（检测技术与自动化装置专业论文）智能汽车行驶记录仪工程化应用研究.pdf

a t h e s i si n d e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n da u t o m a t i ce q u i p m e n t x i a n gw e n b i n g a d v i s e d b y a s s o c i a t ep r o f s u ny o n g r o n g s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n t o ft h er e q u i r e m e n t s f o r t h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g j a n u a r y , 2 0 1 0 咖洲 13 0 1 i 下进 行的研究工作及取得的研究成果。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，也不包含为获得南京航空航天大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。 本人授权南京航空航天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适用本承诺书) 作者签名：盈圭杰壶 日 期：立垃牡 月 讯的要求。 ， 最后，论文研究了基于c a n 总线的智能传感器网络。智能传感器将采集来的汽车行驶状 态数据处理后通过c a n 总线发送给主机存储。其减轻了主机的负担，且丰富了系统的功能。 论文在c a n2 0 a 协议的基础上研究了基于标示符映射表的自适应c a n 应用层协议，完善主机 对c a n 总线上智能传感器的管理，使系统具备了很好的扩展性和可移植性。 实际运行结果表明，本文所设计的方案是可行的、正确的，研制完成的智能汽车行驶记录 仪工程样机，达到了预期的设计要求。 关键词：汽车行驶记录仪、u 盘、c a n 、g p s d r 、u s b 、l c d 智能汽车行驶记录仪工程化应用研究 a b s t r a c t t h es h a r pd e v e l o p m e n to fm o d e r n t r a n s p o r tb r i n g sag r e a tf a c i l i t yt op e o p l ew h i l e i t i n c r e a s e st r a f f i ca c c i d e n t s t h ev e h i c l et r a v e l l i n gi n f o r m a t i o nr e c o r d e rp l a y sa n i m p o r t a n tr o l ei ne n s u r i n gt h ev e h i c l et r a v e l l i n gs e c u r i t y t h i sp a p e ra n a l y z e st h ef u n c t i o n a ls 慨帆a n dr e s e a r c h e so nt h r e ep a r t so fh o s t ， d i s p l a yc o n t r o lt e r m i n a la n dc a n s e n s o r sn e t w o r k a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so ft h eh o s t ，t h ep a p e rs t u d i e st h es y s t e ms o l u t i o n b a s e do nd u a l - p r o c e s s o ro ft h em i c r o c o n t r o l l e ra n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r i th a st h e a d v a n t a g e so fr i c hi n t e r f a c e so ft h em i c r o c o n t r o l l e ra n dt h ec a p a b i l i t yo fp o w e r f u l c o m p u t a t i o