（检测技术与自动化装置专业论文）汽车行驶记录仪的研制.pdf

汽车行驶记录仪的研制 摘要 摘要 汽车行驶记录仪又叫做汽车黑匣子，它是记录汽车行驶过程中的一些状态参 数的自动化装置，它的目的和功能主要有两个，其一，约束驾驶员的不良驾驶行 为，当发现有超速、疲劳驾驶等行为时，发出警报；其二，记录车辆行驶过程中 的状态参量，一旦发生交通事故，这些状态数据可以作为事故鉴定的依据。 记录仪的使用起源于欧洲，发达国家的经验表明，它可以有效的减少交通事 故的发生，并为事故鉴定提供参考依据。汽车行驶记录仪在我国的发展则经历了 几起几落，随着我国关于汽车行驶记录仪的相关法规的出台，特别是国标g b t 1 9 0 5 6 2 0 0 3 的发布和实行，国内的汽车黑匣子的研制才又进入了一个高潮。目前 我国市场上有一些记录仪产品，而这些产品的着眼点大都是放在汽车黑匣子的第 一个作用的发挥上，而忽视了它的第二个作用，其中原因主要是因为第一个作用 实现起来难度较小，另外是因为一些公司要抢市场使产品匆匆上市。 本文在充分研究国标g b i t1 9 0 5 6 2 0 0 3 的基础上，针对现有汽车行驶记录仪 产品忽视其为事故鉴定提供依据的功能的状况，完成了以下主要工作： 1 考虑到记录仪在事故发生时要求的机械强度，将记录仪系统分为记录仪 主体部分和人机接口两大部分来进行设计，主体部分实现数据的采集存储和输出 等功能，外壳只需留有几个接i ；3 ，人机接口部分完成与操作人员的交互，实现显 示、语音提示、按键设置和查询等辅助功能，并设计两部分之间串行通讯协议， 使系统结构更清晰灵活。 2 在充分调研基础上选择a r m 7 t d m i 核处理器s 3 c 4 4 b o x 作为主体部 分的处理器，给出基于此芯片的主体部分硬件电路设计：针对记录仪数据存储的 特点，采用铁电存储器( f r a m ) + 大容量f l a s h 的存储方案，使记录仪记录 信息更可靠、存储的信息更多；基于加速度传感器芯片m x a 2 5 0 0 a l ，设计适合 记录仪使用的加速度传感器模块，在系统中加入对车辆行驶加速度及其他一些模 拟量的测量和记录，大大增强了记录仪为事故鉴定提供依据的功能。 3 给出了系统功能的软件实现方案。包括记录仪用到的一些重要的数据结 构和存储器系统f r a m + f l a s h 的存储组织结构，详细介绍了记录仪主体部分 采用的软件结构。 本人完成的具体工作包括： 完成了符合国标要求的记录仪系统的整个软硬件的设计，完成适合汽车使用 的加速度传感器模块的设计，完成了系统功能调试。 关键字：汽车行驶记录仪加速度传感器s 3 c 4 4 b o x 铁电存储器 i l 汽车行驶记录仪的研制 a b s t r a c t a b s t r a c t v e h i c l ed a t ar e c o r d ( v d r 、i sa l s on a m e d “v e h i c l eb l a c kb o x ”i t st h ed i g i t a l d e v i c et l l a tr e c o r d sk i n d so fd a t ao fa u t o m o b i l e sw h e n t h e ya r er u n n i n g g e n e r a l l y , i t h a st w of u n c t i o na n di tc a nn o to n l yr e s t r i c td r i v e r sb e h a v e s ，w h e nh ed r i v e sa tt h e s p e e da b o v et h en o r m a ls p e e do rh ed r i v e sm o r e t h a n3h o u r s ，i tc a nr e m i n dt h ed r i v e r w i t ha u d i oi m f c l r m a t i o n s a n dw h e naa c c i d e n to c c u r s t h ed a t aa b o u tt h er u n n i n g v e h i c l ei ts a v e dc a nb et h ec l u e s v d r o r i g i n a t ef r o me u r o p e t h r o u g ht h eu s a g eo fv d r t h ea c c i d e n tr a t e i n e u r o p ei s m u c hl e s st h a nb e f o r e t h ed e v e l o p m e n to fv d ri no u rc o u n t r yb e c o m e f a s t e ra f t e rt h eg b 厂rl9 0 5 6 。