（车辆工程专业论文）新型汽车行驶记录仪的设计.pdf

学位论文版权使用授权书 !fij i i j i l l r l l ji l l l l l l l l l r u lr i i l l l l l l l rliiiillrilli l l y 18 9 4 3 18 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密 学位论文作者签名：甲寸k 矽7 年多月，垆 协固 l 乞严鳓 1 1 一 孙年 师 力 狮 沙 新型汽车行驶记录仪的设计 an e w d e s i g nf o r t 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 r 学科专业： 奎塑王猩 姓 2 0 1 1 年6 月 士学位论文 要 仪) 的使用不仅可以遏止交通违章、 约束驾驶员不良驾驶习惯，而且可以有效地预防道路交通事故的发生， 为执法人员进行事故的分析、处理提供原始数据，因此在交通运输管 理中发挥着十分重要的作用。在充分研究前人的设计基础上，本文尝 试设计了一种新型的汽车行驶记录仪产品的雏形，论证该设计的可行 性。 记录仪所涉及的关键技术包括：车速信号的采集和存储电路的设 计及其软件的设计；开关量信号的采集与处理电路的设计及其软件设 计；主机系统的操作系统的设计与开发；上位机数据分析软件的开发。 解决的办法是：采用特殊的车速传感器，采用n a n df l a s h 作为存 储芯片，数据的软件存储方式则采用数组形式进行；采用高速光电耦 合芯片采集开关量信号，并将文中涉及的8 个开关信号合并到一个字 符型变量中进行处理，字符中的每一位对应于一个开关信号；操作系 统采用uc o si i 实时操作系统；上位机数据分析软件则采用 m a t l a b ，数据从串口导入上位机并以存储到m a t l a b 目录下，需要 使用时，编程提取数据并输出记录仪记录的车辆行驶轨迹。 所设计的系统组成主要包括数据采集、数据存储、数据显示功能。 系统的硬件组成部分包括微处理器$ 3 c 2 4 4 0 a 、电平转换电路 m a x 3 2 2 2 、存储芯片n a n df l a s h ，n o rf l a s h ，s d r a m 和 a t 2 4 c 0 2 、电源转换电路a m s l l l 7 、奇美公司的q 3 5 寸t l 玎l c d 液晶显示器、复位电路、开关量采集电路等，利用p r o t e l 2 0 0 4d x p 软 件进行部分原理图绘制和p c b 板设计。 软件部分则主要包括主机系统的嵌入式软件平台uc o s i i 和上 新型汽车行驶记录仪的设计 位机数据分析软件m a t l a b 7 4 。其中数据采集是通过单片机扩展电路 实现的；数据存储和采集部分利用了1 2 c 总线协议。汽车行驶数据存 储在外部数据存储器n a n df l a s h 和e e p r o m 中，便于数据上传和 下载；液晶显示器的来实现数据的实时显示。 论文还在中间论述了对系统进行调试试验的结果，将数据导入在 上位机，进行了数据的分析与处理，初步验证本文设计的记录仪的可 行性。 关键词：记录仪；数据采集；数据存储；液晶显示；可行性 a c c i d e n t se f f e c t i v e l y i ta l s oo f f e rs c i e n t i f i c ，a c c u r a t el n i t i a ld a t af o rt h e t r a f f i cc o pt od i s p o s et h ea c c i d e n t s c o n s e q u e n t l y , i tp l a y sav e r yi m p o r t a n t r o l ei nt r a n s p o r t a t i o nm a n a g e m e n t w et r i e dt od e s i g nan e wv e h i c l et r a v e l d a t ar e c o r d e rs y s t e mw h i c hi sb a s e do nd e e pr e s e a r c ho ft h ep r o d u c to ft h e f o r m e rd e s i g n e ra n dc o n f i r mi t sf e a s i b i l i t y t h ek e y p o i n t sf o rt h ed e s i g no ft h ev e h i c l ed a t ar e c o r d e rc o n c l u d et h e f o l l o w i n gi t