（检测技术与自动化装置专业论文）基于gps的汽车行驶记录仪的研究与实现.pdf

摘要 基于g p s 的汽车行驶记录仪的研究与实现 摘要 汽车行驶记录仪是对车辆行驶速度、时间、里程以及有关车辆行驶的 其它状态信息进行记录、存储并实现数据传输及实时报警的数字式电子记 录装置。汽车行驶记录仪的使用，对遏止疲劳驾驶、车辆超速等交通违章、 约束驾驶人员的不良驾驶行为、交通事故的分析鉴定等方面起到了重要的 作用，保障了车辆行驶安全及道路畅通。一个完整的汽车行驶记录仪系统 包括车载主机和上位机管理分析软件两部份。 本文详细论述了基于g p s 的汽车行驶记录仪车载主机模块软硬件的 研究与实现。论文首先对课题的研究背景，国内外汽车行驶记录仪的研究 现状进行了概括，在此基础上参考国家标准，结合油料运输及地质勘探行 业的实际需求，提出了设计方案和完成目标。论文接着阐述了系统总体设 计的构思以及各个功能模块不同方案优劣的比较，并对最终方案进行了描 述，此后详细介绍了各主要功能部件的功能特点及应用。在系统软件设计 章节，对主机软件开发环境、调试方法以及系统各功能模块的流程设计做 了详细描述，并着重介绍了各功能模块的函数接口。在系统可靠性分析与 测试章节，首先分析了影响记录仪可靠性的原因，阐述了抗干扰方法，然 后根据软硬件测试的不同方法分别进行了硬件测试的描述和软件测试的 描述，并论述7 n 试过程中碰到的各种问题，提出了解决方法。最后，论 文对整个系统的功能和特点进行了总结，并对下一步工作以及该记录仪今 后的发展进行了展望。 关键词：汽车行驶记录仪，c o m p a c t f l a s h 卡，文件系统，s p c e 0 6 1 a ，全 球定位系统 a b s t r a c t t h er e s e a r c ha n dr e a i i z 如【1 i o no fv e h i c l e t r a v e l u n gd a t ar e c o r d e rb a s e do ng p 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 ( v x d r ) i sad i g i t a le l e c t r o n i cd e v i c e ， w h i c hc a nr e c o r dv e h i c l es p e e d ，r e a lt i m e ，m i l e a g ea n dv e h i c l e so t h e rs t a t u s i n f o r m a t i o n v t d ri si m p o r t a n tt oh o l db a c kt r a f f i cp e c c a n c i e ss u c ha s t i r e d d r i v i n g ，o v e r s p e e d ，a n d i ti sa l s oi m p o r t a n tf o r a u t h e n t i c a t i n g a n d a n a l y z i n gt r a f f i ca c c i d e n t aw h o l ev t d rs y s t e mi n c l u d e st w op a r t s ，o n ei s t h ev e h i c l e c a r r y i n gt e r m i n a la n dt h eo t h e ri st h em a n a g i n ga n da n a l y z i n g s o f t w a r e t h i st h e s i sm a i n l yd e s c r i b e sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n i n go fv t d r b a s e do ng p s v t d rd e v e l o p i n gb a c k g r o u n di si n t r o d u c e di nt h ef i r s t c h a p t e r t h e nd o m e s t i ca n do v e r s e a sd e v e l o p i n ga c t u a l i t i e sa r es u m m a r i z e d ， a n db a s e do nt h es u m m a r i z a t i o nt h ea i mo fv t d rd e v e l o p i n gi ss e tf o r t h ， w h i c ha l s or e f e r st ot h en a t i o n a ls t a n d a r da n dt h ea c t u a ld e m a n d so fp e t r o l t r a n s p o r t a t i o na n dg e o l o g i c a lp r o s p e c t i n gp r o f e s s i o n i nt