（计算机应用技术专业论文）汽车行驶状态记录仪的研究与实现.pdf

摘要 摘要 汽车行驶记录仪是一种特殊的数字式电子记录装置，它可以对车辆行驶速度、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，然后通过u s b 和r s 2 3 2 接口实现数据 输出。汽车行驶记录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，并为执法人员进行事故的分析、处理提供科学、忠实 的原始数据，因此在交通运输管理中发挥着十分重要的作用。针对目前汽车行驶记录仪的 研究现状，本文设计和实现了一种基于5 1 单片机的汽车行驶记录仪，该汽车行驶记录仪具 有实时性好、可靠性商、价格低廉等特点。 本文首先介绍了汽车行驶记录仪的研究背景和发展现状，并分析了记录仪系统需求， 制定了记录仪由数据采集子系统、数据存储子系统和通信接口予系统三部分构成的总体结 构。 然后介绍了记录仪系统的硬件总体结构设计，具体阐述了各个功能模块的硬件电路设 计和实现方法。这些功能模块主要包括：电源，实时时钟，数据采集，数据存储，数据通 讯和人机交互。 最后在软件设计部分，根据记录仪各个模块的功能，详细描述了记录仪系统各个任务 的设计流程。重点描述了u s b 通信的实现：利用s l 8 1i h s t 实现u s bh o s t 功能，通过优盘方 便快捷地读取记录仪中数据，然后再由p c 软件进行分析。对u s bh o s t 中的关键技术：u s b 设备枚举、b u l k e o n l y 传输协议以及f a t l 6 文件系统的实现做了较详细的说明。 在整个系统的设计中，软硬件系统设计均采用了抗干扰措施，提高了系统的可靠性、 稳定性和抗干扰能力。 在本文最后对所做的工作进行了总结，并提出本次设计需要改进之处及对汽车行驶记 录仪未来的展望。 关键词：汽车行驶记录仪；单片机；c 5 1 ；u s b ；固件编程 a b s t r a c t a b s t r a c 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 sas p e c i a ld i g i t a le l e c t r o n i cr e c o r d e rw h i c hu s e dt o a c q u i r ea n ds t o r ev e h i c l e st r a v e l i n gs p e e d ，t i m e , d i s t a n c ea n do t h e rr e l a t e ds t a t u si n f o r m a t i o n ， a n dt h e nt r a n s m i td a t av i au s ba n dr s 2 3 2i n t e r f a c e t h eu s eo fv e h i c l et r a v e l i n gd a t ar e c o r d e r c a r ln o tm e r e l yh a l tt h eb r e a ki nt r a f i cr u l e sa n dr e g u l a t i o n s , r e s t r a i nt h ed r i v e r sf r o mb e i n gd r i v e a tb a dh a b i t ，a n dc a l lp r e v e n tt h et r a f f i ca c c i d e n te f f e c t i v e l y , i tc a l la l s oo f f e rs c i e n t i f i c , f a i t h f u l i n i t i a ld a t af o rt h et i p s t a f f sc a r r i e so nt h ea c c i d e n t s s oi tp l a y sav e r yi m p o r t a n tr o l ei n t r a n s p o r t a t i o nm a n a g e m e n t a i m r n i n ga tt h ea c t u a l i t yo ft h ev t d rr e s e a r c h ，av t d ri s d e s i g n e di n t h i sp a p e rw h i c hb a s e so nt h e5 1 m c u i ta l s oh a ss o m ec h a r a c t e r i s t i c ss u c ha s r e a l t i m e , h i g hd e p e n d a b i l i t ya n dl e s sc o s t f i r s t ，v t d r sb a c k g r o u n da n dr e s e a c ha c t u a l i t ya r ei n