（机械制造及其自动化专业论文）基于uclinux嵌入式系统的汽车黑匣子.pdf

摘要 摘要 随着黑匣子在飞机上的成功运用，越来越多的国家也在汽车上运用这种技术 来记录汽车行驶时的各种状态数据。在汽车发生故障后，通过对其记录的数据的 分析和研究，来进行故障分析和进一步完善汽车的设计。同时为了使汽车黑匣子 记录的数据有个科学统一的标准以便进一步使汽车行驶更加安全，我国于2 0 0 3 年 颁布了最新的汽车行驶记录仪( g b t1 9 0 5 6 2 0 0 3 ) 标准，国际上也于2 0 0 4 年 颁布了最新的对于汽车行驶记录仪的i e e e1 6 1 6 标准。 然而在嵌入式技术被广泛运用的今天，我国现在应用的汽车黑匣子仍然多是 运用8 位或者1 6 位单片机作为处理器，采用汇编语言，运用程序也比较单一。为 了使嵌入式技术也在汽车黑匣子中得到运用，同时为了满足我国汽车行驶记录 仪g b t1 9 0 5 6 2 0 0 3 标准要求，并与国际i e e e1 6 1 6 标准接轨，本文设计了基于 嵌入式系统的汽车黑匣子，采用的是三星公司的s 3 c 4 4 b o x3 2 位处理器和u c 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数据的传输，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。 本系统采用嵌入式系统自顶向下的设计方法对系统进行总体设计、硬件设计 和软件设计。论文设计重点主要为：给出了嵌入式系统的特点、设计方法和开发 流程；完成了基于嵌入式系统汽车黑匣子的总体设计和各个模块的设计；完成了 汽车行驶状态信号数据的采集和处理电路的分析和设计；完成了u s bm a s ss t o r a g e 设备驱动程序的设计和调试，实现了汽车黑匣子中记录的数据通过u s b 接口与p c 或者p d a 之间的通信；完成了在本系统下f a t l 2 文件系统的实现；完成了引导程 序b l o b 、u c l i n u x 操作系统在本系统下的移植和各个模块程序在u c l i n u x 操作系统 下集成。 本文在结束处对整个项目作出总结，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，嵌入式系统，u c l i n u x 操作系统，u s b a b s t r a c t a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ef l i g h tr e c o r d e ro nt h ea i r p l a n es u c c e s s f u lu t i l i z a t i o n ，t h em o r ea n d m o r ec o u n t r i e sa l s ou t i l i z et h i sk i n do ft e c h n o l o g yo nt h ev e h i c l et or e c o r dt r a v e l l i n g s t a t ed a t ao ft h ev e h i c l e t h ed a t a ，w h i c ha r ea n a l y z e da n ds t u d i e d ，s t o r e db yt h ev e h i c l e b l a c kb o xa r eu s e dt oh e l pp e o p l et od i s c o v e rt h er e a s o no ft h ea c c i d e n ta n dh e l p a u t o m o b i l em a n u f a c t u r e r st oi m p r o v eo nt h ev e h i c l ea f t e rt h ea c c i d e n tt a k e sp l a c e a t t h es a m et i m e ，d r i v e nb yal a c ko ft h eu n i f o r ms c i e n t i f i cc r a s hd a t an e e d e dt om a k e v e h i c l ea n dh i g h w a yt r a n s p o r t a t i o ns a f e ra n dr e d u c ef a t a l i t i e s ，b o t ho u rc o u n t r ya n dt h e i e e eh a v ec r e a t e dt h e “v e h i c l et r a v e l l i n gd a t ar e c o r d e r ( g b t19 0 5 6 2 0 0 3 ) s t a n d a r di n 2 0 0 3a n di e e e1616s t a n d a r do f 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 