h ef o l l o w i n gp a r t ，t h e t h e s i sd i s c u s s e st h ed e s i g n i n gc o n c e p t i o no ft h ew h o l es y s t e ma n dd i f f e r e n t p l a n so fe a c hf u n c t i o n a lm o d u l e a tl a s t ，t h ef i n a ld e s i g n i n gp l a ni sd e s c r i b e d i nd e t a i l i i i 北京化工大学硕士学位论文 i nt h es y s t e ms o f t w a r ed e s i g n i n gu n i t ，t h et h e s i si n t r o d u c e ss o f t w a r e d e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t a l s o ，t h ed e b u g g i n gm e t h o da n dt h ef l o wc h a r to f e a c hf u n c t i o nm o d u l ea r ed i s s e r t a t e d ，i nw h i c hp a r tt h ef u n c t i o ni n t e r f a c e sa r e e m p h a s i z e d i nt h es y s t e mr e l i a b i l i t ya n a l y s i sa n dt e s t i n gu n i t ，f i r s t l y , t h ef a c t o r s i n f l u e n c i n gt h er e l i a b i l i t yo ft h ev t d ra r ea n a l y z e d ，a n dt h e nh a r d w a r e t e s t i n g a n ds o f t w a r e t e s t i n g a r ed i s c u s s e d e a c hp r o b l e mf o u n dd u r i n g d e b u g g i n gs t e pi sa m p l y d e s c r i b e da n da n a l y z e d i nt h el a s tc h a p t e r , t h et h e s i s p u tf o r w a r dt h es u m m a r i z a t i o na n dt h ep r o s p e c ta st h ew h o l e e n d k y ew 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 , c o m p a c t f l a s hc a r d ，f i l es y s t e m ， s p c e 0 6 1 a ，g l o b a tp o s i t i o n i n gs y s t e m 北京化工大学位论文原创性声明 x 8 8 1 9 0 1 本人郑重声明；所呈交的学位论文，是本入在导师的指导下， 独立逶行磷究工作新敬褥瀚成果。除文中毫羟注弱弓| 鬻的内容外，本 论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作鼹成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 馋者签名：整重! 日期：馋者签名：丝翌!日期： 兰型掣旦! 里 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京化工大学有关保留和使用学位论文 的规定，瑟：研究生在校玫读学短期瓣论文工像酶知识产权擎位属= 艺 炭化工大学。学校有权保壁并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编 学位论文。 缳密论文注释：本学缎论文属于保密范围，在2 _ 年孵密后适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授 权书。 诈者签名： 导p 瀑签名： 觉焘 祆盼落 磊麓：笔翌笪垒兰美叠 日期：怂缉生阻 1 1 引言 第一章绪论 汽车行驶记录仪制造和应用的发源地在欧洲。早在2 0 世纪3 0 年代，汽车行驶记 录仪便伴随着汽车早程表而诞生，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 发明了世界上第台独立的纸盘式行驶记录仪，距今己有7 0 多年的历史。为了保障 道路交通安全运输，1 9 5 3 年，德国政府开始对载重超过7 吨的货车和客车强制安装 纸盘式行驶记录仪。自1 9 7 0 年起，当时的欧共体开始推广德国的经验，在德国、法 国、意大利、比利时、卢森堡等6 个成员国强制推行纸盘式行驶记录仪【l 】。 