t r o d u c t e di nt h ep a p e b ya n a l y z e dt h e s y s t e mr e q u i r e m e n to fv t d r ，t h es y s t e mi sc o n s i s t e do fd a t aa c q u i s i t i o ns u b s y s t e m ，d a t a s t o r a g es u b s y s t e ma n dc o r r e s p o n d e n c ei n t e r f a c es u b s y s t e m ， a n dt h e n ，h a r dw a r ef r a m e w o r ki si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r a n dt h em e t h o d si nw h i c he v e r y f u n c t i o nu n i t so ft h er e c o r d e ri sd e s i g n e da r ea l s od i s c u s s e d t h o s ef u n c t i o nu n i t sm a i n l yi n c l u d e p o w e rs u p p l y , r e a l t i m ec l o c k , d a t ac o l l e c t i o n ，d a t as t o r e ，d a t ac o m m u n i c a t i o n , h u m a na n d m a c h i n ei n t e r f a c e a tl a s t ，i nt h ep a r to fs o f t w a r ed e s i g n ，t h ef l o wo fe v e r yt a s k ss o f t w a r ei sd e s c r i b e di nt h e p a p e r , b a s e do nt h ef u n c t i o n so fv t d r i tm a k e su s eo fs l 8 1 1 h st o r e a l i z eu s bh o s t f u n c t i o n ，g e t st h ed a t af r o mr e c o r d e rc o n v e n i e n t l ya n ds w i f t l yt h r o u g hu d i s k h a v ed o n em o r e d e t a i l e de x p l a n a t i o ni nt h ek e yt e c h n o l o g yo fu s bh o s t s u c ha se n u m e r a t i n gd e v i c e , b u l k o n l y t r a n s m i t p r o t o c o l a n df a t i6f i l e s y s t e m o t h e r w i s e ，s e v e r a l m e a s u r e so f a n t i - j a m m i n ga r ea d o p t e d i nt h ep r o c e s so f h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n i n g f i n a l l y , s u m m a r i z et h ea l ld e s i g n , p o i n to u tt h a tn e e d e di m p r o v e m e n tt h ep r o s p e c to ft h e f u t u r eo f 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 k e y w o r d s ：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 ；s i n g l ec h i pm i c r o c o m p u t e r ；c 5 1 ；u s b ； f i r m w a r ep r o g r a m m i n g 第一章绪论 第一章绪论 随着我国交通建设持续快速的发展，社会车辆的急剧增多，道路交通安全形势相当严 峻，运输企业规模与管理等级的进一步提高，道路交通安全管理及运输企业内部管理问题 越来越成为行业关注的焦点。 汽车行驶记录仪( v e h i c l et r a v e l l i n gd a t ar e c o r d e r ) ，亦称“汽车黑匣子”，是 安装在车辆上，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屯子记录装置。 