2 0 0 3h a db e e ne n a c t e d t h e r ea r es o m ev d rp r o d u c t si no u rc o u n t r y sm a r k e t b u tm o s to ft i l e s e p r o d u c t so n l yr e c o r dt h es p e e dd a t a ，m i l e a g ed a t a ，a n ds o m e0 ，l d a t aw h i c hs h o wt h e s w i t c h e so ft h ea u t o m o b i l es u c ha sl i g h t s ，a n dt h e s ep r o d u c t sa l li g n o r et h ev d r s f u n c t i o ni nt h ei u d g e m e n to f a c c i d e n tr e s p o n s i b i l i t y b a s e do ng b t1 9 0 5 6 2 0 0 3 ，f o c u s e so nt h e s ep r o b l e m s ，t h i sp a p e ra c c o m p l i s h s t h ew o r k sb e l o w ： 1 d e v i d et h ew h o l eh a r d w a r ed e s i g ni n t ot w o p a r tb e c a u s et h ev d r m u s th a v e h i g hm a c h e n i c a lp e r f o r m a n c ew h e na c c i d e n to c c u r s 0 n ep a r ti s m a i np a r t t h i s p a r t a c c o m p l i s ht h ed a t ac o l l e c t i o n ，p r o c e s s i n g ，a n ds a v e t h e r ea r eo n l yf e wi n t e r f a c eh o l e i ni t ss h e l l t h eo t h e rp a r tt a k e sc h a r g eo ft h ei n t e r a c t i o n sb e t w e e nt h ed r i v e r sa n dt h e v d r i t g e t s t h ed r i v e r i n f o r m a t i o n d i s p l a y s i n f o r m a t i o no n l c d g i v e s a u d i o a w o k e a n d r e s p o n s e f o rt h eu s e s k e yi n p u t w e a l s o d e s i g n t h e p r o t o c o l o f c o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h et w o p a r t s 2 c h o o s ea r m 7 t d m ic o r ec p u $ 3 c 4 4 8 0 xa st h em a i n p r o c e s s o ro f t h em a i n p a r ta n db a s eo nt h i sc h i p ，d e s i g n e dt h eh a r e w a r ec i r c u i t ；w eu s e dt h es a v es c h e m eo f f r a m + f l a s ht ot h eq u e s t i o no fv d r sd a t as a v e ；b a e do naa c c e l e r a t i o ns e n s o r c h i pm x a 2 5 0 0 a l w ed e s i g n t h ea c c e l e m e t o rw h i c hf i t st h ev d r s y s t e m 3 d e s i g n e dt h es o f t w a r et oa c c o m p l i s ht h ef u n c t i o n st h a tg bd e f i n e s d e s i g n e d t h ed a t as t r u c t u r e sa n dt h es a v i n gs t r u c t u r eo ft h ef r a ma n df l a s h t h i sp a d e r p r e s e n t st h es o f t w a r es t r u c t u r ea n d r e a l i z a t i o no f v d ri nd e t a i l t h ew o r kt h a tih a v ea c c o m p l i s h e d ： d e s i g n e dt h ew h o l es y s t e mo