（通信与信息系统专业论文）汽车行驶记录仪的研制(1).pdf

摘要汽车行驶记录仪是新一代高科技产品，可实时、准确地记录汽车行驶过程中的各种状态参数，并通过i c 卡将记录仪采集的数据传送到系统微机里，通过专用的分析软件对采集到的数据进行分析，可以再现汽车行驶过程中的各种状态。一方面，便于交通管理部门以及汽车运营单位对汽车进行管理；另一方面，记录仪记录的信息还可以为交通事故发生的原因和公正处理提供了科学、权威的依据。本文详细论述了由p c 单片机构成的汽车行驶记录仪系统的整体设计、单片机与存储器的接口设计、单片机与实时时钟的接口设计、速度传感器设计、小型开关电源设计的基本工作原理，系统硬件及软件实现方法，以及软件流程、数据格式约定和用户界面的设计。通过采用具有哈佛结构的p i c 单片机，不但提高了系统的实时处理速度而且增强了系统的抗干扰能力；在超速时，通过采用声光报警及时准确地提醒司机要减速行驶。关键词：汽车行驶记录仪p i c 单片机p c f 8 5 8 3 ( 日历时钟芯片)a t 4 5 d 0 4 1 速度传感器a b s t r a c ta u t o m o b i l et r a v e lr e c o r d e ri sn e waa c t i n gh i 曲一t e c hp r o d u c t ，b u tr e a lt i m er e c o r da u t o m o b i l ea c c u r a t e l yt h ec o u t s co ft r a v e l i n gi nv a r i o u ss t a t ep a r a m e t e r s ，a n dt h r o u g hi cc a r dd e l i v e rt h ed a t ao fr e c o r d e rc o l l e c t i o ns y s t e m a t i cp e r s o n a lc o m p u t e ri n ，a n a l y s et h r o u g ht h ed a t af o rs p e c i a lp u r p o s et h a ta n a l y s i ss o f t w a r eg o e st of o rc o l l e c t i o n ，c a l lr e a p p e a ra u t o m o b i l et h ec o u r s eo ft r a v e l i n gi nv a r i o u ss t a t e s o nt h eo n eh a n di sc o n v e n i e n tf o rt r a f f i cm a n a g e m e n td e p a r t m e n ta sw e l la sa u t o m o b i l eo p e r a t i o nu n i tf o ra u t o m o b i l em a n a g e ；o nt h eo t h e rh a n dt h ei n f o r m a t i o no fr e c o r d e rr e c o r dc a ns t i l lt h i n kt h eb a s i sa n dt h a tr e a s o na n dj u s th a n d l i n gh a v eo f f e r e ds c i e n c ea n da u t h o r i t yt h a tt r a f f i ca c c i d e n to c c u r s t h i sp a p e rh a v ed i s c u s s e di nd e t a i lt h ea u t o m o b i l et h a tb e c o m e sb yp i cs i n g l ef l a to r g a n i z a t i o nt r a v e lt h eb a s i c a l l yw o r k i n gp r i n c i p l eo fr e c o r d e rs y s t e m a t i co v e r a l ld e s i g n ，t h ei n t e r f a c ed e s i g no fm e m o r ya n ds i n g l ef l a tm a c h i n e ，t h ei n t e r f a c ed e s i g no ft h es i n g l ef l a tm a c h i n ea n dc l o c ko fr e a lt i m e ，s p e e ds e n s o rd e s i g na n dt h es m a l l s i z e ds w i t c hd e s i g no f p o w e rs o u r c e ，s y s t e m a t i ch a r d w a r ea n ds o f t w a r er e a l i z a t i o nm e t h o d ，a sw e l la ss o