汽车行驶记录仪能完整、准确地记录汽车行驶状态下的有关情况，能将汽车行驶轨迹 完整记录，并通过专用软件在电脑上再现，对遏止疲劳驾驶，车辆超速的违章、约束驾驶 员的不良行为，分析鉴定事故，提高交通的管理执法水平和运输管理水平、保障车辆运行 安全也有着重要的实际作用及意义。 1 1 国内外汽车行驶记录仪发展的状况 早在2 0 世纪8 0 年代，发达国家就开始安装使用汽车行驶记录仪。其中，欧共体己在 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 车必须安装行车记录仪；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。”这一立法 要求欧洲的1 5 个成员国在l o 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 法很快在美国引起效仿。 1 9 9 8 年，马来西亚内阁会议决定，强制使用汽车行驶记录仪。以日本为例，日本的法 律规定，拥有5 辆以上汽车的运输单位必须配备一名专职安全管理人员，以后每增加2 0 辆汽车必须增加1 名安全管理人员。这些安全管理人员的一个重要职责，就是监督使用汽 车行驶记录仪。安全管理人员通过定期采集和分析行驶记录仪的各种数据，可以完整，准 确地判定每辆车在每一时刻的运行状况，以此加强企业的安全生产管理。 2 0 0 1 年l o 月2 4 日，交通部、公安部、国家安全生产监督管理局共同发布了关于加 强公路客运交通安全管理的通告，为明确长途客车应当使用行驶记录仪奠定了坚实的基 础。 自2 0 0 1 年以来，交通部交规划发 2 0 0 l j 2 6 8 号发布的公路行业产业政策、交公路发 2 0 0 2 1 2 2 6 号和交公路发 2 0 0 2 1 4 1 8 号文件等分别要求利用全球定位系统( g p s ) 以及行车记 录仪对运输全过程进行跟踪，尤其是长途客运车辆、危险品运输车辆和旅游客运车辆要逐 步采用6 p 8 行车记录仪，以确保运输安全。 第一章绪论 2 0 0 3 年国家质量监督检验检疫总局发布并实施了g b t 1 9 0 5 6 - 2 0 0 3 汽车行驶记录仪 国家标准。该标准对汽车行驶记录仪的各项性能、试验方法、检验规则及安装作了详细的规 定。 2 0 0 4 年1 2 月1 0 日，在第二届中国智能交通论坛期间，1 l 家汽车行驶记录仪厂家于 深圳正式签字成立中国汽车行驶记录仪联盟。联盟初步成立后，行业内一些具有实力的厂 家继续加盟。未来将在在适当时间、适当地点召开正式成立大会。行业联盟首先将在联盟 成员内解决产品的互联互通。 美国、日本、香港、马来西亚等地也在大量使用汽车行驶记录仪，我国许多大城市不 少车辆也安装上了汽车行驶记录仪。几年来的统计资料表明：使用汽车行驶记录仪，交通 事故率降低了3 7 - 5 2 ，大大减少了人员伤亡和财产损失，产生了明显的社会效益与经济 效益。 1 2 本课题的目的和意义 汽车行驶记录仪能够为驾驶员提供其驾驶活动的反馈信息，为道路运输企业提供良好 的管理工具。它的使用对保障道路交通安全起到直接的作用，可以产生显著的社会效益和 经济效益。 首先，汽车行驶记录仪在车辆超速或超时行驶时能发出报警声，督促司机安全行车。 而且，司机保持车辆中速行驶，对延长车辆使用寿命、节约燃料、减轻耗损都起到重要的 作用，可减少企业经营成本。 其次，汽车行驶记录仪能真实、准确反映车辆运行中的实际状况，记录相关的数据。 其存储的数据可作为企业加强对车辆的使用、运行、调度的科学管理的依据。 另外，汽车行驶记录仪记录的数据，对交通事故的原因和责任分析，也有一定的作用。 我国公安部为遏制日益频繁的交通事故，责成公安部交通管理科学研究所、中国公路 学会客车学会、中国航空工业第6 1 l 研究所、中国道路运输协会、中国汽车技术研究中心、 广州银宜智能交通有限公司参加起草并制定了汽车行驶记录仪的国家标准g b i t 9 0 5 6 2 0 0 3 ，并将在我国的营运车辆中运用法规强制安装汽车行驶记录仪。 因此，研制汽车行驶记录仪具有重大的现实意义。 1 3 本课题的目标和主要研究内容 1 3 1 课题的总体目标 本课题的目标是，开发符合g b t 1 9 0 5 6 - 2 0 0 3 汽车行驶记录仪国家标准的汽车行驶记 录仪。 第一章绪论 1 3 2 研究的主要内容 本课题的研究内容是基于图1 1 所示的完整的系统模块结构图。 目数据回一数吨囝 由数舯围 图1 1 下面对各个模块的功能进行说明： 电源模块：提供记录仪运行所需要的电能，有断电保护功能 时钟模块：确保时间准确 数据采集模块：采集汽车行驶过程中的相关参数，要确保采集数据的正确性。 数据处理模块：对数据进行相应的处理，是各个模块联系的纽带，也是汽车行驶记 录仪的核心。主要功能：将采集的数据转换成存储所需要的格式，控制通信模块并 为之提供数据，控制并响应人机交互模块。 数据存储模块：按照规定的格式准确地存储相应的数据，需要达到相应的数据安全 的要求。 人机交互模块：主要包括按键、显示器、打印机、提醒装置等，主要提供良好的人 机交互界面，提高汽车行驶记录仪的可操作性。 