（通信与信息系统专业论文）汽车行驶记录仪及数据分析软件的设计.pdf

摘要 汽车行驶记录仪，是对车辆行驶速度、 记录、存储，并可通过接口实现数据输出、 装置。 里程、时间以及其他状态信息进行 数据显示以及数据分析的电子记录 欧盟是世界上最早颁布法律法规强制推行使用记录仪的地区，也是目前使 用记录仪数量最多的地区之一，在欧盟各国，记录仪的应用均有明确的法律依 据，已经走上了制度化的轨道，经验证对减少交通事故起到巨大作用。结合中 国的实际情况，汽车拥有量飞速上涨，城市规划和交通政策滞后，交通事故率 大幅提高，解决交通安全问题刻不容缓。从中国交通安全管理需求出发，从根 本上减少和遏制交通事故，亟需推行汽车记录仪的使用。 本文设计了一套以a r ms t m 3 2 f 1 0 3 为微控制器的汽车行驶记录仪。记录 仪的功能主要有：驾驶员身份记录功能，记录驾驶员机动车驾驶证证号和驾驶 员代码；车辆行驶速度和行驶里程的测量、记录和存储；实时时间的采集、记 录和存储；数据显示功能，通过操作按键在显示屏上显示记录车辆特征系数等 数据；数据通信功能，通过串口、u s b 接口或以太网接口完成记录仪信息和上 位机的上传与下载。 本文完成的主要工作是汽车行驶记录仪中通信子模块软硬件和上位机数据 分析软件的设计。通信子模块包括c a n 通信模块、r s 2 3 2 串口通信模块、u s b 通信模块和以太网通信模块，其中c a n 通信模块负责与汽车上其它电控单元进 行通信，r s 2 3 2 接口、u s b 接口和以太网接口负责记录仪与上位机之间的通信。 与目前常用的记录仪比较而言，本文设计的记录仪其控制器抗干扰能力强，具 有c a n 控制器、u s b 控制器和串行接口，简化了硬件设计；新增了以太网接口， 使数据传输方式更方便；选择了高速率数据传输的r s 2 3 2 收发器，改进了过去 的低速率数据传输方式；上位机数据分析软件选用l a b v i e w 8 5 ，利用它的v i s a 库、文件! o 功能函数、强大的字符串操作函数等精准分析记录仪上传数据，数 据分析解读之后通过图形显示控件和字符串控件显示速度曲线和时间等其它参 数。经过系统的硬件调试，主机软件程序调试，和最后的上位机数据分析验证， 重现了汽车行驶过程。 关键词：汽车行驶记录仪，车速信号采集，数据通信，数据分析 a b s t r a c 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 ri sae l e c t r o n i cr e c o r d i n gd e v i c ew h i c hc a l lr e c o r d a n ds r o r et h ev e h i c l es p e e d ，d i s t a n c e ，t i m ea n do t h e rs t a t ei n f o r m a t i o n ，d i s p l a yd a t a t h r o u g hd a t ao u t p u ti n t e r f a c e ，a n da n a l y z e d a t a t h ee ui st h ew o r l d sf i r s ta n dl a r g e s tm a n d a t o r yw h i c hi s s u e sl a w sa n d r e g u l a t i o n st op u s ht h ei m p l e m e n t a t i o no ft h er e c o r d e r i nt h ee u r o p e a nu n i o n ，t h e u s a g eo fr e c o r d e r sh a sac l e a rl e g a lb a s i s ，e m b a r k e do nas y s t e m a t i cr o a d ，a n di th a s b e e np r o v e dt h a ti tp l a y e dam a j o rr o l ei nr e d u c i n gt r a f f i ca c c i d e n t s c o m b i n e dw i t h c h i n a sn a t i o n a lc o n d i t i o n s ，c a ro w n e r s h i pg r o w sr a p i d l y , c i t yp l a n n i n ga n dt r a n s p o r t p o l i c yl a gb e h i n d ，t r a f f i ca c c i d e n tr a t es i g n i f i c a n t l yi n c r e a s e s ，s o ，s o l v i n gt h et r a f f i c p r o b l e mi so fg r e a tu r g e n c y i nv i e wo ft h et r a f f i cs a f e t ym a n a g e