e m s ：t h eh a r d w a r et od e t e c ta n dc o l l e c tt h es p e e ds i g n a lo ft h e v e h i c l ea n ds o f t w a r et ot a c k l ew i t ht h es p e e ds i g n a l ；t h eh a r d w a r et od e t e c t a n dc o l l e c tt h es w i t c hs i g n a l so ft h ev e h i c l ea n ds o f t w a r et ot a c k l ew i t ht h e s w i t c hs i g n a l s ；t h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n to ft h eo p e r a t i o ns y s t e mf o rt h e m a i n p a r t m e n t s o ft h er e c o r d e r ；t h ed a t aa n a l y s i ss o f t w a r eo fu pm a c h i n e t h e k e y sf o rt h ef o u ri t e m sm e n t i o n e da b o v e a r ea sf o l l o w i n g ：w ew i l l d e t e c ta n dc o l l e c tt h es p e e db yas p e c i a ls p e e ds e n s o ri nt h i sp a p e r s ，a n d r e s t o r et h ed a t ai nt h ea r r a yf o r m ；w ec o l l e c tt h es w i t c h s i g n a l sb ya h i g h - s p e e dl i g h t e l e c t r i s i t yc o u p l e ds h i p ，a n dw ep u tt h e8s i g n a lm e n t i o n e d i nt h i sp a p e r si nac h a rt y p ed a t af o r m ，e a c hb i to ft h ec h a rd a t as t a n d sf o ra c e r t a i ns i g n a l ；w et a k et h enc o s _ i ia st h eo p e r a t i o ns y s t e mo ft h em a i n p a r t m e n t so ft h er e c o r d e r w et a k et h ef a m o u ss o f t w a r em a t l a ba st h e d a t aa n a l y s i ss o f t w a r eo ft h eu p m a c h i n e ，t h ed a t ai n p u tf r o mt h eu a r t t o t h eu pm a c h i n e ，r e s t o r e di nt h em a t l a b f i l e s ，t h ed a t aw i l lb ep r o c e s s e d b yac e r t a i np r o g r a ma n dt h ev e h i c l et r a c kw i l lb ed i s p l a y e db yc u r v em a d e b y t h em a t l a b 7 4w h e n n e s s e s s a r y t h e s y s t e m i n c l u d et h ed a t a c o l l e c t i n g ，d a t as t o r i n g a n dd a t a d i s p l a y i n g t h es y s t e m s h a r d w a r e c o m p l e st h e $ 3 c 2 4 4 0 a , m 新型汽车行驶记录仪的设计 m a x 3 2 2 2 ( 1 e v e ls w i t c h i n gi c ) ，n a n df l a s h ，n o rf l a s h ，s d r a m ， a t 2 4 c 0 2 ，a m s l l l 7 ，t f tl c d ，t h er e s e tc i r c u i t ，a n