（车辆工程专业论文）汽车行驶记录仪的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 道路交通的飞速发展和汽车保有量的快速增加，给国民经济的发展和人民生 活水平的提高带来巨大的经济效益，同时也给我国的交通管理部门和交通运输企 业( 如交通管理所，长途运输业，公交公司，物流业等等) 管理工作提出了新的 挑战如：交通事故的增加、车辆盗抢案件的频发等等。为了加强交通管理的智能 化水平，汽车行驶记录仪应运而生。 汽车行驶记录仪可用于交通事故的原因调查与责任判定，并有助于强化运输 管理，提高运营效率，防事故于未然。它能够每时每刻监测、记录和存储驾驶员 的操作数据车辆的运行数据，督促驾驶员按交通法规和公司的规章行车，保障行 车安全。同时为管理者提供大量详细、可靠的实际运行数据，以提高运营的效率 和效益，可以有效地促进交通现代化的进程。 本文简要介绍了国内外汽车行驶记录仪的发展情况，分析了汽车行驶记录仪 的结构、原理和分类。在此基础上，依据汽车行驶记录仪国家标准 ( g b t 1 9 0 5 6 2 0 0 3 ) 开发了一套汽车行驶记录仪系统，详细设计了该系统e c u 的硬件电路和相关软件。在硬件上，单片机通过1 2 c 总线与 t 2 4 c 5 1 2 存储器交 换数据，大大简化了硬件电路的复杂性，而且本系统引入了嵌入式u s b 主机开发 技术，设计了u s b 芯片s l 8 1 1 h s t 和核心c p u 芯片p 8 9 c 6 6 9 的接口电路；在软件 上，重点介绍了记录仪数据通信功能的实现和上位机数据分析软件功能。根据行 驶记录仪的控制要求和车辆上的复杂的工作环境，本文作者对e c u 的硬件电路进 行了全面的设计和调试。 实验表明，本系统已经基本达到了记录仪国标要求，其功能也满足了企业使 用需求。 关键词：汽车行驶记录仪，单片机，通用串行总线，s l s l l h s t 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft r a f f i ca n dt h ei n c r e a s eo ft h en u m b e ro fv e h i c l ei n c h i n a , p e o p l eb e n e f i t e dm u c h f r o mt h ei n c r e a s eo ft h ec o n v e n i e n c eo ft r a n s a c t i o nb u t i ta l s ob r o u g h tu sm o r ea n dm o r ea c c i d e n t st h a ti n j u r e dm a n yp e o p l e t h i sm a d em a n y d i f f i c u l t i e st ot h em a n a g e m e n td e p a r t m e n t i no r d e rt ou p g r a d et h ei n t e l l i g e n t i z el e v e l o f t r a u s p o r t a t i o nm a n a g e m e n 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 r ( v t d r ) i s i n v e n t e d v t d rc a nb eu s e dt oi n v e s t i g a t et h ea c c i d e n t sa n dt h ed u t yd i s t r i b u t i n g i t s u s i n gc a nb eh e l p f u lt os t r e n g t h e nt h em a n a g e m e n to ft r a n s a c t i o na n di n c r e a s et h e e f f i c i e n c yo ft h ee m e r g e n c yt r a n s a c t i o n v t d rc a r lr e c o r dt h ed a t ao fv e h i c l e s t r a v e l i n gt i m ea n dt i m e i tf o r c e st h ed r i v e r st od r i v ea st h el a wc o n s t r a i n s i ta l s o p r o v i d e st h em a n a g e m e n td e p a r t m e n t 、加t ha l o to fs p e c i f i ca n dr e l i a b l ed a t a s oi tw i l l i m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n dp r o f i to ft h et r a n s p o r t a t i o na n da