（车辆工程专业论文）车辆行驶记录仪研究.pdf

摘要 v 7 3 8 8 9 2 摘要 车辆行驶记录仪，是将飞机黑匣子的设计思想应用于汽车，它能够实时记录车 辆的运行信息。根据这些运行信息，通过专用软件进行数据分析使车辆行驶状态再 现，为交通事故的分析处理提供科学、权威的依据。车辆行驶记录仪还可以起到遏 止疲劳驾驶和防止车辆超速的作用。另外，车辆行驶纪录仪还可以融全球卫星定位 系统( g p s ) 和地理信息平台与数据处理技术( g i s ) 为一体，对车辆运行状况进行记录、 监控。 本文综述了车辆行驶记录仪的研究现状，结合现有记录仪的特点，提出了一种 分体式结构的车辆行驶记录仪，并给出了该记录仪的功能和原理。根据车辆行驶记 录仪的功能要求完成了包括数据采集、数据存储、显示、通信等硬件部分主要元器 件的选择及电路设计，并完成了数据存储、显示按键、数据打印和通信部分的软件 没计。对车辆行驶记录仪的电磁兼容性、复位电路的可靠性等进行了分析，并采取 了相关措施来提高汜录仪工作的可靠性。进行了模拟装车实验，验证了记录仪性能 和工作的可靠性。 关键词：车辆行驶记录仪；i d s p 4 3 0 单片机；车辆行驶信息；近距离无线 通信；电磁兼容性 一i 青岛大学硕士学位论文 a b s t r a c t av e h i c l et r a v e l i n gd a t ar e c o r d e ri sad a t ac o l l e c t i n gd e v i c ew h o s et h e o r yc o m e s f r o mb l a c kb o x i tc a nr e c o r dv e h i c l e s t r a v e l i n gi n f o r m a t i o ni nar e a l t i m em a n n e ro n w h i c has p e c i a ls o f t w a r ec a nb a s et or e c o n s t r u c tv e h i c l e s s t a t u s t h et r a v e l i n gd a t a r e c o r d e db yr e c o r d e r ，s u c ha sv e l o c i t y ，d r i v i n gt i m e ，e t c ，p r o v i d e sa ni m p o r t a n te v i d e n c e f o rt h ea n a l y s i so ft r a f f i ca c c i d e n t s av e h i c l et r a v e l i n gd a t ar e c o r d e rc a r lk e e pw i t h i n l i m i t so ff a t i g u ed r i v i n ga n de x c e s s i v es p e e d m o r e o v e ri ta l s oc a nc o m b i n eg l o b a l p o s i t i o n i n gs y s t e m ( g p s ) a n dg e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m ( g i s ) t or e c o r da n d i n s p e c t v e h i c l e s s t a t u s t h i st h e s i ss u m m a r i z e st h er e s e a r c hs t a t u so ft h ev e h i c l et r a v e l i n gd a t ar e c o r d e ra n d b r i n g sf o r w a r dad e t a c h e ds t r u c t u r e o ft h er e c o r d e r t h et h e o r ya n df u n c t i o n so ft h e v e h i c l et r a v e l i n gd a t ar e c o r d e ra r ei n t r o d u c e d a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n so ft h ev e h i c l e t r a v e l i n gd a t ar e c o r d e r ，t h ep a p e rs e l e c t ss o m ep r i m a r yc o m p o n e n t sa n dd e s i g n sc i r c u i t s o fh a r d w a r es y s t e mw h i c hi n c l u d e sad a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，ad a t as t o r a g em o d u l e ，a d