通信模块：将记录的数据导出以便数据处理软件分析，并可导入设置文件以便对汽 车行驶记录仪进行设置。 数据处理软件模块 认证模块：口令认证、i c 卡认证 整体设计：符合整体电磁兼容性，气候环境适应性，机械环境适应性，外壳防护等 级等方面的要求。 本论文的章节安排如下： 第二章，提出并实现了汽车行驶记录仪的总体设计思路；第三章，提出并实现汽车行 驶记录仪硬件设计；第四章提出并实现了汽车行驶记录仪软件设计，提出并实现u s b 通信 机制。 第二章汽车行驶记录仪总体方案设计 第二章汽车行驶记录仪总体方案设计 2 。1 仪器的功能要求及技术性能指标 根据国家标准g bt 1 9 0 5 6 - - 2 0 0 3 汽车行驶记录仪 1 的要求，汽车行驶记录仪应该 满足如下几个方面的要求。 2 1 1 电气性篚要求 由于汽车的供电系统通常为蓄电池，随着汽车行驶状态的不同，汽车放电机的输出电 压会有较大的波动；另外随着蓄电池使用年限和工作状态等的不同，其输出电压往往有一 定波动，从而影响到整个汽车的供电电压。因此，国家标准g b _ t 1 9 0 5 6 - - 2 0 0 3 要求记录仪 能够在一定的电压波动范围内正常工作。电源电压的波动范围如表2 1 所示。 表2 1电气性能试验参数单位为伏特 标称电源电源电压极性反接 电压波动范围试验电压 过电压 1 29 1 61 4 4 - 0 12 4 2 4 1 8 3 22 8 o 2 3 6 3 62 7 4 84 q - 025 4 2 1 2 记录仪的功能要求及技术性能指标 国家标准g bt 1 9 0 5 6 - - 2 0 0 3 要求记录仪应有如下功能： 自检功能； 实时时间、日期及驾驶时间的采集、记录、存储功能； 车辆行驶速度的测量、记录、存储功能； 车辆行驶里程的测量、记录、存储功能： 驾驶员身份记录功能； 数据显示； 操作功能： 数据打印输出功能； 数据通信功能。 4 第二章汽车行驶记录仪总体方案设计 2 1 3 数据安全性 记录仪应防止数据被更改或删除，应从记录仪硬件和数据分析软件系统两个方面来实 现： 1 ) 硬件上，应在记录仪主机上或其它适当的地方采取可靠安全措施( 如铅封) 防止数据 储存器等重要器件被更换； 2 ) 记录仅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； 3 ) 分析软件对车辆识别号、车牌号码、车牌分类、车辆特征系数、驾驶员代码、驾驶证 号码等重要参数，一般情况下只能读，不能更改或删除。在记录仪初始化调试、校准、 维修或其他特殊情况下需对上述重要参数进行设置操作时，需经操作授权。 2 1 4 气候环境适应性 记录仪在承受各项气候环境试验后，应无任何电气故障，机壳、插接器等_ 涵阳严重 变形：其记录功能、显示功能、打印功能等应保持正常；试验前存储的数据不应丢失或改 变。 2 1 5 机械环境适应性 记录仪在承受各项机械环境试验后，应无永久性结构变形；零部件应无损坏：应无电 气故障，紧固部件应无松脱现象，插头、通信接口等接插件不应有脱落或接触不良现象； 其记录功能、显示功能、打印功能等应保持正常；试验前存储的数据不应丢失。 2 1 6 抗汽车电点火干扰 记录仪在进行汽车点火干扰时，不应出现异常现象，记录功能、显示功能、打印功能 应正常。 2 2 系统结构 记录仪系统由下面几部分组成： 主板：包含有中央处理器、数据采集、数据存储器、实时时钟芯片、数据通信接口、 插接件及电源单元等。 面板：包含有l c d 显示器、指示灯、蜂呜器、操作按键等 5 第二章汽车行驶记录仪总体方案设计 打印机 系统采用模块化结构，面板、打印机同主板是分离的，它们通过插接件与主板连接， 这样不仅方便连接和安装，而且便于维护。记录仪系统主板上有一个u s b 口、一个r s 2 3 2 串口及两个自定义的插接件。r s 2 3 2 串口除了用作一般的串口通信之外，还用于连接打印 机，这样可以节省接口。两个自定义的插接件分别用来输入各种车辆行驶状态传感器的输 出信号和连接面板。 记录仪的总体结构如图2 1 所示 l打印机 i 电源模块 i 通信接口 lju s b 通信单元 i ii i 复位电路、电 l 1 1 5 2 3 2 横h f 1 3 i c 卡接口 源监控 ： 车辆状态信号l ，调 扩一f l 赫存储器 i 整 展 i 速度脉冲信号 一， 电 一c p u t -电 卜 路 路 一l 实时时钟 t - 主板 i i i 指示灯，蜂呜器 l c d 显示单元 f 键盘单元 i 面板 2 2 1 主板的功能与设计 图2 1 记录仪的总体结构 主板主要处理汽车行驶数据的采集、记录和长期存储，同时主板为整个记录仪提供实 时时钟、电源检测和对外通信( 串口、u s b ) 等功能，是整个系统的核心。 主板以菲利普( p h i l i p s ) 公司生产的p 8 9 c 5 1 r d 2 作为中央处理器。整个记录仪采用 并行总线的工作方式进行连接。汽车的状态信号经过调整后，通过7 4 h c 5 7 3 挂在数据总线 上；利用单片机的定时器计数器t 1 对调整后的速度脉冲进行计数，从而获得汽车行驶的 速度和里程等信息。 