fh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g n e d a c c e l e m e t o r w h i c hf i t st h ev d r s y s t e mb a s e do n a c c e l e r a t i o ns e n s o rc h i pm x a 2 5 0 0 a l f i n i s h e d t h es y s t e mf u n c t i o n d e b u g k e yw o r d s ：v e h i c l ed a t ar e c o r d e ra c c e l e m e t o rs 3 c 4 4 8 0 xf r a m l l i 汽车行驶记录仪的研制致谢 致谢 在此论文成稿之际，我首先想衷心的感谢我的导师张高伟老师，在研究生的 三年里，张老师根据我的兴趣给我创造了接触硬件设计的机会，使我得以成长为 一个准电子工程师。张老师对我的谆谆教导是我此生都享用不尽的宝贵财富，他 那宽广的知识面、耐心的君子之风、兢兢业业成就大业的工作态度永远都是我学 习的楷模，跟随张老师的这三年，我受益匪浅。 我还要感谢陪我走过美好大学及研究生时光的1 0 系同学，那一串串鲜活的 名字，北老、六子、宠物、博士、耀新、子洋、肖庚、小胖儿等等等等，同他们 在一起的日子，永远都是我最值得回味的一段记忆。 我尤其要感谢的是我的父母，是他们养育了我，并且使我有机会来到中国科 技大学接受教育，同这些优秀的同学们为伴。我更感谢我的哥哥、嫂嫂还有我的 可爱的小侄子，是他们在我不在的时候，陪伴在父母左右，给他们带来无尽的欢 乐。 衷心感谢所有给予我帮助的人们。 汽率行驶记录仪的磅制 第l 章绪论 1 。1 磅究背爨及意义 第1 章绪论 随着人们生活水平的提商，汽车正以日f 所未有的速度进入普通人的家庭，据 公发部的报告，避几年我国每年的新增汽率量都在1 4 0 万辆以上，但就我国目前 熬遂鼹基珐设藏及交逶状况，汽车豹激璞，不可避免匏黪致了交逶事敬豹增多， 2 0 0 4 年全国菸发生道路交通潦敬5 6 7 7 5 3 怒，造成9 9 2 1 7 入死亡，4 5 1 8 1 0 人受伤， 宜接财产损失2 7 7 亿元，经相关调查显示在众多造成潦敞发生的原豳中，司机 的怒速驾驶和疲劳驾驶占了檄大的比重，怎样在现有的变警警力条件”f ，约束驾 襞瑟熬不莛驾驶行灸，减乡枣敬豹发生程? 涂了蓬家定些交逶溃蕊驾驶受豹 自觉按照执行之外，在汽车上安装使用汽擎行驶记录仪，为每辆配备个电子警 察，成为一个有效的手段 1 l 。 汽车行驶记慕仪( 以下简称记录仪) ，类似于飞枫土豹黑厦子，它是记录汽 车镗疆过程中鹃敬态参数鹊螽韵化装嚣，这些参鼗包攒各个牙关囊妊车灯懿开 关，刹车等等，些模拟量如车辆的加速度；还有车遮，里程， 它能真实，准确地反映率辆运行中的宓际状况，记渌相关的监控数据。其存 镳约数握为金渡糖强对车辍的往雳、运行、调度等工穆实施辩学管理，为安全零亍 车镑理和事故分析，以及今嚣路面执法篮餐提供了可靠静依据。汽车行驶记录仪 主鬻有以下两大作用：第一，獭发现驾驶员煺速驾驶或疲劳驾驶时能发出报警声， 警辫司机减速，督促司机安全行车，提高铡机自觉遵守交通法规豹意识，起到防 壹黧减少交逶攀羧懿嚣戆；巍予它馥鏊螯l 毒霉司撬在抒镀中憝僳持攀辆中速行 驶，对延长车辆的使用寿命，节约燃料，防此轮胎耗损部起到重要的作用，可减 少众业经营管理成本【2 】；第二，由于汽车行驶记录仪中记录了车辆每一次停车前 的车辆行驶数撂，旦发生攀敞，这些数攒，爵作为交通攀赦的原因釉责任分辑 提供参考和依掭依据。2 0 0 3 年4 届1 5 舜，潼家质量渣餐检验检疫总局正式发蠢 了汽车行驶融淤仪国家标准( g b 厂r 1 9 0 5 6 2 0 0 3 ) ，并已于2 0 0 3 年9 月1 日 n 丌始实施。在目前道路交通攀故频发的情况下。实施汽车行驶记录仪国家标 准，连步接广安装使矮汽车行驶记录致，怼予据强遂鼹交逶安全动态謦理，绦漳 道潞交通安全，减少事故的袋生，减少人氐的财产损失酃其有重要意义f 3 j o 1 2 国内外研究历史和现状 1 。2 。1 莓舞谤瑗 早在2 0 世纪2 0 年代，翠速景程表成为汽车标准设备后，行驶记渌仪就伴随 着汽车里程表谢诞生。1 9 3 4 年，德国发明了世界上第一台纸盘式行驶i a 录仪， 至今薯有7 0 年熬斑史，1 9 5 3 筝，德莺致黪牙始怼载熏越过3 5 楚瓣货车帮客车 汽车 f 驶记录技豹磷铡 蒋i 章绪论 强制推行纸盘式行驶记录仪。从2 0 世纪7 0 年代丌_ 始，国外发达豳家陆续开始 安袈使用汽车行驶记录仪。1 9 7 5 年欧共体推出机电模拟式汽车行驶记录仪，采 爨瀚盘纸、摄搬砉番淀录方式，并逶遘了安装汽车行驶记滚姣的立法，娶隶9 痉戳 上客车和3 5t 以上货车必须安装汽车行敷记录仅f 4 j 。 2 0 世纪9 0 年代初，畿国和德国率先行发了数字式汽车行驶记泶仪，实现 了闷步记录、电子采集数据、打印机打印等功能，应用于道路运输安全管理，取 镄袋凌显或效。2 0 0 3 年，敬糕矮毒藜熬矮定，簌2 0 0 4 年8 兵舞戆，程黢猛注溪 的毽重超过3 5 吨以上的商用车必须安装数字式行驶记泶仪。