c c e l e r a t et h ep r o c e s so f t r a f f i cm o d e r n i z a t i o n i nt h i sp a p e r , t h ep r e s e n tc o n d i t i o no fd e v e l o p i n go fv t d ri si n t r o d u c e db r i e f l y t h ea u t h o ra n a l y z e st h es t r u c t u r e ，p r i n c i p l ea n dc l a s s i f i c a t i o no fv t d r a c c o r d i n gt o t h ev t d rn a t i o n a ls t a n d a r dg b t 19 0 5 6 - 2 0 0 3 ，as e to fv t d rs y s t e mi sd e v e l o p e d t h eh a r d w a r ec i r c u i ta n dt h es o f t w a r eo ft h es y s t e ma r es t u d i e di nd e t a i l o nt h ep a r t o ft h eh a r d w a r e ，m i c r oc o n t r o l l e ru n i t ( m c t oc o m m u n i c a t e sw i t he z p r o m a t 2 4 c 512t h r o u g h1 2 cb u s ，w h i c hg r e a t l yr e d u c e st h ec o m p l i e a e yo ft h ew h o l e s y s t e m a n dt h et e c h n i q u eo fe m b e d d e du s bs y s t e mi si n t r o d u c e di nt h es y s t e m t h e i n t e r f a c ec i r c u i tb e t w e e ns l 811h s ta n dp 8 9 c 6 6 9i sd e s i g n e d o nt h ep a r to ft h e s o f t w a r e ，t h ed e s i g no fd a t ac o m m u n i c a t i o nf u n c t i o na n dp cd a t aa n a l y s i ss o f t w a r e a r ed e v i s e d a c c o r d i n gt ot h er e q u e s t so fv t d rn a t i o n a l s t a n d a r da n dt h e e n v i r o n m e n to nt h ev e h i c l e s ，t h eh a r d w a r ei sd e s i g n e da n dt e s t e dc o m p l e t e l y i nt h i s p a p e r , t h ed e s i g no f h a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ei n t r o d u c e di nd e t a i l t h et e s t ss h o wt h a tt h es y s t e ma c c o r d sw i t ht h ev t d rn a t i o n a l s t a n d a r d b a s i c a l l ya n dm e e t st h en e e do ft h et r a n s p o r t a t i o nc o m p a n y k e yw o r d s ：a u t o m o b i l e ，v t d 凡m c u ，u s b ，s l 81 1h s t i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校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。本人授权江苏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、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 本学位论文。 保密曰 本学位论文属于，在2 1 年我解密后适用本授权书。 不保密口 学位论文作者签名：籍玄 2 们舟6 月6 日 指 。嚣 b e l 独创性申明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容p j , 夕i - ，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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。 