r i n2 0 0 4 s e p a r a t e l y h o w e v e r , t h ec u r r e n tv e h i c l eb l a c kb o x s ，w h i c hm o s t l ya d o p t8b i to r16b i tm c u a n da s s e m b l yl a n g u a g e ，a r eu s e di no u rc o u n t r ya n dt h e i ra p p l i c a t i o np r o g r a ma r e r e l a t i v e l ys o l ew h e nt h ee m b e d d e dt e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di nv a r i o u sf i e l d sn o w i n o r d e rf o rt h ee m b e d d e dt e c h n o l o g yu s e di nt h ev e h i c l eb l a c kb o x ，ak i n do fv e h i c l e ， w h i c hs a t i f i e sw i t ho u rn a t i o n a l s “v e h i c l et r a v e l l i n gd a t ar e c o r d e r ( g b t19 0 5 6 2 0 0 3 ) s t a n d a r da n di si n1 i n ew i t ht h ei n t e m a t i o n a li e e e1616s t a n d a r do f “t 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 r ，b a s e do nt h ee m b e d d e ds y s t e mi sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h e v e h i c l eb l a c kb o xt a k e st h e3 2b i tm i c r o p r o c e s s o ro fs a m s u n g ss 3c 4 4 b 0 xa n dt h e u c l 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 df o rt h e m 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 dt h ep c i nt h i ss y s t e m ，t h et o p d o w nd e s i g ns t r a t e g yi st a k e nu pt oi m p l e m e n tt h eo v e r a l l d e s i g no ft h i ss y s t e m ，h a r d w a r ea r c h i t e c t u r ea n ds o f t e r w a r ea r c h i t e c t u r e sd e s i g n t h e p a p e ri se m p h a s e so nt h ef o l l o w i n g ：t h ec h a r a c t e r i s t i co ft h ee m b e d d e ds y s t e m ，d e s i g n s t r a t e g ya n dd e v e l o p m e n tf l o wa r eg i v e n ；t h eo v e r m ld e s i g no ft h ev e h i c l eb l a c kb o x b a s e do nt h ee m b e d d e da n dt h ed e s i g no fv a r i o u sm o d u l e so ft h i ss y s t e ma r ed o n e ； t h eg a t h e r i n go fs t a t es i g n a lo ft h ev e h i c l ea n dt h es i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t sa y a l a s i s a n dd e s i g na r ed o n e ；t h ed e s i g na n dd e b u g g i n go fu s bm a s ss t o r a g ed e v i c ea r ed o n e t 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 ci sr e a l i z e d ；t h ed e s i g no ft h e i i