（信号与信息处理专业论文）智能式汽车行驶记录仪的研究.pdf

哈尔滨理丁大学t 学硕士学位论文 智能式汽车行驶记录仪的研究 摘要 汽车行驶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 它信息进行记录、存储并通过接口实现输出的数字式电子记录装置。可记录 汽车在行驶过程中的多种参数及驾驶员的操作行为，并将这些数据反馈给管 理人员及驾驶员。 在长途客运车辆和危险品货物运输车辆上安装和使用汽车行驶记录仪， 是加强车辆安全行车监控，预防和减少交通事故的重要措施。对遏制疲劳驾 驶、车辆超速等交通违章，约束驾驶人员的不良驾驶行为、保障车辆行驶安 全以及道路交通事故的分析鉴定都具有重要的作用。 本文首先分析了汽车行驶记录仪的发展过程、功能及其现状；然后说明 了所研制的汽车行驶记录仪系统的性能指标和总体构成，详细的研究了系统 中部分模块的软、硬件组成、功能及设计原理。文中重点研究了汽车行驶记 录仪对于车速信号及状态开关信号的采集和处理，车速及其行驶里程的计算 方法以及干扰的去除等：通过汽车行驶记录仪的分析管理软件能够对系统采 集到的数据进行详细的分析，可以再现汽车行驶过程中的各种状态。同时， 详细的介绍了汽车行驶记录仪和上位机之间的通信过程及接口电路的设计 汽车行驶记录仪可以通过u s b 和r s 2 3 2 两种方式进行通信，文中详细 研究了u s b 的体系结构和u s b i 1 规范的内容，针对汽车行驶记录仪系统 的u s b r s 2 3 2 接口的转换问题进行研究，介绍了基于p h i l i p s 公司的 p d i u s b d l 2 芯片与u s b 连接的接口电路的设计等。 关键词汽车行驶记录仪；通信协议；信号采集；u s b 竺玺堡矍：奎：茎塑：兰垒篓兰 r e s e a r c ho nt h ei n t e l l i g e n tv 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 a b s t r a c t t h ev e h i c l e t r a v e l i n g d a t a r e c o r d e ri sad i g i t a le l e c t r o n i cr e c o r d i n g e q u i p m e n t ，w h i c hc a nr e c o r da n ds t o r et h es p e e d , t i m ea n do t h e ri n f o r m a t i o nt h a t i sr e l e v a n tt oa u t o m o b i l et r a v e l i n gs t a t u s ，a n da l s oc a nr e a l i z et h eo u t p u t sv i at h e i n t e r f a c e i tc a nr e c o r dt h ep a r a m e t e r so nd r i v i n ga n dt h eo p e r a t i o nb e h a v i o ro f t h ed r i v e rw h i c hc a nb ef e db a c kt ot h ea d m i n i s t r a t o r sa n dt h ed r i v e r s i n s t a l l i n ga n du s i n gt h ev e h i c l et r a v e l i n gd a t a r e c o r d e r i sa ni m p o r t a n t m e t h o dt os t r e n g t h e nt h em o n i t o r i n go fs a f ed r i v i n gs oa st op r e v e n ta n dr e d u c e t h e 仃a f f i ca c c i d e n t s i ti sa l s ov e r yu s e f u lt op r e v e n tt h ed e r e g u l a t i o nb e h a v i o r s u c ha sf a t i g u ed r i v i n g ，o v e rs p e e da n ds oo n , a n dt or e s t r i c tt h eb a dd r i v i n g h a b i t so ft h ed r i v e r s ，e n s u r et h ed r i v i n gs a f e t ya n da n a l y z et h eh a p p e n e dt r a f f i c a c c i d e n t s t h ed e v e l o p i n gp r o c e s s ，t h ef u n c t i o na n dt h ep r e s e n ts t a t eo 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 ra r ea n a l y z e di n t h i sp a p e