f t w a r ep r o c e s sa n dd a t af o r mt h ed e s i g no ft h eu s e ri n t e r f a c es t i p u l a m d t h r o u g ha d o p t i n gh a v eh at h ep i co n l yf l a tm a c h i n eo fb u d d h as t r u c t u r e ，n o to n l y ,h a v er a i s e dt h ea b i l i t yo fi n t e r f e r e n c er e j e c t i o nw i t l lw h i c hs y s t e m a t i cr e a lt i m eh a n d l e ss p e e da n dh a ss t r e n g t h e n e ds y s t e m ；w h e ne x c e e d i n gt h es p e e dl i m i t ，t h r o u g ha d o p t i n ga c o u s t o o p t i cr e p o r tt ot h ep o l i c er e m i n dd r i v e ri nt i m ea c c u r a t e l yw i l ls l o wd o w nt ot r a v e l k e y w o r d s ：a u t o m o bi iet r a v ep o f 8 5 8 3 ( g a l e n d a rr e c o r d e rp i co f f i yf i a tm a t h i t i ec l o o kc h i p ) a t 4 5 d 0 4 1s p e e ds e n s o r第一章绪论1 1引言当今，随着中国经济的高速增长和社会进步、城市化汽车化的急速发展，迅捷、高速的交通系统已成为社会经济发展的有力保障。由于私人汽车数量的迅猛增加而导致的交通拥挤，车辆营运无法管理、环境污染等问题目益恶化，已成为我国现阶段急待解决的问题。为此，怎样实施智能交通管理越来越被人们所关注。作为保障汽车安全行驶的智能交通电子产品一汽车行驶记录仪系统的研究、开发与应用，日渐戍为人们所关注的焦点。汽车行驶记录仪( v e m c l et r a v e lt u gd a t ar e c o r d er ) ，又称“汽车黑匣子”、“绿匣子”、“汽车工作信息记录仪”。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记录，并通过专用软件在电脑上再现。它不仅拥有事故分析功能，还能在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闻、行驶里程、行驶时问、最高车速以及每次最高车速的持续时问，方便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。即使拆除黑匣子也还是无法起动汽车，在传统防盗器的基础上又有了新的突破。汽车黑匣子在汽车上已经得到开发应用。汽车黑匣子的问世，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，如行驶速度、车辆所处的地理位置、电器系统、制动系统状况以及发动机系统的温度、油压等，进行连续较长时间的记录。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、降低成本和交通管理具有重要的实际作用及意义。1 2 汽车行驶记录仪发展的历史与现状七十年代后期，欧共体推出机电模拟式汽车行驶记录仪，用于记录汽车行驶的速度和距离。经欧共体各国推广使用后，证实在降低事故率，提高司机责任心和进行科学管理等方面收到良好效果。据德国、比利时和荷兰几家公司的统计，使用记录仪后交通事故率可降低3 0 50 。进入九十年代，科学技术飞速发展，计算机日益普及，美国、欧共体相继推出性能更为优良的电子式汽车行驶记录仪，并得到美国国家运输安全委员会的支持，敦促在其轿车和卡车上安装这种仪器。同时，美国通用公司和福特公司等汽车制造商也着手研制汽车记录仪，并在其几种高档车上安装，记录仪中的数据已在其法律诉讼及车辆返修等事务中提供了可靠的帮助。1 99 4 年，比利时的一家公司在其1 1 4 辆车上安装了汽车记录仪，实践证明，记录仪的使用大大革新了该公司的管理体系，它不但忠实的记录了每辆车的行驶时间、速度、距离等，帮助管理人员对车辆进行统筹管理，而且在限制超速、提醒司机小心驾驶等方面也起到了非常积极的作用，这样还使车辆的行驶情况、司机的业务评比更透明化，同时改善了司机的驾驶品质，车辆的磨损和下路维修都大为减少。据新华社报道，智利旅游汽车公司的所有长途客车上都装有记录仪，使用当年，固超速引起的交通事故已降为零。9 8 年3 月，马来西亚内阁会议决定强制推行使用汽车记录仪，以控制超速现象。八十年代末，国内开始研制汽车记录仪。北京伟航新技术开发有限公司率先研制成功第一代i b b 一1 型汽车综合记录仪，并顺利通过有关部f 1 检测，开始在国内部分省市使用。