记录仪使用f m i s 0 8 作为扩展数据存储器，使用a t m e l 公司的4 m 基于s p i 总线访问的 d a t af l a s ha t 4 5 d b 0 4 1 作为海量存储器。单片机采集到的汽车行驶数据首先存放在f m l 8 0 8 6 第二章汽车行驶记录仪总体方案设计 中，当满足一定条件的时候，将f m l 8 0 8 中的数据保存到f l a s h 存储器中，进行长期的存 储。 “看门狗”作为复位电路可以防止单片机发生死机；系统掉电部分提醒单片机对重要 的行驶数据作保存和处理；实时时钟采用市兴威帆电子的s d 2 3 0 1 ；u s b 控制器采用c y p r e s s 公司的s l 8 1 1 h s 芯片，实现u s b 通信的功能，该芯片既可以实现u s b 主机又可以实现u s b 从机的功能，并且有较高的可靠性。整个主机部分设计体现了高性价比和安全、可靠的设 计思想。 2 2 2 面板的功能与设计 面板主要提供人机交互功能。包括指示灯( 一个电源指示灯、两个状态指示灯) ，蜂 鸣器，l c d ( 分辨率为1 2 8 6 4 ) ，键盘( 拥有1 6 个按键) 。 第三章汽车行驶记录仪硬件设计与实现 3 1 电源模块 第三章汽车行驶记录仪硬件设计与实现 电源系统是任何汽车电子设计中最重要的子系统之一，电源设计非常重要，如果电源 设计比较糟糕的话，其它单元设计无论多么完美，系统也不能正常发挥作用。整体功耗、 电源反接保护、电磁干扰和汽车起停电压脉冲干扰等都是必须考虑的因素。 3 i 1 电源模块设计概述 目前汽车电源的输出电压有+ 1 2 v ，+ 2 4 v 和+ 3 6 v - - - 种标准。在我国汽车电源的输出电压 主要是+ 1 2 v 和+ 2 4 v 。 汽车电源是由发电机和蓄电池并联组成的，负责向汽车点火系统、起动系统、灯光信 号等车载电器设备供电。由于诸多的电器设备( 灯、继电器、电机、量程表和l e d 驱动器等) 的存在和相互影响，汽车电源的供电质量一般比较差，存在较大的浪涌电流和电压波动， 整个汽车工作环境的电磁干扰也比较大。浪涌电流会给对整个汽车电源供电系统的供电质 量产生较大的影响；汽车点火的过程中，发电机输出电压会有较大的波动，这个冲击电压 甚至能够达到百伏左右。 由此可见，在电源模块的设计过程中需要考虑的问题比较多，对电气性能等方面的要 求也比较高，要综合考虑电源适应性、过电压冲击和短路保护等因素。在该记录仪的设计 过程中，主要考虑+ 1 2 v 和+ 2 4 v 电源供电的情况，电源的设计能够同时满足和兼容+ 1 2 v 和 + 2 4 v 两种标准。 3 i 2 电源方案的选择与论证 汽车的供电电压通常为+ 1 2 v 或+ 2 4 v ，而主机需要+ 5 v 和+ 3 3 v 的工作电压。因此需要 采用d c d c 变换将汽车供电电压转变为满足主机要求的供电电压。实现d c - d c 变换的方式主 要有两种：线性稳压变换和开关电源。下面将对两种d c d c 变换方法进行对比。 1 线性稳定电源 线性稳压芯片( 又称三端稳压器) 是一种最简单的电源转换芯片，基本上不要外围元 件，就可以实现d c d c 的转换。传统的线性稳压器，如7 8 x x 系列都要求输入电压要比输出 电压高2 v 一3 v 以上，否则不能正常工作：现在许多电源芯片公司推出了低压差线性稳压器 ( l o wd r o p o u tr e g u l a t o r ，简称l d o ) ，这种电源芯片的输入输出电压只要有0 2v 1 3 v 伏 的差值，就可以正常工作。 第三章汽车行驶记录仪硬件设计与实现 线性稳压电源的优点是：稳定性高，纹波小，可靠性高，并且电路简单。 线性稳压电源的缺点是：体积大、较笨重、效率相对较低。因为线性稳压电源的功率 调整管工作在线性区，靠调整管之间的电压降，来实现稳压输出。由于调整管静态损耗大， 通常需要安装散热器给它散热。线性稳压电源的功率损耗计算公式为： 忍= ( u 一u d w ) ， 其中：只一功率损耗( w ) ； u ，输入电压( v ) ； ( ，m 输出电压( v ) ： i = 工作电流( a ) r r 线性电源的工作效率的计算公式为：叩= 兰 竖1 0 0 u m 在本记录仪电源模块的设计中，由于输入电压比较高( + 1 2 v 或+ 2 4 v ) ，系统工作电流较 大，最大时需要+ 5 v 2 5 a 输出( 在打印机工作的情况下) 。如果采用线性稳压电源，电源 的工作效率将很低，可以计算得：在+ 1 2 v 电源供电的情况下，线性稳压电源的工作效率只 有4 1 7 ；在+ 2 4 v 电源供电的系统中，其效率只有2 0 8 。这样大部分的电能将被白白的浪 费，一方面不能满足节电、高效的要求，另一方面能源的损耗给散热带来了很大的困难， 而加装散热装置，则不利于电源的微型化。同时考虑到汽车电源有较大的电压波动范围， 特别是汽车电源存在较大的瞬时尖峰干扰，如果采用线性电源，其输出电压也将会产生较 大的波动，从而影响记录仪的供电质量。