dt h es w i t c h i n gs i g n a l c a p a t u r ec i r c u i t s t h es c h e m a t i cd i a g r a ma n dp r i n t e dc i r c u i tb o a r da r e d e s i g n e db y p r o t e ld x p 2 0 0 4 t h e s y s t e m s s o f t w a r ei n c l u d e st h e e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e mu c o s i ia n du p p e rm o n i t o rd a t aa n a l y z i n g s y s t e m t h ed a t ac o n l e c t o rc i r c u i tw a sp a r to ft h em c u e x t e n dc i r c u i t s p a r to ft h ed a t as t o r i n ga n dc o l l e c t i n gu s e di i cb u s t h ed a t aw a ss t o r e di n t h en a n df l a s ha n dt h ee e p r o m t h e 册二c dw o u l dd i s p l a yt h e d a t aa n y t i m ew h e nw o r ka n dc a nb ed o w n l o a d e dc o n v e n i e n t l y w es h o w e dt h er e s u l to fd e b u g g e dt h es y s t e mw h e nw ea r ed e s c r i b i n g t h es p e c i f i cd e s i g np r o c e s so ft h i sp a p e r s ，g o tt h ed a t af r o mt h eu a r t , a n d u p l o a d d e dt h ed a t at ot h eu p p e rm i n t o rs o f t w a r e ，a n a l i z e dt h ed a t ai nt h e s o f t w a r e ，t os h o wi t sf e a s i b i l i t y k e y w o r d s ：v 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 , d a t ac o l l e c t i n g ；d a t as t o r i n g ； t f r _ l c d ；f e a s i b i l i t y i v 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 目录 1 1 1 汽车行驶记录仪概述1 1 2 记录仪研究的历史背景及其应用状况1 1 2 1 记录仪研究的历史背景1 1 2 2 记录仪在国内外的应用状况2 1 3 记录仪的技术发展现状3 1 4 本课题研究的主要内容和意义6 1 5 第二章 1 4 1 本课题研究的主要内容。6 1 4 2 本课题研究的意义8 本章小结9 记录仪的硬件系统设计1 0 2 1 记录仪系统的设计概述。1 0 2 1 1国标关于记录仪的相关规定简介1 0 2 1 2 系统的部分功能模块简介1 1 2 1 3 系统的硬件原理图1 2 2 2 硬件系统的设计1 3 2 2 1 微处理器部分1 3 2 2 2电源电路1 6 2 2 3 复位电路。1 7 2 2 4 开关量信号采集电路1 8 2 2 5 车速信号采集方案1 9 2 2 6 内存电路2 0 2 2 7 静态数据存储电路2 3 2 2 8 显示器电路2 6 2 2 9 串口电路2 9 2 2 10e f r r o m 存储电路3 1 2 2 1 1 蜂鸣器电路3 1 2 3 本章小结3 3 第三章嵌入式系统软件平台设计。3 4 3 1 嵌入式系统软件平台的设计概述3 4 3 2 系统软件平台设计流程3 5 3 2 1 软件平台设计的框架结构3 5 v 新型汽车行驶记录仪的设计 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 第四章 4 1 4 2 4 3 4 4 4 5 4 6 第五章 启动代码b o o t l o a d e r 移植。