学位论文作者签名：藉云 埘辱8 具se l 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 汽车行驶记录仪综述 1 1 1 汽车行驶记录仪发展背景 我国自改革开放以来，道路交通基础设施日益完善，汽车的拥有量也不断增 加，交通的发展一方面为社会创造了大量的财富，另一方面也带来了严重的交通 隐患。仅2 0 0 2 年我国交通事故死亡人数就超过了l o 万人1 。而发达国家则有自 己的一套方法，他们为控制机动车安全驾驶，通过立法( 如欧盟第3 8 2 5 8 5 法规) 强制安装机械式纸盘汽车行驶记录仪，对遏制疲劳驾驶、车辆超速等交通违章， 约束驾驶员的不良驾驶行为，保障安全行车很有效。 各级交通部门面对的问题是如何通过科学的方法提高道路交通管理水平，减 少事故发生。由于交通管理的复杂性，交通车辆的运行范围大，活动范围涉及全 国各地，管理部门无法随时随地的对车辆进行追踪监控。交通管理部门迫切需要 一种可以代替人工对车辆的运行状况和驾驶员的操作情况进行实时监控的电子 设备。交通管理中也需要一种能够有效保障车辆安全、提供实时调度管理的产品， 使我国的交通管理能够真正迈入智能化时代。而汽车行驶记录仪就是一种能够安 装在车辆上全过程同步记录、监控车辆运行状态、预防交通事故发生的高新技术 产品。 美国、日本、香港、马来西亚等地都在大量使用汽车行驶记录仪，我国许多 大城市的车辆也安装上了汽车行驶记录仪。经过运输企业的使用，事实证明，安 装使用汽车行驶记录仪有利于规范驾驶员操作，降低汽车公里胎耗、油耗，提高 驾驶员安全意识，从而减少应交通事故给企业造成的经济损失。安装汽车行驶记 录仪后，运输企业可以依据记录的数据对驾驶员的进行奖励或批评教育甚至是处 罚，长期坚持使用汽车行驶记录仪，不仅可以培养驾驶员规范操作的良好习惯， 还有助于运输企业筛选出经常有不良驾驶行为的个别司机，找出重点监督对象， 从而达到“管车、管人、管安全”的目的。 依托6 p s 服务平台，汽车行驶记录仪不仅能够记录车辆行驶过程中的所有基 本信息，还可以与远在千里之外的管理中心实现实时信息交换。在网络系统强大 江苏大学硕士学位论文 的地理、交通和服务信息支持下，管理中心可以依据记录仪反馈信息及时为目标 车辆选择最佳行驶路线，确定目的地方向和距离，并可提供各类相关服务信息。 同时，记录仪可以根据获取的参数为驾驶员提供诸如超时、超速、防盗、紧急车 况等预警信息服务，也可将被盗、遭劫信息实时传送到管理中心，由管理中心对 车辆实施远程控制并通知1 1 0 报警，为人员和车辆提供安全保障。 1 1 2 国外发展概况 汽车行驶记录仪在国外已经得到了大量的使用，其中欧共体于1 9 7 5 年就通 过了在汽车上安装汽车行驶记录仪的立法，要求3 5 吨以上货车、9 座以上客车 必须安装行驶记录仪；欧盟在第3 8 2 5 8 5 号法规关于公路运输车辆的记录设 备的第三款中规定：“记录设备应在欧盟成员国使用的客货运输车辆上安装和 使用。刀这一立法要求欧洲的1 5 个成员国在1 0 年内，给在用的9 0 0 万辆卡车和 轿车安装这一装置。这一作法将很快在美国引起效仿：美国通用汽车公司到1 9 9 9 年有半数的汽车都已经安装了这种装置，而到了2 0 0 0 年几乎所有的通用汽车都 安装了这种装置。近年美国通用公司已经授权加利福尼亚圣克拉拉的v e t r o n i x 公司推出可解读记录仪信息的电子系统。v e t r o n i x 公司主管柯尔说，该项装置 已经上市一年，美国各州州警及各地警察局已经广泛采用这款售价2 4 9 5 美元的 解读装置。在加拿大、日本、香港、马来西亚等地，警方对交通事故的处理大部 分也是以现场对汽车行驶记录仪记载的信息分析结果为依据。 美国加利福尼亚州的多家汽车技术公司最近宣布，将把新近生产出来的商用 汽车控制和记录装置投入市场。这一系统完全独立于汽车上原有的计算机模块， 拥有自己的微处理器、传感器和存储模块，与飞机数据记录仪十分相似，因而能 保证数据的真实性。基本的商用车系统包括事故发生记录、运输记录和防盗技术。 其附加的模块和更高级的“即插即用”技术包括行驶称重、6 p s 定位系统、电子 计费、声音识别、声音合成及导航。另一种商用拖车系统的基本型包括事故发生 记录、无线卫星通讯和g p s 定位系统，升级后加上了行驶称重和防盗系统。“黑 匣子 的无线通讯特性可以将数据下载到固定设备上及车载设备上，这就极大地 方便了旅行过程中的商务活动。 1 1 3 国内发展概况 我国汽车用电子产品水平与国际先进水平相比大约落后1 0 年左右。在汽 2 江苏大学硕士学位论文 车行驶记录仪国家标准实行之前，国内已经有好几家开始了在汽车行驶记录仪方 面的研究。其中，航空工业总公司第6 3 1 研究所研制的车载行驶记录仪，它已经 能记录并打印最近一次停车前1 2 8 秒内车辆的瞬时速度、车辆的刹车、鸣笛、转 向及所有灯的开启情况，掉电后数据能保存7 2 小时；西安远交信息产业有限公 司开发的汽车黑匣子，能监视车速范围为o 一2 4 0 公里小时，其它检测状态包 括：刹车、鸣笛、倒车、大灯、小灯、左转灯、右转灯，具有内置时钟和实时数 据压缩算法，可以记录2 天的运行数据，掉电后数据可以保存5 年。 