后来伟航公司经不懈努力，又开发出功能和性能更优良的第二代i b b 一2 a 型、第三代产品i b b - 10 0 a 型记录仪。为此香港特区政府运输署特邀伟航公司前往演示。经国家公安部、广电部、航天工业总公司等部门检测认定，伟航公司的产品在技和陛能及功能设置上已达国际领先水平。伟航公司是国内生产、研制汽车行驶记录仪的单位之一，她的成长历程也代表了国内汽车行驶记录仪的发展史。i b b 一1 0 0 a 的主要技术指标1 工作电压：l o v - 3 0 vd e 。2 额定工作电流：不大于2 0 0 m a 。3 工作环境：温度：一3 0 - - 70 ，湿度：9 5 r h ；24 断电后数据保存时间： 5 年。5 数据存储容量：3 6 8 0 小时。6 采样速率：o 25 秒。7 记录仪主机重量：1 k g 。8 记录仪主机外型尺寸：1 9 0 1 2 8 4 0 m m 。国内其他主要厂家有西安交远信息产业有限公司研制的c a r l o g i i型、浙江通路科技发展有限公司开发的t r a 2 型、深圳华强集团开发的i t s 型汽车行驶记录仪。所以，着眼于已经研制出的汽车行驶记录仪，应该研制出一种功能更强，性能更加优良的汽车行驶记录仪。其主要特征如下：1 存储容量更大，3 0 0 小时以上。2 采样率0 2 5 秒次。3 超速时，声光报警。第二章系统的主要功能及总体结构2 1系统的主要功能汽车行驶记录仪是一种能够安装在机动车辆上全程同步记录、监控车辆运行状态、预防交通事故发生的高科技智能化产品。它采用电子元器件组成，测量并记录汽车车速，行驶时间及根据行驶状态传感器信号进行判别、计算并直接显示超时、超速情况，违章时带有声光报警( 或语音报警) 。存储的采样信息可由大容量f l a s h 存储器存储，采样信息的处理通过i c 卡将其传送到计算机上显示出行驶曲线和汇总信息。该汽车行使记录仪是面向运输公司和交通管理部门的高科技智能化产品，它可采集记录车辆行驶状态和司机操作的各种信息，利用专用的管理软件可输出全程的“里程一一速度、速度一一时间”曲线。记录时间可达3 0 0 小时以上。主要功能为：行车安全监控：车辆运营管理；辅助事故记录与分析。我们与长春某公司合作，根据市场需求，研制一种功能较好，成本较低的汽车行使记录仪，根据实际应用情况，我们设计的汽车行驶记录仪的具体功能如下：1 、采用磁卡式管理记录仪通过此卡可自动识别驾驶员，记录当班司机的姓名或工号，并将车辆等基本信息输入卡中，谁当班谁插卡，责任明晰，便于管理。记录仪会自动存储所有采集数据，需要调取时再从中采集。2 、安全保障措施超速报警：由于记录仪应用的车辆不同，可自行设置超速门限值。汽车行驶中如果超过规定速度，记录仪可显示超速值并有声光报警，提醒司机小心驾驶。超时报警：记录仪可记录司机连续驾驶时间，当时间超过规定值，可有声光报警并显示驾驶时间。防止疲劳驾驶情况发生，最大限度降低事故率。3 行驶速度实时记录可对超速情况做完全记录，不但可从行驶曲线上观察整个超速过程，还可提供详尽的超速数据，如超速起止时间，超速速度变化率，超速行驶距离关系及超速过程中的刹车、鸣笛等操作状态。4 可记录车辆行驶中的开、关门情况，杜绝偷逃票款、或中途上下客等作弊行为，并且有效保障乘客乘车安全。5 设有路检功能，无论何时、何地，可对运营车辆随时抽检，调取数据，获取第一手安全行车资料。6 可对车辆、司机或车队做详细的情况登记，并可加载车辆及司机个人的照片，便于核对。7 另设有司机肇事记录和车辆参加保险的信息记录。8 停车前3 0 秒事故疑点记录，每0 25 秒采集一次，可记录2 5 次停车前的数据，包括运行车辆停车前的时间、速度、里程及所有操作状态的综合记录，在可能出现事故时，根据这些记录查看车辆停车前瞬间的各种数据，对事故原因做出准确判断，分清责任归属。9 先进的计算机管理系统。通过专用读卡器可将采集磁卡中的数据读到计算机的管理软件中，对数据进行处理、分析、排比、总结，可长久保存，随时查询。提供两种全程行驶的直观曲线，即时间一里程关系和速度一里程关系两种行驶曲线，通过这两种曲线可查看车辆在任意时间、任意里程、任意速度下的各种运行状态，观察驾驶水平，分析路线及速度控制情况，数据准确，曲线直观。可对整个车队的车辆运行情况按不同标准进行统计分析，生成各种扳表，便于车辆管理者进行综合查询，业绩考核，合理调度。2 2 系统的总体结构根据以上设计特点及要求，本系统设计的总体结构如图2 - 1 所示。它分为车载系统和车辆信息分析及管理系统两部分。其中，车载系统主要用于采集汽车行驶中的速度、连续行驶时间、车门开关状态等信息：将以上信息进行存储和分析；可显示速度、时间等信息；对超速、超时等可实现声光报警。车辆信息分析及管理系统可通过读卡器读入采集的数据，利用专用的管理软件可输出全程的“里程一一速度、速度一一时间”曲线。对数据进行处理、分析、排比、总结，可长久保存，随时查询。车载系统匾一团图2 - 1系统总体结构框图车辆首理部门6第三章总体方案设计3 1设计汽车行驶记录仪的指导思想i 汽车行驶记录仪作为安装在汽车上的实时监控系统，在设计时应考虑到能适应不同车种的需要，应具有功能强，操作简单，维护方便，价格低廉、低功耗等特点。2 作为记录汽车行驶状态的专门设备，应具有性能稳定，抗干扰强，记录准确、抗振性强的特点。