r i te x p l a i n st h ep e r f o r m a n c e p a r a m e t e r sa n dt h ec o m p o s i n go ft h ew h o l es y s t e mo ft h er e c o r d e r i t a l s o r e s e a r c h e st h em o d u l e so ft h es y s t e mi nd e t a i l ，i n c l u d i n gt h es t r u c t u r eo ft h e s o f t w a r ea n dh a r d w a r e t h ef u n c t i o na n dd e s i g np r i n c i p l e so ft h em o d u l e s m s p a p e rh a ss p e c i f i c a l l ys t u d i e dt h ec o l l e c t i o na n dt r a n s a c t i o no ft h es p e e ds i g n a l a n dt h es w i t c h i n gs i g n a lo 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 r , a n dh o wi t c a l c u l a t e st h ed r i v es p e e d ，m i l e a g ea n dt h ew a yi tw i p e so f ft h ej a m m i n g t h e d a t ac o l l e c t e db yt h es y s t e mc a nb ea n a l y z e di nd e t a i lt h r o u g ht h er e c o r d e r s m a n a g e m e n ts o f t w a r e a tt h es a m et i m et h i sp a p e ra l s oi n t r o d u c e si nd e t a i lt h e c o m m u n i c a t i o np r o c e s sb e t w e e nt h er e c o r d e ra n dt h ec o m m u n i c a t i n gm a c h i n e a n dt h ed e s i g no f t h ei n t e r f a c ec i r c u i t t h ev e h i c l et r a v e l i n gd a t a r e c o r d e rh a st w oc o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c e s i n c l u d i n gr s 2 3 2a n du s b 1 1 1 es t r u c t u r eo ft h eu s ba n dt h ec o n t e n to ft h e u s b i 1c r i t e f l o na r es t u d i e di nt h i sp a p e r ，t h es w i t c hb e t w e e nt h eu s ba n dr s - - ：玺耋詈：奎耋：2 ：竺鎏兰 2 3 2i sa l s or e s e a r c h e d f i n a l l y , t h ed e s i g no ft h ei n t e r f a c ec i r c u i tb e t w e e n p h i l i p s p d i u s b d1 2a n dt h eu s bi n t e r f a c ei si n t r o d u c e d k e y w o r d sv 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 o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ；s i g n a l a c q u i s r i o n ；u s b - m 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文 智能式汽车行驶记录仪的研 究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研 究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表 或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名： 君颐彳睁 日期：肋年罗月，彳e l 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 智能式汽车行驶记录仪的研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位 