（系统分析与集成专业论文）嵌入式汽车行驶记录仪.pdf

南京信息工程大学硕士学位论文 摘要 随着交通的迅速发展，汽车已经成为现代社会一种重要的交通工具。 汽车数量的剧增以及各种不安全因素导致了交通事故率居高不下，人们对 汽车的行驶性能和安全性能提出了更高的要求。测量汽车行驶过程中车 速、里程以及有关车辆行驶的其他状态信息，对于分析与评价汽车的动态 性能具有重要的应用价值。因此，汽车行驶记录仪的设计与研究对汽车设 计、开发以及性能评估发挥着重要作用。 本文设计了基于a r m 和l i n u x 的嵌入式汽车行驶记录仪，采用的是 三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 处理器和l i n u x 2 6 1 4 的内核，不但功耗低、性价比 高同时还提高了系统的实时性，功能也得以扩展。论文从硬件设计和软件 实现两大方面进行了深入研究。汽车行驶记录仪主要由主控模块、数据采 集模块、数据存储模块、数据通信模块和人机交互模块组成，首先对记录 仪的各外围模块硬件进行详细的设计，包括电源、时钟、复位电路，存储 系统，u a r t 接口、g p r s 无线通信模块、l c d 液晶显示屏和触摸屏等； 软件部分，实现了引导程序u b o o t 、l i n u x 2 6 1 4 内核在目标板上的移植， 为记录仪编写了底层驱动程序。由于嵌入式g u i 程序设计是实现良好的 人机交互界面的重要途径，因此最后还完成了基于q t 的嵌入式系统的图 形用户界面开发。 在嵌入式技术广泛应用的今天，我国现在应用的汽车行驶记录仪仍然 多是运用8 位或者1 6 位单片机作为处理器，采用汇编语言，结构简单功 能单一。本文正是基于这个目的而设计和研制的。该记录仪作为汽车生产 厂商在投产前重要的测试仪器起到了很大的作用，具有很好的应用前景和 较高的通用性与实用性。 关键词：汽车行驶记录仪，嵌入式系统，a r m ，l i n u x 南京信息工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w 1 廿l 廿l er a p i dd e v e l o p m e n to ft r a n s p o r t a t i o n ，v e h i c l eh a sb e c o m eo n eo f i m p o r t a n tt r a n s p o r t i n gt o o l s ad r a m a t i ci n c r e a s ei nt h en u m b e ro fv e h i c l e s ， w i t hm a n yu n s a f ef a c t o r s h a sl c a dt oah i g ht r 施ca c c i d e n tr a t e p e o p l e r e q u e s tm o r ea b o u to p e r a t ef u n c t i o n s a n ds a f e t yp e r f o r m a n c e 。治6 i c l e t r a v e l i n gd a t ar e c o r d e ri so fg r e a ts i g n i f i c a n c et om e a s u r et h es p e e d 、v e l o c i t y a n dt h eo t h e ri n f o r m a t i o nr e l e v a n ts t a t u sf o rr e s e a r c h i n ga n de s t i m a t i n gt h e d y n a m i cp e r f o r m a n c eo ft h ev e h i c l e i nt h i sp a p e rv e h i c l et r a v e l i n gd a t ar e c o r d e rb a s e do nt h ee m b e d d e d s y s t e ma n dl i n u xi sp r e s e n t e d , w h i c ht a k e sm i c r o p r o c e s s o ro fs a m s u n g s s 3 c 2 410a n dl i n u xo p e r a t i o ns y s t e m ，h a sn o to n l yl o wp o w e rc o n s u m p t i o n , h i g l lp e r f o r m a n c e p r i c er a t i ob u ta l s oi m p r o v e ds y s t e m a t i cr e a l t i m en a t u r e ， a n dt h ef u n c t i o nh a sb e e nm a n a g e dt oe x p a n da n de n r i c h t h ed e t a i l e ds t u d y a n dd e s i g no fb o t ht h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ev