no f t h ed i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r , w h i c hm a k ei te a s yt oi m p l e m e n tt h ef u n c t i o n o ft h ev e h i c l ei n f o r m a t i o nr e c o r d e r a n dt h ep a p e rr e s e a r c h e st h eu s bd i s ks y s t e ma n d t h eg p s d ri n t e g r a t e dp o s i t i o n i n go nt h ep l a t f o r mo ft h eh o s t i tg u a r a n t e e st h ei n t e g r i t y a n dc o r r e c t n e s so fd a t aa n a l y s i s i no r d e rt om a k et h ed r i v e rk n o wt h es t a t eo fv e h i c l ei nd e t a i l ，t h ep a p e rr e s e a r c h e s 0 1 1t h em u l t i f u n c t i o nt e r m i n a lf o rd i s p l a ya n dc o n t r 0 1 t h i sp a r tf o c u s e so nt h es t r u c t u r e d d i s p l a ys y s t e mb a s e do nt h el c da n dt h em u l t i f u n c t i o nc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eb a s e d o nu s bb u s a n dt h et e r m i n a li sa e s t h e t i ca n de a s yt oh a n d l ea n dc o n n e c tw i t hv a r i o u s p e r i p h e r a l s f i n a l l y , t h et h e s i sr e s e a r c h e so nt h ei n t e l l i g e n ts e n s o rn e t w o r k sw i t hc a n b u s t h e i n t e l l i g e n ts e n s o r sc o l l e c ta n dp r o c e s so ft h ev e h i c l e ss t a t e ，a n ds e n dt h er e s u l t st ot h e h o s tt h r o u g hc a nb u s i tr e d u c e st h eb u r d e no ft h eh o s ta n de n r i c h e st h es y s t e m s f u n c t i o n s t h ep a p e rr e s e a r c h e st h ea d a p t i v ec a np r o t o c o lo f a p p l i c a t i o nl a y e r , b a s e do n c a n2 0 ap r o t o c o l ，u s i n gi d e n t i f i e rm a p p i n g i tm a k e st h eh o s tm a n a g et h ei n t e l l i g e n t s e n s o re a s i l yw h i l et h es y s t e mh a ss c a l a b i l i t ya n d p o r t a b i l i t y t h er e c o r d e ri s p r o v e dt o b es t a b l ea n dr e l i a b l eb yp r a c t i c a lo p e r a t i o n a n dt h e p r o t o t y p eo f t h ei n t e l l i g e n tv e h i c l ei n f o r m a