期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学 所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理 工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文 和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影 印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密回 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名； 砉瞒 导师签名：8 二一 目期：聊年；月日 日期：年；月, 1 b 哈尔滨理- 大学t 学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的背景及研究的意义 改革开放以来，我国国民经济快速发展，综合国力不断增强，交通基础设 旅大为改善，尤其以高速公路为主骨架的覆盖全国范围的高等级公路网络正在 逐步形成，从而缓解了交通在经济建设中的瓶颈制约，但是，随着经济的持续 快速增长，汽车在日常生活和工作中起的作用也越来越突出，特别是加入 w t o 以后，汽车价格的下降，人均拥有车的总量急剧上升，交通问题十分突 出。在现代社会中，汽车已成为不可缺少的交通工具。汽车普及率的提高会造 成严重的交通阻塞，人流，物流，车流骤增，导致道路交通事故频繁发生，而 且呈上升趋势，群死群伤的恶性交通事故屡屡发生“1 给人民生命、企业的经 营活动和国家财产都造成了巨大的损失。 2 0 世纪初汽车开始批量生产以来，全世界死于车祸的人数达到约40 0 0 万 人，比同时期战争死亡人数要多得多。我国作为一个发展中国家，经济社会正 处在一个前所未有的发展阶段，在我国经济发展、市场繁荣、人民生活不断提 高水平的同时，随之而来的道路交通安全问题日趋严重，道路交通事故一直里 上升态势，交通安全状况日趋恶化，我国已经进入道路交通事故的高发期。据 有关部门统计，2 0 0 3 年全国共发生道路交通事故6 6 75 0 7 起，造成1 0 43 7 2 人 死亡、4 9 41 7 4 人受伤，直接经济损失3 3 7 亿元；2 0 0 4 年全国共发生道路交通 事故5 1 78 8 9 起，造成1 0 70 7 7 人死亡、4 8 08 6 4 人受伤，直接财产损失2 3 9 亿 元；2 0 0 5 年上半年，全国共发生道路交通事故2 2 86 5 7 起，造成4 60 1 2 人死 亡、2 3 64 8 3 人受伤，直接财产损失9 6 亿元。公安部认为，机动车驾驶入违法 是交通事故的主要原因，最主要的表现为：超速、占道、无证驾驶、酒后驾驶 和疲劳驾驶等。 自国内外的实践经验证明，一个国家，当交通发展到一定程度，再单纯依 靠修建道路设施来解决交通拥挤问题，不仅受投资等诸多条件的制约，而且效 果也是有限的。如何实现各类车辆的有效指挥、协调控制和管理已经成为交通 运输和安全管理部门面临的一个重要问题。加强道路交通安全产品的研究开发 和推广应用，是世界上经济发达国家改善道路交通安全管理，降低道路交通事 故方面的一条成功的经验。 据有关部门统计分析，在造成交通事故的诸多原因中，8 0 9 0 都是非 规范驾驶、超速行驶、疲劳驾驶造成的。同时许多交通事故由于无任何行驶记 哈尔滨理丁大学丁学颂+ 学位论文 录、而造成事故责任无法确定。因此客观上，急需一种既能指导驾驶员安全驾 驶又能记录和再现机动车行驶状态的智能装置，以提高驾驶人员的驾驶水平， 降低车辆交通事故率。由此可见，要减少交通事故，特别是防止群死群伤的恶 性交通事故的发生，必须对违章超速和疲劳驾驶行为进行有效的严格监控。其 次，由于汽车的使用过程是在移动中的，用传统的管理手段，无法详细了解车 辆在行驶过程中的动态情况，难以对汽车进行有效细致的动态管理，因此，各 个汽车运输单位都面临着如何进行有效的安全管理和如何对司机进行有效监督 的问题。 为了遏制交通事故频发，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 客运车辆应逐步安装符合国家有关标准的行驶记录仪。汽车行驶记录仪国家标 准( g b t 1 9 0 5 6 2 0 0 3 ) 于2 0 0 3 年9 月1 日起实施。1 。 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，是一种 能够对车辆行驶速度、时间、里程以及有关车辆行驶的其他状态信息进行记 录、存储并通过接口实现数据输出的数字式电子记录装置。汽车行驶记录仪就 是在驾驶人员身边实时监督其操作行为的仪器”1 。由于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，它可在遏制疲劳驾驶、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，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，并将为事故分析鉴定提供原始数据。 从交通事故成因分析，驾驶员违章驾驶是诱发事故的主要原因，以驾驶员 疏忽大意、措施不当、不按规定行驶、违章超速、违章超车和疲劳驾驶等为违 章重点，在汽车上安装类似飞机上的黑匣子势在必行“1 。