a b s t r a c t f a t12f i l es y s t e mi nt h i ss y s t e mi sd o n e ；t l l eb l o ba n du c l i n u xo p e r m i o ns y s t e m p o r t i n ga r ed o n e ；v a r i o u sm o d u l e sp r o 黟a m i m e g r m i n gu n d e rm eu c l i n u xo p e r a t i o n s y s t e ma r ed o n e a tt h ee n do fm ep a p e r ，w es u m m a r i z et 1 1 ew h o l ep r o je c t ，a 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 k e y w o r d ：m ev e h i c l eb l a c kb o x ，t h ee m b e d d e ds y s t e m ，u c l i n u x ，u s b i i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。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 为获得电子科技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 确的说明并表示谢意。 签名： 日期：z 彬年3 月瞳日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 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 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：甚群 日期：耐年歹月2 2 - 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题实用价值与理论意义 汽车作为现代社会的一种重要的交通工具，越来越显示出强大的生命力。随 着国民经济、公路运输业的蓬勃发展，汽车的需求量在不断地增长，可随之而来 的却是交通事故的频繁发生。据统计我国是道路交通事故死亡人数最高的国家， 连续数年一直居世界第一位，近2 0 年来，由于交通事故造成的死亡人数己达到1 0 8 万人。从公安部了解到，2 0 0 4 年全国共发生一次死亡1 0 人以上群死群伤特大道路 交通事故5 5 起，造成8 5 2 人死亡、8 7 7 人受伤。与上年相比上升幅度较大，事故 起数上升3 4 1 ，死亡人数上升3 2 1 ，受伤人数上升5 4 7 。从全球看每一分钟 就有一个人死于汽车交通事故，1 9 8 2 以来全球总共有大约3 0 0 0 万人死于交通事故 中。如何采取有效措施预防道路交通事故的发生，特别是提供一些事故发生前的 有效数据给汽车制造商使其制造出更安全的汽车来减少交通事故放生和最大限度 地减低交通事故中对人的伤害，同时提供一个电子眼来帮助交通部门提高事故处 理的准确性、公正性及快速性，是一个值得研究的实际课题。 汽车黑匣子是安装在车辆上，能够记录、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它状态信息的数字式电子记录装置。它能 有效的抑制疲劳驾驶，车辆超速和违章以及约束驾驶员的不良行为，同时它也为 交通管理部门准确了解界定交通事故发生原因和公正处理提供了科学、权威的依 据。同时为汽车的科研、生产、日常维护以及对于及时查找突发性交通事故的原 因，减少车辆故障提供有效的测试手段。为产品设计与故障分析提供依据。对深 入研究各类车辆的完善设计、故障分析、降低成本具有重要的实际作用及意义。 早在1 9 9 0 年以前欧共体就通过了在汽车上安装黑匣子的立法，要求欧共体的 1 5 个成员国在1 0 年内给使用中的9 0 0 万辆商用车安装这个装置。美国、日本、香 港及马来西亚等国家和地区也相继广泛使用汽车黑匣子。统计资料表明，汽车黑 匣子的使用，使交通事故率降低了3 7 , - , 5 2 ，减少了人员的伤亡和财产的损失。 由此可见，准确地记录汽车行驶状态对于预防交通事故是非常有效的。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 国内外汽车黑匣子的发展情况 2 0 世纪9 0 年代初，美国和德国开发了数字式汽车事故记录仪，用以监督驾驶 员的超速驾驶行为。在美国，主管交通安全的国家安全委员会( n t s b ) 一直在致 力于推广汽车黑匣子的工作。三年前n t s b 正式要求各汽车厂家安装黑匣子，通 用、福特等汽车公司纷纷行动。据报道，仅通用一家公司就为6 0 0 万辆出厂车安 装了黑匣子。 近年来，随着微电子技术和计算机技术的发展，汽车黑匣子将势必与汽车其 它电子系统( 如g p s 定位、g s m 报警、数据向控制中心实时的传输、故障诊断等) 相结合，向大容量、模块化、系统化、数据无线传输和数据集成处理的方向发展。 