i s p l a ym o d u l e ，ac o m m u n i c a t i o nm o d u l e ，e t c a c c o r d i n gt o t h eh a r d w a r es y s t e m ，t h e s o f t w a r es y s t e mi sa l s ob u i l ti nt h i sp a p e r ，s u c ha sad a t aa c q u i s i t i o np r o g r a m ，ad a t a s t o r a g ep r o g r a m ，ad i s p l a yp r o g r a m ，ac o m m u n i c a t i o np r o g r a m ，e t c t h ee l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t y ( e m c ) a n dt h er e l i a b i l i t yo f r e s e tc i r c u i t sa r ea n a l y z e di nt h i sp a p e ra n d s o m er e l e v a n tm e a s u r e sa r ea d o p t e dt oi m p r o v et h er e l i a b i l i t i e so f t h ev e h i c l et r a v e l i n g d a t ar e c o r d e r as i m u l a t i o ne x p e r i m e n ti sc o n d u c m dt ov a l i d a t et h ed e s i g n sr a f i o n a l i t y a n dt h er e l i a b i l i t yo f t h er e c o r d e r k e y w o r d s ：v e h i c l e t r a v e l i n g d a t ar e c o r d e r ；m s p 4 3 0s i n g l e c h i p ；v e h i c l e t r a v e f i n gi n f o r m a t i o n ；n e a rf i e l dc o m m u n i c a t i o n ；e l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t y ( e m c ) 第一章引言 i 1 课题的提出及意义 第一章引言 随着我国道路交通网络的日渐顺畅和车辆保有量的急剧增加，人流、物流、车 流骤增，造成交通事故频发，群死群伤的恶性交通事故屡见不鲜。2 0 0 3 年底，我国 公路通车总里程数已达到1 8 1 万公里( 其中高速公路3 万公里) ，汽车保有量约为2 4 3 0 万辆；但我们同样看到另外一组数据：据公安部统计，2 0 0 3 年全国发生道路交通事 故6 6 7 5 万起，造成l o ，4 3 万人死亡，4 9 4 l 万人受伤，直接经济损失3 3 7 亿元。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，使我国的交通管理能够真正 迈入智能化时代是整个交通行业亟待解决的问题。 车辆行驶记录仪汽车“黑匣子”( 或“绿匣子”) i - 4 】，是将飞机黑匣子的 设计思想应用于汽车，它集机械、电子、微电脑于一体，适用于预防事故、监查违 铡、科学管理，并为事故分析提出公正、准确、科学的依据。车辆行车记录仪能够 记录对应实时时钟的车辆运行瞬时速度、运行里程、制动信号、左右转向信号、后 雾灯、远光灯信号、近光灯信号；能够记录车辆的停车信息；记录车辆的特定信息 ( 如车辆v i n 号、发动机号、牌照号码等) 通过记录驾驶员的个人身份信息，便 于控制机动车驾驶员在长途行驶中超长时间工作，避免了疲劳驾驶，有利于防止交 通事故的发生。另外，车辆行驶纪录仪还可以融全球卫星定位系统( g e s ) 、全球数字 移动通信系统( g s n ) 和地理信息平台与数据处理技术( g i s ) 为一体忡“j ，对车辆 运行状况进行实时记录、监控，同时辅以强大的信息网络为车辆提供科学、合理的 高度管理。 由此看出车辆行驶记录仪对遏止疲劳驾驶、车辆超速等交通违章、约束驾驶人 员的不良驾驶行为、交警路查以及道路交通事故的分板鉴定具有重要的作用。另外 车辆行驶记录仪还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，并且对保障道路交通安全 起到了直接的作用。但就国内外研究现状来看，目前所开发出的记录仪还存在些 问题，如：对温度湿度的适应性、抗电磁干扰能力、抗碰撞冲击能力等与国外的同 类产品存在一定差距；大都采用显示部分圊数据记录部分总成式的总体式结构设计， 一旦车辆发生交通事故记录仪的数据存储部分极易受到破坏。因此研究开发一种性 能稳定、功能强大的车辆行驶记录仪对于提高辅助交通事故的分析能力、提高车辆 的智能化管理等具有重大的意义p ”j 。 