t i o nr e c o r d e ra c h i e v e st h er e q u i e m e n t s k e y w o r d s ：v e h i c l ei n f o r m a t i o nr e c o r d e r , u s bd i s k ，c a n ，g p s d r , u s b ，l c d i i 一 一 南京航空航天大学硕士学位论文 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究背景l 1 2 汽车行驶记录仪的发展和研究现状2 1 2 1 汽车行驶记录仪的发展与应用2 1 2 2 汽车行驶记录仪的发展趋势2 1 3 本文主要研究内容与论文结构编排3 第二章汽车行驶记录仪结构方案研究5 2 1 弓i 言5 2 2 汽车行驶记录仪功能要求5 2 3 汽车行驶记录仪系统结构设计。6 2 3 1 基于双c p u 的记录仪主机方案设计7 2 3 2 汽车行驶记录仪显示控制器方案。8 2 3 3 基于c a n 总线的智能传感器网络方案1 0 2 4 本章小结11 第三章基于双c p u 的汽车行驶记录仪主机研究与实现1 2 3 1 引言1 2 3 2 基于m c u 和d s p 双c p u 的主机硬件结构研制1 2 3 2 1 双c p u 处理模块设计1 3 3 2 2 基于u 盘的数据存储模块1 4 3 2 3 定位导航模块设计1 8 3 2 4 电源模块及掉电保护电路设计2 l 3 3 基于前后台结构的软件设计与实现2 5 3 3 1 单片机软件结构设计与实现2 6 3 3 2u 盘数据存取技术2 8 3 3 3g p s d r 组合定位算法研究31 3 4 本章小结3 4 第四章显示控制模块研究与实现3 5 4 1 引言3 5 4 2 显示控制器模块方案研究3 5 4 2 1 基于t f t - l c d 显示器开发3 5 i 智能汽车行驶记录仪工程化应用研究 4 2 2i c 卡无线身份识别技术3 8 4 2 3 键盘接口设计及消抖技术4 1 4 2 4 基于f l a s h 的字库建立4 3 4 3l c d 多级菜单设计与实现4 4 4 4 基于u s b 总线的多功能通讯接口设计4 8 4 4 1s l a v e 方式下c h 3 7 5 与上位机间的通讯4 9 4 4 2h o s t 方式下c h 3 7 5 与u s b 外设间的通讯5 l 4 5 本章小结5 2 第五章基于c a n 总线智能传感器网络研究。5 3 5 1 引言5 3 5 2c a n 总线特性分析5 3 5 - 3c a n 传感器网络结构研究5 4 5 3 1 汽车行驶记录仪主机端c a n 接口设计。5 6 5 3 2 智能传感器模块端c a n 接口设计5 8 5 4c a n 总线自适应协议研究与实现6 0 5 4 1c a n 应用层标准协议分析6 0 5 4 2 自适应c a n 协议设计6 2 5 5 本章小结6 7 第六章总结与展望6 8 6 1 全文主要工作总结6 8 6 2 后续研究工作展望6 9 参考文献7 0 j l 【谢7 ：； 在学期间的研究成果及发表的学术论文7 4 附录汽车行驶记录仪样机部分实物照片7 5 i v 图3 9 基于m a x 6 4 5 7 的掉电保护电路2 5 图3 1 0 单片机系统软件流程图2 7 图3 1 1 单片机访问u 盘的软件流程2 9 图3 1 2 扇区模式读文件流程图3 0 图3 1 3 扇区模式写文件流程图3 l 图3 1 4 航位推算法3 2 图3 1 5 组合定位原理框图组合导航原理框图3 3 图3 1 6g p s d r 组合定位软件流程图一3 4 图4 1i l l 9 3 2 5 与单片机的接口图3 6 图4 2 几1 9 3 2 5 的初始化设置。3 7 图4 3g r a m 数据与i b 数据对应图3 7 图4 4z l g 5 0 0 s 与单片机的接口图。3 9 图4 5 单片机操作i c 卡流程图4 0 图4 6 按键抖动信号波形。4 1 图4 7 键盘接口电路一4 3 图4 8s s t 2 5 v f 0 2 0 接口图4 4 图4 9 液晶显示菜单结构图一4 5 v 智能汽车行驶记录仪工程化应用研究 图4 1 0 多级菜单执行框图4 8 图4 1 1 单片机u s b 中断处理函数5 0 图4 1 2 计算机与c h 3 7 5 通讯流程图51 图4 1 3c h 3 7 5 与u s b 从设备通讯流程图5 2 图5 1c a n 协议的网络层次结构5 5 图5 2c 8 0 5 l f 0 4 0 的c a n 控制器原理框图5 6 图5 3c a n 发送器常规设计5 7 图5 4c 8 0 5 1 f 0 4 0 c a n 通讯接口电路5 7 图5 5c a n 通讯主程序流程。