统计资料表明，汽车 行驶记录仪的使用，使交通事故降低了3 7 5 2 ，大大减少了人员伤亡和财 产损失，产生了显著的社会效益和经济效益嘲。对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 2 国内外汽车行驶记录仪的发展概述 1 2 1 国外汽车行驶记录仪的发展历程 1 9 3 4 年，世界上第一台记录仪诞生在德国。随着汽车工业的发展，早期的 记录仪和其它仪表配合，在汽车上得到应用。二战以后，德国经济开始复苏， 交通运输业发展迅速，道路运输竞争日趋激烈，驾驶员疲劳驾驶和超速驾驶等 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论丈 违法行为严重威胁道路交通安全。为保障道路交通安全、规范道路运输竞争秩 序，1 9 5 3 年，德国开始强制推行使用记录仪。1 9 7 0 年，欧共体开始推广德国 的经验，在成员国内强制推行使用记录仪。1 9 9 2 年欧盟成立，替代了欧共体， 原欧共体有关记录仪应用的各项法规继续有效。截止目前，欧盟成员国约5 0 0 多万辆商用汽车( 货运和客运车辆) 安装了记录仪，是世界上使用记录仪数量 最多的地区。 自7 0 年代强制推行使用记录仪以来，欧盟各国预防和减少道路交通事故 工作成效显著，事故发生率和死亡人数大幅度降低。据德国交通运输部公布的 德国客车及货车安装记录仪后事故统计数据，从1 9 7 0 年欧共体开始全面强制 使用记录仪至今，德国客运及货运车辆道路交通事故发生率一直呈下降趋势。 如1 9 7 0 年，货车为平均行驶约每5 0 万公里发生一起事故，到2 0 0 0 年下降为 每1 6 0 万公里发生一起事故；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。根据德国交通运输部提供的西欧国 家道路交通事故死亡人数的降低百分比数据，从1 9 7 0 年到1 9 9 8 年，英、法、 德、荷、意等国道路交通事故死亡人数均大幅度下降，其中英国降低9 0 、法 国降低8 5 、德国降低8 5 、荷兰降低7 3 、意大利降低5 9 。 欧洲道路交通事故分析专家认为：欧盟各国交通事故死亡人数大幅降低有 3 个主要原因，一是随着高速公路建设的发展，交通安全设施、交通标志、标 线等信号设施大大改善：二是机动车辆安全性能不断提高；三是记录仪的成功 应用，有效遏制了驾驶员疲劳驾驶、超速等严重违法行为，从根本上提高了道 路交通安全水平。另外，巴西、南非等国家也都大规模安装了汽车行驶记录 仪。 1 2 2 国内汽车行驶记录仪的发展历程 汽车行车i 己录仪在我国的应用几起几落，最早是在1 9 8 4 年国内某大学研 究开发了汽车行车记录仪，由于技术不太成熟，没有投入实际生产。1 9 9 4 年， 汽车行驶记录仪在我国市场上蓬勃发展，全国大约有十几个省市的公安车管部 门下达了安装汽车行驶记录仪的通知，同时也出现了近百家汽车行驶记录仪 的生产企业，但这一热潮很快就冷却下去。究其原因，一方面是当时国家对汽 车行驶记录仪的使用没有法规规定，师出无名；另一方面是国家对汽车行驶 记录仪产品没有统一的标准，市场上出现的记录仪五花八门、良莠不齐，影响 了功能、性能和使用的效果。2 0 0 1 年1 1 月，公安部、交通部和国家安全生产 监督管理局联合发文，要求从事道路运输的长途客货运车辆逐步安装使用行车 哈尔滨理工丈学t 学硕十学位论文 记录仪。于是国内市场上又出现了第三次应用汽车行驶记录仪的高潮”1 。 汽车行驶记录仪近年来开始应用于我国部分地区交通管理部门，目前北京 市、浙江省已经在营运车辆中强制推行使用记录仪。由于安装记录仪后对驾驶 员有一种无形的监督作用，从而会使驾驶员对记录仪的安装使用产生种抗拒 的心理，不利于汽车行驶记录仪的推广使用。针对这种情况，交警部门指出 道路交通安全法实施条例第十四条规定：“用于公路营运的载客汽车，重 型载货汽车，半牵挂牵引车应当安装、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”。 四川省成都市贯彻两部一局等文件植神，政府及有关部门下文要求在高速 公路客运、超长客运和旅游客运车辆中强令限期安装行车记录仪。上海市文件 要求凡从事交通行业的客运车辆( 已安装g p s 卫星定位系统除外) ，都必须安 装记录仪，同时，规定了各种车辆的安装期限；还先后发布了基本技术要求、 选型和维护管理规定等系列文件，规范了安装行车记录仪的做法。为了加强客 运车辆的道路交通安全管理和交通违章预防工作，湖南省交管局和省运管局做 出决定：凡未安装车辆行驶记录仪的跨省大型长途客运车辆、高速公路客运车 辆及危险货物运输车辆一律不准参加2 0 0 3 年春运或者营运；从2 0 0 4 年1 月1 日起，凡未安装车辆行驶记录仪的客运车辆一律不准参加营运性旅客运输。吉 林省还建立了激励机制，对积极应用行车记录仪的运输企业，省运输局协调有 关单位在服务费方面给予优惠；对积极组织推广的运管部门，省局将在经费补 贴方面给以适当倾斜。 从行车记录仪近几年的市场推广和使用情况看，这种观念逐步深入到企 业。上海、广州、南京、桂林等城市的长途运输公司、公交公司和一些特种运 输企业( 比如油料、化学物品等运输部门) ，对这套产品非常感兴趣，不少公 司已经开始试用和安装。 