青岛大学硕士学位论文 1 2国内外车辆行驶记录仪的发展和应用 1 2 1国外车辆行驶记录仪的发展和应用 车辆行驶记录仪，在日本被称为“行驶记录仪”，美国称之为“事件数据记录 仪”( e d r ) ，在德国被称作“事故数据记录仪”( a d r ) 1 4 1 01 9 2 5 年汽车行驶记 录仪首先在德国出现，记录仪内最常用的英语单词“t a c h o g r a p h ”就是由两个德语 单词“t a c h o m e t e r ”( 转速表) 和“g - r a p h i k ”( 绘图，记录) 组合演变而来的。2 0 世纪7 0 年代，美国国家公路交通安全管理局推出了一种用来记录、存储和分析汽车 碰撞数据的装置。到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， 开始用于记录汽车行驶的速度和行驶里程等信息。经过欧共体各国的实际使用，证 实了它在降低事故发生率、提高驾驶员责任心以及加强科学交通管理等方面收到了 良好的效果。2 0 世纪8 0 年代，欧盟、美、日等国就以立法的形式强制推广车辆行驶 记录仪，当时安装的记录仪采用的是机械式、圆盘纸、极坐标记录方式，只能记录 运行时间和速度曲线，操作麻烦、价格昂贵。进入9 0 年代，随着电子技术、计算机 技术和大容量存储器技术的发展，车辆行驶记录仪的发展也进入了一个崭新的时期。 欧共体、美国相继推出了性能更加优良的电子式车辆行驶记录仪，用以监督驾驶员 的超时和超速驾驶行为。德国曼内斯曼肯兹勒公司( m a n n e s m a n nk i e n z l e ) 生产的 汽车行车自动记录仪，是一个圆形表盘式指示记录仪表，可以装在汽车驾驶室仪表 盘上，指示汽车行驶速度和时间，表盘中下部是数字式里程表，如图1 1 所示。在行 车记录仪里面，装有记录用划针和带有时间、车速、距离刻度的圆形记录纸盘，它 可以把一天中汽车的使用情况和运行状态以曲线的形式完整、真实地记录下来【l ”。 随着应用的不断推广，车辆行驶记录仪的技术也在不断发展。美国加利福尼亚州的 多种汽车技术公司最近研制出一种完全独立于汽车上原有计算机模块的“汽车数据 图1 1 肯兹勒汽车行车自动记录仪记录仪表 第一章引言 记录系统”，它拥有自身的微处理器、传感器和存储模块，与飞机数据记录器十分相 似，因而能保证数据的真实性。此外，它还附加了行驶称重、无线卫星通讯、g p s 定位系统、电子计费、声音识别、声音合成及导航模块。另外，在美国和欧洲已经 出现了不少适合各种不同运输专业管理需要的车辆行驶记录仪，如美国d c t 公司专 为h a v i 公司开发的汽车驾驶记录仪兼有油耗记录和停车卸货量的记录。图12 为国 外开发研制的两种记录仪。 图1 2 国外两种车辆行驶记景仪 2 0 世纪9 0 年代初，欧共体在车辆行驶记录仪的安装和使用上为了统一各成员国 参差不齐的立法，就以共同体理事会名义颁布法令：车辆总重在3 5 t 以上的货车、 载客9 人以上的客车等必须安裟行车记录仪；车队负责人和驾驶员有责任维护记录仪 的正常运转，向车辆提供足够量的记录卡；任何时刻，有关上级或公路、公安巡警 要求检查时，应立即提供给对方记录卡或其影印件；汽车驾驶员每次连续开车4 。5 h 之后至少要休息4 5 r a i n ，2 4 h 内驾驶员至少应有连续1 1 h 的体息时间等【1 6 】。另外，欧 共体己立法规定其1 5 个成员国内为数9 0 0 万辆的商用车辆必须在限期内装上车辆行 驶记录仪。这一立法大大提高了车辆行驶记录仪在商用车辆上的使用率，不仅欧洲 的1 5 个成员国都在商用车辆上安装了车辆行驶记录仪，包括美国、日本、马来西亚 等国家和地区也都广泛应用。在美国，国家运输安全委员会( n t s b ) 一直在致力于 推广车辆行驶记录仪的工作【l7 1 ，2 0 0 1 年n t s b 正式强烈要求各汽车生产厂为新下线 的汽车安装车辆行驶记录仪。通用、福特等汽车公司纷纷行动，仅通用一家公司就 为6 0 0 万辆出厂车安装了车辆行驶记录仪，可见美国使用汽车车辆行驶记录仪之广 1 1 8 j 9 。另外，马来西亚和新加坡政府也正式立法，并三令五申长途巴士等客运车辆 2 0 0 1 年9 月底前必须安装车辆行驶记录仪，否则为违法。 青岛大学硕士学位论文 1 2 2 国内车辆行驶记录仪的发展和应用 我国对车辆行驶记录仪的研究上相对比较落后，虽然在1 9 8 8 年就被列入国家级 重大新产品试产计划，许多企业和科研单位都在研制车辆行驶记录仪，但最终因不 能实现全程同步记录行驶曲线，没能得到广泛推广。1 9 9 4 年由中国航空工业第6 1 1 研究所研制并推广应用的“c x j 车辆行驶记录系统”，通过了由国家技术监督局组 织的科技成果鉴定，并在深鲻i 、上海、广州、南宁等地试行装车，取得显著社会效 益。北京伟航新技术开发有限公司也相继研制出了三代汽车综合记录仪，并通过有 关部门检测。此外，广州车卫士科技有限公司、深圳华强通讯有限公司等单位也相 继开发出了记录仪产品 2 0 2 “。目前国内所开发出的记录仪主要属于辅助事故分析型 的记录仪，由硬件和软件两部分组成。硬件包括面板、单片机及辅助电器元件；软 件包括记录、控制、数据处理等程序，可对车辆行驶中的一系列参数进行记录和有 效监控。