最终使它成为确保现代道路交通运输安全和高效物流动态营运管理的不可或缺的 记录处理、显示和数据传送的综合装置，也必将成为智能交通系统( i t s ) 的重要 组成部分。俄罗斯最新研制出来的汽车黑匣子可以将事故发生时的车辆空间运动 物理量变化记录得一清二楚，从而帮助人们分析事故是怎样发生的，以便汽车以 后进行改进。在嵌入式系统方面，欧洲的i c e 已经成功地把嵌入式系统运用到了 汽车黑匣子上。 目前国内已通过国标检测的生产汽车黑匣子的6 0 多家企业，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，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，基本上都不能满足国际上的i e e e1 6 1 6 标准。但同时有一些生产厂家加紧技术开发，研发和生产出新一代汽车黑匣子， 在功能、体积和性能等方面已取得较大突破。 1 3 本课题所要解决的问题 本课题的目标是设计一个基于3 2 位处理器的嵌入式系统的汽车黑匣子，通过 硬件以及应用程序的研制开发，使其满足国家最新颁布的汽车行驶记录仪标 准( g b t 1 9 0 5 6 2 0 0 3 ) u j ，要求汽车行驶记录仪应具备实时时钟、日期及驾驶时间 的采集、记录、储存，车辆行驶速度、里程的测量、记录、储存以及驾驶员身份 记录等功能。对于事故疑点数据，记录仪应以不大于0 2 秒的时间间隔持续记录并 储存停车前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。按照国际 上的i e e e1 6 1 6 标准，要求在发生交通事故前以0 1 秒的间隔持续5 秒种的时间记 2 第一章绪论 录下3 1 个可选的参数。 本课题的主要任务： ( 1 ) 全面了解嵌入式系统的特点、设计方法和开发流程。给出基于嵌入式系 统汽车黑匣子的总体设计和各个模块的详细设计 ( 2 ) 本系统的u s bm a s ss t o r a g e 设备通讯软件模块的设计和实现，通过u s b 模块来实现本系统与上位机之间的通讯。 ( 3 ) 各个模块程序在u c l i n u x 操作系统下集成的实现，以满足本系统的需求。 1 4 论文结构 本文分为五章论述基于嵌入式的汽车黑匣子的设计。第一章为前言，介绍本 课题的实用价值和意义、国内外的现状、以及课题所要解决的问题。第二章为汽 车黑匣子的系统设计，在介绍嵌入式系统的特点、设计方法和开发流程后，分析 和进行基于嵌入式系统汽车黑匣子的总体设计和介绍各个模块的详细设计。第三 章主要详细介绍本系统的u s bm a s ss t o r a g e 设备通讯软件模块的设计，并通过u s b 实现数据的传输。第四章为系统集成，详细地给出各个模块在系统集成过程中遇 到的问题和解决的方法。第五章为结论。 电子科技大学硕士学位论文 第二章汽车黑匣子的系统设计 本设计采用嵌入式系统设计方法，根据嵌入式系统的特点、设计方法和流程 来对本系统进行设计2 】【3 1 。为了叙述清楚先介绍嵌入式系统的特点和设计方法，然 后根据这些原则设计出适合要求的嵌入式系统的汽车黑匣子。 2 1 嵌入式系统 近年来，随着嵌入式技术日臻完善，嵌入式系统带来的工业年产值已经超过 了1 万亿美元，它正在成为信息技术产业争夺的重点之一。据统计，每年有1 0 亿 多块c p u 是为嵌入式系统设计和制造的；每年有超过1 万个新的嵌入式系统计划 产生，他们被广泛地运用到工业控制系统、仿真系统、信息家电和通信设备等众 多领域，这些都标志着嵌入式系统应用技术发展高潮已经来临。 2 1 1 嵌入式系统的定义 嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应 应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机应用系统。 它是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合 后的产物。 上面这些就决定了嵌入式系统必然是个技术密集、资金密集、高度分散、不 断创新的知识集成系统。 2 。1 2 嵌入式系统的特点 与个人电脑或者通用计算机相比，嵌入式系统通常在许多方面要满足更多特 定的要求，所以它和通用计算机的不同在于： 1 、嵌入式系统通常都是面向特点的应用，其硬件和软件都必须高效率地计， 在保证稳定、安全、可靠的基础上量体裁衣，去除冗余，而通用计算机则只是一 个通用的计算平台。， 2 、嵌入式系统可以采用多种类型的处理器或者处理器体系结构，有上千种的 4 第二章汽车黑匣子的系统设计 嵌入式微处理器和几十种嵌入式微处理器体系结构可以选择。而通用计算机只能 采用少数的处理器或者处理器体系结构。 3 、功能性对于通用计算机或是嵌入式计算机来说都是很重要的，但是嵌入式 应用程序有更多的约束。嵌入式计算机系统必须提供更加精细的功能，例如：复 杂的算法、实时、多速率控制等。 4 、嵌入式程序的设计和实现与写通用计算机的程序是不同的，而且更具挑战 性。