公安部、交通部和国家安全生产监督管理局于2 0 0 1 年底联合下发了关于 加强公路客运交通安全管理的通告，通告要求：长途客运车辆应当安装、使用 符合国家有关标准的行驶记录仪。同时，还于2 0 0 2 年制定了( 2 0 0 2 年预防道路 交通安全管理的通告，明确规定对疲劳驾驶和车辆超速等8 项违章行为进行集 中整治。此后加紧制定汽车行驶记录仪全国统一标准的步伐，公安部于2 0 0 3 年 发布了汽车行驶记录仪国家标准g b t 1 9 0 5 6 2 0 0 3 ( 以下简称“记录仪国家标 准 ) 并于当年9 月1 日实行，该标准的出台有利于从根本上解决追在眉睫的交 通事故，有利于规范、统一汽车行驶记录仪的全国市场，有利于与国际智能交通 行业接轨，与时代同步。我国的汽车行驶记录仪标准既充分参考了欧盟的法律和 技术标准，又很好的结合了我国的道路交通管理、道路运输和记录仪产品技术水 平的实际情况。发达国家汽车行驶记录仪和事故记录器( 黑匣子) 是两个标准， 两种产品。而我国则只有一个标准，有效的克服了既要安装行驶记录仪又要黑匣 子，增加车主经济负担等问题。国家标准除规定了记录超速、疲劳驾驶等汽车行 驶记录仪的功能外，还规定了记录刹车灯以及其它七种可选状态的黑匣子功能。 此外还有环境适应性测试方法、通讯协议和管理软件等都作了严格规定。可以说 汽车行驶记录仪国标的颁布已成为今后国内智能交通行业发展的分水岭和界标。 目前我国生产汽车行驶记录仪的企业不多，能通过公安部检测合格的更是凤 毛麟角。能否通过公安部检测达标已经是一个首当其冲的挑战，它直接决定了企 业能否合法进入国内国际市场。同时通过汽车行驶记录仪在各省市的推广应用情 况可以看到，当前国内的记录仪技术还很不成熟。这就留给了我们很大的发展余 地。 3 江苏大学硕士学位论文 1 2 汽车行驶记录仪在交通管理中应用的必要性 1 2 1 交通事故的主要原因例 据公安部交通管理局分析，造成当前交通事故高发的五大原因中，驾驶员安 全知识的缺乏和安全意识的薄弱是诱发道路交通事故的重要原因。2 0 0 4 年机动 车驾驶员肇事6 6 7 万起，造成8 2 万人死亡、4 6 2 万人受伤，直接经济损失2 8 4 亿元，分别占全年事故总数的8 6 7 、7 7 3 、8 4 6 和9 1 8 。据统计，2 0 0 4 年 国内因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 、9 0 6 ，其中3 年以下驾龄的驾驶员造成的事故占5 0 ， 造成的死亡人数占总数的3 6 3 ，在道路运输行业中一次死亡3 人以上的道路运 输事故中，有7 8 2 与驾驶员违章超载、超速、违章占道、违章超车、疲劳驾驶 等因素有关，造成的死亡人数、受伤人数分别占总死亡人数的8 3 7 、7 9 4 。 1 2 2 汽车行驶记录仪的作用 由于汽车行驶记录仪具有记录多种实时行驶数据的功能，在道路交通管理中 可以发挥交通民警无法替代的作用。 l 、记录驾驶员交通违章情况，预防事故的发生 针对违章超速、疲劳驾驶这些交通肇事的主要原因，汽车行驶记录仪自动、 连续、真实地记录驾驶员的行驶速度和连续行驶情况，相当于在车上长期配备了 一名电子警察，对驾驶员的安全行驶情况进行全面的、长期、不间断的实时监控， 并可以利用这些数据建立驾驶员安全行驶档案，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。 2 、科学地分析和处理道路交通事故 汽车行驶记录仪能够记录车辆发生事故前的速度、时间、减速制动情况及驾 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，为提高交通民 警的工作效率，有效保护车主、司机的合法权益提供了科学依据。 3 、有利于车主单位科学管理车辆，提高经济效益。 汽车行驶记录仪能适时监控车辆的行驶状况，统计出一个月内每天的出车时 4 江苏大学硕士学位论文 刻、收车时刻、行驶时间、行驶里程、累计行驶里程，方便车主和车队掌握本月 车辆的使用情况，以便加强对车辆的使用管理，提高经济效益。 4 、有效控制车速，降低消耗 ( 1 ) 根据装用较多行驶记录仪的某公司统计，因超速行驶引发的交通事故得 到有效的控制，安全行驶里程提高3 0 以上；( 2 ) 车辆制动系、悬架系的报修频 率下降1 7 0 6 ，行驶制动系的摩擦片延长使用寿命2 8 4 6 ；( 3 ) 油耗不同程度 下降，因为限定车速后使发动机能经常处于经济油耗转速下工作，经统计节油达 4 2 6 以上； 1 3 汽车行驶记录仪的分类 随着电子技术的不断发展，各种类型的汽车行驶记录仪在技术上已经比较成 熟，形成了比较明显的个性化，同时也形成了综合化管理的大趋势，近年来在许 多国家和地区得到了广泛的应用。汽车行驶记录仪按照功能可分为如下几类： 1 、单一型 主要记录行驶过程中的某一单项参数( 如：速度、里程) ，并对记录下来的 数据进行相应的管理。主要特征是功能的单一。比如，加拿大的车辆速度监控器， 对出现超速情况首先进行报警提示，三次报警后，如还在超速，就会自动控制刹 车。 