1 9 9 2 年欧盟成立之后，原欧共体有关记录仪麻用的各项法规仍然继续有效。目前， 欧盟已制定颁布r 分别规范驾驶员驾驶时间、纸盘式记录仪技术性能、数字式记录仪 技术性能、监督企业和实施路面执法的5 个主要法规，1 5 个成员国5 0 0 多万辆商用车 安装了纸盘式行驶记录仪，是世界上使用纸盘式行驶记录仪最多的地区。2 0 0 3 年，欧 盟颁布新的规定：自2 0 0 4 年8 月起，在欧盟注册的毛重超过3 5 吨以上的商用车强制 安装使用i c 卡技术、有打印功能的数字式行驶记录仪。丽美国、巴西等国则规定商 用车若没安装行驶记录仪就不可以使用公共道路1 2 3 1 。 欧洲国家使用行驶记录仪后，交通事故显著下降。例如，从1 9 7 0 年欧共体开始 全面强制使用行驶汜录仪以来，德国客运、货运车辆道路交通事故发生率一直呈下降 趋势。如德国1 9 7 ( t 年货车平均每5 0 万公早发生一起事故，到2 0 0 0 年下降为每行驶 1 6 0 万公罩发生一起事故，事故发生率降低了2 2 0 ：客车从1 9 7 0 年的每加万公里 发生一起事故，到2 0 0 0 年下降为每1 0 0 力公里发生一起事故，事故发生率降低了 1 5 0 。德国交通运输部公布的部分欧共体田家道路交通事故死亡人数的降低百分比 数据表明：从1 9 7 0 年到1 9 9 8 年，英、法、德、徜、意等国道路交通事故死l 人数均 大幅度下降。其中英国降低9 0 、法国降低8 5 、德国降低8 5 、荷兰降低7 3 、 意大利降低5 9 。 欧洲道路交通事战分析专家认为欧盟各国交通事故死亡人数大幅降低的主要原 因有三： 是随着高速公路建设的发展，交通安全蹬施、交通标志、标线等信号设施 大大改善：二是机动车辆安全性能不断提高；二足i a 录仪的成功应用，有效遏制了驾 驶员疲劳驾驶、超速等严重违法行为，从根亦上提高r 道路交通安全水平。 近年柬，随黄目家经济的飞速发展，我凼道路交通业 旦彳导到了蓬勃发展。同世界 上许多发达国家曾经经历过的情况样，我国的交通事故也逐渐呈上升趋势，极大地 上许多发达国家曾绎经历过的情况一样，我国的交通事故也逐渐呈上升趋势，极大地 北京化t 人学硕士学位论文 威胁了人们的生命财产安全。目前，我国是世界上交通事故死亡人数第一位的国家。 全世界6 0 亿人每年死亡5 2 0 0 万人，其中死于交通事故的有5 0 万人，占死亡人数的 1 ，排在人类死亡原因的第十位。而我国年交通事故死亡9 万人，占世界总死亡人 数的百分比为1 5 ，排在死亡原因的第七位。2 0 0 0 年，我国交通事故死亡人数9 3 8 5 3 人，4 1 8 7 2 1 人受伤，直接经济损失达2 6 7 亿元。在这些交通事故中，有2 3 是违章 驾驶，违章的主要原因是超重、超载和超车l x4 1 。 为了借鉴发达国家管理机动车安全行驶的成功做法，控制我国不断增长的交通事 故发生，我国也加大了对道路交通安全状况管理的力度，各项法律法规纷纷出台并实 施【2 】。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汽车行 驶记录仪。同时，为了在全国范围内继续深入开展预防和减少道路交通事故的工作， 公安部、国家安全生产监督管理局制定了 2 0 0 2 年预防道路交通事故工作方案，明 确规定对疲劳驾驶、车辆超速等8 项违章行为进行集中整治。2 0 0 3 年9 月1 日开始实 施的汽车行驶记录仪国家标准( g b t 1 9 0 5 6 2 0 0 3 ) ，规定了汽车行驶记录仪的定义、要 求、试验方法、检验规定、安装、标志、标签以及包装等内容。国标规定：“汽车行 驶记录仪是对车辆行驶速度、时间、里程以及有关车辆行驶的其它状态信息进行记录、 存储并可通过接口实现数据输出的数字式电子记录装置” 5 1 。2 0 0 4 年5 月1 日，中 华人民共和国道路交通安全法开始实施。其中第二章第十四条明确规定：“用于公 路营运的载客汽车、重型载货汽车、半挂牵引车应当安装使用符合国家标准的行驶记 录仪。交通警察可以对机动车行驶速度、连续行驶时间以及其它行驶状态信息进行检 查。安装汽车行驶记录仪可以分步实施，实施步骤由国务院机动车主管部门会同有关 部门制定”。 汽车行驶记录仪的推行使用对遏止疲劳驾驶、车辆超速等交通违章、约束驾驶人 员的不良行为、保障车辆行驶安全以及道路交通事故的分析鉴定都具有极为重要的作 用。它为国家行政管理部门提供了有效的执法工具、为道路运输企业提供了管理工具、 为驾驶员提供了其驾驶活动的反馈信息。汽车行驶记录仪的广泛运用既是交通运输安 全的必然要求，同时也是交通运输向现代化、信息化发展的必然趋势。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外汽车行驶记录仪研究现状 国外对汽车行驶记录仪的认识比较早，从1 9 7 0 年起，欧盟国家以立法的方式规 第一章绪论 定，从事营运的6 5 吨以上的货车和七座以上的客车必须强制安装机动车行驶记录仪， 并规定记录仪中的资料要保留两个月，以各路面警察随时抽查。马来西亚、新加坡等 国家己经通过正式立法，要求客运车辆在2 0 0 1 年9 月底前必须安装汽车行驶记录仪， 其它商用车也要限期安装。