在美围、巴西等国， 商用车若没安裟行驶记录仪则不可以使用公共道路。掇德国t t s 公司、比利时 g l u m 公司和麓兰w k t 公阉使用记录仪静后事故率统计情况表鞠，三家公司 豹攀鼗率分麓酶低了5 3 、5 0 蠢3 4 。在欧美国家健用行驶避泵仪后，交逶 事敞显著下降。据欧盟有关资料显示，推广行驶记录仪厢欧盟可使嶷通事故下降 2 0 。同本的法律规定，拥有5 辆以上汽举的运输企业必须配备一名专职安全管 理爨，班爱每壤麓2 0 辆汽攀必须增热1 名安全管理曼。安全管理曼貔一个重要 职责就是监罄稔蠢汽车行军记录仪的使用情况和安全状况。安全管燃人员通过定 期采集和分析记录仪的各种数据资料，可以完整、准确地判定驾驶员的操作和车 辆的运行状况，以此为依据加强运输企业的安全生产管理【5 1 。 1 2 2 冒雨谤滋 在我国，汽率行车记录仪的应用几起几落，最早是谯1 9 8 4 年国内巢大学研究 开发了汽车行率记录仪，由于技术不太成熟，没有投入宓际生产。1 9 9 4 年，国内 黉菠囊褒汽车行驶记录纹热，全瑶丈终骞卡足令套枣戆公安车餐帮 l 下这了 安装汽车行驶记蒙仪的通知，同时也出现了近百家汽车行驶记录仪的生产企啦， 假这一热潮很快就冷却下去。究其原因，一方面是当时园家对汽车行驶记录仪的 使躅没有法规规定，师出无名；另一方面怒圈家对汽车行驶记录仪产黯没有统一 瓣糕毽，紊场主密瑗静_ 云录俊聂藐，趣、毫莠不齐，影翡了功薤、魏耱纛使露熬 效粜 6 1 。 2 0 0 1 年1 0 月2 4 日公发部、交通部、国家安全生产监督管理局联合发布公 遁字【2 0 0 1 】8 3 号关予热援公路客运交邋安全管理戆遴告豹文髂，疆确了长 途客车使用汽奄行驶记录仪黪规定。同对，为了在全蓠范蘑内继续深入开展预防 道路交通事故工作，公安部和国家安全生产监督管理局联合制定并缀国务院同意 下发的( 2 0 0 3 年预防道路交通事故工作方案中也明确提出：要按照汽车行 黢谗录仅鍪客搽准，逐步稳鼹建秀箍安装汽车嚣驶愆浆饺王接。2 0 0 2 年1 2 胃， 由公安部交通箭理研究所等单位负责起孳的国家标准汽车行驶记录仪通过了 国家标准化管联黉员会、原阐家经贸委等单位专家的审定。2 0 0 3 年4 月1 5 日， 国家标准汽擎行驶记录仪( g b ，r 1 9 0 5 6 2 0 0 3 ) 由潮家质量监餐捡验捡疫总 弱派式发纛，墨予2 0 0 3 年9 篾l 程蠢：始蜜麓狞l 。 2 汽棼行驶记录投的辨捌嚣j 章结论 标准充分参考了欧盟等黼的法规及技术标准，对记泶仪的结构嫩成、功能要 求、测试方法等都有明确规愈。我国汽车行驶记录仪的技术参数包括：实时时钟、 嗣翅及驾驶拜寸阗黪采集、记录、姥存，车辆行驶速度、攫程静测量、泡录、储存 以及驾驶员身份记录等功髓。对于事故聚点数据标雍簧求，记录仪澎瑷不大予 0 2 秒的时间间隔持续记录，并储存停车前2 0 秒实时时问对应的车辆行驶速度 值殿车辆制动状态信号，记淤次数至少为1 0 次。这些攫求为驾驶员把握行车状 态及裁定交遥搴技爨毽提供了绞蠡。 2 0 0 3 年】o 月2 8r ，第十届全雷人大常务会第五次会议通过了中华入民 凝和国道路交邋安全法( 以下简称道燮法) 。根据道交法的规定，制 定了为其配套的道路交通焱全法实施条例( 以下简称条例) ，已分别于 2 0 0 4 年5 秀l 秘藤孬。邋交法繁一鬻“慧刘”第七条麓定：“霹遵鼹交逶安全 管璜工作，应当加强科学研究，推广、使用先进的管理方法、技术、设备。”； 条例第二章“车辆和驾驶人”中第十四条规定：“用于公路营运的裁客汽车、 重裂载货汽车、半挂牵弓| 车戚警安装、馒惩符合国家振躔的芎亍驶记录仪。交通警 察w 戬对辊裁车行装速度、迄续驾驳对闻戳及荬谴嚣骧状态进行捡套。安装行驶 记淤仪可以分步实施，实施步骤由国务院机动车产品主管部门会同有关部门规 定。”这是目前我国推广安装使用汽车行驶记录仪的法律依据1 8 】。 予是，蓬凑又教起第三次艘矮汽车行驶记录搜豹怒潮，基兹，全遥毒二十几 个省市丌始稚广成用汽车行驶记录仪，产晶生产厂家已达2 0 0 余家，可以预计， 未来的几年内，我国也会像国外发达国家一样普遍应用汽车行驶记泶仪。 1 2 3 存在的阍鼹 2 0 0 3 9 一l 两，簪家颁布旅行的汽车行敷记录役的国家标准，该霞标砖汽车行 驶记录仪的基本功能进行了舰定，但是这个国标还很不完善，它所规定的内容偏 简，有些公司的产品在国标的旗础上加入了一些新的功能，如有些加入了录音功 糍，毙记录下一定霹阂痰豹攀凑豹声音莹纛，奏些热入了录豫动憨。稳楚，这些 功能并不是很实用，我个人认为汽车行驶记录仪最主爱的功能应该是面向事故 的即当发生事敝时，其中配潦的数据可以用来真实的再现汽车的整个运行状况， 包括运行豹轨迹，因此我们疵该在获取汽举行驶的各个状态参量上下功夫，两就 羲簸静太多数现存兹汽车行驶记录筏貔产灏来说。记录鹣汽车狡态绩怠并不是缀 完熬，多是按照圊标的规定屺泶了一些开关量和汽车的率速和里程，缺少了对能 反映汽车行驶状态的一些模拟量的测量，特别是缺少了对汽车加速度的测量。