2 、事故型 以记录事故发生时的车辆状态数据为主要目的。记录模式以飞机黑匣子为参 照蓝本。主要特征是记录停车前短时间内的数据，一般为一分钟到几小时之间， 并不是连续全程记录模式。汽车黑匣子就是以此命名的，也可以说汽车黑匣子是 属于汽车行驶记录仪事故型。 有的事故型记录仪除了可以记录行驶过程中的速度变化情况和发出超速报 警信号外，还可记录行驶过程中车辆运行的方向变化和驾驶人员的操作行为，以 便在出现事故时，能够根据在一段时间内的信息来分析判断事故的原因和责任。 此类记录仪，一般可记录、存储每次行驶的起始时间、结束时间、行驶里程、停 车前一分钟内和十分钟内的最大车速以及停车前一分钟内的速度、左灯、右灯、 大灯、喇叭、刹车、刹车气压等工作状态和相关数据。适用于只需要事故型的单 位和个人用户。目前国内外市场上出现的记录仪大部分是属于这一类的产品( 如： 5 江苏大学硕士学位论文 德国v d o k i e n z l e 公司生产的u d s 型事故数据记录仪) 。 3 、管理型： 管理型记录仪是在事故型的基础上，结合数字式记录仪记录的数据可以进 行二次开发利用的特点，根据营运车辆管理的需要开发的新一代数字式行驶记录 仪，是事故型的升级型。主要特征是事故型加上简单的计算机管理系统。其功能 除了具备事故型记录仪的主要事故分析功能外，还增加了简单的计算机管理系 统，用于运营单位的司机、车辆、车队以及实现运营单位的运营数据的自动化和 网络化基本管理。目前国内外市场上出现的记录仪有相当部分是属于这一类的产 品。这类产品的典型代表：国外有美国0 t c 公司生产的s w l 0 0 型车辆监控系 统。 4 、综合管理型： 综合管理型是在总结了事故型和管理型记录仪经验的基础上，从软件、硬件 和系统功能上进行了优化设计，以综合管理为主要目的而开发的新一代行驶记录 仪。主要特征是多通道数据采集处理，全程连续记录，大容量存储卡和强大的综 合管理软件系统，实现资源共享。 此类型行驶记录仪利用多通道数据采集处理平台、g p s 卫星定位仪、大容量 数据存储卡和后台综合管理平台软件等强有力的现代化技术手段，重点针对营运 和特种车辆的综合化管理目标，来完成车辆综合化管理进程。其数据一经采集各 职能部门都受益，特别是适用于中大型企业十几台车乃至上千台车的综合管理需 求。可通过在微机软件界面上存放的全程连续记录曲线和各开关传感器的连续状 态，对车辆的营运、安全、质量等综合指标进行强有力的全程监控，并根据需求 打印统计图表。 从以上各类行驶记录仪都是采取事后分析方式，在事后才下载数据，再根据 数据或图形进行分析处理。对于在事件现场出现的情况不能及时获得信息，避免 和减少交通事故的发生。为此又有新的一代产品问世，可以称之为3 g 型行驶记 录仪。 5 、3 g 型行驶记录仪： 3 g 型行驶记录仪是在行驶记录仪的基础上加上3 g 系统( 即g p s 卫星定位系 统、g i s 电子地理信息系统、g s m 移动通信公共网g p r s 分组交换通讯系统) ，以 6 江苏大学硕士学位论文 及计算机网络技术( i n t e r n e t ) 和呼叫中心( c a l lc e n t e r ) 的技术，来扩展实现车 辆实时调度的综合信息管理服务系统，并具防劫、防盗功能。主要特征是行驶记 录仪通过现代通讯网络进行实时传送数据，发现问题即时处理。随着现代通讯技 术的迅速发展，信息费用的降低，此类行驶记录仪将成为主流。随之车载部分也 可简化处理，从而降低系统成本，也就更有利于大面积推广使用。 1 4 本课题的主要研究内容 本课题是江苏大学和南京天印专用汽车有限公司的合作项目。 课题主要完成汽车行驶记录仪的硬件电路的设计和软件的开发。具体内容如 下： 1 汽车行驶记录仪系统设计 ( 1 ) 硬件电路的设计，主要包括： 传感器的选择； 汽车行驶记录仪( 黑匣子) 主机电路设计，其中包括数据采集模块设计， 数据输出模块设计和显示打印电路设计； p c b 电路板的制作。 ( 2 ) 软件的设计，主要包括： 下位机软件设计，包括单片机数据采集模块软件设计和数据输出模块软 件设计： 上位机数据分析软件设计； ( 3 ) 完成系统软件和硬件的调试工作。 2 整车试验，主要包括： ( 1 ) u s b - h o s t 转储模块应用试验； ( 2 ) a t 2 4 c 51 2 存储器应用试验； ( 3 ) 样品的装车试验。 7 江苏大学硕士学位论文 第二章汽车行驶记录仪系统设计 2 1 汽车行驶记录仪系统设计概述 2 1 1 国标规定记录仪的组成 汽车行驶记录仪( 以下简称记录仪) 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储存并可以通过接口实现数据传输的数字式 电子记录装置。 记录仪主要有以下的几部分组成：1 ) e c u ：包括微处理器、数据存储器、实 时时钟、显示器、操作键、数据通信接口等装置。如果e c u 本体不包含显示器和 打印机，则应留有相应的数据显示和打印输出接口。2 ) 传感器。3 ) 数据分析软件。 2 1 2 本系统功能指标 1 数据容量： 3 6 0 小时日常记录( 包括启动时间、停车时间、有效行驶时间、行驶距离、最 高车速、每分钟平均速度) 。 