3 6 3 3 1 启动代码移植流程3 6 3 3 2 系统启动的切入点3 6 u c o s 操作系统的移植4 2 汽车行驶数据的存储4 4 3 5 1e e p r o m 的存储操作4 4 3 5 2n a n df l a s h 架构和使用。4 9 3 5 3 存储的数据组织结构5 7 3 5 4 汽车行驶数据存储流程图。5 8 汽车行驶数据的显示5 8 本章小结6 4 上位机数据处理软件设计。6 5 上位机数据处理软件设计概述6 5 记录仪主机上传数据6 5 串口数据的处理6 7 m a t l a b 下编程提取数据6 7 在m a t l a b 下生成的图形6 8 本章小结7 0 结论与展望7 l 5 1 结论7 1 5 2 展望7 1 参考文献 致谢 攻读硕士期间所发表的学术论文 7 3 7 5 7 6 江苏大学硕士学位论文 1 1 汽车行驶记录仪概述 第一章绪论 汽车行驶记录仪( 以下简称记录仪) 是一种能够对车辆行驶速度、时间、里 程以及有关车辆运行的其他状态信息进行记录的装置。欧盟、日本等国家早在2 0 世纪7 0 年代就开始以立法的形式在部分客运车辆及货车上强制安装使用记录仪， 我国从2 0 世纪8 0 年代后期开始，在少数地区也曾经试用过由国内一些科研机构 及企业自主研制的数字式记录仪。国内外的使用情况表明，记录仪为国家行政 管理部门提供了有效的执法依据、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，其使用对保障道路交通安全起到了直接作用。 1 2 记录仪研究的历史背景及其应用状况 1 2 1 记录仪研究的历史背景 公路交通一方面为现代化社会创造了不可估量的财富，另一方面，不断增长 的交通事故也给社会造成了巨大的财产损失和大量的人员伤亡。从1 9 9 9 年后的统 计数据可以看出：我国道路交通事故及其死亡率呈逐年上升的趋势。据公安部部 门统计，1 9 9 9 年我国道路交通死亡人数为8 3 5 万人，2 0 0 0 年死亡9 3 9 万人，2 0 0 1 年死亡1 0 5 9 万人，2 0 0 2 年死亡1 0 9 4 万人。由于近几年来汽车行驶记录仪的使用， 使得交通事故死亡率逐年下降：2 0 0 3 年死亡1 0 4 4 万人，2 0 0 4 年死亡9 9 2 万人， 2 0 0 5 年死亡9 8 7 万人，2 0 0 6 年死亡8 9 5 万人。自1 9 8 0 年以来，因交通事故直接 造成死亡人数高达1 0 8 万人。我国的“万车死亡率 也大大高于西方发达国家。 法国的“万车死亡率为2 5 ，美国为2 ，日本为1 3 ，而我国高达1 5 4 5 。造成这 种差距的原因除了道路条件、车辆性能、交通安全设施和驾驶员综合素质等，另 一个重要的原因就是在道路运输管理中缺乏有效的手段和管理模式。 各级交通部门面临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，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。由于记录仪能够实时 新型汽车行驶记录仪的设计 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t 2 l 。 借助g p s 全球定位系统，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监控中心实现实时信息交换，监控中心还 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，并可以提供各种相关服务信息1 3 1 。同时，记录仪可以根据获得的参数为驾 驶员提供如超时、超速、防盗、紧急车况等预警信息服务，也可将被盗、遭劫信 息实时传输到监控中心，由监控中心对车辆实施远程控制并报警，为人员和车辆 提供安全保障。 1 2 2 记录仪在国内外的应用状况 ( 1 ) 记录仪在我国应用发展情况 目前各地正在积极推进汽车行驶记录仪安装使用和监管工作，上海、广州、 深圳、西安、哈尔滨等地还将g p s 卫星定位系统与汽车行驶记录仪组合使用，在 网络的强大支持下，实现实时跟踪监控，使道路交通事故逐年下降。 当前推进汽车行驶记录仪安装使用和监管工作存在以下主要问题：从社会宏 观层面上看，汽车行驶记录仪安装使用和监管工作还缺乏法律、法规的依据和支 持。现行汽车行驶记录仪国家标准仅是推荐性标准，缺乏相关法律、法规的有力 支持。这是当前此项工作进展缓慢的主要原因。从企业微观层面上看，汽车行驶 记录仪的生产行为和使用范围不规范，产品质量不稳定，功能不统一，故障率较 多，安全防护性能差，售后维修服务不完善。这对推进此项工作形成一定的障碍。 从经济角度看，目前汽车行驶记录仪产品市场价格较高，安装后加大了企业运营 成本，也影响企业安装使用的积极性。有的产品如加上g p s 、语音通信、图像拍 摄等功能集成，其产品价格达8 0 0 0 - 1 0 0 0 0 元。