嵌入式代码不仅必须提供丰富的功能，它通常也必须按所需要速率运行以满 足系统期限，适应内存总量限制，并满足功耗要求f 5 】【6 】e 7 1 【8 1e 9 1 。 5 、在构建一个嵌入式系统时，其制造成本和功率都是必须要考虑的，特别是 对于那些靠电池供电的系统而言，功耗是一个非常重要的问题。 2 1 3 嵌入式系统的设计过程 在嵌入式系统设计过程中，一个好的设计方法是非常重要的，原因有三个： 第一，它使我们对所做的工作进度有清楚的了解。第二，完成一个嵌入式系统全 面的程序是一项令人望而生畏的工作，但是，我们可以通过把系统分成个个模 块来完成。第三，设计方法可以方便设计团队中的成员之间互相交流，通过定义 全面的设计过程，团队里的每一个成员都可以很好地理解他们所要做的工作。 嵌入式系统设计的主要方法有自顶向下和自底向上两种方法。整个设计开发 流程示意图如图2 1 所示。 自 下 自底向 上设计 图2 1 设计开发流程示意图 电子科技大学硕士学位论文 从自项向下的角度来看，我们从系统需求开始。第二步是规格说明，在这一 步对我们想要的进行更加细致地描述，但是规格说明只对系统如何工作进行了描 述，这些描述并不涉及它的组成。系统内部的详细结构要在开发系统的体系结构 时才能展现出来，这一阶段以大的构件为单位给出了系统的结构。一旦知道了需 要的构件，就可以设计这些构件。在这些构件的基础上，我们可以构造出所需要 的完整的系统。而自底向上的设计方法则反之，这种方法从构成系统的每一个构 件开始设计。 2 2 汽车黑匣子的系统设计 本设计采用嵌入式系统的自顶向下的设计方法，先根据本系统的需求以及所 要实现的功能，对系统进行总体设计。然后再对系统各个功能模块进行详细的设 计。 2 2 1 需求分析 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 ) 标准和在其基础上进行扩展可以很好满足国际上对于汽车行驶记录仪的i e e e 1 6 1 6 标准的基于嵌入式系统的汽车黑匣子。国家的最新标准是要求汽车行驶记录 仪能够对实时时钟、日期及驾驶时间的采集、记录、储存，车辆行驶速度、里程 的测量、记录、储存等，对于事故疑点数据，记录仪应以不大于o 2 秒的时间间隔 持续记录并储存停车前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。国际上的i e e e1 6 1 6 标准，其要求在发生交通事故前以o 1 秒的间隔持续5 秒 钟的时间记录下3 1 个可选的参数。 本系统的输入是从汽车上直接采集速度、制动、灯光等信号，通过m c u 处理 输出到f r m a 存储器和f l a s h 存储器上，然后再通过u s b 接口把数据传送到上位 机上。电源来自汽车的蓄电池。所需要的元器件基本上都是市场上可以购买到的 性价比比较高的通用元器件。 2 2 2 规格说明 记录仪以0 2 s 的时间间隔持续记录并储存停车前2 0 s 实时时间对应的车辆行 驶速度以及包括制动等的8 个信号量和实时时间进行记录，并且存储在f r a m 存 6 第二章汽车黑匣子的系统设计 储器中，其中速度的记录单位为k m h 。车辆行驶速度和其它信号量总共占2 个字 节，如表2 1 所示。实时时间的格式为y y 佃m d 刚血：i m ：s s ，总共占据6 个字节。 根据国家标准，在f k a m 中存储的数据为停车前2 0 s ，其大小为( 6 + 2 ) * 2 0 0 2 = 8 0 0 b y t e 。所以本系统采用一块4 k 的f r a m 。而对于国际上的i e e e1 6 1 6 标准，根据采取的数据不同，可以选取不同存储大小的f r a m 或在系统上进行扩 展以满足需求。 表2 - 1 工况和车速信号 开关信号量( 1 表示有信号，0 表示没有信号)整型 d 0 d 7 表示1b y t e 中的每个b i t 1 b y t e d 7d 6d 5d 4d 3d 2d 1d 0a 制动左转灯右转灯尾灯雾灯远光灯近光灯鸣笛车速 本系统采用的是嵌入式的u c l i n u x 操作系统，再对其进行裁减后，加上本系 统的设备驱动程序和应用程序后估计大小在1 m 左右。对以一分钟间隔持续采集的 数据，系统保存其3 6 0 h 的数据，其所需要的数据存储量为：( 6 + 2 ) 6 0 3 6 0 = 1 7 2 8 0 0 b y t e 。因此本系统采用一块4 m 的f l a s h 存储器。在系统启动时， 启动引导程序把f l a s h 里的操作系统载入s d r a m 中以加快数据的处理速度，因此 本系统采用一块8 m 的s d r a m 。 为了系统记录的数据与上位机之间快速和方便地传输和调试，本系统配置了 u s b 标准接口和标准的r s 2 3 2 c d 型标准接口。u s b 接口采用u s b l 1 标准接口， 传输速率为1 2 m b p s ，r s 2 3 2 c d 传输的速率为9 6 0 0 b p s 。同时为了系统以后的扩展， 准备了扩展接口。 