5 8 图5 6s j a l 0 0 0 接口原理图5 9 图5 7s j a l 0 0 0 初始化流程图6 0 图5 8c a n 2 0 a1 1 位d 分配图6 3 图5 9 主机操作字段：6 4 v i 1 9 3 7 3 9 4 0 6 ：i 6 4 i 智能汽车行驶记录仪工程化应用研究 注释表 、1， 机动车数量急剧增加，与 故不断涌现，给国家和人 道路交通死亡人数为8 3 5 1 0 9 万人【2 】。据新华网报 道，2 0 0 4 年中国道路交通事故死亡人数达9 4 万人，居世界第一。其中由驾驶员因素导致的交 通事故占总数的8 9 8 ，造成的死亡人数、受伤人数分别占到了总数的8 7 4 和9 0 6 。为了 能有效的记录、监控驾驶人员的行为，实现智能交通管理，提高驾驶的安全性，相应的监控、 记录设备开始得到重视和发展【3 】。 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 r ) 按国标定义就是：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【4 】。汽车行驶记录仪在功能上类似飞机黑匣子，因此也称之为“汽车黑匣子”。由于 汽车行驶记录仪能够实时地记录车辆运行和驾驶员驾驶活动的有关信息，它可在遏止疲劳驾驶、 车辆超速等严重交通违章、约束驾驶人员的不良驾驶行为、预防道路交通事故、保障车辆行驶 安全、提高营运管理水平等诸多方面发挥重要的作用，并将为事故分析鉴定提供原始数据。 鉴于汽车行驶记录仪的作用以及在国外的应用效果，从2 0 0 1 年开始国家相关部门出台了相 关法律法规以促进汽车行驶记录仪在我国的发展。2 0 0 3 年4 月5 日颁布了汽车行驶记录仪 国家标准( g b 厂r1 9 0 5 6 2 0 0 3 ) ，并于2 0 0 3 年9 月1 日开始实施对耐高“氐温和湿热性、抗振动、 抗冲击、外壳防护、静电放电抗扰度、辐射抗扰度等2 5 项技术指标都进行了严格的规定。2 0 0 4 年5 月1 日，国务院颁布了中华人民共和国道路交通安全法实施条例，在第十四条明确规定： “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、连续驾驶时间以及其他行驶状态信息进行检查。”2 0 0 4 年7 月1 2 日国家质检总局和国家标准化管理委员会批准发布了强制性国家标准机动车运行安 全技术条件( g b 7 2 5 8 - 2 0 0 4 ) ，其中第8 5 5 条规定：长途客车和旅游客车、半挂牵引车、总质 量不小于1 2 吨的货车应安装具备记录、存储、显示、打印车辆行驶速度、时间、里程等车辆行 驶状态信息的行驶记录装置。 南京航空航天大学导航研究中心自上世纪9 0 年代中期起，开始针对智能交通系统开展研 究，并于1 9 9 8 年与香港理工大学共同成立联合导航研究中心，在i t s 领域展开多方面的研究， 并重点在车载设备、城市车辆导航系统和先进的定位技术等方面进行了积极而又卓有成效的探 智能汽车行驶记录仪工程化应用研究 索，研制的v n s 型g p s d r 蓝牙信标( b l u e t o o t hb e a c o n ，b b ) 组合车辆导航系统能够准确地为 车辆提供高精度的导航和定位服务，开发的车辆行驶状态三维复现软件系统能够对交通事故现 场进行三维动画回放和细节放大，基于w e b g i s 的车辆监控系统能够进行车辆信息的图形化监 控。在以上工作基础上，本文进一步对汽车行驶记录仪的工程化应用展开研究。 1 2 汽车行驶记录仪的发展和研究现状 1 2 1 汽车行驶记录仪的发展与应用 汽车行驶记录仪制造和应用的发源地在欧洲。通过立法方式，欧共体于1 9 7 0 年开始推行被称 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辆速度，以机械指针在圆形坐 标记录纸上记录车辆的行驶速度、时间、行驶里程，记录结果直观，装置结构相对简单、使用方 便、可靠，至今已是世界上装车数量最多的一种行驶记录装置。然而这一时期汽车行驶记录仪使 用的是机械和模拟装置，这极大限制了功能的扩展。随着汽车工业的发展，机械式汽车行驶记录 仪已经无法满足实际需求。