1 2 8 次超速记录( 包括超速开始时间、持续时间和最高车速) 。 1 5 次停车前2 0 秒记录，记录间隔时间为o 2 秒( 包括瞬时速度、左灯、右灯、 大灯、刹车、鸣号、近光灯、倒车、车门和刹车距离) 。 1 5 次驾驶员疲劳驾驶记录。 记录车辆和驾驶员基本信息( 包括车牌号码、原车号码、号牌种类、发动机 号码、车架号码、厂牌型号、出产地、车辆类型、车身颜色、转向形式、转 向位置、燃油类型、核定载客、驾驶室前排人数、总质量、载质量、挂车质 量、车主、车主地址、通讯地址、所属县市和联系方法等) 。 2 设置和采集数据方式： 通过移动u 盘和标准r s 2 3 2 通信接口设置和采集数据。 3 显示与打印： 外接具有中文显示的显示器，通过标准2 3 2 通信接口方便地连接通用打印 机。 4 电源电压：d c l 2 v 或d c 2 4 v ( 2 0 ) 8 江苏大学硕士学位论文 5 功耗：待机时功耗2 0 0 r o w ，工作时功耗1 w 。 6 车速范围：0 , - - - - 2 5 5 公里小时。 7 工作环境：1 5 2 8 。 8 数据保存：主机断电后，数据保存时间不少于5 年。 9 接口电平： 开关信号有效电平为高电平( 有效高电平为7 v 2 4 v ，灌入电流小于2 毫安) ， 速度信号有效电平为低电平( 有效低电平为o 一- - i v ，灌出电流小于2 毫安) 。 1 0 过压保护：承载4 3 工作电压不损坏。 1 1 短路过流保护：短路过流不损坏( 包括输出线) 。 1 2 反接保护：电源线和接口线任意连接( 电压3 6 v 以内) 不损坏。 1 3 记录开关信号：8 个。 1 4 失电保护：1 2 个月。 1 5 主机外型尺寸( 含接口) 及重量：l o o m m ( l ) * 5 6 r a m ( w ) * 2 5 r a m ( h ) ，约 0 8 k g 。 2 2 系统硬件设计 2 2 1 系统硬件原理图8 3 如图2 1 所示，就e c u 而言，本系统主要由两块电路板组成。 一块( 以下简称为“数据采集板 ) 包括了数据采集电路、实时时钟电路、 存储电路和r s 2 3 2 通讯电路。数据采集电路采集8 个开关量信号和1 个速度信号， 其中开关量信号直接从开关量继电器处获取，速度信号是由安装在变速器输出轴 上的霍尔式速度传感器输出，该信号经处理后送到单片机p 8 9 v 5 1 r d 2 b n 中计算出 速度和里程；系统由时钟芯片d s l 2 8 8 7 提供精确的北京时间，以便记录车辆的开 车、停车和其他各种行驶数据产生的对应时间；采集的数据保存在大容量串行 e 2 p r o ma t 2 4 c 5 1 2 中，通过i 总线与外部交换数据：r s 2 3 2 通讯电路主要是用来 将存储在a t 2 4 c 5 1 2 中的数据传输到另外一块电路板上，以用于显示和打印等。 另一块( 以下简称为“数据输出板 ) 则包含了电源转换电路、键盘电路、 液晶显示电路、嵌入式u s b 接口电路和r s 2 3 2 通讯电路。电源转换电路主要是将 车载蓄电池的1 2 v 电压转换成为单片机和其他芯片可以利用的5 v 电压；键盘和 液晶l c d 显示电路配合工作，可以显示车辆的速度、里程、实时时间、车辆特征 9 江苏大学硕士学位论文 系数、停车前1 5 分钟的平均车速、超时驾驶记录等，操作人员可以通过操作按 键对记录仪进行操作，对部分车辆参数、记录仪参数和驾驶员信息进行设置，但 不能对速度、时间、里程等原始数据进行修改、删除；u s b 接口电路可以把数据 采集板发送过来的a t 2 4 c 5 1 2 储存区内的所有数据“打包”发送到u 盘内，生成 以车辆牌号为名称的数据文件：r s 2 3 2 通讯电路可以实现数据输出板与数据采集 板和上位机( 计算机) 通信；打印模块可以打印出车辆相关信息、自停车起前推 1 5 分钟内车辆每分钟平均速度和当前驾驶员的疲劳驾驶纪录等。交通管理人员 进行交通管理活动或在发生交通事故后只要将u 盘插入u s b 接口中，记录仪就能 把数据传输给u 盘，也可以通过r s 2 3 2 接口用打印机打印出相关数据，或通过 r s 2 3 2 接口把记录仪连接到上位机上，直接用上位机软件分析数据。 圆圈 枣奉 图2 1 汽车行驶记录仪方框原理图 1 0 江苏大学硕士学位论文 2 2 2 数据采集板的硬件设计 2 2 2 1c p u 的选择3 0 1 1 选用概述 数据采集板上的单片机主要负责采集数据和存储数据，首先分析所需单片机 的片内资源：采集数据部分占用一般的i o 口就可以了，而存储数据部分采用了 i 总线，硬件得到了简化，只需两个i o 口就可以完成1 2 c 总线模拟，串口通 讯也只需p 3 口的两个i o ，最后d s l 2 8 8 7 数据线占用p 0 口，控制总线由p 3 口 剩余i o 的第二引脚功能就可以实现。由于要与数据输出板交换数据，所以该单 片机的片内数据r a m 资源要较丰富。经过整体的分析以及价格性能比的考虑，选 用p h i l i p s8 位8 0 c 5 1 单片机p 8 9 v 5 1 r d 2 b n 作为数据采集板的c p u 。 