3 整个系统应具有良好的密封性。4 软件设计应直观，界面友好，容错性强，双机通讯时应有数据校验。3 2 方案选择与方案论证1 微控制器的选择由于整个系统的设计涉及到数据采集、数据传输、数据存储等问题，选用基于微控制器的系统，电路的实现不仅简单而且成本低、功耗低、能大大缩小整个系统的体积。本系统是一个车载系统，需要微控制器有很强的抗干扰能力，而且要求微控制器内部有看门狗定时器，以便在程序走飞时能自动复位；执行指令速度要快，以便能高速处理采集到实时数据。方案一：微控制器选用a t 8 9 c 5 1 ，其外围接口电路简单，成本低，而且它经过多年的发展，技术也相当的成熟。但是其抗干扰能力低：系统时钟为1 2 m h z 时，机器周期为lus ，执行指令速度，浸，很难实时处理采集到的实时数据。方案二：选用基于c p l d f p g a 的控制系统，可以将整个系统固化在芯片内，从而使系统由电路板级转化为芯片级，使系统的集成化大大提高。系统不仅体积小、重量轻、功耗低而且整个系统的可靠性也大大提高。但其价格昂贵，使成本成倍提高。方案三：微控制器选用m i c r o c h i p 公司的p i c 系列单片机，它是采用r i s c 结构的高性能嵌入式微控制器。它具有的高速度、低工作电压、低功耗、强大驱动能力、低价格等特点。p i c 系列单片机总线结构采取了数据总线和指令总线分离的哈佛( h a r v a r d ) 结构，具有很高的流水线处理速度；它的精简指令集结构( r i s c ) 使它所有的指令都是单字节，每条指令执行最快可达2 0 0 n s ，因此其程序空间的效率比一般单片机高很多，同时具有很高的软件可靠性。它内部具有通过软件设定即可独立运行的r c 振荡计时器( 监视定时器w d t ) ，w d t 超时将使单片机进入复位状态，这样可以避免程序走飞。基于以上特点我们选用p i c l 6 f 7 3 单片机。p i c l6 f 73 的特点：( 1 ) 八位定时器计数器t m r o ，带八位预分频器。( 2 ) 十六位定时器计数器t m r l ，睡眠中仍可计数。( 3 ) 有卜2 路捕捉输入比较输出p _ i v m 输出( c c p ) 。( 4 ) 八位定时器计数器t m r 2 ，带有八位周期寄存器及预分频器和后分频器。( 5 ) 并行口操作。( 6 ) 同步并行口i2 c $ p i 。( 7 ) 同步通讯s c i u s a r t 操作。( 8 ) 内置自振式( r c 振荡) 看门狗。2 系统电源设计方案选择方案一：采用线性集成稳压器，优点是简单，常用，易于实现；缺点是效率低( 3 0 6 0 ) ，散热器面积大，用作输出电压平滑滤波的电容器及其电容值也很大。方案二：采用由d c d c 直流变换器组成的小型开关电源，它不但具有重量轻、体积小的优点而且具有效率高( 7 0 一8 5 ) 的优点。基于以上的比较，我们在设计中采用由d c d c 直流变换器纽成的小型开关电源为整个系统供电。3 3 汽车行驶记录仪的构成及组成结构框图本设计中，首先将模拟信号转换为数字信号，其次是对数字信号进行采集，最后将采集到的数字信号存储起来。81 由触发器、射随器、并串转换组成的开关信号采集部分。2 由速度传感器、射极跟随器、比较器组成的速度信号处理部分。3 单片机p i c l 6 f 7 3 及其外围电路组成的数字信号处理部分。4 由f l a s h 芯片及i c 卡组成的数据存储部分。5 由d c - d c 变换器组成的电源部分。6 由p c f 8 583 组成的实时时钟源部分。7 由光电隔离器组成的双机通讯部分。综上所述，整个记录仪系统是一个集数据采集、数据传输、数据存储为一体的复杂的系统。其组成结构框图如图3 1 所示。图3 - 1系统组成结构框图数据采集系统是安装在机动车上，通过线束与相应的信号相连接。数据采集系统主要采集并传输的信息为刹车、喇叭、左右灯、大灯、气压、1 号和2 号门、报站器、速度等信号。经接口电路将非电量信号转换成电量信号供单片机识别，单片机通过串口将采集的信息传送到数据存储系统中。数据采集系统组成框图如图3 2 所示，主要完成如下各项任务：1 实时采集速度。2 实时采集开门次数。93 实时采集刹车、喇叭、左右灯、大灯、气压等使用情况。4 将采集的信息实时地传输到数据存储系统中。5 实时地记录实时时间。圈3 - 2数据采集系数据存储系统也是安装在机动车上，通过通信线与数据采集系统相连接。数据存储系统的主要功能是接收数据采集系统传送过来的数据，并存储起来。数据存储系统组成框图如图3 3 所示，主要完成如下各项任务：1 接收来自数据采集系统的数据并将其存储在f l a s h 存储器中。2 将f l a s h 存储器中的数据转存到i c 卡中。3 对速度数据进行实时分析、处理，判断是否超速，如超速进行声光报警。4 根据功能键选择的不同，分别显示以下四种信息：速度：里程：日期；时问。 从接收器的；竺竺，时钟黜i 挑b 黼的一爪用用瓜时钟籼：su1u2 8 9 乏西南景舌舂纛嚣号图4 - 231 2 c 总线上的应答信号5 数据传送格式按照总线规约，起始信号表明一次数据传送的开始，其后为寻址字节，寻址字节由高7 位地址和最低i 位方向位组成，方向位表明主控器与被控器数据传送方向，方向位为0时表明主控器对被控器的写操作，为i 时表明主控器对被控器的读操作。