从使用的方面看，部分运输企业 对汽车行驶记录仪的使用和管理不规范，有的流于形式；而公安交管部门目前还 未制定路面执法相关配套的管理制度和办法。从宣传角度看，对交通运输企业及 驾驶员的宣传工作不到位，对汽车行驶记录仪的使用和管理有利于防范事故发生， 增强行车安全意识的重要性认识不够。 2 江苏大学硕士学位论文 ( 2 ) 记录仪在国外的应用情况 汽车行驶记录仪制造和应用的发源地在欧洲1 4 1 。早在2 0 世纪2 0 年代，行驶 记录仪便伴随着汽车里程表而诞生，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一台纸盘式行驶记录仪，至今已有7 0 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 推行纸盘式行驶记录仪。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6 个成员国强制推行行驶记录仪。1 9 9 2 年欧 盟成立，原欧共体有关记录仪应用的各项法规继续有效t 5 1 0 目前，欧盟已制定颁 布了分别规范驾驶时间、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。而在美国、巴西等国，商用 车若没安装行驶记录仪则不可以使用公共道路。 欧美国家使用行驶记录仪后，交通事故显著下降。从1 9 7 0 年欧共体开始全面 强制使用记录仪以来，德国客运、货运道路交通事故发生率一直呈下降趋势。如 德国1 9 7 0 年货车平均每5 0 万公里发生一起事故，到2 0 0 0 年下降为每行驶1 6 0 万 公里发生一起事故，事故发生率降低了2 2 0 ；客车从1 9 7 0 年的每4 0 万公里发生 一起事故，到2 0 0 0 年下降为每1 0 0 万公里发生一起事故，事故发生率降低了1 5 0 。 欧盟规定将从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 3 记录仪的技术发展现状 随着现代科技的迅猛发展，记录仪产品技术也迅速更新，一些前沿技术开始 在记录仪上扩展应用，从大的方面来说，典型应用技术如下： ( 一) 无线局域网通信技术 随着无线局域网技术的发展，基于8 0 2 1 1 通信协议的无线通信技术开始应用 于记录仪，通过无线局域网通信模块，记录仪与无线基站进行数据通信，再经过 3 新型汽车行驶记录仪的设计 i n t e r a c t 网络传输，上级主管部门能迅速获取车辆行驶数据。含无线局域网通信功 能的记录仪的技术优势在于数据采集的便捷性，一般在5 秒以内，基站便能完成 对记录仪数据的采集。同时，除终端和基站建设成本外，不产生其他通信费用， 使用成本低。受通信标准等技术条件制约，目前应用无线局域网通信技术的记录 仪产品尚不具备大范围应用条件，主要在部队和部分中小运输企业内部使用。在 后续环节，其抗干扰能力和通信数据安全性等技术保证将是制造商开发和用户使 用关注的重点。 ( 二) 移动通信技术 基于实时监控的需要，大部分具备卫星定位功能的记录仪均同时配置了基于 p r s 或c d m a 等移动通信网络的无线通信功能，目前主流形式是通过g p r s 通信。 具备卫星定位和移动通信功能的记录仪，能与车辆控制中心进行实时通信，一方 面，通过数据交换，控制中心可实现对卫星定位、移动通信技术应用原理图车辆 的监控调度；另一方面，通过对记录仪数据的读取分析，控制中心可实时监督驾 驶人驾驶行为。通过移动通信技术进行数据传输的局限性主要是受通信带宽的限 制，通信效率低，多用于小容量数据( 如车辆位置、超速行驶、疲劳驾驶信息等) 的传输，同时用户需承担一定通信费用，如以g p r s 包月方式计，每辆车每月约 需人民币2 0 元的使用成本。 ( 三) 卫星定位技术 卫星定位的基本原理是将高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采 用空间距离后方交会的方法，确定待测点位置。利用该技术，车辆在安装卫星定 位终端后，以所在位置作为待测点，便能获取表征位置的坐标信息。记录仪应用 过程中，因交通运输部门和营运企业对车辆行驶位置管理的需要，逐步出现了带 卫星定位功能的记录仪产品，在我国部分地区安装使用。目前我国记录仪上使用 的g p s 终端接收机均采用美国的全球定位系统( g p s ) 的支持模块。增加了卫星 定位功能的记录仪的技术优点：一是拓展了记录仪数据记录范围，通过对位置数 据的解析回放，分析车辆的行驶轨迹，结合其它记录数据，可直观再现车辆行驶 过程。二是利用定位信息实时更新的特点，实时检查记录仪的实时时间等参数， 在授权基础上适时调整，相对减轻了管理成本。