从目前我国汽车行驶记录仪的应用情况分析，车辆安装汽车行驶记录仪有 以下使用效果：一是汽车行驶记录仪能真实、准确反映车辆运行中的实际状 况，记录相关的监控数据。其存储的数据为企业加强对车辆的使用、运行、调 度的科学管理，为安全行车管理和事故的分析，以及今后路面执法监督提供了 可靠的依据。二是车辆超速行驶时能发出报警声警告司机减速。督促司机安全 行车，起到防止和减少交通事故的作用。三是由于安装了汽车行驶记录仪，司 机在行驶中能保持车辆中速行驶，对延长车辆使用寿命、节约燃料、减轻轮胎 耗损都起到重要的作用，可减少企业经营管理成本。四是汽车行驶记录仪记录 哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 的数据，对交通事故的原因和责任分析，有一定的作用。 国内外使用状况表明，记录仪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，其使用对保障道路交通安全起到了直接的作用。汽车行驶记录仪的使用， 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、分 析、鉴定道路交通事故、提高交通管理执法水平和运输管理水平、保障车辆运 行安全都具有重要的作用和现实意义”1 。 1 3 汽车行驶记录仪概述 汽车行驶记录仪( v e h i c l el t a v e l l i n gd a t ar e c o r d e r ) ，俗称“汽车黑匣子”，是 安装在车辆上能够记录、存储、显示和打印车辆运行速度、时间、里程以及有 关车辆运行安全等其他状态信息的数字式电子记录装置。汽车行驶记录仪是 专门针对目前交通运输中的“三超”而设计的，也是专门为“政府畅通工程” 而实时地记录车辆运行和驾驶员驾驶活动的有关信息。能有效的防止车辆运营 中的超速、疲劳驾驶等人为的安全因素，就如同随车稽查，实时让司机提高警 惕，有效克制的车辆行驶中的超速和疲劳驾驶，预防因超速和疲劳驾驶所引发 的群死群伤等特重大交通事故。记录仪能够在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，能够为事故分析鉴定提供原始数据。 它主要由主机、传感器和数据分析软件等部分构成，整体构造轻巧牢固、 安装使用方便、并具有防水防火防撞的特点。在数据信息传输方面，由于采用 的是体积小、重量轻，容量大、传输速度高的u s b 电子盘、i c 卡作为驾驶员 身份识别及数据传输媒介，极大的方便了管理人员对记录数据的采集，具有数 据信息传输方便、快速、可靠性好的显著特点。 汽车行驶记录仪采用高性能的微电脑芯片，大容量的数据存储器，并通过 高可靠性的容错通信协议、功能齐全的管理软件和人性化的操作界面，能将长 达5 0 0 多小时的汽车行驶数据进行记录、储存，并具有驾驶员、车辆的档案管 理以及事故数据分析等功能。 1 4 记录仪的经济效益和社会效益 汽车行驶记录仪能带来显著的经济效益，主要表现在以下几个方面： 1 可以高效地对车辆进行合理调度，从而降低其运营成本。 哈尔滨理工大学t 学硕七学位论文 2 通过各项管理报表，实现对公司员工的绩效考核，建立高效的竞争机 制，提高公司的经济效益。 3 通过改变内部员工驾驶的不良习惯，减少轮胎、刹车片等耗件的损耗， 降低车辆运行、维修成本。 4 通过防止公车私用等现象，杜绝因此而造成的公司资本流失。 汽车行驶记录仪同时也带来了显著的社会效益，主要表现在以下几个方 面： 1 提高行车安全，更好的保障社会群众及乘客的生命安全。 2 可大幅减少车辆违规肇事、废弃物倾倒或司机监守自盗等社会案件。 3 遇到交通事故，记录仪上留下的数据为公安交警部门的事故处理，协助 破案提供了有效的手段和依据。 4 为交通管理部门的车辆检验提供了更全面的参考数据，使交管部门的车 辆检验工作更加客观、科学。 5 遇到事故意外，有充足的证据来分清肇事责任归属，可作为保险部门进 行理赔的辅助工具。 总之，使用了汽车行驶记录仪，可减少汽车由于小问题未及时处理而酿成 的事故，大幅度提高行车安全，保证了人民的性命和财产安全，降低企业的成 本，为企业提高经济效益提供了先进的生产管理手段。 1 5 本课题的来源及研究的主要内容 1 5 1 课题的来源 本课题的“汽车行驶记录仪系统”来源于哈尔滨航天科技控股集团股份有 限公司自主研发的项目。本课题的选定主要是基于汽车行驶记录仪在车辆的交 通运输方面具有广阔的使用前景，对人们的生命安全有重要的保障，同时为社 会带来更大的经济效益。 1 5 2 课题研究的主要内容 本课题的基本内容是在研究和充分理解相关规范的基础上，开发符合国家 标准( g b t 1 9 0 5 6 - 2 0 0 3 ) 的汽车行驶记录仪系统。本论文主要完成了以下几方面 的工作： 1 对汽车行驶记录仪系统的整体构成进行研究，分析了系统各部分的功 能，并对部分电路进行深入研究，包括系统时钟电路的设计、复位电路的设计 哈尔滨理t 丈学t 学硕十学位论文 等。 2 重点研究了车速信号和状态开关信号的采集及处理、车速及其行驶里程 的计算以及采集过程如何去处干扰信号。 3 对记录仪和上位机之间的通信协议进行分析，给出了系统通信的整体软 件设计。记录仪的分析管理软件可以对记录仪采集到的信号进行详细分析，再 现汽车行驶过程中的各个时刻的状态。 