2 2 3 系统体系结构 根据上述的需求和规格说明，本系统的体系结构如图2 2 所示： 图2 2 系统体系结构 7 电子科技大学硕士学位论文 根据系统体系结构，本系统采用3 2 位微处理器为主控芯片，外围辅以其它的 功能芯片来完成汽车黑匣子的硬件设计。同时由于汽车在运行时干扰是非常大的， 本系统设计了一个模拟电路对汽车速度和其它状态信号进行采集和处理。系统基 本硬件结构如图2 3 所示： 匕 jl 通 jl 信 设 - - t 电源控制器1 富 备 口 接 口 频 工3- t f l a s h 存储器l限滤整压 速度信号 幅波型转 电 电 _ l 电 - 换 路路路 电 路 主控芯片 is 。r 黼储器l 光 状态信号 电 i i | 叫f r a m 存储器 偶 - 合 电 系 路 时统 钟 扩 1r芯展 1r 片 接 口 2 2 4 系统各个构件 图2 - 3 系统硬件结构 本节将按照汽车黑匣子各个功能模块的划分，依次论述主控芯片、数据存储、 时钟芯片、u s b 设备接口、速度信号处理模块、其它状态信号处理通道和电源处 理模块【4 】。其中将重点详细介绍速度信号处理通道模块的实现方案。 2 2 4 1 主控芯片 本系统的主控芯片是作为u c l i n u x 操作系统的处理器，所以要求在u c l i n u x 操 作系统下的可移植性并和较强的控制能力和丰富的片内资源。因此本系统采用韩 国三星公司生产的s 3 c 4 4 b o x3 2 位处理器，该芯片采用的是a r m 7 d t m i 内核， 最大频率达7 5 m h z 。其具有强大的控制功能，拥有丰富的片内资源和输入输出端 口，利用这些输入输出端口，可以很方便地实现本系统的设计和控制整个系统的 运行。并且在u c l i n u x 下可以得到一定的支持。该芯片的独特之处在于地方： 第二章汽车黑匣子的系统设计 1 、提供了8 k 的高速缓存，同时这个8 k 高速缓存也可以选为s r a m 。 2 、其采用一种新的三星a r mc p u 嵌入总线结构一s a m b ai i ，最大达7 5 m h z 。 3 、其作为一个高性价比的处理器，内部集成了一些常采用的器件，例如串口 通信接口、i i c 总线接口、1 0 位a d c 和j t a g 接口等。 4 、其提供了8 个存储单元空间，每存储单元空间的地址空间为3 2 m ，整个系 统可支持2 5 6 m 的地址空间。同是也支持高端地址在前或底端地址在前两种数据存 储方式。 2 2 4 2f ia s h 存储器 选用f l a s h 存储器主要用来存储系统引导程序、u c l i n u x 操作系统、f a t l 2 文 件系统结构和汽车黑匣子记录的数据。因此我们需要大容量、高速率的存储器， 并且在掉电的情况下存储的数据不会丢失。所以本系统选用了s s t 公司生产的 s s t 3 9 v f 3 2 0 ，其容量为4 m ，具有整片擦除、块擦除、区擦除、字节编写等功能， 并且具有掉电保护功能，该款芯片的主要特点为： 1 、按2 m 1 6b i t 结构组织，非常适合应用于本系统的处理器，同时可以循 环读写1 0 0 ，0 0 0 次，数据保存时间不少于1 0 0 年。 2 、是一个低功耗的器件，在2 7 3 6 v 供电下的读写操作，不需要提供额外的 编程电压。 3 、具有字节写入、块区擦除( 3 2 k w o r d ) 、扇区擦除( 2 k w o r d ) 和整片擦除的能 力。写入时间为7 u s 侧6 r d ，块区和扇区擦除时间都为1 8 m s ，整片擦除时间为4 0 m s 。 数据读取的时间为7 0 9 0 n s 。 s s t 3 9 v f 3 2 0 的地址数据线相互分离，采用总线方式和主控器芯片相连，同时 数据传输采用1 6 位并行传输的方式，数据访问快。由于芯片有数据和地址锁存功 能，因此不用外扩锁存器。在本系统中f l a s h 存储器的地址空间映射到主控芯片的 第一存储单元( o 一2 8 m ) 。系统启动后，系统从0 x 0 0 0 0 地址开始读取数据，在从 f l a s h 存储器中读入系统引导程序后，再从其中读入u c l i n u x 操作系统。整个f l a s h 存储器存储空间划分和连接电路图分别如图2 4 和图2 5 所示。 2 2 4 3s d r a m 存储器 本系统在启动后，通过引导程序把引导程序自身后半部分载入s d r a m 中运 行。在系统初始化后，再通过引导程序把u c l i n u x 操作系统载入s d r a m 中进行自 解压，然后运行，这样可以很好地提高本系统的性能和运行速度。同时为了在实 9 电子科技大学硕士学位论文 现u s b 设备驱动程序中提供一个大容量的缓冲区，本系统了采用了韩国现代公司 生产的h y 5 7 v 6 4 1 6 2 0 h g l t - h ，其容量为8 m ，组织结构为4 b a n k s 1 m 1 6 b i t 。 在s d r a m 与主控器连接方面，本系统的主控器s 3 c 4 4 b o x 提供了专门的 s d r a m 存储器控制接口、控制寄存器和地址映射空间，第7 存储单元和第8 存储 单元，其地址空间分别为1 9 2 m 2 2 4 m 和2 2 4 m 2 5 6 m 。