三是利用g p s 信号分析车辆行驶 速度，可作为记录仪传感器速度信号的补充。同时，卫星定位功能在应用上也存 4 江苏大学硕士学位论文 在一些不足，一是定位信号易受干扰，g p s 信号易产生失真或突变，需进行甄选 处理。基于此，g p s 信号不能直接作为判断超速、疲劳驾驶的依据。二是降低了 主机抗干扰能力。为保证接收效果，在用卫星信号接收天线均采用外置式，通过 导线连接主机，增加了干扰传输途径，在硬件设计时须同时考虑抗干扰措施。 ( 四) 控制器局域网总线技术 控制器局域网总线简称c a n b u s ( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k - b u s ) ，是最早由德 国b o s c h 公司为解决现代汽车中的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一 种数据通信协议，主要用于车上各种传感器数据的传递。记录仪所记录的各种数 据也属于c a n b u s 所涵盖的数据范围。随着c a n b u s 在国内的推广应用，部分 记录仪制造厂商将c a n b u s 模块在记录仪上集成，开始在部分中高档客货车辆上 安装使用。应用c a n b u s 技术记录仪的技术优势：一是拓展数据范围。通过总线 的数据共享，记录仪可采集到车辆内其他c a n 设备( 如发动机、制动系统等) 的运 行状态，增加了数据记录内容，为事故分析等增加数据支持。二是监测车辆运行 技术状态。用户可通过记录仪的显示器实时查询各种c a n 信号，分析车辆运行状 态，诊断故障类型，保证车辆运行安全。三是减少电气布线。在安装时直接减少 灯光等状态信号连接导线和熔断器等电器部件，简化安装过程，提高了电气安全 性。在现代汽车的设计中，c a n b u s 已经成为必选装置，奔驰、宝马等高端汽车 产品都采用了c a n b u s 技术。但我国c a n b u s 技术应用尚处于起步阶段，目前 国内汽车车型众多，硬件配置不一，商用车控制系统局域网络( c a n 总线) 通 信协议等指导性标准也在制订过程中，应用c a n b u s 技术的记录仪仅能在少量 车型上专配使用。待应用条件成熟时，记录仪对c a n b u s 通信要求也将成为产品 的标准要求。 从前人所做的论文可以看出，前人所做的课题很大一部分是将上述技术添加 到记录仪的功能上。本课题旨在参考国标要求，力图为主机系统部分和上位机数 据处理部分的设计开辟新的设计方法，使得系统的可靠性提高，实时性得到满足， 设计的重复劳动减少，设计的成本更低，设计的可操作性加强，本论文并不对上 述的各种新技术进行堆积或者叠加在记录仪上，当然也不是否定以上新技术，简 言之：先搭好“舞台 ，再来唱“好戏 ! 搭建好记录仪这个“舞台 ，后面可以不 断安排各种“好戏 各种新兴技术1 5 新型汽车行驶记录仪的设计 1 4 本课题研究的主要内容和意义 1 4 1 本课题研究的主要内容 本课题研究的主要内容：对记录仪整个系统( 软件和硬件) 进行全新的设计， 对记录仪的关键技术提出新的解决方案和设计方法，力图提高系统性能，使得系 统工作更加高效，更加有序，更加可靠。 在论文的总体布局上，本章将着重讲述本课题所要研究设计的记录仪的基本 工作原理，主要创新的地方，所要解决的主要问题，本课题的主要目的和意义， 随后的章节内容着重于论述解决一些关键技术问题的更为详细和具体的设计步骤 和方法等内容。后面所有的设计方法都遵循：设计的可行性，设计的需要和设计 的成本等方面的因素进行。在课题最后将展示部分实验以对以上关键技术进行初 步的事实论证。 记录仪设计的关键技术有硬件方面和软件方面，核心是要解决成本问题和使 得系统高效地可靠地进行正常工作，具体说来主要包括以下几个方面： 记录车辆行驶速度：以0 2 秒的采样间隔采样到的瞬时速度信号，每分钟的平 均速度数据，自车辆停驶前1 5 天内的行车时间每分钟的速度值，自车辆停驶前1 5 分钟内的每分钟的平均车速，自车辆停驶前2 0 秒内每0 2 秒的瞬时速度值，以及 对这些速度值的存储技术和访问技术，记录的数据非常多，所以怎样存储和访问 数据，以何种类型存储器存储数据以降低成本是比较关键的。 开关信号记录：如何记录，以及如何采集，保存和读取访问这些信号等是比 较关键的技术，因为这些信号是借以判断驾驶员行为的关键参考数据，其中特别 是采集信号的电路设计。 记录仪的主体软件部分设计：这也是设计的一关键方面，因为记录仪工作时 要处理的事务比较多( 虽不及计算机处理的任务多) ，而且任务重要性非常高，对 时间要求比较苛刻，即实时性要求特别强，需要一种能保证其可靠工作的操作系 统的支持，传统的单片机的一个主函数不断进行死循环，通过几个中断方式来处 理任务无法满足如此繁多的任务和对实效性要求如此之高的任务系统，另一方面， 这样的操作系统不能太大，太大了成本非常高，不实用，而且要求记录仪的操作 系统的实效性响应要比较好。 