4 在充分研究了u s b 协议的基础上，针对系统的r s - 2 3 2 接口提出一种设 计方案，以u s b 接口代替原有的r s 2 3 2 接口进行通信，使其与上位机之间的 通信更简单、快速。并以p d i u s b d l 2 接口芯片为例介绍了u s b 接口的软、硬 件设计等。 哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 第2 章汽车行驶记录仪硬件电路设计 2 1 汽车行驶记录仪的主要功能 实时数据采集，数据处理是现代交通管理系统的主要手段“。汽车行驶记 录仪就是在驾驶员身边实时监督其操作行为的仪器“”。它负责记录汽车行驶过 程中的各种状态参数，并通过专用分析软件在电脑上进行分析。它主要的功能 有数据测试、记录功能；数据存储功能；数据显示及面板操作功能；数据通信 功能；数据打印功能等“”具体功能说明如下： 1 自检功能记录仪在通电开始工作时，应首先进行自检，自检正常后应 以绿闪信号或显示屏显示方式指示工作正常，如有故障则应以红闪信号或显示 方式指示故障信息。 2 驾驶时间、速度、里程的测量、记录、存储功能通过驾驶员身份识别 功能，记录仪可以实现对驾驶员连续驾驶时间、行驶速度、行驶里程的测量、 记录、存储功能。 3 记录车辆运行状况实时监测并记录汽车行驶的各种状态信息，包括： 速度、刹车、鸣笛、倒车、雨刷、左转向灯、右转向灯、点火开关等。 4 事故疑点数据记录功能记录仪以不大于o 2 秒的时间间隔持续记录并存 储停车前2 0 秒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。 5 驾驶员身份识别功能驾驶员通过插入身份识别卡( 与驾驶员一一对 应) ，记录与自己对应的所有行车数据。软件在处理数据时，会自动根据事先 存储在数据库中的驾驶员信息( 包括驾驶员代码和驾驶证号等) ，进行数据处 理，把同一驾驶员的操作状态连同定位信息提供给管理部门。 6 疲劳驾驶和超速报警功能主要实现疲劳驾驶报警和超速报警，通过驾 驶员身份识别功能，记录仪可对驾驶员的疲劳驾驶情况进行监督，当同一驾驶 员不问断连续驾驶超过3 小时，进行报警；记录仪投入使用前设置了报警速度 阈值，用户可按需求或有关规定设置三级限速，当车辆速度超过报警速度阈值 时，汽车黑匣子会按不同限速发出报警声音，提示驾驶员减速。 7 显示及人机对话功能当无按键操作时，可默认显示车辆的实时行驶速 度、实时时钟或驾驶员代码。通过操作按键显示：最近1 5 分钟内每分钟的平 均车速纪录；最近两天内同一驾驶员连续驾驶时间超过3 小时的所有数据记 录；车辆特征系数。 哈尔滨理- 大学t 学硕十学位论文 8 断电保护功能当记录仪断电，自动进入保护状态，断电前存储的数据 可保存三个月不丢失。 9 数据打印输出功能在停车时，记录仪能够实现数据的打印输出功能， 打印内容包括车牌号码、车牌分类、驾驶员代码、驾驶证号码、打印实时时 间、停车时刻前1 5 分钟内每分钟的平均车速、疲劳驾驶记录( 一次驾驶时间 超过3 小时的所有记录) 。 l o 数据分析功能为了配合运输企业安全管理工作，汽车行驶记录仪生产 厂家大都配套开发了记录仪管理系统，管理系统中可查询驾驶员档案、车辆档 案信息，可查循记录仪记录的全程原始数据、图表和曲线，可进行安全报表统 计，还可以根据企业的需求建立驾驶员和车辆的日常管理数据库。 2 2 汽车行驶记录仪的系统组成 2 2 1 汽车行驶记录仪的硬件构成 汽车行驶记录仪的生产厂家众多，产品种类不尽相同，整个系统基本上分 为三部分；车速传感器和状态开关线束、主机和数据分析软件。其中主机包括 微处理器、数据存储器、实时时钟、l c d 显示、操作按键、打印机( 有些记录 仪不含内置的打印机。但应留有相应的打印输出接口) 、数据通信接口等装 置。汽车行驶记录仪的硬件组成如图2 - l 所示。 下面简要介绍一下系统各部分具体实现的功能。 1 中央处理器c p u 这是汽车行驶记录仪的核心部件，它需要处理汽车内 部的各种信号，同时还要控制上下位机之间的数据交换等。各个厂家选用的 c p u 型号各有不同，这里不具体指出选用何种芯片。 2 实时时钟使汽车行驶记录仪系统具有实时性，实时时钟的精度将赢接 影响到整个记录仪系统所记录数据的准确性及可靠性。 3 车速信号车速信号的采集主要是利用车速传感器输出的方波信号，经 过处理去除干扰，再由公式计算出瞬时车速和行驶里程。 4 燃油信号燃油传感器输出的信号是一组电阻值，记录仪将电阻值转化 为电压值。 5 液晶显示屏在默认显示状态，可显示实时车速及时一秒的实时时间； 信息显示屏可显示每段的行驶里程、起停时间、耗油量、停车前最后1 5 分平 均车速、疲劳驾驶记录等。 6 r s - 2 3 2 接口通过r s 2 3 2 接口与计算机通讯，进行数据上载和下传。 哈尔滨理- 大学工学硕七学位论文 l实时时钟卜_ 一操作按键 i 车速信号卜 由 一l e d 和蜂鸣 f 发动机转速信号卜 央一液晶显示屏 l 车内温度信号卜一 处 理 _ + l 微型打印机 l燃油信号卜 器 _ 一数据存储器 开关信号卜_ c p卜一 u s b 接口 lr s - 2 3 2 接口i _ + u _ 一i c 卡接口 ig p s 定位系统 h + |g s m 系统 图2 - 1 硬件系统组成框图 f i g 2 i1 1 忙b l o c kd i a g r a mo f h a r d w a ms y s t e m 7 i c 卡插槽如果司机卡插入有效时，则显示相应的驾驶员代码，同时 “无卡”字样消失。