e h i c l ei n f o r m a t i o n s y s t e ma r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h i sr e c o r d e ri sm a i n l yc o m p o s e do f c o n t r o lm o d u l e ，d a t e a c q u i s i t i o nm o d u l e ，d a t am e m o r ym o d u l e ，d a t a c o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dm a i l m a c h i n ei n t e r a c t i v em o d u l e s f i r s t l y , t h e h a r d w a r ed e s i g no ft h er e c o r d e r sp e r i p h e r a lm o d u l e si se x p a t i a t e di nd e t a i l s ， i n c l u d i n gp o w e r , c l o c k , r e s e tc i r c u i t , t h em e m o r ys y s t e m ，u 创r ti n t e r f a c e ， g p i 峪w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n sm o d u l e ，l c dd i s p l a y , t o u c h - s c r e e na n ds oo n i ns o f t w a r ed e v e l o p i n gp a r t ，t h i sd e s i g na c h i e v e st r a n s p l a n to f b o o tp r o g r a m u 。b o o t l 1 4a n dl i n u x2 6 1 4k e r n e l e d i t sd e v i c ed r i v e rf o rn l er e c o r d e r b e s i d e s e m b e d d e dg i sa ni m p o r t a n tm e t h o dt or e a l i z et h ei n t e r f a c eo f h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n a tl a s t , t h ep 印e l r e a l i z e dt h ee m b e d d e ds y s t e m s g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c eb a s e do nt h eq t t h ec u r r e n tv e h i c l et r a v e l i n gd a t ar e c o r d e r ，w h i c hm o s t l ya d o p t8b i to r16 b i tm c ua n da s s e m b l y1 a n g u a g ea n ds i m p l es t r u c t u r ea n du n i t a r yf u n c t i o n , i s u s e di no u rc o u n t r y t h i sp a p e ri sp r e c i s e l yd e s i g n e da n dt h ed e v e l o p e db a s e d o nt h i sg o a l a sa ne q u i p m e n 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 rp l a yav e r y i m p o r t a n tr o l ei np r e - p r o d u c t i o nt e s t i n gf o ram o t o rm a n u f a c t u r e i th a st h e v e r yg o o da p p l i c a t i o np r o s p e c t ，t h eh i g hv e r s a t i l i t ya n dt h eu s a b i l i t y k e yw 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 ，e m b e d d e ds y s t e m ，a r m ，l i n u x h 独创性声明 本人声明所呈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。