在美国，主管交通安全的国家安全委员会( n a t i o n a l t r a n s p o r t a t i o ns a l t yb o a r d ，n t s b ) 一直在努力推广汽车行驶记录仪。n t s b 要求各汽 车生产厂家安装记录仪，通用、福特等汽车公司已经开始行动【6 ”。 2 0 世纪7 0 年代后期，欧洲率先推出了机电模拟式汽车行驶记录仪。当时较为流 行的为纸盘机械式汽车行驶记录仪。这种记录仪内通常放置着一张直径为1 2 厘米的 双面圆形纸盘，这种纸盘由国家统一印制，每天放一张在记录仪内。驾驶员在放八之 前，要在纸盘上填写姓名、国籍、车号、日期、开车时间等。在行驶途中，记录仪自 动在纸盘上一记录下各种数据( 开车、收车时间，车速，休息时间，修车时间，最长 运行时间等) 。这些数据像心电图一样双面刻画在纸盘上，见图“l 所示。纸盘上的 车速刻画，是从2 0 k m h 开始记录，直至1 2 5 k m h 。从中刻画出在行驶过程中的各种 车速及其时间的统计数据。 增 图1 - 1 纸盘式记录仪的盘片 f i g 1 - 1p l a t e so fp a p e rd i s cr e c o r d e r 国外汽车行驶记录仪发展至今，一直以机械式记录仪为主。随着电子信息技术的 迅速发展，欧盟开始制订数字式记录仪的技术标准和法规，并规定从2 0 0 4 年8 月起， 在新注册的机动车上强制安装数字式记录仪，以逐渐替代现行传统的纸盘模拟记录 仪。目前国外较常见的电子式记录仪包含记录器、显示器、数据采集卡、传感器以及 p c 机处理软件等几个部分，其中数据采集卡为便携式的存储卡，可插入记录仪进行 数据采集，亦可将采集到的数据送计算机进行图像处理和枣故分析悼j 。 2 0 0 1 年8 月，日本某汽车研究所开发小组研制出能记录交通事故发牛时段车辆行 驶数据的记录仪。它通过传感器记录速度、方向盘角度、刹车板及油门情况，当急刹 车或急转弯使汽车达到一定的加速度以上时，便判断为“事故”，并将“事故”发生 前五十五秒和后五秒问的各种数据自动记录入磁盘中。同时采用图像处理技术，利用 相机自动收录“事故”发生前十秒和后五秒问从驾驶席上能看到的场面畔“。 北京化t 人学坝卜学位论文 1 2 2 国内汽车行驶记录仪研究现状 国内对汽车行驶记录仪的认识晚于国外。2 0 世纪8 0 年代末，几家国营、民营、 合资企业开始着手研制、推广记录仪。到目前为止，我国生产汽车行驶记录仪的企业 多达8 0 余家，产品上百种，并不断有新品推出。经过国家有关权威部门检验合格后， 开始在全国各省市推广使用。汽车行驶记录仪在提高车队的营运效率和降低事故率等 方面的显著效果，受到物流运输、汽车租赁、企事业车队、保险公司和交通管理部门 的欢迎。但由于它的安装配套成本相对较大，目前私家车安装使用的比较少【1 2 1 3 】。 虽然我国的研制工作起步较晚，但是无论在安装、操作、使用方面，还是在电气 性能、信息记录存储、数据的上传、下载方式等方面，我国的记录仪都比欧盟的起点 高。欧盟推广使用的汽车行驶记录仪大多以机械式为主，以纸盘机械式汽车行驶记录 仪为例，这种产品价格昂贵，维护费用高，还需要人工填写姓名。行驶里程，使用起 来极为不便。而我国市场上出售产品绝大多数为数字式的电子设备，能够实时监测并 记录车辆行驶的各种状态信息、有效准确地鉴别驾驶员身份，同时还具备超速报警功 能、具备通信接1 2 1 以及打印输出功能。各类产品体积小巧、价格合理、使用方便【l 。 国内记录仪的市场虽然己经初具规模，但是各类产品在数据结构和格式、数据传 输方式等方面还是有较大差异，这对记录仪的规范管理和大面积推广极为不利。而且 早期产品采用的主处理器大多为处理速率慢的八位单片机，采用这类处理器限制了记 录仪系统的接口扩展、功能的完善以及实时性的提高。 1 3 课题的目的和意义 本课题来源于北京天宇通泰科技发展有限公司和中国石油天然气集团东方地球 物理勘探有限公司联合研发的项目。目前，这两个公司已经完成了g p s 车辆跟踪监 控系统( v e h i c l et r a c i n gs y s t e m ，v t s ) 的开发并投入市场，s 可以通过公网、集群通 信或常规电台等无线通讯方式与监控中心进行信息交换，从而实现对车辆的实时监 控，但是由于无线通讯中存在数据丢失、出错或延迟的问题，在实际使用中汽车行驶 状态信息采集的可靠性就得不到保证。而j ! 二述问题的解决是涉及到通讯服务商和用户 终端的非常难以解决的系统问题，所以需要采用其它方法来保证汽车行驶数据记录的 完整性、可靠性。汽车行驶记录仪在解决这些问题上不会存在太大的技术困难，可见， 汽车行驶记录仪的研发是非常必要和具有现实意义的。 本课题的目的是结合地质勘探车队及油料运输车队的实际需要，设计开发一套完 整的汽车行驶记录仪系统，使之与已有的g p s 车辆跟踪监控系统互相补充形成一整 套完整的车辆运行管理系统，对车辆h s e ( h e a l t h ，s e c u r i t ya n de n v i r o n m e n t ) 管理提供 可靠有效的手段。