2 0 世纪9 0 年代初，随着电子信息技术的迅猛发展，数字式汽车行驶记 录仪得到飞速发展，美国和德国首先开发了数字式汽车行驶记录仪，集成了电子数据采集、状态 信息打印等功能，用于监督驾驶员的超时和超速驾驶行为。日本和美国也将采用了大规模集成电 路和新型存储介质的汽车行驶记录仪安装到出厂的汽车上。 美国g m 公司9 0 年开始在其生产的车辆上安装汽车行驶记录仪。美国f o r d 公司9 7 年开始为其 公司的汽车上安装汽车行驶记录仪，不久，又为其公司的汽车安装控制安全气囊和座位安全带的 r e s t r a i n i n g 控制模块，f o r d 公司把此设备改善为可以记录冲撞前5 秒的前方和侧面加速度、驾驶员 和乘客的安全气囊启动状态、安全带使用与否等信息【5 】。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 8 4 年我国开始研究汽车行驶记录仪。1 9 8 8 年汽车黑匣子的研究项目曾被国家计委等部门 列入国家级重大新产品试产计划。2 0 0 1 年l o 月2 4 日，公安部、交通部、国家安全生产监督管 理局共同颁发了公通字 2 0 0 1 】8 3 号关于加强公路客运交通安全管理的通告的文件，明确长 途客车应当使用符合国家有关标准的记录仪。自2 0 0 1 年以来，国家及有关主管部门先后颁发了 交公路发 2 0 0 2 】2 2 6 号关于继续进行道路危险货物运输专项整治的通知、交公路发【2 0 0 2 】5 1 1 号关于对全国道路危险货物运输专项整治工作进行检查验收的通知文件和2 0 0 3 年4 月1 5 日颁发的g b 厂r1 9 0 5 6 - - - 2 0 0 3 汽车行驶记录仪国家标准，并于2 0 0 3 年9 月1 日开始实施。 通过实际使用情况分析，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有着显著 的效果，受到了物流运输、汽车租赁、企事业单位、保险公司和交通管理部门的欢迎。 1 2 2 汽车行驶记录仪的发展趋势 随着微电子技术和计算机技术的发展，汽车黑匣子的功能已经远远超过单纯事故记录的功 2 s 定位、通讯、报警、 线传输和数据集成处理 的方向发展，最终使它成为现代道路交通运输和高效物流动态营运管理中不可或缺的采集、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 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 ， 1 1 r s ) 的重要组成部分【6 】。 从已投入使用的汽车行驶记录仪的运行情况发现现有产品存在一些不足，主要表现在以下 两个方面：( 1 ) 安全、可靠性不高。企图非法驾驶的人员会通过各种方法破坏汽车行驶记录仪 的正常工作，从而逃避管理部门的监控。另外， 内部存储的数据的可用性和完整性。在软件上， 现有产品在车辆发生严重事故时往往无法保障 有些产品由于没有采取严格的保密措施，导致 不法之徒可以通过非法途径修改参数、删除记录等方式破坏记录仪数据。( 2 ) 普遍性、适应性 有待提高。现有的汽车行驶记录仪大部分采用集中采集、处理汽车电子传感器数据的模式，但 由于不同车型传感器之间的差别使得记录仪没有通用性。 随着研究的深入，汽车行驶记录仪无论在结构还是在功能上都与传统记录仪有很大不同， 更加智能化。在结构上，记录仪开始向分体式结构发展，即主机和显示器、键盘、采集模块分 开独立工作，整个系统采用现场总线连接完成通讯。将主机安装在驾驶人员无法轻易接触到的 位置，采用特殊外壳加以保护，确保主机的安全和可靠性。增加多重保密措施，例如用软件口 令和硬件集成电路( i n t e g r a t e dc i r c u i t ，i c ) 卡身份识别，防止记录仪数据被非法破坏。在功能上 增加基于g p s 的组合导航定位、分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，g p r s ) 等技术以实 现实时、远程监控 7 1 。 1 3 本文主要研究内容与论文结构编排 根据国内外汽车行驶记录仪的研究与应用现状，以及国家标准的要求，在南京航空航天大 学导航研究中心前人的研究成果基础上，本课题以开发智能汽车行驶记录仪工程样机为主要目 标，在分析汽车行驶记录仪的框架体系结构基础上，对汽车行驶记录仪整体方案进行了研究， 设计了完整的实施方案。针对汽车行驶记录仪系统中数据记录核心模块，本文设计了单片机与 数字信号处理器相结合的汽车行驶记录仪主机模块，实现了数据海量存储以及g p s d r 组合定 位。