本论文除了文中特别加以标注和致谢的内容外，不包含其 他人或其他机构已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京信息 工程大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。其他同志对本研 究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示谢意。 学位论文作者签名：熏遂堕： 关于论文使用授权的说明 南京信息工程大学、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 杂志社、 中国科学技术信息研究所的中国学位论文全文数据库有权保留本人所 送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文，并通过网络向社会提供信息服务。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅， 可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权南京信息工程大学研究生部办理。 o 公开口保密(年月) ( 保密的学位沦为在解密后应遵守 此协议) 学位论文作者签名：毽送煎 指导教师签名：卫牛心正 签字日期： 0 勿占8 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 近几年来随着中国经济的高速发展，人民生活水平得到了不断的提高，中国汽 车保有量在将来很长的一段时间内将保持迅速上涨的的趋势；同时随着城乡改革发 展的不断深入，交通运输行业迅速发展，高速公路网络不断延伸，驾驶员人数、行 驶车辆以及交通流量都将呈现大幅度增长，这也给人们带来了各种各样新的交通问 题。道路交通事故发生率呈现逐年上升趋判1 1 ，重大、特大恶性事故频繁发生。传 统的交通技术和手段已经不再能够满足经济社会发展的要求。智能交通系统是世界 性交通事业飞速发展的必然选择。汽车行驶记录仪，作为汽车安全性能检测的智能 电子产品正逐渐走进人们的生活，引起了人们的关注。本课题所研究的嵌入式汽车 行驶记录仪通过对汽车出厂前各项技术指标的测量，及时发现汽车所存在的安全隐 患，提高汽车的安全性能，从而保障了汽车在正式投产后以及正常使用中的安全性。 i e e e 定义嵌入式系统为：嵌入式系统是“用于控制、监视或者辅助操作机器和 设备的装置。”嵌入式系统以应用为中心，以计算机技术为基础，能够根据设备要求 进行软硬件裁减，移动性好，可靠性高，功耗低，实时性强，性价比高，支持多任 务应用。本系统中采用基于a r m 9 的3 2 位嵌入式处理器$ 3 c 2 4 1 0 ，操作系统选用 目前使用最为广泛的免费开源嵌入式操作系统l i n u x ，不仅能够很好地解决基于单 片机的记录仪在应用功能扩展和处理速度方面的瓶颈问题，还满足了记录仪容量的 可靠性以及高传输速率的要求，能够更好地为记录仪后期功能的扩展提供可靠的平 台。 国外对记录仪应用最早的是欧盟，主要是用于采集汽车行驶时的状态数据。在 欧盟运输行业中将汽车行驶记录仪叫做t a c h o r g r a p h ，或者v e h i c l ed a t ar e c o r d e r ( 简 称v d r ) ，在法律条例中称为记录装置( r e c o r d i n ge q u i p m e n t ) 2 1 1 3 4 。欧盟共体委员 会( e c ) 第1 3 6 0 2 0 0 2 号条例中将记录装置定义为：设计安装于车辆上的一整套设 备，该设备能够自动或半自动显示、记录和存储有关车辆行驶状态和驾驶员某些工 作时间段的详细活动信息。根据记录仪产品的记录原理和媒介的不同，汽车行驶记 南京信息工程大学硕士学位论文 录仪经历了三个技术发展阶段：机械式纸盘记录仪、电子式纸盘记录仪以及数字式 电子记录仪1 5 1 。 1 。2 国内外研究现状 欧共体早在2 0 世纪7 0 年代就率先推出了机电模拟式汽车行驶记录仪，用于测 量汽车行驶的速度和里程。为了更加普遍地推广汽车行驶记录仪的使用，欧共体以 立法的形式强制安装，成效显著。美国和德国于九十年代初期相继推出了数字式行 驶记录仪，该记录仪性能更加优良、功能更加完善。根据德国、比利时和荷兰几家 公司的统计计算得出，各国的交通事故发生率在使用记录仪后下降了3 7 - 5 2 ， 大大减少了财产损失和人员伤亡情况，取得了明显的经济效益和社会效益。截止时 间到2 0 0 7 年1 月，2 7 个欧盟成员国约1 8 0 0 多万辆商用货运和客运车辆安装使用了 记录仪，是世界上安装使用记录仪数量最多的地区。 美国g m 公司9 0 年代开始便在本公司生产的车辆上安装汽车行驶记录仪。美国 f o r d 公司9 7 年开始安装，后来又为其公司汽车安装了座位安全带的r e s t r a i n i n g 控 制模块和控制安全气囊，通过这些设备可以记录冲撞前5 秒汽车前方和侧面的加速 度、驾驶人员以及乘客的安全气囊启动状况、安全带使用情况等【6 】。在其法律诉讼 及车辆返修等事务中这些记录数据都可以作为可靠的法律依据。 日本丰田和松下成立的联合研发小组已经研制出一种能记录交通事故发生时 汽车行驶数据的记录仪。