本系统采用了第7 存储单 元为s d r a m 的地址映射空间。其连接电路图如图2 6 所示。 u 1 2 记录数据 f a t l 2 文件系统 结构 一 u c l i n u x 操作系 统 系统引导程序 0 x 0 4 0 0 0 0 0 x 0 1 0 2 0 0 0 x 0 1 0 0 0 0 0 x 0 01 0 0 0 0 x 0 0 0 0 0 0 0 图2 - 4f l a s h 存储空间划分 a d t ) r 1 6l4 8a d d 砌7 a d i j l 乇1 52 镒 4 7 a d d r l 434 6 g n d a d d r l 34 a 1 3v s s 4 5d a t a l 5 a d d r l 25 n 1) 4 4 。嗍删 t a d i ) r 1 16 a1 b q 7 4 3d a l a4 a d l ) t u 07 a0 d q l 4 i 4 2d a i a 6 a d j ) 妇8 7 l 掣 4 jd 以7 a3 a d d l 也o9 a 8 d q l 3 a d d q l1 0 a 1 9d q 5 4 0 d a t a 5 、“ n w el l a 2 0 d q l 2 3 9d a i a2 等 1 2 n w c e # s s t 3 9 v f 3 2 0 思 3 8d a t a 4 3 7 1 3 n cd q l l 3 6d a l 、a 1 43 5【) a 1 a 3 1 5 n cd q 3 3 4d a r a0 a d d r l 91 6 n c d 0 1 0 3 3 i ) a 1 地 a d d r j 81 7 a 1 8 d q 2 3 2d r a 9 人d d l 娼1 8 a 1 7 1 9 0 9 3 1【) t a l a d d 玎1 9 a 7d 0 l 3 0d a l a 8 a d d r 62 0 a 6 d 0 8 2 9d a l 如 a d d r 5 2 1 a 5 b o o 2 8n o e a d d r 42 2 a 4o 斟 2 7( 、n d a d d r 32 3 a 3 v s s a 2 a 型 2 6n g c s 0 a d 嗽2 42 5a ) 刚 a la 0 s s 乃9 3 2 0 图2 - 5f l a s h 连接电路图 l o 第二章汽车黑匣子的系统设计 u 1 4 v d d 3 3l 9则v s s 5 4 g n d d a t a o25 3n a 1 5 v d d 3 335 2g n d v d d qv s s q d a t a l45 ld a t a l 4 d q io q l 4 d a r a 255 0d a t a l 3 d q 2d q l 3 g n d64 9 d 3 3 v s s qv d o q d a t a 374 8d a t a l 2 d q 3d q l 2 d a t a 484 7d a t a l l d q 4d q l l v d d 3 39 v d d qv s s q 4 6 g n d d a t a 51 04 5d a t a l o o q 5o q l 0 d a n 1 14 4 纠崩9 d q 6d q 9 g n d1 24 3v d d 3 3 v s s q v d o q d a t a 71 34 2d a t a 8 d q 7d q 8 v d d 3 3 1 4 4 1g n d n 、m b b 01 5 l d q m n c 4 0 n w e 1 6 3 9n w b e l w e u d q m n s c a s1 7 3 8s a k 碰耥1 83 7 s ( 】( e i l s a j o1 93 6 a d d r 2 l2 03 5 a d d r j 2 a d d r 2 22 13 4a d d r a o a d d 砒l2 23 3 a d d r 9 a d d r l2 33 2a d d r 8 a d d 慰2 43 la d d r 7 a d d r 32 53 0a d d r 6 a d d r 42 62 9a d d r 5 v d d 3 32 72 8g n d 肼5 7 v 6 416 2 0 h g 图2 6s d r a m 连接电路图 2 2 4 4f r a m 存储器 f r a m 存储器在本系统中用来存储2 0 秒的紧急数据，因此要求很好的耐高温 和抗冲击能力，不易损坏。因此本系统采用了低功耗的f m 2 4 c 3 0 u ，遵循的是i i c 传输协议，容量为4 k b y t e ，最高的工作频率可达到4 0 0 k h z 。同时设计的目的就 是为了达到很高的耐用性和可靠性，可以重复擦写1 0 0 万次。 i i c 总线是p h i l i p s 公司开发的一种新的硬件接口，它只需要两根线，即一根 串行数据线( s d a ) 和一根串行时钟线( s c l ) 就可完成器件之间的通信。同时由 于i i c 总线是双向同步串行总线，其内部接口为双向传输电路，总线端口的输出 为开漏结构，故总线上必须有上拉电阻。