m e n to fc h i n a ，w e m u s ti m p l e m e n tt h eu s a g eo fr e c o r d e rt or e d u c ea n dc u r bt r a f f i ca c c i d e n t s f u n d a m e n t a l l y i nt h i s p a p e r , ac o m p l e t es e to fv 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 e m i c r o - c o n t r o l l e ra r ms t m 3 2 f 1 0 3i sd e s i g n e d m a i nf u n c t i o n so ft h i sr e c o r d e r i n c l u d e ：d r i v e r si d e n t i t yr e c o r d ，w h i c hi si nc h a r g eo fr e c o r d i n gd r i v e r sl i c e n s ei d c o d ea n dd r i v e rc o d e ；v e h i c l es p e e da n dm i l e a g em e a s u r e m e n t ，r e c o r d i n ga n ds t o r a g e ； r e a lt i m ec o l l e c t i o n ，r e c o r d i n ga n ds t o r a g e ；d a t ad i s p l a yf u n c t i o n ，w h i c hi si nc h a r g e o fd i p l a y i n gd a t as u c ha sv e h i c l ec h a r a c t e r i s t i c so nt h es c r e e n ；d a t ac o m m u n i c a t i o n f u n c t i o n ，t h r o u g ht h es e r i a lp o r t ，u s bp o r to re t h e r n e ti n t e r f a c et oc o m p l e t et h ed a t a u p l o a da n dd o w n l o a db e t w e e nr e c o r d e ra n d p c t h em a i nt a s k so ft h i s p a p e r i n c l u d eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no f c o m m u n i c a t i o ns u b m o d u l e sa n dd a t aa n a l y s i ss o f t w a r ed e s i g no nt h eu p p e rc o m p u t e r c o m m u n i c a t i o n ss u b m o d u l e si n c l u d ec a nc o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，r s 2 3 2s e r i a l c o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，u s bi n t e r f a c ec o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n de t h e r n e ti n t e r f a c e c o m m u n i c a t i o nm o d u l e c a nc o m m u n i c a t i o nm o d u l ei sr e s p o n s i b l ef o r t h e c o m m u n i c a t i o na m o n go t h e re l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t si nm o t o rv e h i c l e s ，a n d ，r s 2 3 2 i n t e r f a c e ，u s bi n t e r f a c ea n de t h e r n e ti n t e r f a c ea r er e s p o n s i b l ef o rt h ec o m m u n i c a t i o n b e t w e e nr e c o r d e ra n dt h eu p p e rc o m p u t e r c o m p a r e dw i t hp r e s e n tw i d e l yu s e dr e c o r d e r s ，t h er e