这种记录仪通过分析所采集到的速度、刹车板、方向盘角 度及油门的情况，从而可以判断得出车辆是否发生了“事故”，并能够将事故发生之 前5 5 秒和之后5 秒之间的各种数据自动保存在磁盘中，甚至还能够自动记录事故发 生前1 0 秒和后5 秒之间的图像数据。开发小组曾在2 0 0 多辆出租车、巴士和货车上 安装汽车“黑匣子”进行试验，实验证实该记录仪所记录的数据都达到了准确的程 度 7 1 。 汽车行驶记录仪的应用研究热潮很快在全世界各地蔓延开来，除了欧盟及其周 边的大多数国家外，美国、日本、韩国、中国、巴西、澳大利亚等几十个国家和地 区己先后立法实施或正积极推广实施。其中日本、韩国等国家对汽车行驶记录仪的 应用已经初步见到了成效【8 1 1 9 。 我国对行驶记录仪的研究稍晚于国外。资料显示，1 9 8 4 年我国开始对行驶记录 2 第一章绪论 仪进行研究，1 9 8 8 年国家计委等部门将汽车黑匣子的研究项目列入国家级重大新产 品试产计划【10 1 。2 0 0 1 年底，公安部和国家安全生产监督管理局共同颁布了公安部、 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。其中明 确规定了如何在长途客车上安装使用汽车行驶记录仪。同时为了更好地降低交通事 故发生率，国家安全生产监督管理局和公安部门共同制定，并通过国务院同意颁布 了 2 0 0 2 年预防道路交通事故工作方案，其中也明确指出要按照汽车行驶记录 仪的国家标准逐步开始全国大范围内的安装汽车行驶记录仪。2 0 0 3 年9 月1 日起 正式实施由国家质量监督检查检疫总局发布的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 ) ( 以下简称“国标”) 。实施对象包括所有的在用车和新车，整 个实施过程将逐步由点到面，分批分时地展开。2 0 0 5 年1 月2 5 日经国家标准化管 理委员会批准，将该标准进行了部分修改，自2 0 0 5 年5 月1 日起正式实施【1 1 】。 到目前为止，全国范围内生产汽车行驶记录仪的企业多达8 0 多家，生产制造的 产品有上百种之多，并且随着技术的改进更是不断有新产品的推出。我国的产品以 数字式的电子设备居多，能够有效准确地进行驾驶员身份验证、实时监测采集车辆 行驶的各种信息数据，同时有的记录仪还具备超速和疲劳驾驶报警功能以及将采集 的数据打印输出等功能。各类产品体积小巧、价格适中、操作相对简单方便无需专 业人员进行修理。 一 但是国内记录仪的市场才初具规模，各种产品在数据传输方式、数据结构和格 式等方面差异较大，这对记录仪的大范围推广使用以及后续的规范管理都极为不利。 并且目前绝大多数产品采用的主处理器还是1 6 位甚至是8 位的单片机，这在很大程 度上限制了记录仪系统功能的完善、接1 2 1 扩展以及实时性能等的提高【1 2 】。 1 3 课题研究的目的和意义 目前在世界各国之中中国是汽车工业发展最快的国家，2 0 0 5 年至2 0 0 9 年中国 汽车年平均增长率高达1 9 ，2 0 0 9 年汽车销售更是达到1 3 4 6 万辆。根据中华人 民共和国2 0 0 9 年国民经济和社会发展统计公报显示表明，2 0 0 9 年年末，我国民 用汽车保有量达到7 6 1 9 万辆( 其中包括低速货车和三轮汽车1 3 3 1 万辆) ，比2 0 0 8 年 末增长1 7 8 ，其中民用轿车保有量增长2 8 6 ，达到3 1 3 6 万辆。另外，2 0 0 9 年全 国生产汽车1 3 7 9 5 万辆，比2 0 0 8 年增长4 8 2 ，其中轿车7 4 8 5 万辆，增长4 8 6 ； 3 南京信息工程大学硕士学位论文 汽车制造业增加值增长2 0 3 ，汽车类零售额增长3 2 3 。表1 是根据中国国家统 计局、德国汽车制造工业协会、日本自工会以及中国汽车工业协会统计得到的2 0 0 9 年8 月中、美、日、德四国汽车的产量比较。由表可见，我国汽车产量与其他国家 相比正以迅猛的速度增长。中国汽车工业协会以及各大研究机构预测在2 0 1 0 年我国 汽车销售增长速度将达到1 0 1 5 ，总量将超过1 5 0 0 万辆。 表l2 0 0 9 年8 月中、美、日、德四国汽车的产量比较( 单位：百万辆) 国2 0 0 9 年7 月2 0 0 9 年1 7 月累计 2 0 0 9 年8 月2 0 0 9 年1 1 8 月累计 别 产量同比增长产量同比增长产量同比增长产量同比增长 由 1 1 3 6 95 1 6 0 7 3 1 3 52 0 7 0 1 1 6 6 5 9 0 8 4 6 1 12 7 1 0 国 美 3 7 2 53 4 9 0 2 6 9 9 25 0 6 0 5 5 4 21 9 4 0 3 2 5 2 9_ 4 7 1 0 国 日 7 4 2 33 1 9 0 4 0 6 3 9- 4 3 2 0 5 7 1 82 5 9 0 4 6 3 5 74 1 5 0 本 德 4 3 0 61 0 5 0 2 8 6 5 4- 2 4 6 0 3 4 2 31 4 2 0 3 2 0 7- 2 3 6 0 国 但是汽车保有量的增多，同时也使得道路情况变得越来越拥堵，交通事故发生 概率呈逐年上升趋势。2 0 0 9 年中国交通事故发生2 3 8 4 万起，受伤人数2 7 5 1 万人， 死亡6 7 万人，而同年美国交通事故死亡人数只有3 4 万人，接近美国的2 倍。