在寻址字节后是按指定3 l读、写操作的数据字节与应答位。在数据传送完成后主控器都必须发送停止信号。总线上的数据传输有许多读、写组合方式。下面以简化的图解方式介绍三类数据传送格式。( 1 ) 定单元写指定单元写是指按指定的首地址( w o r d a d r ) 依次写入n 个字节数据，其操作格式如下：日巫巫亟豇亟匦falpi( 2 ) 指定单元读指定单元读是指按指定首地址( w o r d a d r ) 依次读出n 个字节的操作。其操作格式如下：ld a t an 】丁 pi1、。11一( 3 ) 现行地址读现行地址读是指不指定字地址，在寻址字节( 读) 后第一个字节即开始读入r a m 单元内容，其操作格式如下：匾亟区互田亚区五工卫4 5 2 实时时钟日历芯片p c f 8 5 8 3p c f 8 583 是一种带有i2 c 总线接口，内带有2 56 8 位静态r a m 的日历时钟芯片，用c m o s 工艺制作，功耗很低。允许备用电池长时间供电，故可构成不停电的实时时钟，同时可作为片内r a m 的数据保护电源，可以当成非易失性r a m 使用，也可用作6 位b c b 码数表示的时间计数器。其i2 c 总线接口与单片机的连接非常简单，芯片8 脚封装，体积小，功耗低，在实时日历时钟集成电路选型时，p c f 8 5 83 是一只性能价格比较好的优选芯片。1 引脚配置和引脚说明引脚配置如图4 - 2 4 所示，引脚功能说明如表4 - 3 所示。o s c l0 s c 2a 0 g s sv c ci n ts c ls d a图4 - 2 4p c f 8 5 8 3 的引脚图表4 - 3p c f 8 5 8 3 引脚功能引脚名称引脚功能1o s c i振荡器输入，5 0 h z 或脉冲输入端2o s c o振荡器输出3a 0引脚地址输入端4v s h电源地5s d ai2 c 总线数据线6s c li2 c 总线时钟线7i n t中断输出端，漏极开路，低电平有效8v c c电源2 器件的工作原理及数据操作格式p c f 8 5 8 3 有三个主要功能，即日历时钟可使用3 2 7 6 8k h z 或5 0 h z时基，可自动计时、编程设定、编程起闹；事件计数器可进行时间事件计数编程起闹；2 5 6x8 s r a m ，地址自动增量，其工作原理与一般带i2 c接口的r a m 相同。p c f 8 5 8 3 的日历时钟，事件计数器的全部工作状态设置、控制、时钟事件计数、时钟事件编程起闹、中断管理等，占用了o o h o f h 空间作为工作寄存器、计数器、定时器使用。由于日历时钟与事件计数器占用的r a m 空问重叠，而且片外电路也不相同，故p c f 8 5 8 3 作日历时钟就不再作事件计数器使用，反之亦然。( 1 ) p c f 8 5 8 3 的控制状态寄存器为r a m 空间的0 0 h 地址单元。i2 c总线的主器件可以对其读、写以实现对它的控制。控制状态寄存器的格式如下：! 151 151 151 1l! !j! !l! !l! !ld 7 ：停止计数位。o ：对脉冲计数；1 ：停止计数，分频器复位。d 6 ：计数器状态位。0 ：计数；1 ：保持和存贮最新计数值至捕捉锁存器中。d 5d 4 ：功能方式。0 0 ：3 2 76 8 k h z 时钟方式；0 1 ：5 0h z 时钟方式；10 ：事件计数方式；1 l ：测试方式。d 3 ：屏蔽位。0 ：读0 5 h 、0 6 h 单元时不屏蔽；1 ：0 5 h ，0 6 h 单元只读出月、日计数值。d 2 ：起闹允许位。0 ：禁止起闹，禁止触发起闹标志( 0 8 h 0 f h 单元可作一般r a m 单元使用) ；1 ：允许起闹，0 8 h 单元为起闹控制寄存器。d 1 ：起闹标志( 若起闹允许位为0 则是占空比为5 0 的分标志) 。d o ：定时器标志( 若起闹允许位为0 则是占空比为50 的秒标志) 。( 2 ) 计数器寄存器计数器寄存器占用0 1 h 0 f h 单元空间，是可编程的，在不同的工作方式下其内容不同。在时钟方式下，计数寄存器的各个单元存放相应的计时b c d 码，其计数周期、进位方式如表4 - 4 所示。表4 - 4计数器进位方式计数器计数周期进位月计数器内容百分之一秒0 0 9 99 9 o o秒0 0 5 95 9 0 0分o o 5 95 9 o o时：2 4 小时制0 0 232 3 o o12 小时制12 a m ，0 1 1 1 a m1 2 p m ，0 1 1 1 p m1 1 p m 1 2 a m日期0 1 3 13 1 0 11 、3 、5 、7 、8 、0 1 3 03 0 0 110 、1 2 、4 、6 、9 、0 1 2 929 0 11 10 1 2 82 8 0 12 ( 年尾= o )2 ( 年尾= 1 、2 、3 )月0 1 l21 2 0 1年0 3星期0 66 0定时器0 0 9 9无进位( 3 ) 时钟方式下计数器寄存器的数据状态在时钟方式下的计数寄存器中，除起闹控制寄存器外都是存放时钟计数或起闹数据的。每个单元中的数据状态分述如下：百分之一秒单元( 0 1 h ) ，该单元为百分之一秒计数寄存器，两位b c d 码。