c o r d e ri nt h i sp a p e r , w h o s e c o n t r o l l e rh a ss t r o n ga n t i - i n t e r f e r e n c e ，c a nc o n t r o l l e r , u s bc o n t r o l l e ra n ds e r i a l h i n t e r f a c e ，s i m p l i f y i n gt h eh a r d w a r ed e s i g n ；w h i c hi se q u i p p e dw i t he t h e r n e ti n t e r f a c e ， s od a t at r a n s m i s s i o ni sm o r ec o n v e n i e n t ；h i g hs p e e dr s 2 3 2t r a n s c e i v e ri sc h o o s e d ， s u p e r i o rt h a nl o w s p e e dd a t at r a n s m i s s i o n ；w h o s ed a t aa n a l y s i ss o f t w a r eo nt h eu p p e r c o m p u t e ri sb a s e do nt h el a b v i e w 8 5 ，w h i c hu s ev i s al i b r a r y , f i l ei of u n c t i o n ，a n d p o w e r f u ls t r i n gm a n i p u l a t i o nf u n c t i o n st op r e c i s e l ya n a l y z et h ed a t al u p l o a d e df r o m t h er e c o r d e r , a f t e rd a t aa n a l y s i sa n dd e c i p h e r ，u s et h eg r a p h i c sd i s p l a ya c t i v e xa n d c h a r a c t e rs t r i n ga c t i v e xt od i s p l a yt h es p e e dw a v e f o r ma n do t h e rp a r a m e t e r s a f t e r h a r d w a r ed e b u g g i n g ，s o f t w a r ep r o g r a md e b u g g i n go ft h er e c o r d e r ，a n df i n a ld a t a a n a l y s i so nt h eu p p e rc o m p u t e r , t h ep r o c e s so ft h ea u t o m o b i l ed r i v i n gw i l lb e r e a p p e a r e d 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 , s p e e ds i g n a la c q u i s i t i o n ，d a t a c o m m u n i c a t i o n ，d a t aa n a l y s i s i i 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 武汉理工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 明并表示了谢意。 签名：垒圭盎日期：丞笪! ! ：旦窆：乡 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，e p ： 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( 签孙蟑导师( 签孙之些日期：丛坦少2 7 武汉理工人学硕上学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 汽车行驶记录仪的使用，对遏制疲劳驾驶等交通违章、约束驾驶人员的不 良驾驶行为、保障交通行驶安全以及道路交通事故的分析鉴定有重要作用【1 1 。 2 0 世纪7 0 年代后期，欧洲率先推出了机电模拟式驾驶记录仪；2 0 世纪9 0 年代初，美国和德国又开发了数字式汽车事故记录仪用以监督驾驶者超速驾驶 的行为。由于汽车黑匣子能真实记录事故过程中驾驶者的操作和汽车运行情况， 它既可作为事故分析依据，同时也是考核驾驶者违规操作的重要监督手段。由 于这种“监督”及“见证”的功能，大大提高了驾驶者的安全责任感，从而大 幅度降低了事故率1 2 j 。 中国是目前汽车工业发展最快的国家，2 0 0 5 年2 0 0 9 年中国汽车年平均增 长率为1 9 ，2 0 0 9 年汽车销售达到1 3 6 4 万辆。