大，因此在其中存放数据量比较大但读写不是很频繁的数据，包括3 6 0 小时内行驶速度数据、开关量数据和驾驶员的驾驶记录。其余读写比较频繁的 数据比如疑点数据等存放在铁电存储器里。这样既能够缩小记录仪的体积，又 兼顾了硬件成本，且使用也很方便。 2 2 2 1 铁电存储器 一铁电存储器概述 铁电存储器( f r a m ) 是由r a m t r o n 公司发明的种新型非易失性存储 器，它兼容r a m 的一切功能，却又与传统的存储器有所不同。f r a m 采用铁电 晶体本身固有的双稳性和c m o s 技术生产。其工作原理是：当把电场加到铁电 晶体材料两端时，晶体中的中心原子会沿着电场方向运动，并达到稳定状态。 晶体中的中心原子只有两种稳定状态，这两种稳定状态分别表示数据的“i ”和 “0 ”。根据电场方向的不同，中心原予必处于两种稳定状态中的一种，这即是 存储单元的状态。中心原子在常温、没有电场的情况下，能保持此状态1 0 0 年 以上，因此铁电存储器可以在断电情况下保存数据，实现非易失性存储。 f r a m 不是用电荷来存储数据，两是工作在极化状态，故在写入数据后无 须等待，读写速度快。f r a m 的读写寿命长，而且即使f r a m 达到其读写次数， f r a m 也不会损坏，只是没有非易失功能，仍可当作一般r a m 使用。由于不须 内置电池，f r a m 体积较小，厚度与一般r a m 相当，而且价格比n v r a m 便 宜a 另外，f r a m 采用c m o s 和极化存储技术，功耗很低。 二f m l 8 0 8 f m l 8 0 8 是基于铁电存储器原理制造的并行接1 2 12 5 6 k bf r a m ，可组成3 2 k 8 b 结构，即存储容量为3 2 k 字节。 与所有的f r a m 一样，f m l 8 0 8 具有极高的读写寿命。尽管与其它类型的存 储器相比，要高很多，但其读写寿命毕竟是有限的。对f m l 8 0 8 访问次数的增加 会造成搡作出错概率的增加，在读写次数达到1 0 0 亿次以后，写入其中的数据在 掉电后就可能会丢失，只能当作普通r a m 使用。对f m l 8 0 8 的工作原理及内部结 构了解之后，在使用时可根据其结构特点合理使用存储单元，延长其读写寿命。 铁电存储器的特殊性在于每一次的读操作都会破坏原有的数据，因此必须 汽车行驶记录仪的研制 在完成读操作后再执行一个回写过程，这样，每执行一次读操作，同样会减少 一次读写寿命。为了最大限度地增加存储器的使用寿命，同时又不妨碍用户使 用的灵活性，f r a m 使用独特存储器组织。 f m l 8 0 8 的3 2 k 字节的存储器阵列分成3 2 块，每块i k 字节，这1 k 字节分为2 5 6 行、4 y d 。每访问一行，就减少一次读写寿命。为了延长存储器的读写寿命，应 尽量将有关联的数据放在同一行或同一块中。除此之外，还可以根据数据读写 的频繁程度，将数据保存在不同的区域中以进行读写操作，例如对一些关键的 数据如车辆特征系数等，可以放在一个访问次数较少的区域中，而将变化频繁 且不需要长久保存的l | 缶时数据放在单独的区域中，这样既可保证系统关键数据 存储的安全性，又可保证非安全区存储器的实际擦写次数大于1 0 0 亿次，从而延 长铁电存储器的实际使用寿命。 f m l 8 0 8 的引脚与并行s r a m6 2 2 5 6 完全兼容。但在读写时序上，两者并不 完全一样。f r a m 与s r a m 的访问时序如图2 7 所示。 v a 阳s t r o go l , c e 琵n厂 s i g n a l i n g _ ( 互) ( 互i_ ! ! 卜叫! 卜 、 m 二! 二卜 二j 琵弋厂 。渊s 二 二汇二二二二二卜 、 二 = j 二 c 二互二) _ 图2 7 f r a m 与s r a l | 的访问时序对比 由图2 7 可以看出，两者读写时序的不同之处主要有两点： 1 一般存储器是在片选信号( c e ) 低电平时地址有效，但铁电存储器是在 片选信号下降沿时锁存地址。所以在片选信号下降沿时，地址信号必须稳定。 2 在两个读写操作之间，片选信号必须保持低电平至少7 0 n s ，然后保持至 少6 0 n s 的高电平。 由于f m l 8 0 8 的每一次访问都必须保i i e c e 由高到低的跃变，在应用设计时 必须改变c e 的选通方式，以保证在时序上满足访问f m l 8 0 8 的需要。 6 塑塞堕窒鉴丕盔堂堡主兰堡堡茎 2 2 2 21 2 c 总线规范 一1 2 c 总线概述 i = c 总线是p h i l i p s 公司开发出的一种简单的两线双向的总线接口协议。它 只要求两条总线线路：一条串行数据线( s d a ) 和一条串行时钟线( s c l ) 。串 行的8 位双向数据传输位速率在标准模式下可达1 0 0 k b i t s ，快速模式下可达 4 0 0 k b i t s ，高速模式下可达3 4 m b i t s 。 二1 2 c 器件地址 i = c 器件把1 2 c 协议植入器件的i o 口，使用时器件直接挂在1 2 c 总线上。 总线上的器件，都可以作为一个发送器或接受器，而且器件在执行数据时均可 以被看作是主机或从机。