同时该汽车行驶记录仪系统也可作为一个独立的产品投放市场，用 第一章绪论 于物流运输、智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，i t s ) 的其它车辆管理场 合。 本课题所提出的汽车行驶记录仪不仅在特殊行业有其研发的必要性和现实意义， 同时作为驾驶员驾驶活动及车辆行驶信息的有效反馈工具，记录仪在道路交通管理中 发挥了交通警察无法替代的作用，产生了显著的社会效益和经济效益。具体表现在以 下几个方面： 1 记录交通违章，预防事故。针对违章超速、疲劳驾驶这些交通肇事的主要原 因，汽车行驶记录仪能自动、连续、真实地记录数十天内驾驶员的行驶速度和连续行 车情况，相当于在车上长期配备了一名交通警察，对驾驶员的安全行车情况进行全面 的、长期无间断的实时监控，并可以利用这些数据建立驾驶员安全行车档案，为考核、 评比、奖罚提供科学依据，也有利于培养驾驶员开安全车、中速车的良好习惯，达到 减少违章和预防事故的目的。统计资料表明，汽车行驶记录仪的使用，使交通事故率 降低3 7 5 2 ，大大减少了人员伤亡和财产损失，保障了人民生命财产的安全。此 外，驾驶员良好驾驶习惯的形成对减轻车辆损耗、延长车辆使用寿命、节约燃料都起 到重要作用。 2 有利于拥有车辆的企事业单位科学管理车辆，提高经济效益。汽车行车记录 仪能实时监控车辆的行车状况，统计出每天的出车时刻、收车时刻、行车时间、行车 里程、累计行车里程以及行驶路线等信息，方便用户掌握车辆的使用情况，以便加强 对车辆的使用管理，防止公车私用等现象的发生，提高经济效益。 3 科学地分析和处理道路交通事故。汽车行车记录仪能够记录车辆发生事故前 的速度、时间、减速制动等驾驶状况，能为交通事故的处理提供定量、准确的数据。 该数据用于配合交通事故现场勘查取证，用科学的定量的数据公正地判断事故原因和 责任，提高交警的工作效率，为有效保护车主、司机的合法权益提供了有力的科学依 据。 4 为汽车行业各种车辆的设计制造的改善提供一定的数据信息。从汽车行驶记 录仪能获取车辆行驶里程、速率、加速率、减速率等数据，这些数据与磨损状况等其 它数据相结合，为汽车的科研、生产、日常维护提供了统计分析的依据。对深入研究 各类车辆的完善设计、故障分析起到了的实际作用。 1 4 课题的研究内容 本课题所研制的汽车行驶记录仪主要是针对油料运输及地质勘探行业的，因此在 产品性能要求上有其特殊性，主要包括两方面：一方面，对油料运输车队而言，这类 用户在记录仪的电磁兼容性上提出了比一般用户更高的要求。我们知道，无线电台发 射出的无线电波( 射频电磁辐射) ，能使接受无线电的天线感生射频电流。当射频电 5 北京化工大学硕七学位论文 流在金属导体间环流时，遇有锈蚀或接触不良，就会产生射频火花。只要射频火花持 续1 微秒以上、能量大于6 毫瓦时就会引燃甲烷与空气的混合气。由于汽油等油料是 易挥发性物质，在油气罐泄漏而形成的可燃气危险区，无线电波产生的射频火花很容 易引起爆炸，导致灾害的发生。常规电台等无线电收发设备本身并不具备防爆功能。 当油罐车没有装满油时，油分子便向油罐内空处的空气中挥发，使得油罐车内油气浓 度骤增。同时，人们为了让通讯信号更加清晰，无线电台使用的频率很高，发射功率 比较强，尽管符合国家标准，也对油罐车的安全构成严重威胁。因此油料运输车队不 适合安装有无线电收发装置的v t s 系统，而需要具有事后处理功能的汽车行驶记录 仪系统来完成对车队的管理。此外，油料运输车队需要经常出入油气库等易燃易爆场 合，因此对汽车行驶记录仪本身的电磁兼容性能要求很高，这也是本课题要重点研究 的内容之一。 另一方面，对地质勘探车队而言，车队通常出车以后要数十天才能回到营地，并 且车辆行驶路况非常差，要求记录仪能够存储长时间的行驶数据，同时还要抗振性好， 工作稳定可靠。根据汽车行驶记录仪的国家标准规定，如果按秒记录数据，记录仪应 能够记录6 0 小时的数据，目前市场上的记录仪大多都按照这个标准研制，因此数据 存储的容量不大，这对于一般公交车辆的管理来讲是适合的，但是对于地质勘探车队 或其它长途运输车辆来说，记录仪的数据容量是不能满足要求的。此外，市场上多数 产品存在稳定性差、可靠性低的缺点，不能适合地质勘探车队的恶劣环境，而国外一 些可靠性高的记录仪价格又非常高，性能和价格的矛盾已成为制约记录仪发展的一个 重要因素。因此，本文会在适当控制成本的前提下，对增大记录仪的数据存储容量， 提高工作的可靠性、稳定性方面作重点研究。 一套完整的汽车行驶记录仪系统包括车载主机模块以及上位机管理分析软件模 块两个部分【4 1 。根据国家标准规定，主机模块的主要功能应包括：自检功能，自检结 束后能够对结果予以提示；实时时钟、日期以及驾驶时间的采集、记录和存储功能； 驾驶员身份识别功能；对车辆行驶速度、里程等状态信号的采集、处理和存储功能； 显示及操作功能；数据通信功能，在车载主机和管理p c 机之间传输数据；实时报警 功能，对车辆超速、驾驶员疲劳驾驶等情况予以报警提示；此外某些应用中还要求有 数据打印输出功能，能够通过微型打印机打印出车辆信息、驾驶员信息、疲劳驾驶时 段、超速驾驶时段等多种信息。 