来自公安部数据显示，至2 0 0 9 年8 月底，我国机动车保有量为1 8 亿辆。随着汽车保有量的增加，道路情况变 得越来越拥堵，交通事故发生的概率呈逐年上升的趋势，交通事故处理部门等 社会公共部门在事故处理上花的资源越来越大，因此，为了提高交通事故的处 理效率，必须提供一种新的交通事故处理手段，它不仅能够记录和分析事故的 原因，而且它所记录的数据能够被法律所认可，这就必然地促进了汽车行驶记 录仪的研究和推广。 记录仪的使用，为管理部门的执法提供了有效地保证，为法律诉讼提供了 可靠的数据支持，为企业提供了使用的管理工具，从而对运营车辆进行良好的 管理；对于加强道路交通安全动态管理和保障道路交通安全都有重要意义。 1 2 国内外发展现状 ( 1 ) 国外发展现状 汽车行驶记录仪的发源地在欧洲。欧盟是世界上最早强制推行使用记录仪 的地区，也是目前使用记录仪数量最多的地区之一【3 1 。 欧盟是世界上最早强制推行使用记录仪的地区，也是目前使用记录仪数量 最多的地区之一。早在2 0 世纪2 0 年代，汽车行驶记录仪便伴随着汽车里程表 武汉理工大学硕 ：学位论文 而诞生，当时是和汽车速度、里程表结合在一起的。随着汽车工业的快速发展， 记录仪开始在汽车运营中得到自发性的广泛应用。1 9 3 4 年，德国发明了世界上 第一台纸盘式行驶记录仪，至今已有7 0 年的历史【4 1 。 1 9 6 9 年，欧共体发布实施了( e e c ) 5 4 3 6 9 号法规，该法规特别规定了可 完全替代驾驶员行车日志的记录设备的技术特性，同时规定了对该记录设备的 使用和检验方法等内容。通过立法，欧共体于1 9 7 0 年开始推行使用被称为 “t a c h o g r a p h s 的纸盘式记录仪。该记录仪通过速度传感器测量车速，以机械 指针在圆形坐标记录纸上记录车辆的行驶速度、行驶里程、时间，记录结果直 观，装置结构简单、使用方便可靠，是世界上至今装车数量最多的一种行驶记 录装置。1 9 8 5 年，欧共体发布了( e e c ) 3 8 2 0 8 5 和( e e c ) 3 8 2 1 8 5 这两个重 要法规，取代了( e e c ) 5 4 3 6 9 号法规。3 8 2 0 8 5 法规是一部社会法规，它对记 录仪的日常使用和管理以及驾驶员的驾驶活动提出了具体要求，专门对驾驶员 在连续驾驶情况下的停车休息时间、一次连续休息时间、一周内的累计驾驶时 间和休息时间等做出了详细的规定1 5 j 。( e e c ) 3 8 2 1 8 5 法规则对纸盘式模拟记录 仪的技术性能、检验、认证等做了详细的规定【6 j 。三年以后，欧盟又发布了( e e c ) 8 8 俗9 9 法规，该法规规定了根据( e e c ) 3 8 2 0 8 5 和( e e c ) 3 8 2 1 8 5 而进行的检 查系统、路查制度、对运输企业的检查方式、欧盟各成员国进行检查信息交流 方式等具体要求。在发布了以上一些重要法规后，在欧盟各国，记录仪的应用 在各个环节均有了明确的法律依据，走上了制度化的轨道。 1 9 9 9 年1 0 月，联合国经社理事会欧洲经济委员会采纳了欧盟的( e e c ) 3 8 2 0 8 5 和( e e c ) 3 8 2 1 8 5 法规，欧盟、东欧和前独联体国家等共3 2 个欧洲国 家签订了国际道路运输车辆欧洲协议，该协议的签定意味在3 2 个签约国范围内， 非欧盟成员签约国家的车辆进入欧盟成员国境内，必须同样遵守( e e c ) 3 8 2 0 8 5 和( e e c ) 3 8 2 1 8 5 法规，只是在非欧盟成员的签约国内，全面实施该法规的时 间可以推迟至2 0 0 9 年。由于( e e c ) 3 8 2 0 8 5 和( e e c ) 3 8 2 1 8 5 法规被联合国 经社理事会欧洲经济委员会采纳，使之具有了国际性。 随着道路交通事业及汽车工业的迅猛发展，各国道路交通安全形势日益严 峻，交通安全预防和事故分析、处理对记录仪的信息安全、信息容量、处理分 析的便捷性都提出了更高的要求。同时，欧盟各国也逐渐发现，虽然有严格的 法律规定，但是总有一些企业和驾驶员试图以各种方式破坏记录仪或欺骗执法 人员，以逃避执法部门的检查，这些原因都使一些人对纸盘模拟记录仪继续使 2 武汉理工大学硕上学位论文 用产生了怀疑。更为重要的是，电子信息技术的迅速发展使数字式记录仪的开 发应用在技术上已无任何难题，“d i g i t a lt a c h o g r a p h s 的概念出现了。 1 9 9 8 年9 月，欧盟发布了( e c ) 2 1 3 5 9 8 法规，该法规是在数字式记录仪 出现并投入应用的背景下制定的，该法规对( e e c ) 3 8 2 1 8 5 和( e e c ) 8 8 5 9 9 法规中不适用数字式记录仪的条款进行了修正，首次对数字式记录仪的结构组 成、功能进行了全新的定义，并对数字式记录仪的技术要求进行了规定1 7 1 。