考虑到以上因素，本记录仪主供电模块( + 5 v ) 不 宜采用线性稳压电源，+ 3 3 v 供电模块可以考虑采用该方案。 2 开关电源 开关电源是采用脉宽调制的原理进行工作的，开关电源的调整管工作在饱和或截止状 态，因而发热量小，效率高( 7 5 以上) ，能够省掉大体积的散热装置；其输入电压的波动 范围可以比较大，输入端的绝大多数干扰都可以在电源内部被吸收或抑制，不会对输出端 产生影响，可以很好抑制一些瞬间的尖峰脉冲等干扰。 开关电源的体积小，重量轻，稳定可靠；但是，开关电源的设计要比线性稳压器要复 杂得多，如果设计不合理将会带来较大的电磁干扰和纹波干扰。在该系统中如果采用开关 电源，可以提高电源的工作效率，缩小电源的体积，便于整个产品的微型化；能够很好的 满足宽电压范围( 汽车电源的电压波动范围较大，例如：在+ 1 2 v 系统中电压的波动范围在 十9 v - + 1 6 v ，在+ 2 4 v 的系统中电压的波动范围在+ 1 8 v 一+ 3 2 v ) 的要求。通常情况下，采用合 理的设计和布线，开关电源的同样可以取得较高精度和稳定性，并且电磁辐射也很小。因 此该系统主供电模块( + 5 v ) 可以考虑采用开关电源。 通过上述比较，可以得出：由于本记录仪对效率和体积有较高要求，电源功率较大， 9 第三章汽车行驶记录仪硬件设计与实现 作为一种大众化的推广产品，应当严格的控制其生产成本，因此主供电模块( + 5 v ) 采用开 关电源较为经济，而对于电能需求比较小的数据闪存单元( 最大电流3 5 m a ) ，可以采用低压 线性稳压器供电。 3 1 3 电源模块的设计 生产开关电源芯片的公司很多，如：n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r ，m a x i m ，l i n e a r ( l t ) 等。 在本记录仪中采用了美 n a t i o n a ls e m i c o n d u c t o r 公司的l m 2 5 7 6 5 作为主控芯片。 l m 2 5 7 6 开关稳压集成电路的主要特性如下 2 】 最大输出电流：3 a ； 最高输入电压：l m 2 5 7 6 为4 0 1 ，l m 2 5 7 6 h v 为6 0 v ： 转换效率：7 5 8 8 ( 不同电压输出时的效率不同) ； 工作湿度范围：- 4 0 + 1 2 5 内部集成了震荡电路、电压基准、误差比较电路和m o s f e t 等，因此电源的外围电路设 计比较简单，所需外部元件：仅四个： 一 器件保护：热关断及电流限制； l 、l m 2 5 7 6 应用电路 图3 1 是l m 2 6 7 6 5 的典型应用电路，下面将分别介绍一下各个引脚： 图3 1l m 2 5 7 6 典型应用电路 电源输出引脚( o u t p u t ) 外部电源输入引脚( v i n ) 地引脚( g n d ) 反馈引脚( f e e d b a c k ) ：连接在+ 5 v 电源输出端，作为反馈用来指示输出电压的精度 转换控制端( o n o f f ) ：引脚接地或接在低于0 8 v 的电压时，m 2 6 7 6 将工作。悬空或接 大于0 8 v 时，l m 2 6 7 6 处于不工作状态。 1 0 第三章汽车行驶记录仪硬件设计与实现 l m 2 5 7 6 的外围器件的选择： 输入电容c ，：设计的关键，选用额定耐压值为i o o v1 0 0 pf 铝电解电容。 续流二极管：选用肖特基二极管，因为此类二极管开关速度快、正向压降低，反向恢 复时间短。 储能电感：电感的直流通流量直接影响输出电流，这里使用1 0 0 ph 的电感。 输出端电容g ：选用1 0 0 0 u f1 0 0 0 pf 铝电解电容。 2 线性电源部分的设计( + 3 3 v ) 线性电源部分主要将+ 5 v 直流电转变为+ 3 3 v 直流电，为数据闪存单元和u s b 单元供电， 由于数据闪存单元和u s b 单元需要的电量很小，其最大工作电流仅为3 5 i f i a ，空闲状态下的 电流消耗小于4 m a ，因此线性电源部分的功率损耗也很小，器件本身就能够很好的完成散 热，不需要加散热装置。在本记录仪中采用了t e x a si n s t r u m e n t s 公司的t p s 7 9 6 3 3 来实现 + s v 至u + 3 3 v 的变换。其应用电路非常简单，如图3 2 所示。 图3 2t p s 7 9 6 3 3 电路图 t e x a si n s t r u m e n t s 公司的t p s 7 9 6 3 3 是固定电压输出的线性稳压器件，其输出电压固定 为+ 3 3 v ；最大可提供1 a 的电流输出，因此肯定能够满足本记录仪的设计要求。该部分设 计比较简单这里从略。 2 车载电源输入的预处理 3 汽车电源接入记录仪之前，记录仪需要对电源输入做必要的处理。记录仪应该有反接 保护、短路保护单元和抗发动机点火尖峰电压脉冲干扰等保护措施。这样设计的系统才能 够比较可靠，抗干扰能力比较强。在该系统的设计中，我们采用如图3 3 的方式来实现车 载电源接入的预处理。 