国家标准还规定，上位机管理分析软件是运行在p c 机上、界面友好的 g u i ( g r a p h i cu s e ri n t e r f a c e ) 软件，具有丰富的功能，包括：系统管理功能，能够对系 统参数、车辆信息以及驾驶员信息进行管理；数据查询分析功能，以表格、图形等方 式进行数据分析显示；数据统计功能；数据传输功能，能够通过串行方式接收来自于 主机模块的数据；车辆行驶轨迹回放功能。 汽车行驶记录仪的研究主要包括m c u 以及其它外围元器件的选择，电路板的设 6 第一章绪论 计、布局和制作，以及系统的组装。完成系统中有关数据的采集、处理、存储、报警、 通信等方面单片机的软件设计，整个软件部分应采用模块化设计，以利于以后的功能 扩展。本课题除了要实现汽车行驶记录仪应有的功能以外，还要比较深入地研究汽车 行驶记录仪的电磁兼容性问题和工作可靠性问题，对普遍存在的记录仪运行不稳定的 情况进行详尽分析，提出可行的解决办法，使研制的记录仪能够适应特殊行业的需求， 能够安全、可靠、稳定的工作。 i 4 1 车载主机功能分析 参考国家标准，结合在地质勘探及油品运输的实际情况，对本课题所研制的记录 仪所应具备的功能进行详细分析，主要包括如下几方面： 1 自检功能 记录仪在通电开始工作时，应首先进行自检，自检正常后应以语音提示或光电信 号等方式表明记录仪工作正常，如有故障则应指示故障信息，或者采用两种信号相结 合的报警方式。 2 数据采集、处理和存储功能 能够测量车辆行驶速率、加速率、减速率、行驶里程、连续行驶时间等数据进行 测量，并按秒、按分、按天分别统计，分别记录和存储，并保证存储的数据在较长时 间内不丢失。记录最近6 次停车前后3 0 秒的数据，作为事故疑点数据，以便事故或 事故苗头后有据可查。 3 实时报警功能 对车辆行驶数据进行计算处理，判断是否超速、是否疲劳驾驶、是否紧急刹车， 如果出现上述异常情况，则进行报警，发出声光提示。 4 驾驶员管理功能 记录仪能够通过记录和识别驾驶员身份来规范驾驶员的行为。不同的驾驶员有自 己的身份认证号，不同的认证号对应不同的车辆，不是相应的车辆司机不能驾驶；可 对最大速度、最大加减速度、连续行驶时间等进行设置；具有司机评价系统，能预先 设置总分，并对剩余分数报警提醒；对违章驾驶人员进行扣分管理，以减少非正常驾 驶状况的出现。 5 数据显示功能 记录仪显示面板能准确显示各类信息，包括驾驶员信息、实时时间、实时日期、 实时车速以及各类报警提示等。 6 数据通信功能 记录仪能够通过多种方式( 包括r s 2 3 2 串行接口、u s b 接口、存储卡或无线传输方 式) 与外部环境进行通信，实现数据的上传下载。 7 北京化工人学硕士学位论文 7 掉电保护功能 数据对记录仪至关重要，如果由于某些意外情况导致记录仪掉电，系统应能及时 检测，并做好当前数据的保存工作。 1 4 2 管理分析软件功能分析 上位机管理分析软件要实现的功能是： 1 系统管理 对记录仪系统参数进行设置与管理，包括用户权限的管理、驾驶员信息的管理、 汽车信息的管理以及车辆特征系数的设定等。 2 数据查询分析 能够将车载主机的原始数据导入数据库，并进行查询( 可以设置多种查询条件) ， 能以图形与表格的方式进行结果分析，如生成事故疑点数据曲线图、一般行驶速度记 录曲线图、数据列表等。 3 数据统计 按照一定的统计规则，将结果数据进一步地统计分析，以得出相应的数据规律， 为进一步提高安全行驶提供技术基础。 4 数据传输 包括r s 2 3 2 接口、u s b 接口及其它方式的数据交互，即完成数据上传( 从记录仪 传输到p c 机) 与数据下载( 从p c 机传输到记录仪) 。 5 数据回放 对所记录的车辆行驶数据进行回放，能够在地图上显示车辆行驶轨迹，并对车辆 行驶正常及非正常状态进行标示。 8 第二荣轰统总体设计 2 ，1 系统总傣方寨 第二章系统总体设计 汽车行驶记录仪系统由车载主机部分和上位机管理分析软件两大部份组成。其工 作流程如图2 - 1 所示。车载主机部分完成对汽车行驶状态信息的采集，然后通过读写 缓秘把数据黄竣到上位税豹数摇疼中，上傲机警理分摄软穆宽成鼹数据分析绞诗帮对 车载主税酶参数设鬃，胍蠢使整个记录纹系统对车辆行驶送行综合管理甄擒。 匿2 - 1 汽车行驶记录仪工作流程不意图 f i g 2 1v t d rw o r kf l o wc h a r t 车载主机与上位机之间的数据传输方式大致可以分为以下三类： 1 无线传输方妓，这种方式是指通过超短波、无线电螽或手机网络方式传输数 掇，本文舞始奔绥瓣w s 系统裁是采翅魏类方式黄竣数瓣豹。这耱无线赞翰瓣方式 萄以使褥管理孛心鹣数据采集菲零方便，毽是存在数据佼赣攀不离，易丢失数攒，数 据传输稳定性差，易受干扰，不适合易燃易爆场合，初期建设成本及维护运营成本都 很高的缺点。尽管无线传输方式存在着一些问题，但作为推动智能交通发展的蘸疆技 术，相信随着技术的进步，这些问题都能得到很好的解决，斛此应该重视对它的研究。 2 有线奔震诺羧方式，鄯摆车载主织妻接透过r s 2 3 2 接强、u s b 接口以及c a n 总线接西等有线连接方式与上位辊传输数据。这释传输方式技术藏熬，成本低，餐楚 往往需要把便携式电脑直接拿到车辆上采集数据或者需瑟拆下主机到车辆管璁中心 传输数据，存在操作不便，灵活性低的缺点。目前大多数。