低位为百分之秒，高位为十分之秒，最大计数值为9 9 ，溢出后向秒单元进位，复位后为o o h 。秒单元( 0 2 h ) ，该单元为秒计数寄存器，两位b c d 码，最大计数值为5 9 ，溢出后向分单元进位0 0 h 。分单元( 03 h ) 。该单元为分计数寄存器，两位1 3 c i ) 码，最大计数值为5 9 ，溢出后向时单元进位，复位后为o o h 。时单元( 0 4 h ) ，该单元为时( 钟点) 计数寄存器，复位后为0 0 h 。钟点数据占用2 位二进制码一位b c d 码，其余部分用于12 2 4小时标志及状态设置，其格式如下：d t ：计时格式。0 ：2 4 小时制，a m 、p m 标志不变；1 ：12 小时制，a m 、p m 标志更新。d 6 ：上午( a m ) 下午( p m ) 标志。d 5 d 4 ：钟点十位( 二进制0 2 ) 。d 3 d 2 d 1 d o ：钟点个位( b c i ) 码) 。年日期单元( 0 5 h ) ，该单元为年、日期计数寄存器，复位后为0 1 h 。日期个位数位为b c d 码，十位数为二位二进制码，年份为二位二进制码，格式如下：d 7 d 6 ：年份( 二进制0 3 ) ，当控制状态寄存器屏蔽位置位时，读出为0 。d 5 d 4 ：日期十位( 二进制0 3 ) 。d 3 d 2 d 1 d o ：日期个位( b c d ) 。星期和月份单元( 0 6 h ) ，该单元为星期、月份寄存器，复位后为0 1 h 。月份个位数为b c d 码，十位数为一位二进制码，星期为三位二进制码，其格式如下：d 7 d 6 d 5 ：星期( 0 6 ) ，当控制状态寄存器屏蔽位置位时，读出为0 。d 4 ：月份十位。d 3 d 4 d 1 d o ：月份个住( b c d ) 。定时器( 0 7 h ) ，该单元为二位b c d 码计数寄有器。当控制状态寄存器的起闹允许位置位，则根据起闹控存器( 0 8 h ) 的定时器功能位编程为百分之一秒、秒、分、时或日计数单元：不起闹时该单元为计数天数。起闹定时器( o f h )起闹定时器( o f h ) ，该单元与定时器( 0 7 h ) 相对应，为起闹定时置数单元，当定时器中的计数值与其相同时产生定时起闹。时钟起闹寄存器( 0 9 h o e h ) ，时钟起闹寄存器用来设定起闹时刻，其百分之一秒、秒、分、时、日与相对应的时钟计数寄存器( 0 l h 一0 6 h ) 格式相同。当时钟起闹，寄存器的内容与时钟计数寄存器的内容一致时，开始起闹，在日期起闹时略去了年和星期，在每天起闹时忽略去了月和日的相应位。在选择星期起闹时，起闹星期月份寄存器( o e h ) 格式如下：d 7 ：不用。d 6 ：置位时，星期六允许起闹。d 5 ：置位时，星期五允许起闹。d 4 ：置位时，星期四允许起闹。d 3 ：置位时，星期三允许起闹。0 2 ：置位时，星期二允许起闹。d 1 ：置位时，星期一允许起闹。d o ：置位时，星期日允许起闹。( 4 ) 数据操作格式由于p c f8 5 8 3 所有的计数器、控制寄存器都占用了r a m 存储单元，故对p c f 8 5 8 3 的各种操作，如控制状态寄存器控制字的设置、时钟的设置及读出、起闹控制设置等都体现在对p c f8 5 8 3r a m 单元的读写操作，而这些操作都是i 总线中典型的主方式下的读、写操作。3 实现电路p i c 单片机与p c f 8 5 8 3 的接口电路如图4 - 25 所示。在系统设计中，我们采用单片机的两个i o 口r c o 和r c i 与p c f 8 5 8 3 的s c l 和s d a 相连0 n 0图4 2 5p i c 单片机与p c f 8 5 8 3 的接口电路接，通过软件模拟1 2 c 总线，在本系统中运用p c f 8 5 8 3 的日历时钟功能为系统提供永久的持续时间。当汽车熄火时，通过电池给p c f 8 5 8 3 供电。3 7系统首先通过专用的接口对p c f 8 5 8 3 进行初始化，然后在不断开电源的条件下将电池与p c f 8 5 8 3 相连接，这样p c f 8 5 8 3 就以初始化的时间为起始时间持续记录实时时间。p c f 8 5 8 3 初始化顺序为秒、分、时、年日、星期月，控制字为0 1 h 、5 8 h 、9 2 h 、0 1 h 、4 1 h ，共5 组。p c f 8 5 8 3 初始化乖p c f 8 5 8 3 读出程序框图如图4 - 2 6 、4 - 27 所示。nh图4 - 2 6p c f 8 5 8 3 初始化程序框图4 27p c f 8 5 8 3 数据读出程序框图4 5 3 串行e 2 p r o ma r 2 4 c 16a t 2 4 c x x 系列酽p r o m 采用低功耗c m o s 工艺制造，内部设有高压泵电路，可以在低电压下工作，具有擦除写入1 0 万次和数据保留1 0 0 年3 8的高可靠性，提供两线串行接口，便于同各类微机接口，使用方便。另外，对对存储在芯片中的数据，可以通过软件利用各种加密算法进行加密处理，从而提高安全性，扩大了器件的应用范围。1 引脚配置和引脚说明a t 2 4 c 1 6 的引脚配置如图4 - 2 8 所示，引脚功能说明如表4 - 5 所示。