我 们知道，汽车懿速度是令标鬟，不会寿方两信惠，它只熊反映多数壤凝下车辆豹 运行樗快馒，在萦些特定的场合，如发生搴教的对候，它禳本不髓及映车辆的运 行状况，有时还娜能错误的威映车辆的行驶，比如，当两辆车即将要发生追尾事 故的时候，后面笨的司机往谯阐踩急刹车，这时车辆的颦轴几乎不转，由于且前 大多数车赣对繁遮豹测量罄怒婊靠溺量辜辘瓣转速来测定豹，因戴溅鞭豹车速必 汽下行驶记录仪的训制 鹚i 章绪论 然接近于零，即显示车辆已经停止或接近停止，但是根据常识，此时车辆并没有 停止，而是以一定的与车辆行驶方向相反方向的加速度做减速滑行，有时还可能 出现侧滑这时记录仪记录的数据根本不能反映车辆的实际运行，在测量量中加 入对车辆加速度的测量就显得十分必要了。 另外，目前现有汽车行驶记录仪的产品大多还是基于8 位或者1 6 位的处理 器，由于这些处理器处理能力的限制，所完成的功能有限，而且所需的外围电路 设计复杂，扩展起来往往需要对原电路作大规模的改动。随着半导体技术的发展， 微处理器的处理能力越来越强，特别是最近基于3 2 位a r m 核的芯片的发展， 基于a r m 核设计的芯片以其低功耗，低成本，高集成性，高处理能力在各种单 片机系统中的应用越来越广，而且也由于嵌入式系统的发展，a r m 核芯片正在 迅速的抢占单片机系统市场；相比其他的集成度稍高，基于其他核设计的芯片， a r m 核处理器由于使用渐多，采购价越来越低，可供应用参考的资料也越来越 多：在系统中使用a r m 核芯片，引入嵌入式操作系统已经成为目前小系统应用 的趋势。 1 3 本论文的主要内容 汽车行驶记录仪作为一个系统可以分为两大部分，第一部分为车载部分，包 括硬件系统及其固件程序；另一部分为上位机部分，主要就是一个关联数据库的 应用软件，可应用该软件对汜录仪中记录的数据进行分析并给出分析结果。本文 的研究内容主要围绕记录仪的车载部分，包括硬件系统总体结构设计及其各部分 的实现，本文如不特殊声明，所指记录仪都是指记录仪的车载部分。 针对目前现有的黑匣子的一些情况，本文的设计在满足国标要求的基础上加 入了对能反映汽车的行驶过程的一些模拟量的测量和记录，特别是加入了对反映 汽车真实行驶过程的加速度的测量和记录，使汜录仪对车辆行驶过程中的状态记 录更完整。并根据记录仪所需要的接1 2 1 、存储嚣等资源及需要的处理器的处理能 力，选用了3 2 b i t 的a r m 7 t d m i 核的处理器s 3 c 4 4 b o x ，一方面简化了电路设 计，另一方面使系统的可扩展性大大增强。 本文的叙述结构如下： 第l 章通过对汽车行驶记录仪的背景和意义的介绍，引出课题，接下来介绍 了国内外对汽车行驶记录仪的研究和使用现状，并分析了目前国内现有的产品的 一些问题，从而引出了本论文的研究的主要内容。在第一章的最后，给出了整个 论文的叙述结构。 第2 章为需求分析，从国家标准汽车行驶记录仪( g b t 1 9 0 5 6 - 2 0 0 3 ) 出发，对整个汽车行驶记录仪的车载部分所要实现的功能以及对硬件部分选型的 影响进行阐述。 第3 章汽车行驶记录仪硬件系统总体结构介绍，主要介绍了本论文所采用的 系统硬件结构，即将记录仪的硬件分为主体部分和人机接口两大部分的结构，并 汽举行驶记录仪的辫制 第l 章绪论 分别介绍了各部分的硬件设计原理及具体实现。 第4 章讲述了系统的软件设计，首先介绍了记录仪系统中几个重黉数据记录 约数据结构和酝泶仪主体存德器f r a m 釉n a n df l a s h 筑空间分聚秘组织结 构；然嚣分秘夯缁了两部分静软俘设诗，绘出主要滚稷鬻。最后分绥了两部分之 i 训所使用的通讯协议。 第5 章为总结和展望，总结了本论文的工作并对本系统的一些不足和值得改 逡缮建方敲了一戆分援。 汽车行驶记录仪的研制 第2 章需求分析 第2 章需求分析 2 1 国标g b t 1 9 0 5 6 2 0 0 3 i 9 l 的一些规定 2 1 1 术语及定义 汽车行驶记录仪( v e h i c l et r a v e l i n gd a t ar e c o r d e o ：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他状态信息进行记录、存储并可通过 接口实现数据输出的数字式电子记录装置。 车辆特征系数( v e h i c l ec h a r a c t e r i s t i cc o e f f i c i e n t s ) ：车辆行驶每公里里程时驱 动速度传感器的转数( r k r n ) 。 连续驾驶时间( c o n t i n u o u sd r i v i n gt i m e ) ：同驾驶人员在相邻的、时间超过 2 0 分钟的休息时段之间的疲劳驾驶时间总和。不超过2 0 m i n 的体息时间被视为 连续驾驶时间。 上载( u p l o a d i n g ) ：记录仪把特定数据信息按约定的格式发送给外部设备。 下传( d o w n l o a d i n g ) ：外部设备把特定数据信息按约定格式发给记录仪。 2 】2 功能要求 国标对记录仪的基本功能作出了比较详细的规定，国标还规定对于国标未规 定的功能，在不与国标冲突的情况下，制造商可以根据需要自行增加。国标对记 录仪的基本功能规定如下： 自检功能 记录仪在通电开始工作时，应首先进行自检，自检j 下常后应以绿闪信号或显 示屏显示方式指示工作正常，如有故障则应以红闪信号或显示屏显示方式指示故 障信息。 