如果插入无效时，则显示。非法i c 卡”，拔出后恢复默认 屏。 8 操作按键可以通过上翻键、下翻键、确认键和打印键来查看和打印信 息。 9 u s b 盘接口汽车行驶记录仪中配置有u s b 标准接口，在车辆停车时， 9 可采用u s b 盘和上位机进行数据交换，数据既可以上载也可以下传。 1 0 g p s 全球卫星定位系统当驾驶员遭到劫持只要踩下脚踏报警开关即可 启动g s m 短消息功能将g p s 定位信息等求救信号发射出去从而得到救援帮 助。当车辆被盗也同样可通过g s m 短消息和g p s 定位功能获得被盗车辆的位 置信息“”。 2 2 2 系统的技术性能指标 1 记录仪的主电源为车辆电源，标称电源电压为2 4 v ，范围为1 8 3 2 v ， 具有2 8 士o 2 v 抗反接，3 6 v 过压能力； 2 当记录仪断电应自动进入保护状态，断电前存储的数据至少能保持3 0 天 不丢失； 3 连续记录2 4 小时数据，记录时间误差在士o 5 s 以内； 4 记录仪应能以不大于0 2 秒的时间间隔持续记录并存储停车前2 0 秒实时 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； 哈尔演理工大学t 学硕十学位论文 5 速度记录单位为h n h ，测量范围为0 k m h 2 2 0 k m h ，测量分辨率等于 或优于l k m h ； 6 记录仪记录、存储8 路不同类型开关量输入( 可作为左、右方向灯、制 动、开门、大灯、雾灯、雨刮、倒车等信号输入，如果另有需要，经双方协商 解决) ； 7 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 9 9 99 9 9 9 k m ，测量分辨率 应等于或优于0 1 k m ； 8 数据分析软件以曲线图和表格的形式显示实时时间对应的车辆行驶速 度、开关量状态等数据，并可打印输出图形、表格。 2 3 系统部分电路的设计 2 3 1 系统实时时钟电路的设计 汽车行驶记录仪在对数据进行采集过程中，需要实时记录和存储各种信 息，这就要求此系统必须要有实时时钟发生器“”。它对行车记录仪的实时性、 准确性和可靠性都起着至关重要的作用。为此，我们选用d a l l a s 半导体公 司的d s l 3 0 2 实时时钟芯片作为该系统的时钟发生器。它是一种高性能、低功 耗并且内部带有静态r a m 的实时时钟芯片，时钟校准也较为容易，若采用专 用晶振器，几乎无需调整即可达到国家要求的时钟误差标准。此外，考虑到当 汽车行驶记录仪停电时，需具备对时钟电路单独供电的系统，而该芯片正好具 有备用电池充电和切换管理功能。 d s l 3 0 2 实时时钟芯片的特点如下： 1 用于高速数据暂存的3 1 x 8 r a m ； 2 最少引脚数的串行l ； 3 2 5 5 5 v 满度工作范围； 4 2 5 v 时耗电小于3 0 0 n a ； 5 用于时钟或r a m 数据读写的单字节或多字节( 脉冲) 数据传送； 6 8 引脚d i p 或可选的用于表面安装的8 引脚s o i c 封装； 7 简单的3 线接； 8 t t l 兼容( v c c = 5 v ) ； 9 可选的工业温度范围- 4 0 ( 2 至+ 8 5 ： l o 与d s l 2 0 2 兼容。 哈尔滨理工大学t 学硕十学位论文 d s l 3 0 2 慢速充电时钟芯片包括实时时钟日历和3 l 字节的静态r a m 。它 经过一个简单的串行接口与微处理器通信。实时时钟日历提供秒、分、时、 日、周、月和年等信息。对于小于3 1 天的月，月末的日期自动进行调整，还 包括了闰年校正的功能。时钟的运行可以采用2 4 小时或带a m ( 上午) 、p m ( 下午) 的1 2 小时格式。使用同步串行通信，简化了d s l 3 0 2 与微处理器的 通信。与时钟、r a m 通信仅需三根线：r e s e t ( 复位) 、i o ( 数据线) 和 s c l k ( 串行时钟) 。数据可以以每一个字节或多达3 l 字节的多字节形式传送 至时钟r a m 或从其中送出。d s l 3 0 2 设计成能在非常低的功耗下工作，消耗 小于l 微瓦的功率便能保存数据和时钟信息。 d s l 3 0 2 时钟芯片与微处理器的硬件电路连接如图2 - 2 所示，它通过3 v 锂 电池和车内蓄电池两种方式供电，这样可以保证当蓄电池在出现故障的情况 下，该时钟芯片仍然能够正常工作，从而使记录仪的数据同样准确、可靠。 v c c 峭( l i 电) i l 图2 - 2 时钟电路 f i g 2 - 2t h ec l o c kc i r c u i t 串行时钟芯片主要由移位寄存器、控制逻辑、振荡器、实时时钟以及 r a m 组成。为了开始任何数据传送，必须把置为高电平且把提供地址和命令 信息的8 位装入到移位寄存器。数据在c l k 的上升沿串行输入。在进行单字 节传送或多字节传送时，开始的第一个字节为命令字节，用于指定4 0 个字节 中哪个将被访问。在开始8 个时钟周期把命令装入移位寄存器之后，时钟在读 操作时输入数据，在写操作时输入数据。