2 p 8 9 v 5 1 p j ) 2 b n 介绍 p 8 9 v 5 1 r d 2 b n 是一款8 0 c 5 1 控制器，包含6 4 k bf l a s h 和1 0 2 4 字节的数据r a m 。 1 ) 主要特性 8 0 c 5 1 核心处理单元； 5 v 的工作电压，操作频率为o - - 4 0 m h z ； 6 4 k b 的片内f l a s h 程序存储器，具有i s p ( 在系统编程) 和i a p ( 在应用中编程) 功能： 通过软件或i s p 选择支持1 2 时钟( 默认) 或6 时钟模式； s p i ( 串行外围接口) 和增强型u a r t ； p c a ( 可编程计数器阵列) ，具有p w m 和捕获比较功能； 4 个8 位i 0 口，含有3 个高电流p l 口( 每个i o 口的电流为t 6 m a ) ： 3 个1 6 位定时器计数器； 可编程看门狗定时器( w d t ) ： 8 个中断源，4 个中断优先级： 2 1 - 3 p t r 寄存器； 低e m i 方式( a l e 禁能) ： 兼容t t l 和c m o s 逻辑电平： 低功耗模式； 掉电模式：外部中断唤醒、空闲模式； p d i p 4 0 ，p l c c 4 4 和t q f p 4 4 的封装： 江苏大学硕士学位论文 1 = 目1 0 t 2 e x ，p e ：c i ，p 1 2 c e x o ，p 一3 c ：e x l 月互墨，p 1 一 c e o 3 蚺1 8 c k p e m o 3 o t x d k c p 3 谭下石，f 3 2 1 葡呵1 扣3 3 1 口p 3 4 t 1 ，p 3 ，5 q 稍毛，p 3 8 习，0 p 3 7 ，c t d 2 、，缸 图2 2p 8 9 v 5 1 r d 2 b n 引脚图 2 ) 管脚定义 本系统采用了p 8 9 v 5 1 r d 2 b n 的d i p 4 0 引脚封装，具体引脚功能介绍见表2 1 。 表2 1p 8 9 v 5 1 r d 2 b n 引脚功能表 助记符管脚号类型名称和功能 v s s2 0 i 地：零伏参考引脚 v c c 4 0i 电源：提供正常、空闲和掉电工作电压 p o o 一0 73 9 3 2 i o p o i z i 是开漏双向口，可以写1 成为悬浮用作高阻输入。 在访问外部程序和数据存储器时也可作为地址和数 据总线的低位地址。 p 1 0 - 1 7 l 一8 i op l 口是带内部上拉的双向i o i ，还有多种功能。 p 2 0 - 2 72 1 2 8 i op 2 1 3 是带内部上拉的双向i o 口，向p 2 d 写1 时，口被 内部上拉为高电平可以用作输入口。 p 3 0 - 3 71 0 - 1 7 i op 3 e i 是带内部上拉的双向i 0 口， p 3 d 也提供第二功能。 r s t9 i 复位引脚：当晶振在运行时只要复位管脚出现2 个机 器周期的高电平即复位芯片。 a l e p r o g3 0 o 地址锁存使能编程脉冲引脚：在访问外部存储器时 输出脉冲用来锁存低地址字节。a l e 可以通过设置寄 存器位a u x r 0 禁止，置位后a l e 只能在执行m o v x 指令 时有效。 p s e n2 9 o 程序存储使能引脚：外部程序存储器的读选通。当芯 片从外部程序存储器读取程序时，p s e n 每个机器周期 被激活两次。 e a v p p 3 l i 外部寻址使能编程引脚 x t a l i1 9 i 晶振l ：反相振荡放大器输入引脚 x t a l 21 8o 晶振2 ：反相振荡放大器输出引脚 注：i - 输入：0 ：输出：i 0 ：输入输出 1 2 。蔓鎏|蒌豪|l|一 圣薹丢|= 江苏大学硕士学位论文 3 c p u 及其外围电路 如图2 3 所示，c p u 是p 8 9 v 5 1 r d 2 b n ，外围电路有振荡器电路和看门狗电路。 其中，晶振的频率是i i 0 5 9 2 m h z ，它的两端分别与x t a l i 、x t a l 2 相连。 p 8 9 v 5 1 r d 2 b n 的复位电路( 看门狗电路) 接在r s t 引脚上，在振荡器工作时，r s t 引脚至少保持2 个机器周期的高电平，才能完成一次复位。c p u 响应复位时执行 内部的复位操作。 1c 6 p b g v 5 1r d 2 b n = f 图2 3c p u 及外围电路 2 2 2 2 信号采集电路 记录仪采集的基本信号为1 个速度信号和8 个开关量信号。 8 个开关量信号为：鸣号、车门、近光灯、远光灯、倒车灯、刹车、右灯和 左灯。为了防止干扰，电路中采用了光电耦合器。 1 速度信号的采集嘲 速度采集电路见图2 4 。速度传感器将速度转化成脉冲信号，该信号的频率 与速度成正比。速度采集电路对脉冲信号进行“钳位”、光电隔离和整形后将其 送入单片机，单片机对脉冲进行计数和相关计算得到车辆的速度和里程值。 江苏大学硕士学位论文 车速传感器通常安装在变速器输出轴上，用于检测输出轴的转速。在车轮 不抱死的情况下，车速和变速器输出轴的转速之间是成正比关系： v = c o 水i ( 式中k 比例系数； 国变速器输出轴的角速度； 卜汽车车速。 