实时时间、日期及驾驶时间的采集、记录、存储功能 i ) 记录仪应能提供北京时间日期和时钟，该只期和时钟被用于为记录仪实 现所有功能( 记录、输出、显示、数据通信等) 标注同期和时间。记录仪应能以 年、月、日或y y y y m m d d 的方式记录实时日期：应能以时、分、秒或h h ：m m ：s s 的方式记录实时时钟。 i i ) 记录仪应能对连续驾驶时间进行记录。 i i i ) 连续记录2 4 小时数据，记录的时间允许误差在5 秒以内。 车辆行驶速度的测量、记录、存储功熊 i ) 事故疑点数据： 记录仪应能以不大于o 2 秒的时间间隔持续记录并存储停车前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、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o k m h 2 2 0 k m h ，测量分辨率等于或优 于1 k m h 。 6 汽率杼驶记录杖的研制第2 牵嚣求分析 i i ) 行驶状态数据 无论车辆在行驶状态还是停驶状念，记录仪均应能提供实时时间对应的车辆 行驶速度信息。当车速传感器输出的脉冲信号超过l 脉冲秒并且持续5 秒以上 时，可认为车辆是在行驶状态，否则认为车辆是在停驶状态。 记录仪应能以不大于1 分钟的时间间隔持续记录并存储车辆在最近3 6 0 小时 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o k m h 2 2 0 k m h ，分辨率等于或优于 1 k m h 。 i i i ) 记录误差 分别输出相当于2 0 k m h 、6 5 k m h 、l o o k m h 、1 4 5 k m h 的模拟速度信号对记 录仪进行测试时，其速度记录允许误差为l k m h 。记录仪安装在测试用车上进 行实车路试，在行驶速度恒定在4 0 k m h l k r r t h 和行驶速度在4 0 k r n h 6 0 k r n h 变化情况下分别进行测试时其速度记录允许误差为+ 2 k m h 。记录仪在安装到 车辆上使用后，在4 0 k r r f f h 的行驶速度进行测试时其速度记录的最大允许误差为 6 k m h 。 车辆行驶里程的测量、记录、存储功能 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。车辆行驶罩 程记录单位为k m ，行驶晕程的测量范围为0 9 9 99 9 9 9 k m ，分辨率应等于或优 于0 1 k m 。 型式检验时，记录仪安装在测试用车上进行实车行驶里程误差测试，当测试 距离为5 k m 时，行驶里程允许误差为0 1 k m 以内。 驾驶员身份记录功能 记录仪应能实现驾驶人员身份记录功能，应能记录驾驶员代码和公安交通 管理部门核发的机动车驾驶证证号。 驾驶员代码为阿拉伯数字，其最大长度不超过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 驶证证号唯一相对应。 在每次驾车前，驾驶人员首先应确认自己的代码，确认方式由制造商自定。 数据显示 记录仪能通过显示屏显示一些记录数据，在无按键操作时，可默认显示车辆 的实时行驶速度、实时时钟或驾驶员代码。在显示数据参数的同时，能以清晰的 形式显示数据参数的名称及单位。 按键操作 记录仪应能通过按键操作提供数据的查询功能，查询的数据内容包括：最近 1 5 分钟内每分钟的平均车速记录，最近2 个同历天内同一驾驶员连续驾驶时间 超过3 小时的所有数据记录，车辆的累计行驶旱程数，车辆的特征系数。 汽苹抒驶记录搜的研制 第2 帑需掌分析 使用面板按键应不能对遴度、时间、熙程等原始数据进行修改、删除。 数据打印及输出功能 记囊铰至少戏能封窜翰掇攀牌号码、罄辫分类、驾驶曼代码、驾驶涯号码、 打印实时时闻、襻车时刻髓l s 分锌每分钝内的平均车速、疲劳驾驶记荣( 次 连缕驾驶时间超过3 小时的所肖记录) 。 数据打印只能在停车状态下进行。 数据通讯功能 i ) 数据接口 记录仪同时配置一下两种接口：u s b ( 通用串行总线) 标准接口和标准 r s 2 3 2 c d 型9 针串口，对于u s b 接口。国标建议采用主结构式( u s b h o s t ) 。 国标还规定在满足上述两个通讯接口的基础上，制造商可以增加其他可用的数据 通讯接口。 i i ) 上载信息 记录仪应能通过通讯接口，向外部设备输出至少包含如下内容的信息：实时 时钟、事故疑点数据、最近3 6 0 小时内车辆行驶速度数据( 记录时间间隔为1 分钟，数据为每分钟内的平均速度) 、对应实时时钟的车辆行驶里程数据、车辆 识别代号、车牌号码、车牌分类、驾驶员代码、驾驶证证号、车辆的特征系数。 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，记录仪应对每一次 上载的r 期和时间进行记录、存储。 i i i ) 下载信息 记录仪能通过数据通讯接口，实现对记录仪中如下参数和信息的输入、设定、 存储：车辆识别代号、车牌号码、车牌分类、驾驶员代码、驾驶证证号、实时时 钟、记录仪主机可知别的唯一性编号及初次安装的同期、车辆的特征系数。