大多数记录仪没有g p s 定位模块、无线通讯模块等，无法进行及时数据通 信，管理中心无法对运营中的车辆进行及时监控与调度管理，实现预防事故发生、 报警处理和对员工的信息化管理。少数记录仪带有了g s m g p s 模块，但由于g s m 短信信道由于其技术本身的缺陷，造成延时、数据丢失等问题，越来越不适应规模 较大的车队的需求。另外，现有的记录仪还存在一些如对潺度、湿度的适应性差， 抗电磁干扰能力、抗碰撞冲击能力与国家标准和国外的同类产品存在一定差距的问 题。为了规范车辆行驶记录仪产品的生产、使用，我国于2 0 0 3 年9 月实施了汽车 行驶记录仪标准。图1 3 所示为我国研制开发的几种车辆行驶记录仪。 ( a )( b ) ( c )( d ) “) ( g ) 图1 3 国内几种车辆行驶记录仪 第一章引言 我国车辆上配备行车记录仪，不仅是为了降低事故发生率、加强科学交通管理， 同时也是满足经济建设的需要，所以在记录仪的使用上对于具有特殊国情的中国更 为重要。因此，随着车辆行驶记录仪功能和性能不断完善，国内已有不少地方开始 应用。截至2 0 0 1 年底，上海市路管处已在7 0 多家重点运输企业的4 0 5 辆危险货车 和国际集装箱车上安装了g p s 定位行车记录仪；2 0 0 2 年底，广州市二汽公司率先在 公交行业试用n c 7 0 0 0 系列数字式行车记录仪；湖南省怀化市也做出了跨省长 途客运车辆、高速公路客运车辆和装载危险易爆物品的运输车辆必须在2 0 0 3 年底安 装车辆行驶记录仪的规定；2 0 0 4 年5 月北京巴士旅游分公司的1 5 0 辆旅游车上都已 经安装了车辆行驶记录仪。另外，云南、四川等省也针对严峻的交通安全形势，分 别作出了所有高速车辆必须装置车辆行驶记录仪的规定 2 2 2 4 】。随着人们交通安全意 识的提高，使用车辆彳亍驶记录仪的人群将会越来越多。 1 3 车辆行驶记录仪的发展趋势 就目前众多的记录仪产品总体而占，技术层面尚处初级阶段，大部分产品还没 能根好地解决交通事故三大源头问题超速、超载、疲劳驾驶。虽然超速问题通 过限速报警功能、疲劳驾驶问题通过作超时报警及疲劳驾驶记录在一定程度上得到 了解决，然而超载问题( 特别是客运超载) 还未能很好地得到解决。记录仪与管理 监控中心实时通讯方面也未能得到很好的解决车辆行驶的信息不能及时的传到监 控中心，车辆不能实时处于管理中心的监控之下。此外，记录仪的防火措施也不够 完善，一旦车辆在交通事故中起火，记录仪势必将被破坏，记录的数据就不能被提 取。另外，在辅助交通事故处理中，现有的记录仪也只能提供一部分浅层数据，真 正撞车前的事故得不到有效、直观、真实的再现等。由此可见现有的记录仪存在较 多有待改进和解决的地方，在记录仪的设计上应考虑到以下因素：记录仪工作的环 境十分复杂与恶劣，工作的稳定性是设计记录仪必须首要考虑的问题；记录仪的实 用性和廉价性：扩展性、兼容性、后续研发的延续性；安装的简易性与适用性等。 综上所述，车辆行驶记录仪的未来发展趋势如下： ( 1 ) g p s 定位技术将和记录仪结合，可以实时地加强对车辆的全过程动态安全 管理，提高车辆事故与安全的预防和分析能力，减少交通事故的发生，提高用户对 车辆动态的管理水平； ( 2 ) 车辆的故障诊断与预警技术将在今后的记录仪中得到体现，使交通事故防 忠于未然，并为汽车维修提供及时、准确的信息： ( 3 ) 远程数据通信如g p r s 、c d m a 及短程无线数据通讯如蓝牙技术( b l u e 青岛大学硕士学位论文 t o o t h ) 等也将进一步被应用，他们将车辆违章数据或交通事故信息实时传送回当地 交通管理，从而彻底改变过去交警路查只能依靠手工的被动执行局面，变为更为主 动的更为节省警力的局面 2 5 , 2 6 1 ： ( 4 ) 视频监控技术得到应用，可对车辆交通事故场景真实、直观的回放，将为 交警处理分析交通事故，迅速做出判定提供十分准确、公正、科学、有效的原始数 据资料； ( 5 ) 指纹模块技术的应用，更为科学、准确的解决驾驶员身份的识别，也能应 用于防盗功能的实现【2 7 】； ( 6 ) 防火防撞材料的应用，使数据记录芯片完好得保存下来，为事故分析提供 有力的原始数据。 1 4 本文的主要研究内容 在对现有车辆行驶记录仪进行深入分析的基础上，研究种基于分体式结构的 车辆行驶记录仪。其主要研究内容如下： - ( 1 ) 确定车辆行驶记录仪的总体结构，采用数据存储与显示分离的分体式结构， 提高数据存储部分的安全性。 ( 2 ) 根据车辆行驶记录仪的功能要求完成硬件系统设计，包括记录仪c p u 的 选择、数据采集、数据存储、显示、通信和打印等部分主要元器件的选择及电路设 计。 ( 3 ) 根据车辆行驶记录仪的硬件系统完成记录仪软件系统的设计，包括速度信 息采集和计算、数据存储、显示按键、数据打印及通信部分的软件设计，以及主程 序和中断程序的设计。 ( 4 ) 对车辆行驶硅录仪的可靠性进行分析，并采取相关措施提高记录仪工作的 可靠性。 ( 5 ) 对车辆行驶记录仪样机进行模拟装车实验，验证其结构合理性和工作的可 靠性。 