激渌仪产品虽然都保留宵线 介质传输接口，但已然本上不作为记录仪数据传输端口使用。 3 移动存糖分簇转存方式，郄指邋_ i 建u 盘、移动硬毅或其它存锗卡转存数据剿 9 北京化工大学硕上学位论文 上位机上。这种方式操作方便，初期配置成本稍高，但是不需要后期追加运营成本， 维护成本低。移动存储介质转存是目前较普遍采用的一种数据传输方式。 采用数据转存的方式又可以分为实时转存和事后转存，前者指车辆行驶时，记录 仪采集的行驶数据实时地记录到移动存储介质上，后者指行驶数据预先保存在记录仪 的存储芯片中，在车辆停驶时，再把数据下载到移动存储介质上。本课题按实时转存 和事后转存两种方式分别进行了方案设计，并最终选择了其中一种方案。下面将分别 论述两种方案，阐明选择其中一种方案的原因。 典型的事后转存的车载主机设计方案如图2 2 所示 1 7 , 1 8 l 。该方案中，驾驶员身份 识别接口常采用i c 卡读写器，需要在m c u 上用软件实现相应的接口协议，如s p i 协议，韦根协议等，常见的使用方法是采用m c u 引脚来模拟实现；s r a m 和h a s h 芯片用作数据存储，数据先保存到s r a m 中，在达到h a s h 芯片页面或块数据长度时， 再从s r a m 转存到h a s h 芯片中，这样可以避免多次擦写h a s h 芯片，延长h a s h 芯 片使用寿命；s r a m 是易失性存储器，还需要电源管理电路对s r a m 进行掉电保护； 移动存储介质接口用于在车辆停驶后下载历史数据到移动存储介质中，一般需要专门 的控制器来控制接口时序，这样会增加硬件设计的复杂性；人机接口部分包括按键、 显示等，用以实现驾驶员与记录仪之间的信息交互。 图2 - 2 事后转存车载主机方案 h g 2 - 2t h ev e h i c l e c a r r y i n gt e r m i n a lp l a no ft h ea f t e r w a r d sd a t at r a n s m i s s i o n 实时转存的车载主机设计典型方案如图2 3 所示。该方案把移动存储介质直接嵌 入到车载主机中，然后通过软件文件系统的方法实现车辆行驶数据的高效、可靠存储。 驾驶员身份识别及其它管理功能可以通过移动存储介质上的隐藏加密文件实现。与上 一方案相比，这种方案节省了驾驶员身份识别接口和f l a s h 芯片的硬件成本，不过 需要软件来保证数据存储到移动介质的实时性和可靠性，在系统软件设计上比较复 1 0 第二章系统总体设计 杂。 与事后转存方案相比，实时转存方案节省了更多的硬件成本，更符合课题开发的 实际需求，因此本文采用了实时转存的方案。 图2 - 3 实时转存车载主机方案 f i g 2 3t h ev e h i c l ec a r r y i n gt e r m i n a lp l a no ft h er e a lt i m ed a t at r a n s m i s s i o n 2 2 主机模块方案 2 2 1 主处理器的选择 微控制器对于整个系统来说至关重要，它指挥控制着系统的各个部分协调工作， 顺利完成各项动作。 目前大多数汽车行驶记录仪的m c u 以八位5 1 系列单片机为主，此类单片机应 用广泛，价格相对较低，发展也很成熟，是记录仪低端方案的首选。低端方案虽然能 够实现系统的基本功能，但是却不能保证系统对实时性、大量数据的处理能力、扩展 接口等各方面的要求，因此考虑采用性能更高的处理器。这里我们选择了凌阳公司的 十六位单片机s p c e 0 6 1 a 。 s p c e 0 6 1 a 与5 1 系列单片机相比较，具有如下优势： s p c e 0 6 1 a 处理速度更快，其最高c p u 时钟频率可达到4 9 1 5 2 m h z ，且采用精 简指令集( r i s c ) ，大多数指令只需三个c p u 时钟周期，在最高频率时执行一条该指 令需要0 0 6 m s 。相较而言，一般5 1 系列单片机振荡周期只有1 2 m h z ，执行一条单周 期指令需要l m s ，并且因为字长的关系，在执行乘法类指令时需要更长的时间，在处 理大量的g p s 数据时不能满足实时性要求。 s p c e 0 6 1 a 外围接口丰富，具有8 路1 0 位精度的a d c ，两路1 0 位精度的d a c 和u a r t 接口，还具有符合凌阳自定义格式的二线制串行输入输出接口。 北京化工人学硕士学位论文 s p c e 0 6 1 a 提供丰富的中断源，包括来自定时器a b ，时基，2 个外部时钟源输 入，触键唤醒，串口中断，软件中断等1 4 个中断源。丰富的中断源使得程序开发更 加方便灵活。 s p c e 0 6 1 a 具有乘法累加指令，因而是具有d s p 功能的单片机，易于实现音频压 缩和解压，另外该单片机具有效率较高的一套指令系统和集成开发环境，并且提供了 语音录放的库函数，使得记录仪中语音提示功能的开发变得非常容易【1 9 1 。 2 2 2 数据存储方案的确定 汽车行驶记录仪对数据存储的要求是：具有掉电保护功能；擦写次数足够多；可 靠性高1 2 0 l 。