对于 车辆的特征系数的设定国标规定可以在下列隋况下设定：新车出厂时、由授权部 门进行周期性检验或校准时、其他经有关部门授权的特殊情况。 i v ) 数据的上载或下载只能在停车的情况下进行。 2 1 3 其他要求 电源 记录仪的电源为车载电源 数据安全性 记录仪应防止数据被更改或删除，在硬件上，在记录仪的适当地方采取可靠 安全措施( 如铅封) 防止数据存储器等重要器件被更换，记录仪主机内车辆行驶 速度、里程、驾驶时间等原始数据不能通过外部设备进行任何改写或删除操作。 当记录仪断电，断电前存储得数据能至少经过1 5 天不丢失。 环境的适应性 车内的环境是比较复杂的，记录仪作为车载设备，对于车内的环境必须具备 适应性如必须具备一定的工作温度适应性、具备一定的静电放电抗扰度，对于 汽率匏：驶记录搜鲍姘制第2 荦需求分析 这然国标都做了比较详细的溉定。 外壳防护 我们知道，发生事故时太都传疆着碰撩，有时还会发生起火、甚黧爆炸，由 予溅录饺内数据辩发生事敖辩费任签定懿熬要参考徐馕，记录仅静钤蠢必须具备 较商的防护等级，至少负责记渌数据的存储器在发生事故后能够保存完整，其中 的数据可以完整的读出。 2 2 本文预备实现的功能 汽车行驶记录仪的作用主要有二：第一，约束驾驶员的不良驾驶行为，当发 现驾驶员有超速、疲劳驾驶等行为时发出警报；第二，一旦发生事故，记录仪中 记录的事故前的实时数据为事故的鉴定提供依据。 国标已经对汽车行驶记录仪的基本功能作出了如前所述的一些规定，从中可 以看出，国标的规定是很基础的，在记录仪应该包含的的功能上，它给制造商以 极大的自由发展空间。 因此本论文的设计在参考国家标准的基础上预备实现以下功能： 记录仪通过非接触式i c 卡，鉴定驾驶员身份，并提供实时时钟为记录 的所有数据标注日期和时间。 记录驾驶员的连续驾驶时间，并由此判定他是否疲劳驾驶，当发现有疲劳 驾驶发生时，通过扬声器发出警报声。 记录行驶车辆的以下状态量： 开关量：可以记录1 0 路丌关量，这些开关量可以选择左右转向灯、刹车、 远光灯、近光灯、雾灯、倒车灯、喇叭、雨刮器、车门等等；并且对开关量的测 量和记录做到可扩展，即可根据需要增加。 模拟量：可以采集8 路模拟量，并由a d c 转换为数字量记录至存储器；因为 a d c 的参考电压为2 5 v ，采集的模拟量必须先要经过信号调理成0 2 5 v 电压信 号，这些模拟量可以选择为车辆仪表盘上有的如蓄电池电压、机油压力、水箱温 度等等，也可以是我们加入的传感器电压信号，如我们增加了加速度传感器信号， 对车辆行驶加速度进行测量，包括沿汽车行驶方向的加速度和垂直汽车行驶方向 的加速度。 脉冲量：对脉冲式车速传感器输出的脉冲信号进行计数，从而测得车辆的车 速和行驶里程。 实时检测车辆的行驶速度，旦发现车辆行驶速度超过了预设的最高时 速，则发出警报声提醒司机减速，并留下超速记录。 记录仪记录的数据包括：事故疑点数据及其历史记录、安全驾驶历史数 据记录、驾驶员疲劳驾驶和超速驾驶历史记录。对于对事故鉴定有重要意义的事 故疑点数据，采样的时问问隔按照国标的要求取0 2 秒，而对于安全行驶记录的 采样时间间隔，则设计成可以预设的，可以取2 0 、3 0 、4 0 、5 0 、6 0 等整十秒。 9 汽革 轻记斌投鹄碍f 割 第2 奄需求分析 采用非易失性存储体，记录仪停军掉电届，它上次记录的数据能够保留， 茹且其中的数摆在自然无谤趣条伟下，至少1 0 年蠹都不失效。 擒供数据输出接口，包括串口和u s b 目，国标建议使用u s bh o s t ，是为 了方便职能部门慕集数据，因为不q 能每一次数擐 载都要将车开至指定地点， 采用u s bh o s t ，记录坟烹概可鼓操做u 盘，使职能帮门可以随时照避酶采集数 掘。 提供人魂弄萄，霄按键可供驾驶员查询，有l 船箍示蠢询结果。 馊用车载电源为记录仪供电。 2 3 功能需求对硬件造型的影响 2 。3 。i 对箍理器魏选型影响 对手她理器的选受，辩要考虑比较多褥困素，首先要考虑处理嚣的片上资源 是否够孀，包括中断数、中壤优先缓餐、存餐器r a m 稻r o m 空间、处理器魏 处理能力锋等，另外还要鸯虑片上的外围接口是否满足应阁的需要，这些接口包 括常用扮串口、1 2 e 接口、程穿调试接口j t a g 、i o 资源等等：其次。要考虑这 种处理器的应用程度，因为应用的越多网上可供利用的资源就越多，可以缩短 开发阍嚣。当冀他条件都满足的精候，最后还要考虑成拳。 从需求分析中可班看到，记录仪需要采集的信号中，确1 0 路左右的开关量， 对于这些开关量的采集通常有两种办法： 第一种，通过并行转串行芯片，将原来的并杼开关量信号转为串行信号，传 至处理器辫进行软件串转并处理崩存储，这样在处理器遮端通常只需要3 条线： 数掘线、时锻线帮控瓴线。霹以r 用3 个u o 柬实现。这车中井变串芯片有缎多手中， 1 6 - - 4 的也有8 - 3 的，这样做的好处是节约i ( 3 口资源。扩展起来也比较 方寝，毽燕，这样会增加瞧路设计筋复杂度，更增栩了成本； 第二种，直接通过处理器的i ，0 臼进行开关虽的采嶷，这样馓缀占用i o 资 源，有屁踌就需簧几个i o 童， e 较适台建在f o 瓷源有较多剩余豹蛹台，但是 由于这种方法不需要另外增加芯片，电路设计简单，成本较前者低。 