影响 交通事故的因素主要有三个：驾驶员的素质、道路交通状况、汽车的行驶性能和安 全性能。而其中汽车的行驶性能和安全性能这一环节较为关键。汽车技术的不断进 步，道路状况条件的不断改善，使得汽车的行驶速度越来越快，所引发的交通事故 给乘驾人员和行人的安全带来了极大的威胁。人们对汽车的行驶性能和安全性能越 来越关注。 本文所研究的基于a r m 9 的汽车行驶记录仪是一种用于测试汽车行驶性能和 安全性能的数字式电子记录仪装置，在汽车出厂之前对车辆的实时速度、加速度、 制动状态、离合、左右转向灯、近远光灯、雾灯、档位等状态数据进行采集，数据 经过采集处理之后，再由g p r s 模块无线网络通讯，完成车辆与检测中心的无线数 据传输，实现远程的实时通讯。将采集的数据与厂商提供的标准值数据进行比较， 及时发现车辆所存在的安全隐患，对行驶中出现的相关缺陷做相应的改进，提高汽 4 第一章绪论 车的行驶性能和安全性能。本课题的系统设计和研究具有实用性和代表性，对于汽 车的行驶性能和安全性能提供有效评估，为汽车厂商提出合理化的改进建议。 1 。4 课题研究的主要内容 本文研究并设计一个以$ 3 c 2 4 1 0 微处理器为核心的汽车行驶记录仪系统。本系 统采用三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 芯片作为微处理器，同时采用代码开放的操作系统 l i n u x 。论文从硬件和软件两方面详细地进行了研究设计，论文主要内容包括以下几 个方面： ( 1 )绪论部分主要介绍汽车行驶记录仪研究背景，其国内外研究发展状况， 以及本论文主要研究的工作。 ( 2 ) 系统整体结构设计。按照国标g b 厂r 1 9 0 5 6 2 0 0 3 汽车行驶记录仪的规 定以及汽车厂商的要求对试验记录仪进行分析，初步确定系统的硬件构成及各部分 功能，确定处理器、信号采集、数据存储、以及嵌入式实时操作系统的选择。 ( 3 ) 系统硬件设计与开发。包括器件的选择和电路设计。本文以$ 3 c 2 4 1 0 为 微处理器核心进行硬件系统的开发，主要由数据采集模块、时钟复位模块、系统存 储模块、数据通信模块、人机交互模块组成。其电路设计包括电源电路、车速采集 电路、开关量采集电路、模拟量采集电路、实时时钟电路、复位电路、s d r a m 模 块电路、f l a s h 接口电路、u a r t 接口电路、u s b 接口电路、g p r s 通信电路、l c d 显示屏、触摸屏和语音提示系统。 ( 4 ) 软件设计首先介绍了嵌入式主机开发环境的选择和建立。然后简单讲解 了b o o t l o a d e r 的原理和工作过程，实现了u - b o o t 引导程序的移植。分析了l i n u x 内核的启动，成功移植内核到目标板。最后详细讲解了l i n u x 设备的驱动，主要进 行了l c d 和车速的驱动程序编写。 ( 5 ) 详细地介绍了q t e m b e d d e d 的图形用户界面，包括g u i 环境的建立， q t e m b e d d e d 编程流程，实现了基于q t e m b e d d e d 的图形界面的设计开发，主要由 登陆界面、数据采集界面、数据分析界面组成。 ( 6 ) 对全文进行了回顾和总结，并对进一步工作进行了展望。 5 南京信息工程大学硕士学位论文 第二章嵌入式汽车行驶记录仪的总体设计 2 1 系统整体结构 本课题所设计的嵌入式汽车行驶记录仪是根据国家颁布的汽车行驶记录仪的标 准以及厂商的要求来设计相关的技术要求的。系统的硬件方面分为主控模块、行车 数据采集模块、数据存储模块和数据通信模块及人机交互模块；软件方面主要包括 嵌入式l i n u x 交叉编译开发环境的建立，引导程序u - b o o t 的移植，l i n u x 内核在a r m 上的移植，相关设备驱动程序的设计编写，以及基于q t e m b e d d e a 的图形用户界面 的开发。系统的整体结构如图2 1 所示。 图2 1 系统的总体结构 主处理模块$ 3 c 2 4 1 0 是试验记录仪的核心部分，通过主处理器负责对采集来的 数据进行处理并根据触摸屏的操作，响应各种数据的实时显示、保存和通信等任务。 数据采集模块采集车辆状态的各种信号包括模拟量信号、数字量信号和开关量 6 第二章嵌入式汽车行驶记录仪的总体设计 信号。模拟信号包括水温、油量、湿度，共3 路输入信号。一般对来自汽车内外传感 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 1 0 处理器内置了8 通道1 0 位精度的a f d 转换器，所以不需要扩展外围电路就可满足模拟信号的采集需 求。数字量信号指的是车速信号。汽车轮子每转动一周，会通过车子内部的霍尔传 感器送出计数脉冲，此信号经过一定的计算即可得到速度、里程等信息。开关量信 号包括离合、制动、档位、左转向灯、右转向灯、尾灯、雾灯、近光灯、远光车等 1 5 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g p i o 端口对这些 信号进行输入。 数据存储模块主要用来存储l i n u x 操作系统、系统引导程序、文件系统和汽车行 驶记录仪记录的数据。因此需要高速率、大容量的存储器，并且能在掉电的情况下 保证存储的数据不会丢失。