a o 。f t 慨t e s ，二噩兰表4 - 5a t 2 4 l c l 6 引脚功能引脚名称引脚功能1a o器件的输入地址2a 1器件的输入地址3a 2器件的输入地址46 n d电源地5s d ai2 c 总线数据线6s c li2 c 总线时钟线l7t e s t测试端i8v 电源2 器件的工作原理2 4 c x x 的工作时序与i2 c 总线的标准时序完全一致。s c l 和s d a 两总线平时通过上拉电阻拉为高电平，s d a 总线上的数据仅在s c l 为低电平期间可能改变。当s c ，处于高电平时，s d a 总线上的数据不能改变。3 实现电路p l c 单片机与a t 2 4 c 1 6 接口电路如图4 - 2 9 所示。在系统设计中，3 991 0一lu 1p i e l 6 f 7 30 s c l o s c 2 船m c l 州r a 0兜a 1r a 2r a 3r a 4 y l o c kl 己a 5口口p i c l 6 f 7 3蹿糖p 2p lad5 1 4 d图4 2 9p i c 单片机与a t 2 4 c 1 6 的接口电路g n d图4 3 0a t 2 4 c 1 6 写入数据程序框图4 - 3 1a t 2 4 c 1 6 读出数据程序框图我们采用单片机的两个1 0 口r b 6 和r b 7 与a t 2 4 c 1 6 的s c l 和s d a 相连接，通过软件的方式模拟i2 c 总线。a t 2 4 c 1 6 的写入数据、读出数据程序乱一牡一一抖一一钻一”一一一心一一h一一坫一一博嚣篇嚣嚣嚣l|嚣嚣m慧框图如图4 3 0 、4 - 3 1 所示。4 6 点火信号的获取汽车点火信号的有无，用以判断汽车是否启动。点火信号的获取电路如图4 3 2 所示。电路中z i 是点火信号输入端，a 给单片机、a t 2 4 l c l 6 和光耦0 4 的输出端提供电源，p 1 6 为控制c d 4 0 2 l 的时钟端。当z i 为低电平时( 汽车没有启动) ，光耦0 2 没有导通使得z x 为低电平，则u 7 d 输出高电平，使得u 7 c 、u 7 e 、u 7 f 输出低电平( 即a 为低电平) ，此时单片机没有工作。当z i 为高电平时( 汽车已启动) ，光耦0 2 导通使得z x 为高电平，g n d图4 - 3 2点火信号电路则u 7 d 输出低电平，使得u 7 c 、u 7 e 、u 7 f 输出高电平( 即a 为高电平)此时单片机工作。u 7 c 、u 7 e 、u 7 f 并联增大电流，提高驱动能力。第五章数据存储系统硬件设计数据存储系统主要包括键盘显示系统、数据存储器电路两大部分。5 1 键盘显示电路键盘采用单键轮回控制显示器显示的内容，缺省的条件下显示实时速度。1 l e d 的选择选择l e d 显示器时考虑到功耗要低、发光效率要高、同时体积要小，兼顾以上特点我们选用高亮度的l e d 显示器，这样可以避免汽车在白天行驶时，因光线太足而使得显示器上的字迹模糊不清。2 实现电路u 27 4 l 8 2 7 3u 37 4 l s 2 7 3id lo ld 2q 2d 3q 3d 4。4d 5q 5d 60 6d 70 月d 80 8图5 - i键盘显示电路键盘显示电路如图5 1 所示。l e d 显示器采用两片7 4 l s 2 7 3 动态扫描方式驱动，其中u 2 作为段码接口，u 3 作为位码接口，单片机通过r b口与7 4 l s 2 7 3 的输入端相连，r a 2 开口r a 3 分别作为u 2 和u 3 的片选信号，缺省时显示实时速度。连接器j 的0 0 0 7 与显示器的段码相连，i o 1 7 与显示器的位码相连。r a o 作为键盘扫描口，键盘采用单键循环控制，按键一次、二次、三次、四次时，依次显示“里程、日期、时间、实时速度”数据，并且相应的指示灯点亮，当再次按键时，重复显示以上数据。经计算得到的速度值超过预先设定的速度上限值时，蜂呜器s 1 开始蜂呜，同时超速指示灯发光，进行声光报警，用以提醒司机要减速行驶。5 2 数据存储器设计记录汽车行驶状态数据需要大容量的存储器，为此我们选用a t m e l公司具有s p i 总线接口的a t 4 5 d 0 4 1f l a s h 芯片，容量为4 m b i t 。串行外围设备接口s p i ( s e r i a lp e r i p h e r a li n t e r f a c e ) 总线技术是m o t o r o l a 公司推出的一种同步串行接口。i a t 4 5 d 0 4 1 的引脚配置和引脚说明引脚配置如图5 2 所示，引脚功能说明如表5 - i 所示。g n dn gn c蕊s c ks ls on cn cn cn cn cn cn cv c cn cn cw pr e s e t辟d y 孵u s yn cn cn cn cn cn cn cn c图5 - 2a t 4 5 d 0 4 1 的引脚图4 3勰玎筋鸽烈抬舱越狮拇鸺仃博幅，23456789 他”惶他表5 - 1a t 4 5 0 4 1 的引脚功能引脚名称引脚功能lg n d电源地4c s片选端5s c k时钟6s i串行数据输入7s d a串行数据输出23r d y b u s y忙指示2 4面面牙复位25w p写保护2 8v c c电源其余管脚n c空脚2 器件的工作原理( 1 ) a t 4 5 d 0 4 1 的结构分为主存储器、两个缓存器及一个状态寄存器，其结构如图5 - 3 所示。