任何时刻总线上只有个主机对总线实现控制。主机 初始化总线的数据传输，并产生允许数据传输的时钟信号。相应的，被寻址的 器件就是从机。1 2 c 器件无须片选信号，是否选中由i 2 c 主机发出的从地址决定。 1 2 c 总线的每个器件都有唯一的识别地址，器件的地址由1 2 c 总线委员会统 一编制，在器件出厂时已经设定。从机地址由一个固定和一个可编程的部分构 成。由于很可能在一个系统中有几个同样的器件，从机地址的可编程部分使最 大数量的这些器件可以连接到i = c 总线上。器件可编程地址位的数量由它可使用 的管脚决定。 三r c 总线时序 1 2 c 总线使用的串行数据线串行时钟线都是双向线路，都通过一个电流源或 上拉电阻连接到正的电源电压。当总线空闲时，这两条线路都是高电平。连接 到总线的器件输出级必须是漏极开路或集电极开路才能执行线与的功能。 s d a 线上的数据必须在s c l 的高电平周期保持稳定。数据线的高或低电平 状态只有在s c l 线的时钟信号是低电平时才能改变。在s c l 线是高电平时，s d a 线从高电平向低电平切换表示起始条件，从低电平向高电平切换表示停止条件。 如图2 8 所示。 圈2 8 起始和停止条什 一 一 姒 姒 塑兰堑些塑茎垡塑里型 1 2 c 总线传输时序如图2 9 所示。主机产生所有的串行时钟和起始以及停止 条件。每次数据传输均由起始条件开始，以一个停止条件或一个重复的起始条 件结束。 叭叫日：) 口口弋f 薄 ；主盏襻寄 ； ； ；甚蛾_ 停控制i n 薹妒讽一剐嵫j _ 删函p 怎起蛐i 州 ” 图2 91 2 c 总线传输时序图 数据传输的每帧数据均为l 字节，首先传输的是数据的最高位，每个字节 后必须跟一个响应位。在起始条件之后，首先发送的是从机地址。从机地址共7 位，和1 位方向位( r 一w ) 共同构成1 2 c 总线器件的寻址字节，如图2 ，1 0 所示。 m 8 bl 舟b 二= 二= = = 二圃 l 。一。一 图2 1 0 起始条件后的第一个字节 被寻址的接受器接受到主机发送的从机地址后，产生一个响应。相关的响 应时钟脉冲由主机产生。在响应的时钟脉冲期间，发送器释放s d a 线( 高) 。 接收器将s d a 线拉低，使它在这个时钟脉冲的高电平期间保持稳定的低电平。 根据数据传输方向的不同，1 2 c 总线上存在两种类型的数据传输： 1 从主机发送器到从机接收器的数据传输。主机发送的第一个字节为从机 地址，后面是数据字节。从机每接收到一个字节返回一个应答位。 2 从从枫发送器到主机接收器的数据传输。第一个字节( 从地址) 由主机 发送，然后从机返回一个应答位。接下来是从机向主机发送的数据字节。主机 每接收个字节返回个应答位，但最后一字节除外。 2 。2 2 31 2 c 串行e 2 p r o m 在记录仪内部，3 6 0 小时内行驶速度数据、开关量数据和驾驶员的驾驶记录 存放于e 2 p r o ma t 2 4 c 1 0 2 4 中。这3 种数据的特点是数据量比较大，但读写频 童室堕至塾丕盔兰堡主兰垡笙苎 率低，适合存放于e 。p r o m 。 一a t 2 4 c 1 0 2 4 概述 a t 2 4 c 1 0 2 4 是i 2 c 串行接口的e 2 p r o m ，体积小，具有1 0 万次的写寿命， 且数据可以保存4 0 年不丢失。存储容量为1 m b ，可组成为1 2 8 k 8 b 结构，即 具有1 2 8 k 字节的存储空间。该芯片的结构允许在同一1 2 c 总线上最多串接2 个 该类型的器件。 二器件地址 根据1 2 c 总线协议，读写a t 2 4 c 1 0 2 4 时，在起始条件之后，必须跟有一个8 位的器件地址。a t 2 4 c 1 0 2 4 的器件地址如图2 1l 所示。 叵匝匹匝匝匾圈 图2 ua t 2 4 c 1 0 2 4 的器件地址 器件地址的高5 位是固定的，特别针对这类器件而设。器件使用a i 这一位， 允许1 2 c 总线上最多串接2 个同类器件。a l 位的值必须与电路中a l 引脚的硬件 连接相一致。 a t 2 4 c 1 0 2 4 共有1 2 8 k 字节存储空间，寻址1 2 8 k 字节数据需1 7 位地址。 图2 1 1 中的第7 位p o ，是这1 7 位地址的最高位。器件地址的第8 位( r w ) 是读写操作选择位，1 代表读，0 代表写。 三写操作 向a t 2 4 c 1 0 2 4 写数据，可以按字节写，也可按页写。 1 按字节写 按字节写a t 2 4 c 1 0 2 4 的时序见图2 1 2 。c p u 按字节写a t 2 4 c 1 0 2 4 时，首先 输出起始条件，然后输出8 位器件地址，其中器件地址的第8 位( r w ) 为0 。 由于寻址a t 2 4 c 1 0 2 4 内1 2 8 k 字节，需要1 7 位的字地址。该1 7 位字地址包括 器件地址中的p o 位和2 字节的字地址。在输出器件地址后，c p u 立即输出2 字 节的字地址。接着，c p u 输出欲写入a t 2 4 c 1 0 2 4 的1 字节数据。在以上过程中， a t 2 4 c 1 0 2 4 每收到1