本系统采用s d r a m 存储器作为主存储器，f l a s h 存储器 为辅存储器。 数据通信模块是实现车辆和试验员之间信息交互的桥梁。利用现有的g p r s 通信 网络接受检测中心发布的检测命令并将汽车测试的状态信息传送到检测中心，进行 远程数据通信。本系统中，终端与检测中心的通讯采用g p r s 无线网络，而终端与被 采集的设备之间的通讯采用串行通信，通信协议使用a t 命令集，以保证数据传输的 有效性、实时性、可靠性。 人机交互模块是通过l c d 液晶显示屏为试验人员提供清晰的数据采集分析界 面，通过触摸屏窗口的切换完成试验人员的操作；同时通过语音提示系统提醒试验 人员按照测试要求进行驾驶。试验人员可以通过采集显示的数据及时发现汽车存在 的潜在问题，从而提高汽车的性能。 在软件设计方面首先进行了嵌入式开发环境的建立，其中包括操作系统的安装、 m i n i c o m 的配置、n f s 和t f t p 的配置以及交叉开发工具链的建立。其次研究了引导 程序b o o t l o a d e r 的移植以及l i n u x 2 6 1 4 内核移植。然后介绍了设备驱动程序设计流 程，本文重点讲解了l c d 液晶显示屏的驱动以及车速驱动程序的编写设计，给出了 相关的源代码并编译将其移植到内核中。最后研究了基于嵌入式q t e m b e d d e d 图形界 面系统的开发，其中包括q t e m b e d d e d 库的安装移植和本系统界面应用程序的开发， 包括登陆界面、数据采集界面和数据分析界面。 7 - 南京信息工程大学硕士学位论文 2 2 主机系统设计方案 2 2 1 处理器的选择 目前汽车行驶记录仪的微处理器低端方案首选多为8 位m c s 5 1 单片机，这一类型 的单片机发展较为成熟，应用十分广泛，开发成本相对便宜。低端方案虽然能够满 足记录仪的基本功能，但是考虑到汽车行驶记录仪对数据的实时性、处理能力以及 接口扩展等各方面的要求，在本系统中采用三星公司的$ 3 c 2 4 1 0 1 3 】芯片作为其微处 理器。s 3 c 2 4 1 0 是一款基于a i u 9 2 0 t 内核的1 6 3 2 位r i s c 处理器，主要面向手持式设 备以及高性价比、低功耗的应用设备。该处理器的高速缓存由独立的1 6 k b 数据c a c h e 和1 6 k b 指令c a c h e 组成，还具有全性能的虚拟存储器管理、支持t f t 和s t n 的l c d 控制器、u s b 设备、t o u c hs c r e e n 接口以及n a n d 闪存控制器等，内核频率可达2 0 0 至2 6 6 m h z 。集成在片上的功能单元主要有【1 4 】： ( 1 ) 1 8 v 内核供电，3 3 v 存储器供电，3 3 v 外部i o 供电； ( 2 ) 外部存储器控制器，总容量达1 g ，可扩展8 组，每组容量为1 2 8 m b ： ( 3 ) 具有p l l 片上时钟发生器，最高时钟频率可达2 0 3 m h z ； ( 4 ) 3 通道u a r t , ( 5 ) 2 个u s b h o s t 接口和1 个u s b d e v i c e 接口； ( 6 ) 1 个1 6 位内部定时器和4 个具有p w m 功能的1 6 位定时器； ( 7 ) 1 1 7 个通用i o 和2 4 通道内部定时器； ( 8 ) 8 通道l o 位精度的模拟转换器，转换速率最高可达5 0 0 k b s ； ( 9 ) l c d 控制器，配置有1 通道l c d 专用d m a ； ( 1 0 ) 4 通道d m a 并有外部请求引脚； ( 1 1 ) 具有日历功能的r t c ； ( 1 2 ) 看门狗定时器： 由于$ 3 c 2 4 1 0 处理器集成了许多的功能部件和接口，可以很容易就实现记录仪的 基本功能，满足外围电路的扩展需求，从而能够大幅度缩短系统的开发周期。同时， 这些内部集成的接口，也方便了后期对试验记录仪功能的进一步扩展研发。 8 第二章嵌入式汽车行驶记录仪的总体设计 2 2 2 信号采集方案的选择 本系统采集的信号主要分为三类：模拟量信号、数字量信号以及开关量信号。 模拟量信号包括水温、油量、湿度。可以通过$ 3 c 2 4 1 0 处理器内置的8 通道1 0 位精度的a d 转换器对来自汽车内外传感器采集到的模拟信号进行处理。 数字量信号是指车速信号。车速信号通过传感器以脉冲形式输入，此信号经过 处理即可得到速度、加速度、行驶距离。为了防止周围形式环境及汽车本身的干扰， 汽车内部传感器提供的脉冲信号在送入记录之前，必须先通过光藕隔离进行处理。 本系统采用的是单光藕芯片t l p 5 2 1 1 ，通过将电转化为光再到电的变换将电信号进 行隔离，从而避免了一侧对另一侧所造成的干扰。通过光藕隔离以及屏蔽处理，可 以获得波形干净的信号。为了得到良好的矩形波，使车速测量更加精确，本系统采 用施密特触发器l m 3 1 1 来完成波形的整形。信号采集功能完成后，采集到的信号需 要送到可编程逻辑器件中进一步处理，由a r m 系统对处理后的结果进行相应的运 算，可以得到速度、行驶距离等状态信息。 开关量信号包括离合、制动、档位、左转向灯、右转向灯、尾灯、雾灯、近光 灯、远光灯1 5 路信号。