图5 3a t 4 5 d 0 4 1 的内部结构框图主存储器：容量为4 ，3 2 5 ，37 6 位，分成20 4 8 页，每一页有2 6 4字节，与缓存器的容量相等。缓存器1 ( 2 ) ：有两个并列的缓存器，每个缓存器的容量为2 6 4字节，可以独立地进行读写操作。当主存储器在编程或擦除时，缓存器可以接受数据，这样大大提高了工作效率。状态寄存器：是一个8 位的寄存器b i t o - - b i t 7 ，可以通过串行命令读出其值，但不可以写。其中各位的定义如表5 2 所示。表5 - 2状态寄存器的位定义b i t 7b i t 6b i t 5b i t 4b i t 3b i t 2b i t lb i t or d y b u s yc o m po11b i t 7 ：r d y b u s y ( 就绪忙) 位，等于o 表明器件准备就绪，可以接受命令及数据；等于1 ，表明器件忙，不可以接收数据。b i t 6 ：c o m p a r e ( 比较) 位，等于0 表明写入主存储器的数据与缓冲器中的数据一致( 写入主存储器的数据正确) ；等于l 表明写入主存出中的数据与缓冲器中的数据不一致( 写入主存储器中的数据错误) 。此住主要用于主存储器的检查。b i t 5 、b i t 4 、b i t 3 ：表明此i c 卡的容量，对于a t 4 5 d 0 4 1 来说，此三位是0 、1 、1 。b i t 2 、b i t l 、b i t o ：保留位，留待以后开发用，此时读出为随机数。( 2 ) 数据操作格式对于a t 4 5 d 0 4 1 的操作是以命令字的形式出现的，在西信号为低电平时，在s c k 信号的下降沿将读或写操作的命令码通过s i 引脚写入芯片，同时根据其操作的命令内容再送入相应的地址码( 共2 4 位) 。所有的数据都是高位在前，其格式如图5 4 所示。其中，c m d 为一个8 位的命令字，其数值决定了操作的具体内容，在c m d 之后紧跟2 4 位的地址码，其格式为：r r r r ：四位保留位，以备厂家以后再开发时使用，对于a t 4 5 d 0 4 l 卡，此四位推荐写入0 。p a i o p a o ：页地址，1 1 位，决定主存储器中2 0 4 8 页中的某一页。4 5字节缓存器地址：b a 8 b a o ，9 位，决定了主存储器或缓冲器中的2 6 4 字节中某一字节的地址。s i瓶s b甲鬯产宁m bll保留位页地址1 1 位p a l 0 一p a 0字节缓冲嚣地址9 位b a 8 一b a 0图5 - 4命令时序图执行命令时，首先通过s p i 串口往f l a s h 发送一连串的数据，然后以命令字开头，除了“读状态寄存器外“，后面还要跟上页地址和页内字节地址以及一些无关位。“读主存“时，首先需要往f l a s h 发送6 4 b i t 的命令，即：命令字( 8 b i t ) t 4 个”r ”+ 页地址( 1 1 b i t ) + 页内字节的起始地址( 9 b i t )+ 3 2 个无关位，发送完6 4 b i t 命令后，紧跟着从f l a s h 读数据就可以了( 即后面的s c k 信号下降沿使得数据从s o 引脚移出) ，每读出一个字节，字节地址自动加1 ，如遏到该页的末尾，只要有s c k 信号，系统再回到该页的开头读取数据，整个操作过程中c s 脚始终为“0 ”，当c s 脚回到1 时，将终止此次操作，s o 脚恢复到高阻状态。“写主存“时，首先需要往f l a s h 发送3 2 b i t 的命令，即：命令字( 8 b i t ) + 4 个”r ”+ 页地址( 1 1 b i t ) 十页内字节的起始地址( 9 b i t ) ，发送完6 4 b i t 命令后，紧跟着就可以向f l a s h 中写数据了( 即后面的s c k 信号上升沿使得数据从s i 引脚移入) ，每写入一个字节，字节地址自动加1 ，如遏到该页的末尾，只要有s c k 信号，系统再回到该页的开头写入数据，整个操作过程中c s 脚始终为0 ，当c s 脚回到1 时，将终止此次操作，s i 脚恢复到高阻状态。( 3 ) 实现电路a t 4 5 d 0 4 1 芯片与单片机的接口电路如图5 - 5 所示。p i c 单片机通过g p dv c cn c”n cn c嚣忡s c kr e s e ts 1r d 州罚g ps 0n cn cn cn cn cn cn cn cn cn cn cn cn cn c1 4 c?图5 - 5p i c 单片机与a t 4 5 d 0 4 1 的接口电路nn图5 6a t 4 5 d 0 4 1 写入数据程序框图图5 - 7a t 4 5 d 0 4 1 读取数据程序框图软件模拟s p i 总线与a t 4 5 d 0 4 1 进行通信。本系统在设计中采用直接向主存写入数据和直接从主存读出数据的方法，每次读或者写6 4 个字节，4 7其中写入数据控制字为8 5 h 、读出数据控制字为5 2 h 。a t 4 5 d 0