第三章汽车行驶记录仪硬件设计与实现 i l ； i i：二； ； 4 ： ， ；保险丝：l ， “i ； f d l ，t j 一i - i 一一； 一一。、入j r ：! ；l 4 一，王一l 一。l l ”芷芦7 n ，1 ：+ f ：! d 2 。 _ ； ? 0 一ii 一! = 一k t v 5 i i ： l ；： 一蔓 一- ； l - 甜- - t - - t - - 卡u - f 瞎- i - j 二 一 一；。_i 蚴 。电溺| 输， j i ! 一l | 2 。 | i f 。 二叠1 4 强一； j 。n * 二l 一 一l 一卜l l ll llf l l ； i 。 图3 3 电源输入预处理电路图 首先，汽车电源通过整流桥进行整流，这样可以有效的防止由于电源反接给系统造成 损害。在电源的主回路中加保险丝，可以防止记录仪短路的情况下对汽车电源造成损害。 在选择保险丝的过程中，通常要考虑正常工作电流，施加在保险丝上的电压，要求保险丝 断开的不正常电流，保险丝工作的环境温度，允许不正常电流存在的最短和最长时间，脉 冲、冲击电流、浪涌电流、起动电流和电路瞬变等几个方面的问题。对于本记录仪而言正 常工作电流约为1 5 a ，保险丝断开的不正常电流为3 a ，施加在保险丝上的电压不大于5 0 v ， 可选用相关的3 a 1 2 5 v 标准的保险丝。 t v s 瞬变电压抑制二级管可以有效的消除发动机点火脉冲的干扰。瞬变电压抑制二级 管( 简称t v s 器件) ，在规定的反向应用条件下，当承受一个高能量的瞬态过压脉冲时，其 工作阻抗能立即降到很低的阻值，允许大电流通过，并将电压钳制到预定水平，从而有效 地保护电路中的元器件免受损坏。在选用t v s 时，必须考虑电路的具体条件，一般应遵循 以下原则：最大钳位电压v c 不大于电路的最大允许安全电压；最大反向工作电压不低于电 路的最大工作电压，一般可以选最大反向工作电压等于或略高于电路最大工作电压；额定 的最大脉冲功率，必须大于电路中出现的最大瞬态浪涌功率。对于本记录仪，直流工作电 压为+ 1 2 v 或+ 2 4 v ，最大允许安全电压+ 3 2 v ，半峰值电流时间约( t p ) l m s ，最大峰值电流约 ( i p ) i o a 。因此可以近似得出p 6 k e 3 0 a 型t v s 满足要求。 3 2 实时时钟模块 时钟按不同的标准可以分为多种类型。按供电方式不同可以分为：内部自带电池和外 部电池供电两种；按照振荡电路的连接类型不同可以分为：内置振荡电路式和外置振荡电 路式；按照接口不同可以分为：串行式和并行式。采用外部电池供电的时钟相对于内部电 池供电的时钟，对电池的安装和电池的性能都有比较高的要求，同时电池充放电电路的设 计比较复杂；内置振荡电路可以简化时钟电路的设计，同时能够保证有较高的系统可靠性。 汽车行驶记录仪工作环境恶劣，5 1 c p u 的i o 引脚比较少，适宜采用内部自带电池和 1 2 第三章汽车行驶记录仪硬件设计与实现 振荡电路的串行时钟芯片。 本记录仪的时钟采用深圳兴威帆电子技术有限公司的工业级s d 2 3 0 1 b 芯片。该芯片的 主要性能特点为 3 ： 低功耗：典型值l 0 i ia ( v b a t = 3 6 v ) 。 工作电压：3 0 5 5 v ，工作温度：- - 4 0 c 8 5 c 。 年、月、日、星期、时、分、秒的b c o 码输入输出，并可通过独立的地址访问各时间 寄存器。 内置电池使用寿命：5 8 年 内置电源管理电路，当v d d 1 3 ，o v 时，内部电池不耗电。 内置抗干扰电路，可靠性更高 内餐晶振，出厂前已对时钟进行校准，保证精度5 p p m ，即时钟年误差小于2 5 分钟( 在 2 5 1 下) 。 3 2 1s d 2 3 0 1 b 的硬件电路设计 s d 2 3 0 1 b 为d i p 2 4 封装，共有1 3 个可用引脚，其与单片机系统的连线电路如图3 ，4 所 示。下面对引脚的功能做简单的介绍。 黑上呻 i n i b p 2 3 0 0 2 01 m e ：3 【m ， l n l ” w p 2 3 0 0 9 ( 1 f 2 3 ( i ) 嗣m 2 姗 s c l 2 3 图3 4s d 2 3 0 1 b 的应用电路图 g n d ，v d d ：电源输入端，接+ 5 v 直流电源。 b a t ：外加备用电池引脚。由于在模块内部有电池，故在其电池能量未耗尽之前不接。 t e s t ：测试。内部电池电压检测脚( 通常不接) s c l ：串行时钟输入脚，由于在s c l 上升下降沿处理信号，要特别注意s c l 信号的上 升下降升降时间，应严格遵守说明书。 s d a ：串行数据输入输出脚，此管脚通常用一电阻上拉至v 。，并与其他漏极开路或集 电极开路输出的器件通过线与方式连接 罄 啪一眦一一m姒5|脚眦瞰瞰愆 23456789一m一一坦 第三章汽车行驶记录仪硬件设计与实现 i n t r 、i n t r b ：报警中断a 、b 输出脚，根据控制寄存器1 与控制寄存器2 来设置其工 作的模式，当定时时间到达时输出低电平或时钟信号。