目前实现这种要求的方式有以下几种： 1 s r a m + 电池+ 电源管理芯片+ f l a s h 由于f l a s h 的擦写次数的限制，检测的数据不能实时写入其中，只能存储在s r a m 中，当到一定的时间或检测到掉电后，再把数据写入f l a s h 中。此方案的特点是：系 统价格比较便宜，但是性能却很不可靠，发生事故时整个系统都可能掉电，当系统检 测到掉电时，再把s r a m 的数据写入f l a s h 中，已经没有足够的时间和电量，而且汽 车行驶记录仪的使用环境比较恶劣，s r a m + 电池的存储方式很不可靠，目前很少有 工程师会采用这种方案设计。 2 n v r a m n v r a m 有二种，一种为s r a m + 电池型，另一种为s r a m + e e p r o m 型。不管 是哪一种，首先价格都比较贵，不利于市场推广；另外在性能方面，如果n v r a m 是 s r a m + 电池型，有电池耗尽的危险，一般电池的寿命只有3 5 年时间，这之后存储数 据将非常不可靠。如果n v r a m 是s r a m + e e p r o m 型，由于此存储器的原理是在工 作时，m c u 操作的是s r a m ，在检测到掉电后再把数据存储到e e p r o m 中，这样 也存在发生事故时有数据不能写入的危险，所以数据存储也不可靠【2 叭。 3 采用移动存储介质实时存储数据 常见的移动存储介质有移动硬盘、u 盘、c f 卡、s d 卡、m m c 卡等。移动硬盘 具有机械运动部件，抗振性能差，s d 卡和m m c 卡存储容量小，单位容量价格高， 所以只考虑u 盘和c f 卡。u 盘与c f 卡相比较，单位容量价格相差不大，u 盘采用 u s b 串行接口传输数据，产品类别丰富，封装形式多种多样，在消费类电子市场应用 非常广泛，而c f 卡采用8 位或1 6 位的并行接口通讯，封装形状按c f 卡协会规范制 作，各个厂商产品在形状尺寸上基本相同，差别很小，在商业和工业领域上都有较多 的应用实例。c f 卡数据传输速率高，易于满足数据实时存储的要求，同时形状符合 标准，易于作为标准配置集成到记录仪中，具有工业级封装，抗振，抗干扰能力强。 由上面分析可以看出，采用c f 卡比采用u 盘更具优势，因此在本课题中确定采用 第一二章系统总体设计 c f 卡来实时地存储车辆行驶数据。 2 2 3 信号采集方案的确定 车辆行驶的速率、里程等信息既可以通过传感器采集，也可以采用g p s 接收机 来获得。 传感器采集车辆行驶速率的方法通常是通过采用光电计数器、霍尔开关电路等来 测量变速箱输出轴的转速来计算的。采用霍尔开关电路车辆速率的方法如图2 - 4 所示， 在变速箱的输出轴处安装永久磁体同霍尔开关电路一起构成速度信号采集模块。霍尔 开关通电后，磁体每经过一次，便输出一个电压脉冲，由此可根据一定时间内所得到 的脉冲数来计算车辆的行驶速度。永久磁体的安装一般有如图2 4 所示3 种方式 2 i , 2 2 】。 搿淬影 ( a ) 径向磁极( b ) 轴向磁极( c ) 遮断式磁极 图2 _ 4 旋转传感器磁体设置 f i g 2 4t h er e v o l v i n gs e n s o rm a g n e tp l a c e m e n t g p s 接收机通过测量与多个g p s 卫星之间的距离来确定g p s 接收机的速率、位 置、方位角等信息。 采用g p s 接收机和采用传感器获取车辆速率、里程等信息的方法具有各自不同 的特点，比较如下： 采用传感器来获取车辆行驶速率是最直接的方式，测量精度高，而g p s 接收机 的定位精度一般为1 5 m ，速率精度一般为0 1 m s ，因此用g p s 机收机获得的车辆速 率精度不高，但是通过采用差分定位等补偿措施，也可以获得非常高的精度。用传感 器测量的方法来获取里程数据可能会存在传感器误差累积的现象，而采用g p s 接收 机则能直接给出车辆的行驶路线，不会存在误差累积的问题，更容易在里程测量上获 得高精度。 在测量车辆行驶里程方面，g p s 接收机能够提供车辆行驶全程的位置信息，结合 已经测量好的地理信息，其测量会更准确。 采用传感器测速需要车辆改装，即使这种改装不会造成车辆性能的影响，对有的 北京化t 大学坝 学位论文 用户来说也是不愿意接受的，而采用g p s 接收机不需要改装车辆，安装非常方便。 与传感器相比，g p s 接收机价格稍贵，但是g p s 接收机能够提供更丰富的信息， 它不但可以起到测速作用，也可以与无线通讯模块、地理信息系统( g e o g r a p h y i n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 结合，起到导航、防盗、车辆监控等作用，使得记录仪的功 能更容易扩展。 本课题是在原有v r s 基础上进行的，v t s 已采用了g p s 接收机来获得车辆的位 置信息，所以本课题同样采用g p s 接收机来测速，充分利用了已有设备，大量地节 省了成本。 2 2 4 数据显示方案的确定 车辆仪表的显示器常采用v f d 或l c d 显示屏。v f d ( v a c u u m f l u o r e s c e n t d i s p l a y ) 即真