2 0 0 2 年7 月发布了( e c ) 1 3 6 0 2 0 0 2 法规，该法规是一部内容更加全面、详细的技术 法规，该法规的精华在于其附件部分，该附件由主体内容和1 1 个附录组成，主 体内容包括记录仪的结构功能要求、记录卡的结构功能要求、记录仪的安装、 检查、监督和修理、记录卡的发行、记录仪及记录卡的型式认可等章节；附录 则由数据库、记录卡技术条件、数据图表、打印输出、显示、外部接口、数据 下载通信协议、校准通信协议、型式认可检验的测试方法、通用安全防护指标、 安全防护机制等，分别对数字式记录仪的结构组成、技术要求、使用、检验方 法、检查、监督规则等个方面内容进行了详细的规定1 8 l 。 欧盟规定从2 0 0 4 年8 月5 日开始，在新注册的车辆上强制安装使用符合该 标准要求的数字式记录仪，以逐渐替换传统的纸盘模拟记录仪1 9 j 。与此同时，在 美国、巴西等国，商用车如果没安装数字式记录仪则不可以使用公共道路；在 日本，无论是在记录仪安装还是运营管理方面，法律法规都十分健全。 欧美等国使用行驶记录仪后，交通事故显著下降。从1 9 7 0 年欧共体开始全 面强制使用记录仪以来，德国客运、货运车辆道路交通事故发生率一直呈下降 趋势【1 0 】。欧盟等国多年使用记录仪的成功经验表明：记录仪的安装使用为国家 行政管理部门在保障道路交通安全、预防、处理道路交通事故等执法行为中提 供了有效的工具；为广大运输企业提供了理想的营运管理工具；为驾驶员提供 了其驾驶活动过程的真实反馈信息。 一 ( 2 ) 国内发展现状 从8 0 年代后期开始，我国一些地区的有关部门试用了国内一些科研机构及 企业自主研制的数字式记录仪，由于受技术水平的制约，特别是缺少相应的技 术标准和配套法规，记录仪并没有如期使用充分发挥它应有的作用。但是道路 交通事故呈明显的上升趋势，尤其是长途客运车辆的重、特大道路交通事故频 发，给国家财产和人民生命财产安全带来了巨大损失【1 1 j 。为此，公安部、交通 部、国家安全生产监督管理局于2 0 0 1 年底联合下发了公安部、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，通告要求：长途 3 武汉理t 大学硕士学位论文 客运车辆驾驶员一次连续驾驶车辆不得超过3 小时，2 4 小时内实际驾驶时间累 计不得超过8 小时；长途客运车辆应当逐步安装、使用符合国家有关标准的行 车记录仪【1 2 1 。 根据通告，部分地区从2 0 0 2 年开始陆续出台了一些有关记录仪使用安装地 方性规定，记录仪的使用慢慢在扩大，对记录仪的需求也慢慢变大，越来越多 的企业更加关注记录仪的发展，一些媒体也加大了对记录仪的宣传力度，这必 然加速记录仪的开发和使用【1 3 j 。 迄今为止，全国有6 0 多家通过国标检测的汽车行驶记录仪企业，然而大多 数厂商依旧重蹈覆辙，不能以宏观上把握市场发展方向，不明白交警执法的需 求，不具备安装维护服务网络，不了解记录仪真正使用效果，产品质量不符合 国标，过于追求短期利润，缺乏社会责任感等导致了记录仪市场的严重混乱【1 4 , 1 5 l 。 据报道，哈尔滨航天风华、t c l 集团、新飞集团、西门子等大公司目前已经开 始实质上介入记录仪行业，对记录仪行业已发生重大影响，市场必将重新洗牌。 在这种情况下，尽快制定、实施记录仪国家标准和法律法规对规范我国汽车行 驶记录仪产品的生产和使用、落实两部一局的通告要求、保障车辆运行安全具 有重要意义。 1 3 汽车行驶记录仪国家标准 g b t1 9 4 6 5 2 0 0 3 汽车行驶记录仪国家标准规定了记录仪的组成、定义、功 能、电气要求、检验规则、试验方法、安装、标志、标签、包装和通信协议等 内割。标准中规定记录仪应有如下功能： ( 1 ) 自检功能： 记录仪在通电开始工作时，应首先进行自检，自检正常后以显示屏显示方 式或者绿闪信号指示工作正常，如有故障则应以显示屏显示方式或者红闪方式 指示故障信息。 ( 2 ) 实时时间、日期及驾驶时间的采集、记录、存储功能： 记录仪应能提供北京时间时钟和日期，以h h ：m m ：s s 或者时、分、秒的方式 记录实时时钟，以y y y y m m d d 或者年、月、日的方式记录实时日期；对连续驾 驶时间进行记录；连续记录2 4 h 数据( 时间允许误差在5 s 以内) 。 ( 3 ) 车辆行驶速度和罩程的测量、记录、存储功能： 4 武汉理t 大学硕十学位论文 记录仪应能以不大于0 2 s 的时间间隔持续记录并存储停车前2 0 s 实时时间对 应的车辆制动状态信号及车辆行驶速度值、记录次数至少为1 0 次，速度记录单 位为k m h ，测量范围为0 k m h 一- - 2 2 0 k m h ，测量分辨率等于或优于l k m h ； 记录仪应能以不大于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，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，速度记录单位为k m h ，测量范围为0 k m h 2 2 0 k m h ，分辨率等于或优于l k m h ； 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 99 9 9 9 k m ，分辨率应等于或 优于0 1 k m 。 ( 4 ) 驾驶员身份记录功z 月1 匕0 - , ： 记录仪应能实现驾驶人员身份记录功能，应能记录公安交通管理部门核发 的机动车驾驶证证号和驾驶员代码。