6 江苏大学硕士学位论文 上位机数据处理软件部分的设计也是一个关键的技术：记录的数据最终要能 够显示和表达出车辆的行驶状况和反应出驾驶员的驾驶行为等，同样需要开发出 新的软件进行支持，但是如若开发一个新的软件系统( 通常采用v i s u a lb a s i c 或者v i s u a l c + + 实现) ，设计成本增加，且通用性不好，因此如何设计一个更加 通用和可靠的数据处理软件也是设计记录仪很关键的一个问题。 针对以上几个关键技术问题，本文采用以下方案进行解决，解决这些关键技 术问题也就成为了本论文主要关心和涉及到的的主要内容，也即是本论文研究的 主要内容了。论文的第二章，第三章以及第四章将详细的论述解决这些问题的设 计方法和步骤。 解决关键技术问题的方案具体如下几个方面所示： 对记录仪的主机系统结构( 包括硬件和软件部分) 进行创新设计，对上位机 的处理软件也进行了灵活的处理，使得上位机软件的开发工作量减少了很多，无 需编写多少代码即可实现对主机系统的数据进行处理。具体说来如下： ( 1 ) 系统的主机系统的硬件部分方案设计： 考虑到先期的基于单片机系统有其固有的局限性( 例如：5 1 单片机最大可以 寻址1 6 位，即其可寻范围为0 x 0 0 0 0 - , 0 x f f f f ，共6 4 k b 的物理空间，不方便安装 操作系统进行工作，如若将操作系统进行裁剪，则部分功能将丧失，不利于往后 的升级工作，故单片机系统通常不能满足加载越来越复杂的系统的要求) ，系统主 要采用了能够安装操作系统的a r m 系列微处理器，c p u 位s a m s u n g 公司的 a r m 9 系列的$ 3 c 2 4 4 0 a ，这一高速处理器将极大地改善和满足系统苛刻的实时性 要求。为满足庞大的数据的存储要求和兼顾降低成本的考虑，采用与非n a n d 闪 存存储器n a n df l a s h ，关于这一硬件的特点将在后面有专门的详细介绍。 开关信号的采集电路设计采用光电耦合是比较理想的选择，同时，本论文对 成熟的这一电路进行了稍微的改动，这一改动经试验比较，较原有电路输出的信 号稳定可靠，抗干扰性略有改善。 同时为加速操作系统的运行速度，采用了s d r a m 内存系统，数据的存储采 用了多种方式，液晶显示器模块部分采用了r r i 叮类型的l c d 。另外，a r m 系统 电路的结构设计较为成熟，通常结构框架大同小异，仅部分硬件的类型不同，本 课题所设计的a r m 系统电路参考了前人所设计的系统架构图，采用此方案有利于 7 新型汽车行驶记录仪的设计 加速系统的开发。 ( 2 ) 系统的软件部分： 考虑到记录仪对时间的要求较为苛刻( 国家标准要求系统对速度的采样间隔 时间不得高于0 2 s 每次) ，并且系统要处理的信号会越来越多，所以本文采用实时 操作系统，且为开源的u c o si i 操作系统，这一操作系统比较经济，因为是开源 的，不需要付费，更强的实时操作系统是美国风河公司的v x w o r k s 操作系统，但 是使用这一系统需要付出高昂的版权费等。其它的实时性操作系统有w i n c e ， s y m b i a no s ，r t l i n u x 等，而其它的诸如l i n u x ，w i n d o w s ，u n i x ，u c l i n u x 等都不属于实时操作系统，该系统的特点请读者参考l i n u x 的相关书籍介绍。 其中要特别指出：u c o su 操作系统的本质特点是至关重要的，这一系统是 以单任务运行，以抢占任务的方式执行各项任务，这是区别于其它操作系统的最 明显特点，这一特点决定了它优于其它操作系统的根本标志，也是本课题创新的 特点的一个重要方面。 论文中对u c o si i 操作系统所做的工作主要工作是移植整个操作系统，安装 操作系统任务，以及任务的调度安排等。其中软件部分的设计还包括启动代码 b o o t l o a d e r 的移植操作，b o o t l o a d e r 的作用是告诉c p u 有哪些设备需要工作，要什 么样的时钟频率等信息，所以不同的硬件系统对应于不同的启动代码。系统启动 完成以后将控制权交给操作系统，操作系统现完成初始化等操作，然后跳转到相 应的任务函数执行具体的任务，并能在各种任务之间进行切换，同一任务亦可在 不同的状态现进行切换。 ( 3 ) 记录仪的上位机数据处理软件部分： 直接采用m a t l a b 软件作为上位机数据处理软件进行数据的分析处理，方法 为将数据通过串口导入到p c 机，保存到m a t l a b 目录下，编程读取该文件， 提取数据，从而输出相应的曲线特征。