第二章车辆行驶记录仪功能及原理组成 第二章车辆行驶记录仪功能及原理组成 2 1 车辆行驶记录仪的功能 车辆行驶记录仪可完整、准确地记录车辆的行驶情况，能将汽车的行驶信息完 整记录，并能通过专用的软件进行数据分析实现车辆行驶状态的再现，为交通事故 的分析处理提供科学、权威的依据。另一方面车辆行驶纪录仪还可以融全球卫星定 位系统( g p s ) 和地理信息平台与数据处理技术( g i s ) 为一体，对车辆运行状况进行 记录、监控。我国2 0 0 3 年实施的汽车行驶记录仪标准规定记录仪应具有以下功 能： ( 1 ) 自检功能： ( 2 ) 实时时间、日期及驾驶时间的采集、记录存储功能： ( 3 ) 车辆行驶速度的测量、记录、存储功能： ( 4 ) 车辆行驶里程的测量、记录、存储功能； ( 5 ) 驾驶员身份记录功能； ( 6 ) 数据显示； ( 7 ) 操作功能； ( 8 ) 数据打印输出功能： ( 9 ) 数据通信功能。 车辆行驶记录仪的这些功能可以归为辅助事故分析、车辆运营管理、行车安全 管理等三大部分。 2 1 1 辅助事故分析 交通事故现场情况错综复杂，并易受不明因素影响，使得准确收集数据、判定 责任非常困难。采用了车辆行驶记录仪后，可有效避免错判、误判，为实施高效、 准确、公正的责任判定提供有效的帮助，为企业减少经济损失。车辆行驶记录仪可 以至少5 h z 的频率记录并存储车辆在每次停车前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l o 次；以至少1 h z 的频率记录并存储车辆在 最近3 6 0 h 1 为行驶状态信息。这些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，提高了交通民警的工作效率，为有效保护车 主、司机的合法权益提供了科学依据。 青岛大学硕士学位论文 2 1 2 车辆运营管理 运营企业在经营管理中会出现一些问题，譬如长途车中途载客、拉私活、油料 私用等问题：业务处理过程中的人为因素偏多，差错时有发生；成本核算不清，部 门、分支机构的业绩难以准确地考核等。有了车辆行驶记录仪记录的数据，再利用 配套的管理软件加以分析，以上问题可以迎刃而解，提高了管理效率。首先，为每 一位驾驶员、每辆车建立一个完备的工作运行档案库，包括每一天的出车时刻、收 车时刻、行车时间、平均车速、行车里程、累计行车里程、百公里油耗等各种数据， 使车主和车队方便了解本月车辆的使用情况，以便加强对车辆的使用管理。其清晰 方便完备的统计功能，摆脱了人工统计失真和数据处理繁琐的烦恼，提高了经济效 益。其次，可根据需要设置适当的比较参数，建立合理的奖罚制度，对驾驶员进行 准确客观公正的考评。图2 1 所示为装载了具有g p s 功能的车辆行驶记录仪的车辆 与监管中心所组成的车辆监管系统。 车载设备监管中心 i 定期汇总数据i 开机启动，自检 l ， l l 监管部门检查认证 掣卜 jp c 数据录入i lg p s 接收实时监测li 数据处理i 上 一 i 数据分析、取证l 记录g p s 监测数据i - l 数据存储、输出l 图2 1 车辆监管系统 2 1 3 行车安全管理 车辆行驶记录仪具有记录多种实时行车数据的功能，在道路交通管理中可以发 挥交通民警无法替代的作用。车辆行驶记录仪自动、连续、真实地记录驾驶员的行 驶速度和连续行车情况，并对驾驶员的违规驾驶发出及时的警示：当行驶速度超过 设定限制值时，记录仪应连续发出报警信号，直至行驶速度降至限制值以下时，报 警信号解除；当连续行驶时间超过设定限制值时，记录仪应持续发出声、光报警信 号，直至车辆停止运行，如果车辆停止运行持续时间不足2 0 m i n 应继续报警。车辆行 第二章车辆行驶记录仪功能及原理组成 驶记录仪的这些功能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、长期不间断的实时监控，对驾驶员的超速、疲劳驾驶能做到有效 的监控，让驾驶员做到把每一次行车当成路考。使驾驶员增强安全意识，遵守交通 法规，规范驾驶行为，从而减少变通事故的发生，减少对外赔偿，降低修车费用和 财产损失。此外，利用车辆行驶记录仪记录的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。 2 2 车辆行驶记录仪的原理组成 记录车辆的行驶信息是车辆行驶记录仪的主要功能，不同类型的记录仪的主要 区别在于功能的扩展上，总的来说任何车辆行驶记录仪都包括以下最基本的几部分： 记录装置、显示装置和通信装置等。图2 2 是车辆行驶记录仪基本结构框图。 图2 2 车辆行驶记录仪基本结构框图 2 2 1记录装置 记录装置由中央处理器、信号预处理模块和数据存储模块组成。中央处理器是 记录仪的核- t l , ，它承担着被记录信号的采集、预处理和控制等任务。中央处理器可 采用的单片机可以有多种，如8 0 5 1 2 8 3 0 】、m s p 4 3 0 等，其中m s p 4 3 0 系列单片机是 一种超低功耗1 6 位单片机，其具有内置的a d 转换器，并且具有f l a s h 在线编程调 试、下载等功能，大大缩短了开发周期，其贴片式封装增加了抗震性能【3 1 瑚】；信号 预处理模块由传感器、输入缓冲电路、滤波整形电路等组成，它们把车辆运行的瞬 时速度、车辆制动信号、左右转向信号、后雾灯、远光灯信号、近光灯信号、位置 灯信号等传给中央处理器进行处理；数据存储模块由数据存储器以及辅助电路组成， 用来存储车辆的行驶信息。 