驾驶员代码为阿拉伯数字( 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相对应。 ( 5 ) 数据显示功能： 通过操作按键应能显示记录车辆特征系数、最近2 个日历天内同一驾驶员 连续驾驶时间超过3 h 的所有数据记录和最近1 5 m i n 内每分钟的平均车速。 ( 6 ) 数据打印输出功能： 记录仪至少应能打印输出车牌号码、车牌分类、驾驶证号码、驾驶员代码、 打印实时时间、疲劳驾驶记录( 一次连续驾驶时间超过3 h 的所有记录) 、停车 时刻前1 5 m i n 内每m i n 的平均车速。 ( 7 ) 数据通信功能： 记录仪应同时配置两种标准接口：标准r s 2 3 2 c d 型9 针接口；u s b ( 通用串 行总线) 标准接口，建议采用主结构式u s b 接口。在具备上述通信接口的基础上， 该标准不排除同时使用其它通信方式的可能性。 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：车牌号码、车牌分类、车辆识别代号；驾驶证证号、驾驶员代码；实时时 钟；初次安装日期及记录仪主机可识别的唯一性编号。 记录仪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；对应实时时钟的车辆行驶里程数据；最近3 6 0 h 内车辆行驶速度数据；事故 疑点数据；车牌号码、车牌分类、车辆识别代号；驾驶证证号、驾驶员代码； 5 武汉理丁大学硕十学位论文 车辆特征系数等。上载数据时，不能改变和删除记录仪内存中已存储的任何数 据。 1 4 主要工作及论文组织 本课题的目标是设计一个完整的记录仪主机模块并完成其与上位机的数据 通信以及上位机的数据分析软件设计。根据目前国内外汽车行驶记录仪的使用 情况，本文在充分理解国家标准的基础上，自主研发了一套基于a r m s t m 3 2 f 1 0 3 为微控制器的汽车行驶记录仪。本文的主要工作及论文组织如下： 1 ) 系统总体结构设计。按照国标规定，分析记录仪的功能，设计系统的总 体结构及各个功能模块，协调系统资源分配，特别是芯片接口的分配及内存地 址分配，为后续工作设立基本框架。 2 ) 系统硬件设计。主要包括芯片的选型、各芯片与微控制器的连接电路设 计、各功能模块抗干扰设计以及p c b 板的布局和线路设计。 3 ) 主机系统的软件设计。设计串口通信、u s b 接口通信、网口通信实现记 录仪主机和上位机数据分析软件数据传输。 4 ) 上位机数据分析软件的设计。上位机采用l a b v i e w 8 5 进行设计，在这 一部分主要是解决上位机与记录仪进行数据通信之后，对进行接收到的数据进 行数据分析，绘制停车前的速度曲线、一般行驶曲线等，使其能够更加方便得 了解车辆运行情况和对驾驶员行驶状态的管理与调查分析。 5 ) 最后主要分析汽车行驶记录仪的系统测试方法，对整个记录仪软硬件系 统进行测试，以检验其是否符合国家标准的各种要求。 6 试理工大学顿学位论文 第2 章汽车行驶记录仪主机设计 本章主要是记录仪的主机模块设计，根据国标对记录仪的功能要求设计已 录仪主机的总体架构及各个功能模块，协调系统资源分配，特别是芯片接1 3 的 分配及内存地址分配，为后续的记录仪软件设计和上位机数据分析奠定基础。 2 1 系统的总体结构 汽车行驶记录仪主机模块，对行驶车辆的行驶速度、时问、里程以及车辆 运行的其他状态信息进行采集并记录；主机通过r s 2 3 2 串r 7 、u s b 接口或者以 太网接1 3 与上位机实现数据通信：上位机部分的后台数据分析软件，负责对记 录仪主机采集到的数据进行统计分析和图形化显示。整个系统工作流程如图2 1 所示。 圈2 1 汽车行驶记录仪工作流程 汽车行驶记录仪总体结构主要由以下几个模块组成：中央控制模块、电源 模块、时钟模块、u s b 通信模块、串口通信模块、以太网通信模块、c a n 通信 模块、数据采集模块、数据存储模块、打印模块、显示模块、i c 卡模块、键盘 接口模块等。汽车行驶记录仪的系统结构如图2 2 所示。 各模块的主要功能如下： 数据采集模块：主要采集车辆行驶速度及其他汽车模拟信号和开关量信号。 数据存储模块：主要有铁屯和f l a s h 两种存储块。 打印模块：采用内置针式微型打印机。 显示模块：显示用户通过键盘选择的行驶信息及相关数据。 1 c 卡模块：负责对i c 卡的身份识别及读写操作。 键盘接口模块：为汽车行驶记录仪提供人机接口，本设计中有6 个按键。 武汉理工大学硕一卜学位论文 电源模块：提供主芯片及主机上各芯片所需电源。 时钟模块：保证系统实时时间记录的准确性和可靠性。 通信模块：包含c a n 子通信模块、串口通信子模块、u s b 通信子模块、以 太网通信子模块。 中央控制模块：a r ms t m 3 2 f 1 0 3 微控制器，对以上所有模块的管理和控 制。 电源模块 时钟模块 数据采集模块 数据存储模块 2 2 功能模块 中央控制模块 s t m 3 2 f 1 0 3 通信模块 图2 2 系统结构框图 打印模块 显示模块 i c 卡模块 键盘接口模块 ( 1 ) 中央控制模块 经过考察，汽车行驶记录仪的设计及实现，主要有以下几种方案： 以5 1 系列单片机为主控制芯片。 