这种开漏结构的总线接口，容许在总线 电子科技大学硕士学位论文 上挂接多个i i c 器件，每个器件都有唯一的地址，访问时可以通过软件寻址避免 通信中的冲突。它的标准传输模式为1 0 0 k b p s ，在快速模式下为4 0 0k b p s ，在高 速模式下为3 4 m b p s 。 i i c 总线在通信时有严格的时序要求。在s d a 线上的数据只有当s c l 为低时 才能改变状态，当s c l 为高时改变s d a 状态被用于表示开始s t a r t 和停止s t o p 。 在总线上传送的每一帧数据均为一个字节。当启动i i c 总线后，传送的字节数没有 限制，只要求在每传送一个字节后，对方回应1 个应答位。在发送时，每次发送 的是数据的最高位。每次传送开始时有起始信号，结束时有停止信号。在总线每 传送完一个字节后，可以通过对时钟线的控制，使传送暂停。即只需要两根线， 即一根串行数据线( s d a ) 和一根串行时钟线( s c l ) 就可完成器件之间的通信。 在实际设计中，主控器向总线发送命令和数据，作为主器件，而f m 2 4 c 3 0 u 芯片接收命令和数据，作为从器件。本系统主控器采用的s 3 c 4 4 b o x 自身带有i i c 接口和控制寄存器，所以在本系统中的设计和实现是非常方便的。其连接电路图 如2 7 所示。 v m l l 7 图2 - 7f m 2 4 c 3 2 u 连接电路图 2 2 4 5 时钟芯片 根据本系统设计，系统记录的是数据中要包含实时时间，因此在我们就需要 在本系统中加入时钟芯片，并且时钟芯片在系统掉电后也能够正常的运行。基于 上述的考虑本系统选择了m a x i m 公司生产的d s l 3 3 9 实时时钟芯片，它计时准确、 体积小、功能强，且接口方便、性价比高，主要具有以下特点： 1 、时钟精度高，可以准确地用秒、分、时、日、星期、月、年来显示时间和 1 2 第二章汽车黑匣子的系统设计 日期，具有世纪字节，解决了两千年问题，自动实现闰年调整。在时钟不准时， 可以通过内部的模拟微调寄存器a t r 和数字微调寄存器d t r 来调节时钟的精 度，保证长时间稳定的走时。 2 、具有2 路报警，可设置为按秒、分、时、日、月和星期任意组合的定时 报警，报警能够在状态寄存器被查询时提供一个周期性或一个特定时刻发生的硬 件中断( i r q 管脚) 。 3 、采用i i c 总线与单片机接口，一次可传送多个字节的数据，数据传送的速 率为最高4 0 0 k h z 。 4 、采用双电源供电，提供一个备用电源输入引脚( v b a c k ) ，接一电池作为 备用电源，可在主电源( v c c ) 失效时保证芯片正常工作和时钟的连续运行。 汽车黑匣子在掉电后继续保持时钟的正常运行和保持当前的实时时间是非常 重要的。而d s l 3 3 9 具有两个电源引脚：v c c 主电源引脚和v b a c k 备用电源引 脚，在芯片内部两个电源引脚实际上是接到一个比较器的两个输入端，电源控制 电路在v c c ( v b a c k 一0 2 v ) 时采用v b a c k 驱动时钟芯片，当v c c 超过v b a c k 时切换回v c c 给器件供电。在硬件的实际设计中我们采用了可充电的n i c d 电池 作为时钟芯片的备用电源。因此当系统的电源电压正常时，由系统电源供电，并 对备用电池通过二极管和电阻进行充电，当系统电源掉电时，电源控制电路启动 备用电池来驱动时钟，从而保证了时钟在掉电的情况下也能正常工作，进而保证 系统的实时时间正常。 2 2 4 6u s b 设备接口 现在u s b 已经被用到越来越多的计算机系统上，u s b 具有速度高成本低功耗 低支持即插即用p l u g & p l a y 和使用方便等特点，其在协议成熟以后迅速地占领了 计算机低中速外部设备的市场，大有取代传统串口和并口之势。所以现在越来越 多计算机系统采用其作为系统之间传输数据的首选方案。本系统也采用u s b 设备 来实现汽车黑匣子上记录的数据与上位机之间快速、方便地传输。 根据系统需要，本系统选用了飞利浦公司生产的p d i u s b d l 2 ，带并行总线的 u s b 接口器件。p d i u s b d l 2 是一款性价比很高的u s b 器件它通常用作微控制器 系统中实现与微控制器进行通信的高速通用并行接口它还支持本地的d m a 传输。 这种实现u s b 接口的标准组件使得设计者可以在各种不同类型微控制器中选择 出最合适的微控制器，这种灵活性减小了开发的时间风险以及费用，通过使用已 有的结构和减少固件上的投资，从而用最快捷的方法实现最经济的u s b 外设的解 1 3 电子科技大学硕士学位论文 决方案。其主要特点如下： 1 、p d i u s b d l 2 完全符合u s b l 1 版的规范，并且它还符合大多数器件的分类 规格如：成像类、海量存储器件、通信器件、打印设备以及人机接口设备等。 2 、p d i u s b d l 2 所具有的低挂起功耗连同l a z y c l o c k 输出可以满足使用a c p i 、 o n n o w 和u