青岛大学硕士学位论文 2 2 2 显示装置 作为人机交互界面的显示装最用来向驾驶员以及工作人员显示车辆的实时信息 和参数设置信息等。显示装置一般由液晶显示模块l c d 和l e d 等器件组成。其中 l c d 液晶显示模块可方便的用于显示字母、数字、字符或汉字，且具有显示信息量 大、功耗低、字体美观的优点，因而在车辆行驶记录仪中得到广泛的应用。 2 2 _ 3 通讯装置 通讯装置是车辆行驶记录仪同外界进行信息交换的通道，用于将记录仪所记录 的车辆行驶信息的输出以及同控制中心进行实时通讯等，基本的通讯接口包括 r s 2 3 2 、u s b 和打印机端口等。r s 2 3 2 、u s b 端口用于同上位机进行通讯，将记录 仪记录的车辆行驶数据上载到计算机进行数据分析和管理。另外记录仪上还可以安 装近距离无线通讯系统，使车辆在通过定点的检查站时在不停车的情况下把其行驶 信息传送给检查站，使检查站对车辆的行驶、违规情况进行及时了解。随着无线通 讯技术和g p s 的发展，有些记录仪上还增加了g p s 接口，从而使记录仪成为智能 交通系统( i t s ) 的重要组成部分。 2 3 本章小结 ( 1 ) 介绍了车辆行驶记录仪的主要功能，并对功能进行了分析。 ( 2 ) 给出了车辆行驶记录仪的组成原理，并简要介绍了各部分装置。 第三章车辆行驶记录仪硬件系统设计 第三章车辆行驶记录仪硬件系统设计 3 1 车辆行驶记录仪硬件系统的组成 车辆行驶记录仪最重要的部分是数据记录存储部分，只有真正的将车辆的行驶 信息准确无误地记录并保存完好，安装车辆行驶记录仪的目的才能达到，才能为以 后的车辆管理及事故分析提供准确有用的信息。从提高车辆行驶记录仪数据记录和 存储部分的稳定性及安全性出发，本车辆行驶记录仪采取分体式结构设计，将记录 仪的数据记录存储部分和显示功能部分分开设计，在数据记录部分预留显示功能模 块部分的接口。这样有利于数据存储部分安全稳定的工作，另外将记录仪的数据记 录存储部分单独的安放在车辆发生事故时不易被破坏的位置又有利于对车辆行驶信 患的保存。 本车辆行驶记录仪的硬件系统根据其功能，主要由主机部分、显示功能模块部 分、通信部分和传感器四部分组成： ( 1 ) 主机部分包括中央处理器c p u 、数据存储器、实对时钟模块和数据传输 通信接口组成； ( 2 ) 显示功能模块由液晶显示屏、功能按键、i c 卡插口、打印机、报警灯和 报警轰鸣器组成； ( 3 ) 通信部分主要由r s 2 3 2 、u s b 和近距离无线通信模块p t r 2 0 0 0 组成，其 中近距离无线通信模块p t r 2 0 0 0 用于同定点检查站之间的通信； ( 4 ) 传感器主要是车速传感器，需要记录的其余8 路状态量开关信号均可由车 辆上直接取出，不需外加传感器。 车辆行驶记录仪硬件系统组成框图如图3 1 所示。 j 整 、 形 卜 j 滤 1 波 c p u = = 图3 1 车辆行驶记录仪硬件系统组成框图 青岛大学硕士学位论文 3 2 数据记录存储部分主要元器件的选择及电路设计 3 2 1中央处理器c p u 的选择 本车辆行驶记录仪的中央处理器c p u 选用美国t i ( t e x a si n s t r u m e n t s ) 公司的 m s p 4 3 0 系列单片机的m s p 4 3 0 f 1 4 9 。m s p 4 3 0 系列单片机是一种具有超低功耗、功 能强大的单片机，它的性能如下( 以m s p 4 3 0 f l x 系列为例) ： ( 1 ) 超低功耗 工作电压为1 ，8 3 6 v ，当运行在1 m h z 晶振时钟时，工作电流视工作模式不同 为o 1 4 0 0 a 。 ( 2 ) 强大的处理能力 m s p 4 3 0 f l x 具有丰富的寻址方式( 源操作数7 种。目的操作数4 种) ，但只有 2 7 条的简洁指令；片内寄存器数量多，存储器可实现多种运算：高效的查表方法。 m s p 4 3 0 f l x 的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。当系统处于省电 的备用状态时，用中断请求唤醒只需6 p s 。 ( 3 ) 丰富的片上模块 m s p 4 3 0 f l x 中的各个成员集成较多的片上外围资源，如m s p 4 3 0 f 1 4 9 包含：1 2 位a d 转换器、精密模拟比较器、硬件乘法器、2 组频率可达8 m h z 的时钟模块、2 个带有大量捕获比较寄存器的1 6 位定时器、羲门狗、2 个可实现同异步及多地址访 问的串行通信接口、数个可以实现方向设置及中断功能的并行输入输出端口等。 ( 4 ) 方便高效的开发方式 m s p 4 3 0 f l x 具有f l a s h 存储器，这一点使得它的开发工具相当简单。利用单片 机本身具有的j t a g 接口或片内b o o tr o m ，可以在一台p c 及一个结构小巧的 j t a o 控制器的帮助下实现程序的下载，完成程序调试。 