针对汽车行驶记录仪人机接口模块，本文研究设计了多功能的汽车记录仪显示控制模块， 具有友好的显示界面和良好的操控性。论文在c a n 2 0 b 协议的基础上研究了自适应c a n 总线 应用层协议，保障系统稳定工作。 本文结构如图1 1 所示，各章节安排如下： 第一章，绪论。对汽车行驶记录仪统进行了分析介绍，阐述了汽车行驶记录仪的发展和研 究现状，以及本课题的研究背景和意义，介绍了论文的主要研究内容以及论文章节编排。 第二章，汽车行驶记录仪结构方案研究。本章概述了汽车行驶记录仪系统组成，对汽车行 智能汽车行驶记录仪工程化应用研究 驶记录仪系统进行了总体结构分析设计，最后给出了汽车行驶记录仪系统设计方案和结构图。 第三章，基于双c p u 的汽车行驶记录仪主机研究与实现。首先从设计汽车行驶记录仪主机 硬件系统入手，根据汽车行驶记录仪主机的功能需求分为处理器模块、电源模块、存储模块以 及g p s d r 组合定位模块四部分，并分别介绍相应的电路设计。针对处理器系统模块的特殊结 构，分析了单片机软件结构、基于f a t 文件系统的u 盘存储系统软件结构以及g p s d r 组合定 位算法。 第四章，显示控制模块研究与实现。首先对记录仪显示控制器的功能要求展开讨论，并介 绍各个功能模块的设计方案。研究了如何提高液晶屏显示的效率和美观。最后研究了u s b 多功 能通讯接口的设计，方便了与p c 机和各种u s b 接口设备的通讯。 第五章，基于c a n 总线智能传感器网络研究与实现。本章对汽车行驶记录仪系统中c a n 总线智能传感器网络的软硬件展开研究设计。根据c a n 总线的特点，分别设计了汽车行驶记 录仪中主机和传感器的c a n 通讯节点的硬件和软件，在此基础上研究设计了c a n 总线的应用 层协议，方便了系统的扩展。 第六章，总结与展望。本章对本文内容和取得的成果进行了总结，并对进一步开展的研究 工作提出了建议。 4 第一章绪论 上 第二章汽车行驶记录仪结 构方案研究 l 上上j r l 第三章基于双c p u 的汽车行第四章显示控制模块研究与实第五章基于c a n 总线智能传感 l 驶记录仪主机研究与实现 现 器网络研究与实现 上 第六章总结与展望 图1 1 论文编排结构图 据采集系统、数据处理系统、数据存储系统、显示控制系统以及数据安全系统。为了更有效地 监督驾驶员的行为以及更好地分析事故原因，采集系统能实时地采集各种状态数据，并实现海 量数据的存储。为了使驾驶人员实时了解车辆的行驶状态，记录仪的显示界面不仅要实现信息 显示的多样化，而且要简化驾驶员的操作。 本章首先将对汽车行驶记录仪的基本功能进行分析，根据工程样机的要求，对数字式汽车 行驶记录仪的系统结构方案进行研究，并将对记录仪主机模块、显示控制器模块以及传感器网 络三大部分的方案，进行详细的分解设计。 2 2 汽车行驶记录仪功能要求 根据国家标准g b t1 9 0 5 6 2 0 0 3 汽车行驶记录仪的要求，汽车行驶记录仪应该满足如 下几个方面的基本功能要求 4 1 。 ( 1 ) 自检功能 记录仪通电后应先进行自检，如果自检通过则以绿灯闪烁，并以显示屏显示方式指示工作 正常，如有故障则应以红灯闪烁指示，同时以显示屏显示方式指示故障信息。 ( 2 ) 实时时间、日期及驾驶时间的采集、记录、存储功能 记录仪应能提供日期和时钟，该日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) 进行日期和时间的标注。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。记录仪应能对连续驾驶时间进 行记录。 ( 3 ) 车辆行驶速度的测量、记录、存储功能 当车速传感器输出的脉冲信号超过1 脉冲s 并且持续5 s 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行驶速度值及车辆制动状态信号，记录次数至少为1 0 次。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 n g h 。 5 智能汽车行驶记录仪工程化应用研究 ( 4 ) 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。车辆行驶里程记录单位为 k m ，行驶里程的测量范围为0 k m - - - 9 9 9 9 9 9 9 k m ，分辨率应等于或优于0 1 k m 。 ( 5 ) 驾驶员身份记录功能 记录仪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，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。 ( 6 ) 数据显示 显示器在车辆点火通电后应处于工作状态。在不依靠环境光源的条件下，显示器应能清晰、 完整的显示各种数据参数。默认状态下，可显示车辆的实时行驶速度、实时时钟和驾驶员代码。 ( 7 ) 操作功能 通过按键操作应能参看最近1 5 m i n 内每分钟的平均车速记录，最近2 天内同一驾驶员连续 驾驶时间超过3 h 的所有数据记录，以及车辆特征系数等。 ( 8 ) 数据通信功能 通过u s b 标准接口或标准r s 2 3 2 c d 型9 针接口，实现对包括实时时钟、事故疑点数据、 最近3 6 0 小时内车辆行驶速度数据、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、车辆特征系数等数据进行存储、上载以及下传。 在以上国标规定的基本功能上，根据实际应用的需求以及特定场合，本文研究实现的行驶 状态记录仪应具有其他附加的功能，比如记录驾驶员的操作动作、车门开关、载重、车辆温度、 油料、酒精浓度、一氧化碳浓度以及定位等功能，以提高车辆行驶状态分析的准确性和完整性。 2 3 汽车行驶记录仪系统结构设计 为实现汽车行驶记录仪基本功能和附加功能，系统需要有良好扩展性的采集系统、高性能 的数据处理中心、友好的人机交互界面、丰富的通讯接口以及数据安全系统。根据工程应用要 求，本文将系统分成汽车行驶记录仪主机、显示控制器、c a n 总线网络和外围传感器四个部分， 系统结构如图2 1 所示，本文将围绕汽车行驶记录仪主机、显示控制器、c a n 总线网络这三部 分展开研究。 6 显示控制器一 - 2 0 1 2 0 【c a n 总线【 【 【0 - 2 0 f l 图2 1 智能汽车行驶记录仪系统结构 如图2 1 所示，系统中使用c a n 总线连接各个节点，实现以下功能： ( 1 ) 主机通过c a n 总线上的传感器节点采集车辆的各种行驶参数，并对其进行处理和存 储； ( 2 ) 主机将车辆的行驶状态通过c a n 总线传送到显示控制器显示； ( 3 ) 操作人员根据身份权限在显示控制器查询或修改系统的各种参数； ( 4 ) 通过显示终端可以将记录仪记录的数据传送到p c 机或打印机，供管理人员分析、确认。 通过c a n 总线形成一个分布式系统，各个节点形成有机整体，提高了系统的扩展性。 2 3 1 基于双c p u 的记录仪主机方案设计 由图2 1 所示的系统结构可知，汽车行驶记录仪主机是整个系统的核心部分，为了提升系 统的性能，主机的处理器模块是系统设计的关键。由于本文研究实现的系统一方面必须具有丰 富的接口用来完成信息数据的实时采集和记录，另一个方面需要具有强大的计算能力来完成组 合导航定位的解算，因此为了兼顾系统的计算功能和控制功能，本文采用了数字信号处理器 ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s ，d s p ) 乘i 单片机( m i c r oc o n t r o lu n i t ，m c u ) 相结合的方案【引，通过合理分 配两个处理器的资源，同时保证两个处理器之间的高速可靠的通信，从而满足了系统功能的需 要。 系统的控制功能模块以集成c a n 核的c 8 0 5 1 f 0 4 0 单片机为核心构成，c 8 0 5 1 f 0 4 0 单片机 是美国s i l i c o nl a b o r a t o r i e s 公司生产的8 位完全集成的混合信号片上系统( s y s t e mo nc h i p ， s o c ) ，具有与8 0 5 1 指令集完全兼容的c i p 5 1 内核，最高工作频率可达2 5 m h z ，流水线指令： 内置有6 4 k b 系统可编程闪存( f l a s h ) 程序存储器、4 k b 的内部数据存储器，具有足够的内部存 储空间，能够支持大容量程序的存储和运行；具有丰富的接口资源，它在一块芯片上集成了构 成一个单片机控制系统所需的几乎所有模拟和数字外设及其它功能部件，包括有c a n 控制器、 2 个串行接口、5 个1 6 位定时器、1 2 位a d 转换器、8 位a i d 转换器及1 2 位d a 转换器等， 7 智能汽车行驶记录仪工程化应用研究 能够方便地与各种外设连接，以支持系统完成相应的控制功能，减少了大量的外围芯片，简化 了系统的硬件设计；片内j t a g 仿真电路提供全速、非侵入式( 不使用片上资源) 的电路仿真， 支持断点、单步运行调试命令，支持存储器和寄存器的校验和修改，使编程调试变得非常方便。 