以单片机为核心对所有的信号进行控制有很大的优点：实现简单，系统容 易构架；系统非常容易进行信息通信，实现集中控制，整个系统控制精度高， 使综合控制水平有很大的提高；整个系统由于架构简单，缩短了开发周期，而 且由于使用的器件价格低廉，所以整个系统的成本也得到了很好的控制；主要 的功能及处理过程都由处理器来完成，所以系统集成度相当高，这就大大降低 了系统各个部分相互干扰的可能，可以使整个系统安全稳定的运行。综上，此 类单片机应用广泛，价格相对较低，发展也较成熟，是记录仪低端方案的首选。 8 武汉理工人学硕上学位论文 但是，局限性非常明显：当需要测量大量的汽车模拟信号时，如油量、油 温、气压、电压、水温等，就需要使用专用的双绞线或电缆来传送模拟信号， 这就会增加成本，而且接线复杂，一旦出现故障不易检修；系统扩展性差，各 大公司的产品会使用各不相同的处理器及数据处理方法等，基本上无法兼容， 可供扩展的资源有限；大量数据处理器能力差。 以d s p 芯片为主控制芯片。 比一般的单片机，d s p 芯片不仅具有可编程性，而且具有更加强大的数据 处理能力和较高的运行速度，特别适合于对数字信号进行处理运算。但是，d s p 芯片的其他通用功能却相对较弱。汽车行驶记录仪的实时数据处理只是对数据 进行简单、基本的记录和存储，并不需要复杂的数字处理运算，同时记录仪要 求主控制芯片拥有较多的外围功能，所以，d s p 芯片不适宜作为汽车行驶记录 仪的主控芯片。 以a r m 芯片为主控制芯片。 汽车行驶记录仪输入信号众多，处理数据庞大，a r m 内置接口丰富，用 a r m 处理器可以很方便地解决这些复杂问题；记录仪需对车速等信号的数据采 集实时性要求较高，a r m 处理器内部寄存器多，可用于存放中间数据和优化对 操作数的访问，提高实时处理速度，满足要求；记录仪不仅要通过c a n 网与其 他电控单元进行通信，还需要与上位机进行串行通信和u s b 通信，这就需要处 理器具有c a n 控制器、u s b 控制器和串行接口，a r m 处理器能够满足。 综合以上特点，本系统选用了a r mc o r t e x m 3 微控制器s t m 3 2 f 1 0 3 。它处 理速度高，功能强大，接口丰富，具有c a n 控制器、u s b 控制器、s p i 接口、 1 2 c 接口、u s a r t 接口等，扩展性强，另外，根据用户手册可知e s d ( 静电干 扰e l e c t r i cs t a t i cd i s c h a r g e ) 测试符合j e s d 2 2 a 1 1 4 c 1 0 1 标准，e f t ( 快速瞬变 干扰e l e c t r i cf a s tt r a n s i e n t ) 性能好，顺利通过4 k v 测试，抗干扰能力强，符合 记录仪恶劣的工作环境对主控制器的性能要求。微控制器s t m 3 2 f 1 0 3 及其外围 电路如图2 3 所示。 9 武汉理t 大学硕仁学位论文 p a 02 3 p a l 2 4 p a 22 5 p a l p a 2 1 苫毳毳毳 堇；圣塞量 荟堇茧量子 凸 g n l 3 2 p 帕3 n i j h l ， 骤l 邑富宣裔昌 轷蛔羽i h 摊崮挞掣摸幽i 斟 图2 3 微控制器s t m 3 2 f 1 0 3 及外围电路 5 9p d l 2 5 8p d l l 5 7p d l 0 ( 2 ) 电源模块 电源设计时应该同时考虑功率、电平、抗干扰等问题。本系统各模块绝大 部分器件以脉冲方式工作，系统功能消耗的脉冲特性突出，电源必须设计有足 够的耐冲击性，按实际功率消耗的2 倍一3 倍设计i l 引。电平问题则主要是控制电 源在满载情况下的纹波电压峰峰值和直流电压幅度这两项指标，设计时按系统 中对电平要求最高的器件条件进行设计。汽车上开关、继电器等各种电器动作 频繁，造成的电干扰很大。如直接利用车内电源，记录仪将会因瞬间电干扰或 电压不稳无法正常工作，设计中要采用具体电路加以消除。 车载设备工作环境比较恶劣，所以要求系统电源必须要有较宽的电压输入 范围和较大输出电流。按照国家标准，记录仪的设计过程中，主要考虑+ 1 2 v 和 + 2 4 v 电源供电的情况。本系统对电源的要求主要有以下几个：微控制器、时钟 模块、铁电存储器f r a m 、f l a s h 芯片、以太网接口芯片等需要3 3 v 电源； u s b 接口、c a n 收发器、液晶显示驱动器、微型打印机等需要5 v 电源，所以 1 0 豢一一一蒜一 嚣飞媾谍器篇裟 嚣舞一 “ 盟 糍翌| _ 暖嚣雾 _ 叫- 盹扎 ”孙玎 n 圳虻 。叮 n 肋日期 磬 融爹糯r笛旷莲麓誉群l；i掣 武汉理t 大学硕士学位论文 需要3 3 v 和5 v 供电电源。另外，由于微控制器、c a n 收发器、以太网接口芯 片最大工作电流均是1 5 0 m a ，内置微型打印机工作时最大电流为1 5 a 。