本车辆行驶记录仪所选用的m s p 4 3 0 f 1 4 9 的性能概括如下： 一基础时钟模块，包括1 个数控振荡器( d c o ) 和2 个晶体振荡器 口看门狗定时器w a t c h d o gt i m e r ，也可用作通用定时器； ，带有3 个捕获比较寄存器的1 6 位定时器t i m e ra 3 ； 口带有7 个捕获f l k 较寄存器的1 6 位定时器t i m e r _ _ b 7 ； 口2 个具有中断功能的8 位通用并行端口：p l 和p 2 ； 口4 个8 位通用并行端口：p 3 ，p 4 ，p 5 和p 6 ： 口模拟比较器c o m p a r a t o r a ； 口1 2 位a d 转换器； 第三章车辆行驶记录仪硬件系统设计 口2 个串行通信接口：u s a r t o 和u s a r t l 。】个硬件乘法器。 m s p 4 3 0 f 1 4 9 的引脚图如图3 2 所示。 3 ，2 2电源设计 电源的可靠性、稳定性是 影响车辆行驶记录仪稳定工 作的重要因素。由于车辆行驶 记录仪工作的环境比较恶劣， 车辆在启动时电流较大，会使 车辆蓄电池的电压瞬时大幅 下降；车辆内其它用电设备的 干扰及其电池干扰等都会影 响车辆记录仪电源的稳定性。 为提高电源的效率、增加电源 的可靠性，我们采用d c - d c 电 源隔离模块为整个系统作电 源隔离输入 3 4 】。 出于m s p 4 3 0 的工作电压 为1 ，8 3 、6 v ，本车辆行驶记录 仪中m s p 4 3 0 f 1 4 9 采用典型的 3 3 v 逻辑电平供电，稳压芯片 采用l m 3 1 7 。l m 3 1 7 是一种三 端可调式集成稳压器，有三个 管脚i n p u t 、o u t p u t 、a d j u s t ，具 体用法如图3 3 所示，其中r 为阻值固定的电阻( 通常阻 值为2 4 0 n ) ，通过调整r 2 的阻 值可以获得较大范围内的输出 电压值，输出电压计算公式见 式3 ( 1 ) 。 翻3 2m s p 4 3 0 f 1 4 9 引脚圈 图3 3l m 3 1 7 稳压电路 青岛大学硕士学位论文 1 2 5 ( 1 + 静 3 _ ( 1 ) 由于本车辆行驶记录仪中的有多种5 v 电源供电的电子逻辑器件，所以需采用 5 v 与3 3 v 双电源电压供电，5 v 电压电源由7 8 0 5 稳压器提供。m s p 4 3 0 f 1 4 9 基本 电路连接及双电压电源模块设计如图3 4 、图3 5 所示。 图3 4m s p 4 3 0 f 1 4 9 基本电路连接 图3 5 车辆行驶记录仪双电压电源电路 第三章车辆行驶记录仪硬件系统设计 3 2 3 混合电压逻辑接口分析 3 2 3 1接口逻辑电平不同时的问题及保护措施 不同电源电压的逻辑器件相互接口时存在的主要问题是逻辑信号电平的匹配问 题：前级电路输出的电平要满足后级电路输入电平的要求。在5 v 和3 3 v 组成的混 合电压系统中不同电源电压的逻辑器件互相接口存在以下几个问题 3 3 , 3 5 3 7 】： ( 1 ) 加到输入引脚上允许的最大电压限制问题。器件对加到输入引脚上的电压 通常是有限制的，这些引脚有二极管或者分离元件接到v c c 。如果接入的电压过高， 则电流将会通过二极管或者分离元件流向电源。例如在3 3 v 器件的输入端上加上 5 v 的信号，则5 v 电源会向3 3 v 电源充电，持续的电流将会损坏二极管和其它电 路元件。 ( 2 ) 接口输入转换门限问题。5 v 的器件和3 3 v 的器件接口有很多不同的情况， 同样t t l 和c m o s 间的转换电平也存在着不同情况，但驱动器必须满足接收器件 的输入转换电平，并且要有足够的容限以保证不损坏电器元件。 ( 3 ) 两个电源间电流的互串问题。在等待或者掉电方式时，3 3 v 电源降落到 0 v ，大电流将流通到地，这使得总线上的高电压被下拉到地，这种情况将引起数据 丢失和元件损坏。此外，不管3 3 v 的工作状态还是0 v 的等待状态都不允许电流流 向v c c 。 对于加到输入引脚上允许的最大电压限制及电压容限问题，需要用逻辑电路输 入端的静电放电( e s d ) 保护电路的工作原理解释。实际上数字电路的所有输入端 都有一个e s d 保护电路，如图3 6 所示。传统的c m o s 电路通过接地二极管d l 和 d 2 对负向高电压限幅而实现保护，正向高电压则由二极管d 3 钳位，如图3 6 ( a ) 。 这种电路的缺点是为了防止电流流向v e t 电源，最大的输入电压被限制在v c c + o 5 v ( 二极管压降) 。大多数5 v 系统输出端的电压可达3 6 v 以上，因此采用了这种电 路结构的3 3 v 器件是不能与5 v 器件输出端直接连接。雨有些系统电路使用两个 m o s 场效应管或者晶体管t 1 、1 r 2 代替图3 , 6 ( a ) 中d 1 、d 2 二极管，如图3 , 6 ( b ) 芎 ( a ) 传统的e s d 保护电路 ( b ) 改进后的e s d 保护电路 图3 6e s d 保护电路 一1 5 l 由1 青岛大学硕士学位论文 所示。t 1 、t 2 的作用相当于快速齐纳二极管对高电压限幅。