所需代码非常少，却能很好地实现所需要 的功能，大大的减少了开发成本，便于加速系统的开发，这一方案相信可以极大 的加速产品的开发速度，降低成本，希望以后的设计者可以在这方面作更加深入 的探讨。 1 4 2 本课题研究的意义 记录仪的安装使用为国家行政管理部门在保障道路交通安全、预防、处理道 8 江苏大学硕士学位论文 路交通事故等执法行为中提供了有效的工具；为广大运输企业提供了理想的营运 管理工具；为驾驶员提供了其驾驶活动过程的真实反馈信息，从商业的角度讲， 由于对驾驶员连续驾驶时间有统一、明确的限制，使用记录仪还为各种运输经营 活动提供了公平的竞争环境。具体作用包括三个方面：m 1 ( 1 ) 记录驾驶员交通违章 情况，预防事故发生：针对超速、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车速和连续驾驶时间，可利用这些 数据对驾驶员的安全行驶情况进行全面、长期、不间断的监控，达到减少违章和 预防事故的目的；( 2 ) 为科学分析和处理交通事故提供数据支持：汽车行驶记录 仪能够记录车辆发生事故前的车速、时间、减速制动情况，能为交通事故的处理 提供准确数据，该数据用于配合交通事故现场勘察取证，用数据公正判断事故原 因和责任，提高交警的工作效率，有效保护车主、司机的合法权益；( 3 ) 有利于 车主单位科学管理车辆，提高经济效益：汽车行驶记录仪能实时监控车辆的行驶 状况，统计出一个月内每天的出车时刻，收车时刻、行驶时间、行驶里程、累计 行驶里程，方便车主单位掌握本月车辆的使用情况，以便加强对车辆的合理使用， 提高经济效益。 有鉴于上述记录仪的重要性，期望通过本课题的研究对记录仪的技术发展起 到添砖加瓦的作用，也期望能对后人研究记录仪的开发提供一定的参考价值。这 正是本课题的意义之所在。 1 5 本章小结 本章节主要讲述了记录仪的作用，记录仪的研究历史背景，本课题研究的主 要内容和意义，以及记录仪在国内外的应用状况，记录仪的技术发展现状，趋势 等内容，特别是关于记录仪设计的关键技术方面以及解决的这些关键技术的方法 等进行了较为深入的探讨和分析，对新兴技术进行客观分析，肯定新兴技术在记 录仪上的不断应用的发展趋势，更强调随着这些技术的不断应用，系统要处理的 任务越来越艰巨和繁重，系统的实时性要求也越来越苛刻，系统工作的可靠性要 求越来越高，所以本文的立意就是要打造好一个平台，使得这一平台发挥着让其 它技术融合到记录仪的一个桥梁或者媒介的左右，让未来有更多的新兴技术都能 在这一平台绽放光彩! 课题对这一“平台 的一些关键技术提出了新的解决方案。 9 新型汽车行驶记录仪的设计 第二章记录仪的硬件系统设计 2 1记录仪系统的设计概述 2 1 1国标关于记录仪的相关规定简介 根据汽车行驶记录仪国家标准g b 厂r1 9 0 5 6 2 0 0 3 ，汽车行驶记录仪主要由如下 几部分组成：主机，数据分析软件，车速传感器，其中主机部分又包括微处理器、 数据存储器、实时时钟、显示器、操作键、打印机、数据通信接口等装置。如果 主机本体上不包含显示器、打印机，则应留有相应的数据显示和打印输出接口。 国标关于记录仪的定义：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电子记录装置。 其中记录仪的基本功能包括以下几个方面： 自检功能 记录仪在通电开始工作时，应首先进行自检，自检发现正常后应以绿光闪信 号或显示屏显示方式指示工作正常，如有故障则应以红色闪信号或显示屏显示方 式指示故障信息。 数据采集、记录和存储功能 能够对实时时间、日期、驾驶时间、车辆行驶速度、行驶里程等数据进行测 量、记录和存储，并保证存储数据在较长时间内不丢失。需要被采集的输入信号 包括三类：模拟信号输入、数字信号输入以及开关量信号输入。 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，实现驾驶员身份的正确确认。 数据显示 记录仪的显示能够准确显示车辆行驶的各种信息，包括实时行驶速度、实时 时钟、实时车速等信号。 操作按键 操作按键设置应能满足使用要求，并应在对应的位置标出各按键名称，使用 按键不能对速度、时间、里程等原始数据进行修改、删除。 数据通信功能 1 0 i-。一 江苏大学硕士学位论文 记录仪同时配置标准u s b r s2 3 2 接口。 数据打印输出功能 掉电保护功能 这一功能的实现可通过配置一备用电池的方式解决。 报警功能 这一功能比较容易实现，配置一蜂鸣器和驱动放大电路即可解决，详细请看 后面的硬件设计部分。 记录仪的基本工作原理叙述如下： 记录仪组成包括三大部分主机系统部分、上位机数据分析软件部分、车 速传感器部分，三大部分相互协调进行工作，具体说来，主机系统部分的任务最 多，也最为重要，上述记录仪的基本功能基本是在主机系统实现的，它接受的输 入信号有各种开关量信号( 如车灯信号，刹车信号，转向信号等) ，