支持k e i lc 开发，具有良好的软件开发环境【9 】。 系统的运算处理器采用1 i 公司5 0 0 0 系列的t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 ，这是一款1 6 位定点d s p ， 峰值运算速度达到1 6 0 百万条指令每秒( 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 ，m i p s ) ，在运算速度快 的同时，该芯片集成1 2 8 k x l 6 字节的片内数据存储器使系统无需扩展外部存储器的同时可将程 序放于片内数据存储器高速运行【1 0 1 。 图2 2 汽车行驶记录仪主机系统结构框图 以t m s 3 2 0 v c 5 4 1 6 和c 8 0 5 1 f 0 4 0 为处理器构成的汽车行驶记录仪主机结构框图如图2 2 所示。该“d s p + m c u ”的双c p u 系统结构，充分发挥了m c u 接口丰富和d s p 强大计算能力的 优势：m c u 作为主控制器用于数据采集、存储、c a n 总线管理：d s p 作为协处理器用于g p s d r 组合定位导航计算，提高了系统的运算性能，同时保证了数据响应的实时性。通过在m c u 周 围挂载相应的模块以实现不同的功能：挂载数据通信模块完成数据的传输通讯功能：挂载实时 时钟模块以获得系统的当前时间：挂载数据存储模块完成数据的快速海量存储；挂载g p s 模块、 陀螺仪模块、里程仪模块，通过g p s d r 组合导航解算，得到汽车的精确定位信息。另外，通 过c a n 总线接口可采集车内的压力、温度、油料、开关量传感系统发送的车辆状态信息等， 具体内容将在本文第三章中进行详细的分析研究。 2 3 2 汽车行驶记录仪显示控制器方案 为了使驾驶员能实时了解车辆行驶状态，显示控制器需要显示大量的车辆状态信息。车辆 仪表的显示器常采用真空荧光显示屏( v a c u u mf l u o r e s c e n td i s p l a y ，m ) 或l c d 。v f d 是从真 空电子管发展而来的显示器件，它的基础特性与电子管的工作特点基本相同，利用电子撞击荧 8 南京航空航天大学硕士学位论文 光粉，使荧光粉发光，这是一种自身发光显示器件。l c d 使用两片薄膜，利用通电与未通电时 中间的液态晶体改变排列方向来造成透光与不透光效果，从而产生图形。相比较而言，l c d 液 晶显示器具有图像不失真、无闪烁、无辐射等优点，而v f d 可显示的图像更加丰富多彩，而且 界面图形固定，编程简单等特点。 对于本文而言，所研究的记录仪需要显示的数据较多，包括实时车速、实时时间、驾驶员 代码、信息报警等，综合考虑v f d 和l c d 的特点，文中选择薄膜晶体管液晶显示器( t h i n f i l l n t r a n s i s t o r - l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ，t f t - l c d ) 作为显示屏，配合键盘实现多级菜单显示以及参数 设置，提高了界面的美观性，丰富了系统的功能。 汽车行驶记录仪不仅需要将车辆行驶状态在l c d 上显示，而且需要将记录的数据传输到 p c 机供软件进行分析处理，由于汽车行驶记录仪主机外观的密封性要求，使得通讯接口不适宜 设计在主机上，为此，本文中将多功能的通讯接口设计在显示控制器上。传统上与p c 机的通 讯接口多采用r s 2 3 2 。r s 2 3 2 接口简单，编程方便，仅需几条信号线就可实现，在实际工作中 得到了广泛使用。但是r s 2 3 2 传输速率低( 0 2 0 0 0 0 b p s ) ，抗噪声干扰性弱，不适于大量数据的 高速传输，且目前绝大部分笔记本电脑不具有r s 2 3 2 接口，不利于车辆现场的数据上传、下载， 降低了系统的便携性。u s b 是近年发展起来的一种快速、灵活的总线接口，它最大的特点是易 于使用、可热插拔、接口连接灵活，并且能够提供外设电源，在嵌入式系统及智能仪表中得到 广泛的应用且方便与打印机等外设连接。根据实际应用情况，本文提供了r s 2 3 2 和u s b 两种 通讯接口，不仅实现数据高速传输，且兼容传统的设备。 传统汽车行驶记录仪的显示控制器都与主机集成在一起，系统的体积会比较大、不便于系 统的安装；同时，l c d 、键盘等