由于去掉了接到v c c 的二极管d 3 ，因此最大输入电压不受v c c 的限制。典型情况下，这种电路的击穿电 压在7 v 1 0 v 之间。因此，这种改进后具有e s d 保护电路的3 3 v 系统的输入端可 以与5 v 器件输出端直接接口。 当3 3 v 系统与5 v 系统直接接e l 时，在3 3 v 器件的输出端可能存在“电流倒 灌”问题。图3 7 ( a ) 是c m o s 器件输出端电路的简化形式。当输出端电压高于 v e t + 0 ，5 v ( 二极管压降) 时，p 沟道m 0 s 场效应管t l 的内部二极管d 1 会形成一 条从输出端到v c c 的电流通路。所以对于3 ，3 v 的这种c m o s 电路与5 v 器件相连时 需要加保护电路，图3 ，7 ( b ) 是一种带保护电路的c m o s 器件输出电路。当加到输 如端电压高于v c c 时，比较器使s l 开路，s 2 闭合，则电流通路消失，这样在三态 方式时就能与5 v 器件相连。 马 马 v t c ( a ) 简化的c m o s 输出端( b ) 带保护电路的s 输出端 图3 7c _ i o s 输出电路 3 2 3 2m s p 4 3 0 与5 v 器件电平接口的4 种情况 m s p 4 3 0 系列单片机的工作电压3 3 v ，其i o 口的最大逻辑电平也是3 3 v 。由 于本车辆行驶记录仪中使用的很多芯片的工作电压都是5 v ，因此就存在一个如何将 3 3 v 的m s p 4 3 0 与这些5 v 芯片或模块可靠的接口问题。为了保证在3 3 v 、5 v 混合 系统中数据交换的可靠性，接口必须满足输入转换电平的要求。表3 1 给出了3 3 v 和5 v 的t t l 、c m o s 逻辑关系。 表3 15 v 疆o s 、5 ￥啊l 和3 弱弭l 电平转换单位：( v ) 逻辑电平 g n d v o lv i lv r av o u v c c 5 v c m o s00 51 53 54 4 45 5 v r r l00 4 0 822 45 3 3 vt t l ，l v c ，a l v t00 40 822 4 3 3 翌i 鼍 夏爹 蕊萝 第三章车辆行驶记录仪硬件系统设计 m s p 4 3 0 与5 v 器件之间的电平接口有四种情况： ( 1 ) 5 vt t l 器件驱动m s p 4 3 0 。由表3 1 可知5 vt 1 1 l 和3 3 v 的电平转换标 准是一样的，由于典型的双极晶体管的输出并不能达到电源电压幅值，当一个5 v 器件的输出为高电平时，内部压降限制了其输出电压，典型的输出电压是v c c 2 v b e ， 即约为3 6 v 。但是，不同的驱动器结构不同，因此必须要对加到m s p 4 3 0 输入端的 电压进行控制，使其不超过3 6 v 。 ( 2 ) m s p 4 3 0 驱动5 v t t l 器件。由于3 _ 3 v 和5 v t t l 电平转换标准是一样的， 因此不需要额外的器件就可以将二者直接接口。由表3 1 可以看出3 3 v 器件的v o h 和v o l 电平分别是2 a v 和o 。4 v ，5 v t t l 器件的v i h 和v i l 电平分别是2 v 和o 8 v ， 而m s p 4 3 0 实际上能输出3 v 摆幅的电压，显然5 v1 v r l 器件能够正确识别m s p 4 3 0 的输入电平。 ( 3 ) 5 vc m o s 器件驱动m s p 4 3 0 。由表3 1 可知5 vc m o s 与3 3 v 的转换电 平是不样的。进一步分析5 vc m o s 的v o h 和v a 以及3 3 v 的v i h 和v i l 的转换 电平可以看出，虽然两者存在一定韵差别，但是能够承受5 v 电压的3 3 v 器件能够 正确识别5 v 器件送来的电平值。所以能够承受5 v 电压的3 3 v 器件的输入端可以 直接与5 v 器件的输出端接口。但是m s p 4 3 0 没有5 v 容限，不能直接与5 v 器件的 输出端接口。 ( 4 ) m s p 4 3 0 驱动5 、，c m o s 器件。从表3 1 中可以看出3 3 v 与5 vc m o s 的 电平转换标准是不一样的，3 3 v 输出的高电压的最低电压值v o r r = 2 。4 v ，输出的最 高电压值v o h = 3 3 v ，而5 vc m o s 器件要求高电平的最低电压v t h = 3 5 v ，因此 m s p 4 3 0 的输出不能直接与5 vc m o s 器件的输入端接口。 由以上分析可知，在5 vt t l 器件驱动m s p 4 3 0 或者m s p 4 3 0 与5 vc m o s 器件 接口时，二者是不能直接相连的，在这种情况下，必须要经过3 3 v 与5 v 电平的相 互转换。可以采用双电压( 一边是3 3 v ，另一边是5 v ) 供电的双向驱动器来实现 电平转换，如t i 的s n 7 4 a l v c l 6 4 2 4 5 、s n 7 4 a l v c 4 2 4 5 等芯片，可以较好地解决 33 v 与5 v 电平的转换问题。 本车辆记录仪中涉及到m s p 4 3 0