计算系 统功率消耗，本系统中选用了具有3 a 输出电流和4 0 v 输入电压的电源芯片 l m 2 5 9 6 5 0 和l m 2 5 9 6 3 3 ，功耗小、效率蒯2 0 1 ，有过温保护电路，当汽车电控 系统或其他系统出现异常，温度过高，会自动切断电源，此系列芯片被现代汽 车电子企业广泛采用。以l m 2 5 9 6 为电源芯片的稳压电路见附录a 。 ( 3 ) 时钟模块 微控制器断电后，微控制器内部实时时钟所有寄存器的内容将全部丢失， 此后便无法保证实时时钟的时间增量器能正常工作下去，这对于实时性要求很 高的的记录仪来说显然是行不通的。为此，系统使用外部实时时钟，实时时钟 芯片即被掉电检测功能、时钟精度高、不易受环境影响、节省微控制器硬件资 源。本系统选用p h i l i p s 公司的p c f 8 5 6 3 实时时钟芯片，通过1 2 c 总线与微控制器1 2 c 总线接口连接进行地址与数据的传递。本记录仪设计能以0 1 2 5 秒的时间间隔持 续记录并存储停车前2 5 s 实时时间对应的车辆行驶速度值及车辆制动状态信号， p c f 8 5 6 3 可编程时钟频率为1 h z 一3 2 7 6 8 k h z ，满足系统频率要求。时钟模块设计 图见附录a 。 ( 4 ) 数据采集模块 数据采集模块要采集的汽车信号主要有汽车车速传感器传送的速度脉冲信 号及汽车开关量信号。霍尔传感器将速度信号转换为脉冲信号，经过车速信号 处理电路送至微控制器处理。开关量信号包括：左转向灯、右转向灯、倒车灯、 远光灯、近光灯、前门、后门、喇叭共8 路信号。开关量信号的采集是直接从 汽车线束提取，隔离处理后送入微控制器i o 口即可。开关量信号和车速信号的 采集处理电路见附录a 。 ( 5 ) 数据存储模块 汽车行驶记录仪中的数据包括：历史数据( 汽车行驶状况) 和实时数据( 实 时时间、车速、行驶状态) ，种类多而且数据量大。在存储器方案的确定上， 以实时存储为重，对实时数据的存储器要求掉电后数据需要保存、可擦写次数 多、可靠性高。本系统选用了f r a m 铁电存储器，能在断电情况下保存数据， 不需要定时刷新；擦写次数超过1 0 0 0 亿次；高速读写；功耗低l 矧。从成本和可 靠性考虑，本系统中采用f r a m ( f m 2 5 l 2 5 6 ) 作为记录仪存储器，考虑到要存 储的数据大约有1 m 左右，f r a m 芯片容量都不够大( 2 5 6 k ) ，所以使用1 6 m 大容量f l a s h ( 6 m 5 d b l 6 l ，主存储区4 0 9 6 页，每页5 1 2 字节) 作为数据存 盘& t 大学顿十学位论文 储器，而将f r a m 作为数据存储的巾介，当发生掉电隋况时，立即将f r a m 中 的数掘转存入f l a s h 中，掉电时不会发生数据丢失的现蒙，存储容量大，能够 多次擦写，满足系统要求。 ( 6 ) 人机接门模块 键盘接口模块。为了方便用户操作记录仪，设置了6 个按键，分别为丌 机关机键、菜单键、确定键、返回键、上移键、下移键。 液晶显示模块。国标要求记录仪应能以中文界面的方式提供人机交互界 面。本系统选用了s t 7 9 2 0 中文图形液晶控制器，控制显示1 2 8 x 6 4 分辨率的中文 液晶屏，可方便实现图形与文字。 i c 卡模块。i c 卡是汽车行驶记录仪的重要组成部分，用于用户身份识别 和存储汽车的行驶数据。本系选用了爿r m e l 公司的a t 2 4 c 1 0 2 4 t e 接触式i c 卡。 数据打印模块。本系统采用内置针式微型打印机，操作简单，有较强的 文字处理能力，自带汉字库，工作稳定，使用寿命长，打印速度快，可靠性强， 通过r s 2 3 2 串口与微控制器相连，需+ 5 v 供电，打印机启动过程中，最大工作电 流1 5 a 。 2 3 通信模块 2 3 1 c a n 通信 汽车网络借助双绞线将车内众多的控制模块连接起来，通过c a n 总线通信 协议，在网络控制器的管理下菇享传输通道和数据。 & 自m # * 女4 # $ ” 图2 4 c a n 网络结构 武汉理工人学硕上学位论文 如图所示2 4 所示，c a n 网络是汽车行驶记录仪与电控单元进行信息交流 的渠道。c a n 总线通过c a n 收发器的两个输出端c a n h 和c a n l 与物理总线 相连，而c a n h 端的状态只能是高电平或悬浮状态，c a n l 端只能是低电平或 悬浮状态，保证不会导致总线短路从而损坏某些节点的现象。c a n 总线与一般 的通信总线相比，具有实时性强、可靠性高、通信速率快、结构简单、互操作 性好、总线协议具有完善的错误处理机制、价格低、灵活性好、硬件连接简单， 己成为工业数据总线通信领域中最为活跃的一支1 2 4 , 2 5 】。 c a n 正常工作需要具备c a n 总线驱动器和c a n 控制器，前者提供了c a n 控制器与物理总线之间的接口，以及对c a n 总线的差动发送和接收功能，后者 实现了网络层次结构中数据链路层和物理层的功能【2 6 1 。本系统的微控制器 s t m 3 2 f 1 0 3 片内集成了c a n 控制器，兼容规范2 0 a 和2 0 b ( 主动) ，位速率 高达1 兆位秒。c a n 驱动器选用的是p h i l i p s 公司的t j a l 0