任何一路信号的状态发生变化时，都需要在第一时间检测到。 2 2 3 数据存储方案的选择 本系统所选用的存储器主要是用来存储系统引导程序、l i n u x 操作系统、文件 系统和汽车行驶记录仪采集到的模拟量、数字量和开关量数据。因此我们需要大容 量、高速率的存储器系统，并且具有相应的掉电长时间保存数据的功能 1 5 1 1 1 6 1 。 ( 1 ) s d r a m s d r a m 既可读也可写，它的存取速度远远高于f l a s h 存储器，但是掉电后数据 将会丢失。在嵌入式系统中，s d r a m 的主要功能是作为程序的运行空间、数据以 及堆栈区。每当启动系统时，c p u 首先从复位地址0 x 0 处读取系统的启动代码，在 完成系统初始化后，为了提高系统的运行速度，一般将程序代码调入s d r a m 中运 行。同时，系统及用户堆栈、运行数据也都放在s d r a m 中。 为避免数据丢失，使用s d r a m 时需要定时刷新。因此要求系统的微处理器具 有刷新控制逻辑，或者也可以另外加入刷新控制逻辑电路。$ 3 c 2 4 1 0 具有独立的 9 - 南京信息工程大学硕士学位论文 s d r a m 刷新控制逻辑，可以方便地实现与s d r a m 的接口。 ( 2 ) f l a s hm e m o r y f l a s hm e m o r y 作为是嵌入式系统中重要的组成部分，主要用来存储程序和数据， 掉电后数据不会丢失。但在使用f l a s hm e m o r y 时，为了保证系统的性能达到最优化， 必须根据其设计系统的自身特性对存储系统进行专门的设计。 f l a s hm e m o r y 是一种非易失性存储器( n o n - v o l a t i l em e m o r y ，n v m ) ，根据结 构的不同可以分为n o rf l a s h 和n a n df l a s h 。n o rf l a s h 的传输速率较高，当系统 的容量在1 - - 4 m b 时具有很高的成本效益，但是它写入和擦除速度很低，很大程度 上影响了它的性能。n a n df l a s h 结构的单元密度极高，属于高存储密度，并且它 具有很快的写入和擦除速度。因为n a n df l a s h 没有采取内存随机读取技术，所以 是以一次读取一块的形式来进行读取的，一次通常读取5 1 2 个字节。另外使用n a n d f l a s h 的困难还在于f l a s h 的管理以及它需要特殊的系统接口。由于不能直接运行 n a n df l a s h 上的代码，因此除了使用n a n df l a s h 以外，一般还会另外加上一块小 的n o rf l a s h 用来运行启动代码。 综合考虑性价比、容量等各种因素，本系统选用s d r a m 存储器作为主存储器， n o rf l a s h 和n a n df l a s h 为辅助存储器【17 1 。 2 2 4 嵌入式实时操作系统的选择 随着微处理器的产生，价格低廉、结构小巧的c p u 和外设连接提供了稳定可靠 的硬件架构。从2 0 世纪8 0 年代开始，市场上陆续出现了一些针对嵌入式的实时操 作系统，比较著名的有u c o s 、v x w o r k 、讹c e 和l i n u x 等。 u c 0 s i h 是一个源码公开、可移植、可裁剪、可固化、占先式的实时多任 务操作系统。其内核提供任务调度与管理、时间管理、内存管理、任务间同步与通 信和中断服务等功能。u c 0 s 1 1 内核在2 1 0 k b 数量级，具有执行效率高、占用空 间小、实时性能优良和可扩展性强等特点，主要是面向中小嵌入式系统。 v x w o r l ( s ：美国w i n d r i v e rs y s t e m 公司开发的嵌入式实时操作系统v x w o r k s 采用基于微内核的体系结构，整个系统由四百多个短小精炼、相对独立的目标模块 组成，使用者可以根据需要选择适当的模块来进行剪裁、配置，它具有卓越的实时 性和良好的可靠性，是目前市场占有率最高，在嵌入式系统领域使用最为广泛的商 1 0 第二章嵌入式汽车行驶记录仪的总体设计 业系统之一。但它是一个纯粹的商业化产品，面向的对象也是高端用户，因此价格 较高，主要作为大公司开发较大型嵌入式设备的一种选择。 w i n c e ：它是w i n d o w s 家族中最新的成员，主要应用于智能电话、p d a 等 多媒体网络产品。它整体上作为一个多线程、多任务、完整优先权的操作系统主要 是为有限资源的平台设计的。w i n c e 运用的是模块化设计。其操作系统基本内核至 少需要2 0 m b 的r o m 。同样，它也是商业化产品，成本比较昂贵【18 】。 l i n u x ：是目前最为流行的一款开放源代码的操作系统。与其他嵌入式操作系 统相比，嵌入式l i n u x 应用于汽车行驶记录仪具有以下主要优点： 1 ) 嵌入式l i n u x 是开放源码的自由操作系统，使得开发获得了最大的自由度。 同时，软件资源丰富，基本可以在i n t e r n e t 上找到所有的通用程序，为开发提供了 极大的便利。用户可以根据自己的系统应用需求方便地对内核进行修改和优化。 2 ) 具有高性能、可剪裁的内核，其独特的模块机制可以让用户根据自己的需要， 实时将某些模块从内核中插入或移走，适合用户小型化的嵌入式系统的需求。 