所以，一般测得输出轴的转速就可以通过计算得到车辆的速度。 图2 4 速度信号采集原理图 车速传感器的输出信号可以是磁电式交流信号，也可以是霍尔式数字信号 或者是光电式数字信号。本系统选用的是霍尔式车速传感器，如图2 4 所示，b 端连接传感器的信号输出端，c 端接地，a 端与传感器的电源输入端相连，该端 为霍尔式车速传感器提供电源。当然，本电路也可以采用车上的电子车速表的脉 冲信号作为输入，此时b 端连接电子车速表的脉冲信号输出端，c 端接地，a 端 悬空。 信号“钳位”电路原理如图所示( 图2 4 虚线框1 ) 。当传感器传送过来 的信号为高电平时，d 端电压高于e 端电压，二极管i n 4 1 4 8 截止，稳压二极管d 1 2 被击穿，输入到光电耦合器5 2 1 1 的信号为高电平：当传感器送来的信号是低电 平时，d 端电压低于e 端电压，二极管i n 4 1 4 8 导通，d 端电压为低电平，故输入 到光电耦合器的电压信号为低电平。 1 4 江苏大学硕士学位论文 使用光电隔离器，可以抑制较大的随机干扰信号进入单片机，减少进入单片 机的干扰信号，隔离电路见图2 4 虚线框2 。 在整形电路中( 图2 4 虚线框3 ) ，应用了由高速比较器l m 3 1 1 组成的迟滞 比较器，该比较器的比较速度最大为1 6 5 n s ，其输出兼容t t l 和m o s 电路。电阻 r 4 和r 2 7 组成分压电路，产生比较电路的基准电压，电阻r 2 8 则产生迟滞回差， 由于r 2 8 的阻值远远大于r 4 的阻值，所以产生的回差电压很小，但有了这一回 差电压就有效地增强了信号的可靠性啪3 。由于比较芯片l m 3 1 1 的输出级是集电极 开路结构，输出端必须加上拉电阻r 3 ，上拉电阻的阻值采用2 k q 。电路输出的 方波信号送到单片机内进行处理和计算得到汽车行驶时的实时速度和里程。 2 开关量采集电路 第二部分为开关量状态信号采集电路，用于采集8 路状态信号。这8 路信号 中的灯信号从灯开关处采集，其余的信号则从相应的继电器处采集。这8 个信号 都是开关量，信号幅度为o - _ v c c ( v c c 为汽车电源电压) ，为了消除信号的抖动及 脉冲干扰，在信号输入端采用光电隔离措施，从而抑制了各种干扰信号通过信号 线进入记录仪而影响微控制器的正常工作。电路原理见图2 5 。 图2 5 开关量采集电路图 2 2 2 3 串行e 2 p r o ma t 2 4 c 5 1 2 芯片电路2 5 油1 1 概述 a t 2 4 c 5 1 2 是a t m e l 公司新近推出的具有1 2 c 总线容量达5 1 2 k b i t ( 6 4 k 8 ) 的e z p r o m ，该芯片的主要特性如下：存储容量为6 5 5 3 6 b y t e ：与l o o k h z 、4 0 0 k h z 、 i m h z l 2 c 总线兼容；1 0 0 0 0 0 次编程擦写周期；单电源、读写电压为1 8 v 一- 5 5 v ； 江苏大学硕士学位论文 e s d 保护电压大于4 k v ；数据可保存4 0 年；写保护功能，当w p 为高电平时，进 入写保护状态；c m o s 低功耗技术，最大写入电流为3 m a ；1 2 8 字节的页写入缓存 器；自动定时的写周期；具有8 引脚d i p 及2 0 引脚s o i c 封装等多种封装形式。 2 引脚排列及功能 a t 2 4 c 5 1 2 的d i p 型封装引脚排列如图2 6 所示，各个引脚的功能如下： a o ，a 1 ( 1 脚，2 脚) ：器件地址输入引脚，通过连接v c c 或g n d 的组合可使 单总线最多寻址4 个a t 2 4 c 5 1 2 ，当这些引脚没有连接时其默认值为o ； n c ( 3 脚) ：悬空引脚； g n d ( 4 脚) ：接地引脚； s d a ( 5 脚) ：双向串行数据地址引脚，用于器件所有数据的发送或接收，s d a 是开漏输出引脚，可与其它开漏输出或集电极开路输出进行“线与”连接； s c l ( 6 脚) ：串行时钟输入引脚，用于产生器件所有数据发送或接收的时钟； w p ( 7 脚) ：写保护引脚，当引脚w p 连接到v c c 时，所有存储数据变为写保护， 当引脚w p 接g n d 时，则允许器件进行正常读写操作； v c c ( 8 脚) ：电源引脚，连接+ 5 v 的电源。 a o a 1 刨d v c c w p s c l a 图2 6 引脚排列图 3 器件功能描述埔m 2 1 a t 2 4 c 5 1 2 是具有1 2 c 总线的存储芯片，因此该器件必须严格遵守1 2 c 总线传 输协议。1 2 c 总线简单的硬件接口是以复杂的时序及软件编程为代价的，下面首 先对该器件的时序进行描述。 ( 1 ) 起停信号 时钟线保持高电平期间，数据线电平从高到低的跳变代为1 2 c 总线的起始信 号；时钟线保持高电平期间，数据线电平从低到高的跳变代为1 2 c 总线的停止信 号。 1 6 江苏大学硕士学位论文 ( 2 ) 器件寻址 主器件通过发送一个起始信号启动发送过程，然后发送它所需要寻址的从器 件地址，8 位从器件地