在采集玎关量的网对，记录仪癸采集至多6 路搂数量信号，霸姥在设沣中磐 须加入a d 转换器，我们嗣样有两种选择。一种魁使用片上集成有a d c 的处理 器，另一种就是自已外扩a d c 。由予记藏仪融录静模拟擐的值一部分直接来自 车辆的仪表盘，精度本身就不是缀高，面且这些模拟曩静变化频率是比较幔韵， 因此，选择a d c 时我们没有必要采用精度商，聚样速率搿的专用芯片，筒是选 胡了郡些片上集成有a d c 的齄理器。 记录仪要求提供u s b 生祝功能，实现对u 盘的操作，可以应用的方寨有很 多，最适合记录便采蠢 鹃为盎语录彼靛主鲑理器控黼u s b h o s t 控毒4 器的方案， 而操作u 盘必须拦少实现u s bi i l a s ss t o r a g e 功能，而犬容量的数据交换需爱至少 1 0 汽车行驶记录仪的研制 第2 章需求分析 2 k 的r a m 空间，即需要我们选择的处理器要有片上 2 k 的r a m ，否则就要外 扩r a m 。 另外所选的处理器必须要有足够的外部中断，因为对于脉冲量的脉冲计数需 要我们用外部中断来实现。对于处理器的处理能力，考虑各种因素，包括采样时 间间隔的影响，包括需要操作u 盘，其处理能力不能太低，但也不需要太高。 程序存储空间也是我们需要考虑的，大多数处理器都有片上的程序f l a s h 空间，这种片上的f l a s h 资源，由于读取速度的优势，容量越大，芯片的成本 就越高，一般的处理器芯片片上程序f l a s h 都不超过1 2 8 k b ，因为那样做的成 本要远远高于外扩一片f l a s h ，对于汽车行驶记录仪来说要实现的功能是相当 多得，这就要求有足够的程序存储空间，选择不带片上f l a s h 的处理器，而使 用外扩f l a s h 的方案不仅可以降低成本，还大大增加了系统功能的可扩展性。 在对记录仪主处理器的确定过程中，本人曾经考虑过采用5 l 核，即8 位的 处理器，因为这种处理器可查阅的资料比较多，而且现在有很多增强型的5 1 ， 如c 8 0 5 1 ，片上资源也很丰富，处理能力也比较强，其执行每一条指令只需要1 个振荡周期，处理能力达到2 5 m i p s ( m i l l i o ni n s t r u c t i o n sp e rs e c o n d ) ；还曾经 比较了1 6 位的几款处理器如m s p 4 3 0 系列的，和m o t o r o l a 现在的f r e e s c a l e 的 h c l 2 核的系列芯片，这些芯片大多也有出色的性能，但是在对比了片上资源、 成本、以及系统的通用性和可扩展性后，最终我选择了s a m s u n g 公司的基于3 2 位a r m 7 t d m i 核的芯片s 3 c 4 4 b o x 作为记录仪的主控制器，因为它除了能满足 上述的需求外，性价比是最高的，更重要的是它网上的资源极其丰富，另外在系 统中采用基于a r m 核的处理器已经成为趋势，采用它不仅增强了通用性，将来 还可以采用嵌入式的操作系统。虽然本文在应用中并没有采用嵌入式操作系统。 2 3 2 采样时间对存储器选型的影响 从需求分析可以看到，记录仪除了记录司机疲劳驾驶和超速的历史汜录外， 还记录了安全驾驶记录和事故疑点数据及其历史记录。我们并没办法知道何时发 生事故，而每一次车辆的停车、记录仪掉电都有可能是发生了事故。国标规定记 录仪的采样时间不能超过0 2 秒，即必须每隔o 2 秒记录一次车辆的各种行驶状 态，这些数据作为车辆的实时行驶数据，当发生停车时，最后记录的2 0 秒钟的 数据将作为事故疑点数据，而如果没有发生停车时，则这一段行驶过程被认为是 安全行驶，则从实时行驶数据中每隔3 0 秒或者1 分钟( 这个时间可修改) 取出 一组数据作为安全驾驶历史纪录记录下来。 记录仪的数据存储方案有几种，而使用常用的r a m + n a n df l a s h 数据存 储方案是不行的，因为这种方案一般采用将r a m 的数据成批的写入到f l a s h 的方式，然而由于掉电可能随时发生，掉电后r a m 内的数据失效 10 j ，将会导致 有一些数据还来不及写入f l a s h 中，这样就会遗失可能对事故鉴定很重要的数 据：但是如果数据不是成批的写入f l a s h ，而是每次采样都写的话，又由于 汽苇褥驶记录杖鹅蜡制筻2 章震求势板 f l a s h 的重复写次数有限，般单块可写l o 力到1 0 0j - j 次，不能满足记录仪频 繁改写数据的要求，因为若记浓仪的设计使用寿命为l o 年，平均每臼行驶4 小 霹，则数据改写次数为： i 0 2 3 6 0 0 ( 4 x 3 6 5 x 1 0 = 2 6 2 8 x 1 0 8 t 0 0 0 0 0 0 而且，f l a s h 的写入时间往往也比较长。 另外可以想剐的方案是为r a m 加上电池和电源管理芯片，但是这种方案的 霹嚣淫遵蚕蓬狠簿，获疆逛稷少毒天这样竣诗。 在这样的背最下我们使用锬电存储：器( f r a m ) 讣 a n df l a s h 的方案，如图 2