3 ) 支持x 8 6 、a r m 、m i p s 、a l p h a 、p o w e r p c 等多种体系结构，支持各种主 流的硬件设备和最新硬件技术。 4 ) 完善的网络通信和文件管理机制，支持所有标准的i n t e m e t 网络协议，支持 e x t 2 、f a t l 6 、f a t 3 2 、r o m f s 等文件系统。 5 ) 良好的开发环境，有着非常优秀的完整开发工具链( t o o lc h a i n ) ，利用g n u 的g e e 做编译器，用g d b 、k g d b 、x g d b 做调试工具，能够方便地从操作系统到应用 软件各个级别的调试。 6 ) 外设接口统一，以设备驱动程序的方式为应用提供统一的外设接口。 7 ) 价格低廉。这对小型开发的嵌入式汽车行驶记录仪系统来说至关重要【1 9 1 。 嵌入式l i n u x 操作系统以功能强大、价格低廉又易于移植，逐步形成了与其他 商业e o s 抗衡的局面。目前正在开发的嵌入式系统中，7 0 以上的项目都选择l i n u x 作为嵌入式操作系统1 2 0 j 。 由上文的介绍比较可知，嵌入式实时操作系统种类很多，有些操作系统是免费 开源的，有些操作系统虽然功能齐全但是由于是商业化产品价格昂贵。本文综合考 虑了系统开发的成本、可学习和重复应用资源、系统的可移植性和可定制能力等各 种因素之后，选择采用嵌入式l i n u x 操作系统。并且l i n u x 内核从2 6 版本开始支持 三星公司的处理器$ 3 c 2 4 1 0 ，因此嵌入式汽车行驶记录仪系统在核心处理器 $ 3 c 2 4 1 0 上移植了版本为2 6 1 4 的l i n u x 操作系统。 南京信息工程大学硕士学位论文 3 1 数据采集模块 第三章系统硬件设计 本系统所采集的数据较多，大致分为三类：车速信号、开关量信号、模拟量信 号，对于不同种类的信号采用不同的采集方式。整个数据采集模块包括车速采集电 路、开关量采集电路以及模拟量采集电路。 3 1 1 车速采集电路 国标规定：( 1 ) 记录仪应能以不超过0 2 秒的时间间隔持续采集记录并存储停 车前2 0 秒对应的车辆行驶速度值以及车辆制动等状态信号，记录次数至少达到1 0 次；( 2 ) 记录仪能够以不超过1 分钟的时间间隔持续采集记录并存储车辆在最近3 6 0 h 之内的行驶数据，这里所说的行驶数据为：车辆在行驶过程中与实时时间相对应的 每分钟时间间隔内的平均行驶速度值。因此，就要求记录仪每隔o 2 秒就采集一次 数据，每隔一分钟求一次车辆行驶速度的平均值，并且每3 6 0 小时将采集的数据更 新一次，所以数据采集模块和数据处理模块主要就是一个定时器中断程序，每隔0 2 秒的时间发生一次中断，进行一次数据采集和处理。 试验记录仪从车辆启动开始就不停对车辆的速度进行实时检测，并实时地进行 保存。由于速度是一个模拟的变量，是时刻变化的。这就需要用速度传感器将速度 信号转换成数字电信号，以便处理和存储。利用磁电法测速器件的使用寿命较长， 对外界环境的要求较低，不怕污染，电路实现也较为简单。 考虑到磁电式传感器的优点很多。因此采用磁电式传感器将汽车车速信号转变 为电信号。霍尔车速传感器瞄1 1 2 3 1 作为一种磁电传感器其工作原理是霍尔效应，它把 霍尔元件和测量电路利用硅集成电路工艺集成在一起，组成了霍尔集成传感器，整 个传感器主要由霍尔元件、齿圈、永久磁铁和电子线路等组成。其具有的特点是与 被测齿轮非接触，无磨损、对磁场敏感度高、频率响应高、抗电磁干扰能力强、输 出信号稳定、使用方便、结构简单。 3 1 2 1 测量原理 1 2 第三章系统硬件设计 霍尔车速传感器的工作原理【2 4 1 为：永久磁铁的磁力线穿过霍尔元件通过触发齿 圈，此时的齿圈相当于一个集磁器，当磁屏蔽叶轮的一个叶片旋转到磁铁和霍尔集 成式传感器之间的空隙时，磁场就被遮住中断了；当磁屏蔽叶轮的一个窗口旋转到 磁铁和霍尔集成式传感器之间的空隙时，磁场被允许通过，不受阻碍地传到霍尔集 成式传感器上。磁屏蔽叶轮窗口的开和遮决定了磁场的通和断，使得霍尔集成式传 感器可以像开关一样接通和关闭，输出脉冲信号。通过这种方式速度传感器就将速 度信号转换为数字电信号，便于处理和存储。 速度测量的原理【2 5 】： 为了尽可能地消除或减少干扰信号对系统的影响，在程序中采用连续多次采样 求平均值的办法予以滤波。 假设试验记录时间为t ，在t 时间内对车速脉冲进行计数。根据距离、速度和 时间的关系可得： s ：v 1 0 0 0t ：丝 ( 3 1 ) 3 6 0 01 8 s ( m ) ：车轮经过时间t 所行使的距离。t ( s ) ：时间周期。v ( k m h ) ：车速。 经过时间周期t ，根据车轮转动圈数可以计算出实际行驶距离为： s ：n z d( 3 2 ) = 一 l j z ， z d p d ( m ) ：车轮的直径。i n ：车速传感器与车轮的转速比。p ：车速传感器旋转 一周输出的脉冲个数，假设为l 。n ：时间周期t 内脉冲的个数。 根据公式( 3 1 ) ( 3 2 ) 可得： v ：3 6 z d n i d t ( 3 3 ) 汽车行驶记录仪国家标准中定义了车辆的特征系数k ，即为车辆行驶一公里传 感器