在对d s l 3 0 2 进行任何数据传送时， 第一个字节必须是命令字节，其最高有效位m s b ( 位7 ) 必须为逻辑l 。如果 它是零，禁止写d s l 3 0 2 ，位6 为逻辑0 时，指定传送时钟，日历数据；为逻辑 l 时，指定传送r a m 数据位l 至5 ，指定进行输入或输出的特定寄存器的 哈尔演理t 大学t 学硕十学位论文 地址。最低有效位l s b ( 位o ) 为逻辑o 时，指定进行写操作( 输入) ；为逻 辑l 时，指定进行读操作( 输入) 。命令字节总是从最低有效位l s b 开始输 入。命令字节如图2 3 所示。 it a 4 a 3a 2 a l a o 赠 图2 - 3 命令字节格式 f i g 2 3t h e f o r m a to f c o m m a n db y t e 2 3 2 状态开关信号的采集及处理 由于汽车常用蓄电池的电压一般为1 2 v 和2 4 v ，所以汽车行驶记录仪的输 入工作电压范围为1 0 3 6 v ，需要采集的数据有两组，分别为汽车车速信号和 车门、刹车、大灯、小灯、左转灯、右转灯、喇叭和点火开关等8 个状态开关 量。 车速脉冲信号的采集利用了霍尔车速传感器，而其它状态开关信号直接从 汽车本身线束提取，省去了利用传感器的费用。开关信号的数据采集系统是车 辆本身己有的，通过线束与相应的信号相连接，经过接口电路将非电量的信号 转换成电量信号，将输入信号的高电压转换成低电压进入缓冲器转换成被单片 机所能识别的r r l 电平，被单片机所接收“”。 与脉冲信号一样，对于开关量信号也要进行抗干扰处理，但由于记录仪对 于开关量信号的读取不同于脉冲信号，对开关量信号是每秒读取次，高频干 扰不会引起误判，所以相应的抗干扰相对简单。 2 3 3 汽车车速信号的采集及处理 汽车变速器输出的速度信号是模拟信号，为了便于处理、存储，需要将模 拟信号转换为数字信号。测量速度时主要是利用磁电式传感器或光电式传感器 进行非接触性测量。光电法测速优点是电路实现简单、易用；但是，其抗外界 光线干扰能力差，而且易受外界灰尘污染，使得测量的准确性大幅度降低。磁 电法测速不但不怕污染，而且器件的寿命长，对外界环境要求低，电路实现简 单。 基于磁电式传感器的许多优点，本系统采用磁电式传感器将汽车车速信号 转变为电信号。霍尔车速传感器是一种基于霍尔效应的磁电传感器，它利用硅 集成电路工艺将霍尔元件与测量电路集成在一起，便成了霍尔集成传感器，主 哈尔滨理工大学工学硕+ 学位论文 要由齿圈，霍尔元件，永久磁铁和电子线路等组成具有与被测齿轮非接触， 无磨损、对磁场敏感度高、输出信号稳定、频率响应高、抗电磁干扰能力强、 结构简单、使用方便等特点。 2 3 3 1 霍尔传感器的工作原理霍尔传感器分为线性型霍尔传感器和开关型霍 尔传感器。线性型霍尔传感器输出的是模拟量，而开关型霍尔传感器输出的是 数字量。开关型霍尔传感器又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔元件、差分放 大器，施密特触发器和输出级组成。开关型霍尔集成传感器是把霍尔元件的输 出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。 由霍尔效应原理可知，当霍尔片处于磁场中，并在垂直于磁场的方向上通 以电流时，霍尔片上与电流和磁场垂直的方向上将会有霍尔电势差，当通过霍 尔片的电流恒定不变时，改变磁场的大小，可以改变霍尔电势差。 开关型霍尔传感器如图2 - 4 所示，从输入端l 输入电压v c c ，经稳压器a 稳压后加在霍尔片b 的两端，以提供恒定不变的工作电流。在垂直于霍尔片的 感应面方向施加磁场产生霍尔电势差v h ，该v h 信号经差分放大器c 放大后送 至施密特触发器d 整形当磁场达到“工作点”( 即b h ) 时，触发器d 输出 高电压( 相对于地电位) ，使三极管e 导通，输出端v 。输出低电位，此状态 称为“开”。当施加的磁场达到“释放点”( 即b l ) 时，触发器d 输出低电 压，使三极管e 截止，输出端v 。输出高电位，此状态称为“关”。这样两次 高低电位变换，使霍尔传感器完成了一次开关动作。 訇祷w 图2 4 开关型霍尔传感器原理图 f i g 2 - 4t h ep r i n c i p l ed i a g r a mo f h a l ls w i t c hs e n s o r 霍尔开关型传感器的输入输出关系如图2 5 所示，b h b l 称为磁滞，在此 差值内输出电位v o 保持高电位或低电位不变，因而输出稳定可靠“”。 哈尔滨理 大学t 学硕士学位论丈 b l b h b 图2 - 5 霍尔传感器输入输出关系 f i g 2 - 5t h ei n p u ta n do u t p mr e l a t i o n s h i po f h a l ls e n s o r 2 3 3 2 霍尔车速传感器霍尔车速传感器的工作原理为：永久磁铁的磁力线穿 过霍尔元件通向触发齿圈，这时齿圈相当于一个集磁器，由齿圈旋转引起穿过 霍尔元件的磁场变化，从而引起霍尔电压变化，最后通过电子线路变换成标准 脉冲电压。传感器的输出波形为方波。 假设霍尔车速传感器齿圈旋转l 周输出为8 个脉冲，车轮半径为r ，传感 、 器半径为，则车轮旋转一周速度传感器输出的脉冲