它可通过重写控制寄存器来禁 止。 s d a e ：s r a t t 串行数据输入输出脚，此管脚通常用一电阻上拉至v d d ，通过线与方式与 其它在1 2 c 总线上的器件连接。 s c l e ：s r a m 串行数据时钟脚。数据在此管脚的上升沿下降沿按时序输入输出。 w p ：s r a m 写保护脚，当w p 接高电平时，s r a m 禁写：当w p 接低电平时，s r a m 可写 3 2 2s d 2 3 0 1 b 的内部寄存器 s d 2 3 0 1 b 将时间数据和控制命令存储在不同地址的寄存器内，具体地址分配如表3 1 ： 内韶地蟪目囊葫能 o h 移誊靠嚣姒8 c d 码彰文 髓0 露镌一 1 h 分寄存嚣姐8 c d 蝎 ；芄i 枝垮存姥妒 2 礴 蜂毒番嚣斑8 c o 酶影丸盼敏幻存姥锋 3 h 辫毒爵嚣 以b c d 码影敛i “l 撵酶璐 4 疋富露嚣以b c d 吗影式诤鲢龟身键置 5 h 月管磊嚣 r l b c d 磷；芄 社吩孬缝趣 6 h 每毒务器巍8 c d 璃再 氕， 疑冬磊镌蔑 7 h 游翘嘏螫 秀镳盔格的侉正参链凌 积篇臻磊抒锭铡 8 h 分蹙嚣a 露馕筻辩嚣a 分神赣瑰 9 h 衅乏对a 番铸宅封嚣a 霹的凝嚣 a h 天定瓣a露鳞宅稚器a 型舄i 酌疑撼 b h 分筻砖8露姥定辩嚣8 分幻毅糕 c h 对定鞋8巷铸宅蛙嚣b 对妁教褥 o h 走定时8蠢能宅簿嚣8 星糍的数描 e h 捏翱1 存缝响铃缝拖中辑燎斑1 7 逸话，躅甥挂中瓤的瑚嬲逸挣信息 f h 按糕2番锩。蛹嚣 i 基挣孛蹦与报蛙摊蠡蟹 袅吩渖；征玺 3 2 3s d 2 3 0 1 b 的软件编程 表3 1s d 2 3 0 1 b 的内部寄存器 s d 2 3 0 0 系列通过两线式串行接口方式接收各种命令并读写数据。两线式串行接口方式 描述如下： 开始条件 当s c l 处于高电平时，s d a i i 高电平变成低电平时构成一个开始条件，对s d 2 3 0 0 系列的 所有操作均必须由开始条件开始。 停止条件 当s c l 处于高电平时，s d a e h 低电平变成高电平时构成一个停止条件，此时s d 2 3 0 0 系列 1 4 第三章汽车行驶记录仪硬件设计与实现 的所有操作均停止，系统进入待机状态。 如图3 5 所示。 一弋厂哪、一 嚣删om鞭黼雉撕p 0 删黼 图3 5 实时时钟的串行接口 数据传输 当s c l 为低电平，且s d a 线电平变化时，则数据由c p u 传输给s d 2 3 0 0 系列；当s c l 为高电 乎，且s d a 线电平不变时，卿j c p u 读取s d 2 3 0 0 系列发送来的数据；当s c l 为高电平，且s d a 电 平变化时，s d 2 3 0 0 系列收到一个开始或停止条件。如图3 6 所示 。 (厂、厂 、 ，、 (x 图3 6 实时时钟数据传输时序 确认 数据传输以8 位序列进行。s d 2 3 0 0 系列在第九个时钟周期时将s d a 置位为低电平，即送 出一个确认信号( a c k n o w l e d g eb i t ，以下简称“a c k ”) ，表明数据已经被其收到。 如图 3 7 所示。 s c l ( c ，u ， s i ) a ( c l m j ) 几几尸 。辜、i 、x二x| a c 缸w 触船o 、洲f + 一- - ， 图3 7 实时时钟确认信号 1 基本函数 b i t1 2 c s t a r t ( v o i d ) ：开启s d 2 3 0 1 的1 2 c 总线函数。返回值：如果返回t r u e ，表示成功； 第三章汽车行驶记录仪硬件设计与实现 如果返回f a l s e ，表示失败。 s d 2 3 0 0s d a = t ： s d 2 3 0 0 _ s c l = 1 ： 1 2 c w a i t ( ) ：延时 i f ( ! s d 2 3 0 0s d a ) r e t u r nf a l s e ：s o a 线为低电平则总线忙。退出 s d 2 3 0 0s d a = o ； 1 2 c 曩a “0 ：延时 w h i l e ( s d 2 3 0 0 _ s d a ) r e t u r nf a l s e ；s d a 线为高电平则总线出错，退出 s d 2 3 0 0s c l = o ； 1 2 c h “o ；1 1 延时 r e t u r nt r u e ； b i t1 2 c s t o p ( v o i d ) ：关闭s d 2 3 0 1 的1 2 c 总线。 s d 2 3 0 0s d a = o ； s d 2 3 0 0s c l = o ； 1 2 c h i t 0 ：延时 s d 2 3 0 0 _ s c l = 1 ： 1 2 c w a i t 0 ：延时 s d 2 3 0 0s d a = i ： v o i d1 2 c h c k ( v o i d ) ：发送a c k 。 s i ) 2 3 0 0 $ d a = 0 ： s d 2 3 0 0s c l = 0 ： 1 2 c w a i