（交通信息工程及控制专业论文）多功能汽车行驶记录仪的研究与实现.pdf

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电子记录装置。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、保障车 辆行驶安全以及道路交通事故的分析鉴定具有重要的作用。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嵌入式实时操作系统与a r m 处理器的汽车行驶 记录仪，该汽车行驶记录仪具有实时性好、可靠性高、扩展能力强等特点。 多功能汽车行驶记录仪系统除了实现了传统记录仪的功能外利用全球卫星定位系统 ( g p s ) 提供的车辆导航定位数据和车辆自身的状态信息，通过通用分组无线服务( g p r s ) 移动通信系统来建立起数字通道将位置和状态等信息送至监控中心，并在电子地图上给 予显示，同时监控中心还可下发各种遥控命令对移动车辆予以控制。 本文详细论述了汽车行驶记录仪主机模块软硬件的设计与实现。论文首先介绍了课 题的研究背景，并对国内外汽车行驶记录仪的研究现状进行了概括，在此基础上提出了 本课题需要完成的目标。接下来，论文阐述了系统总体设计的构思以及各个功能模块不 同方案优劣的比较，并对最终方案进行了描述，此后详细介绍了各主要功能部件的功能 特点及应用。在板级支持包( b s p ) 设计单元，分析了v x w o r k s 的启动过程、b o o t r o o m 的 启动流程、b s p 的移植方法等。在应用软件设计单元，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做了详细描述。在系统测试单元，根据软硬件测试的不同 方法进行了硬件测试和软件测试的描述，并论述了测试过程中碰到的各种问题。最后， 论文对整个系统的功能和特点进行了总结，并对下一步工作以及记录仪今后的发展进行 了展望。 本文提供了一个可行的车载记录仪的实现方案。 关键词：汽车行驶记录仪，全球定位系统，系统设计，嵌入式系统 a b s t r a c t 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 ( v t d r ) i sad i g i t a le l e c t r o n i cd e v i c e ，w h i c hc a r l r e c o r da n ds t o r ev e h i c l es p e e d ，r e a lt i m e ，m i l e a g ea n dv e h i c l e so t h e rs t a t u si n f o r m a t i o n m e a n w h i l et h o s em e s s a g e sc a nb eo u t p u t t e dt oo t h e rd e v i c et h r o u g hs p e c i a lt r a n s f e ri n t e r f a c e t h ea p p l i c a t i o no fv t d ri si m p o r t a n tt oh o l db a c kt r a f f i cd e c e n c i e ss u c ha st i r e d - d r i v i n g ， o v e r s p e e d ，a n d i ti sa l s oi m p o r t a n tf o r a u t h e n t i c a t i n ga n da n a l y z i n gt r a f f i ca c c i d e n t s r i m m 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 sd e s i g n e di nt h i sp a p e rw h i c h b a s e so nt h ei m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i n gs y s t e m ( r t o s ) i ta l s oh a ss o m ec h a r a c t e r i s t i c s s u c ha sr e a l t i m e ，h i g hd e p e n d a b i l i t ya n ds t r o n ge x t e n d e da b i l i t y u t i l i z i n gt h ev e h i c l en a v i g a t i n ga n dp o s i t i o n i n gd a t aa n dt h es t a t u sm e s s a g e so fv e h i c l e ， t h ev e h i c l er e c o r d e rs y s t e mb a s e do ng l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ( g p s ) a n dg e n e r a lp a c k e t r a d i os e r v i c e ( g p r s ) c a nd i s p l a yt h ep o s i t i o na n dt h es t a t u so ft h ec o m m a n d st ot h ev e h i c l e ， w h i l et h eo p e r a t o rc a na l s os e n dal o to fr e m o t e c o n t r o l l i n gv e h i c l e t h e s em e s s a g e sa r e m a i n l ys e n ta n dr e c e i v e db yt h ed i g i t a lc h a n n e lp r o v i d e db yg p r s t h i st h e s i sm a i n l yd e s c r i b e sh a r d w a r e a n ds o f t w a r ed e s i g n i n go fv t d rm a i n f r a m e v t d rd e v e l o p i n gb a c k g r o u n di sf i r s ti n t r o d u c e di nt h ef i r s tc h a p t e r t h e nd o m e s t i ca n d o v e r s e ad e v e l o p i n ga c t u a l i t i e sa r es u m m a r i z e d ，a n db a s e do nt h es u m m a r i z a t i o nt h ea i mo f v t d rd e v e l o p i n gi ss e tf o r t h i nt h ef o l l o w i n gp a r t ，t h et h e s i sd i s c u s s e st h ed e s i g n i n g c o n c e p t i o no ft h ew h o l es y s t e ma n dd i f f e r e n tp l a n so fe a c hf u n c t i o nm o d u l e a tl a s t ，t h ef i n a l d e s i g n i n gp l a ni sd e s c r i b e di nd e t a i l i nt h eb s pd e s i g n i n gu n i t ， a n a l y z i n gt h ei n i t i a l i z a t i o np r o c e s so fv x w o r k sa n d b o o t r o o mo ns t a r t 。u pa n dt h em e t h o do fp o r t i n gb s ei nt h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r ed e s i g n i n g u n i t ，b a s e do nt h ef u n c t i o n so fv t d rt 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 i nt h es y s t e mt e s t i n gu n i t ，h a r d w a r et e s t i n ga n ds o f t w a r et e s t i n ga r ed i s c u s s e d e a c h p r o b l e mf o u n dd u r i n gd e b u g g i n gs t e pi sd e t a i l e d l yd e s c r i b e da n da n a l y z e d t h i sp a p e rp r o v i d e saf e a s i b l ev e h i c l er e c o r d e rs y s t e ms o l u t i o n k e y w o r d s ：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 , g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，s y s t e md e s i g n ， e m b e d d e d s y s t e m 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：奔昭叩年朔多日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 别帷各千 1 年厂月乡日 岬年朋，弓日 长安大学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 多功能汽车行驶记录仪的科研背景 1 1 1 项目背景 随着今年来中国经济的高速发展，人民生活水平的不断提高，公路交通系统的拥挤 度和复杂度与日俱增，特别是车辆增长的速度己远远高于道路和其他交通设施的增长速 度。汽车工业的发展，一方面带动了我国其它工业的发展，另一方面又给交通管理部门 以至整个社会带来了许多新问题。首先，汽车拥有量的急剧增加导致了交通事故的频频 发生，直接威胁到人民的生命安全，而据有关部门统计，交通事故的8 0 9 0 都是非规 范驾驶、超速行驶、强行超车造成的，同时许多交通事故由于无任何行驶仪记录而造成 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，以提高驾驶员的驾驶水平，降低车辆交通事故率，从而可有 效的保障人民的生命安全。另外，拥挤的交通系统给交管部门的管理和人们的出行带来 了极大的不便，同时也造成了社会资源的严重浪费。最近的一项研究发现，仅美国的主 要都市每年由于交通拥挤而造成的浪费就己超过4 7 5 亿美元，每年因交通拥挤浪费了多 达1 4 3 5 亿升( 3 7 9 亿加仑) 的燃料和2 7 亿工作小时，这些数字以每年5 - 1 0 的速度 继续递增【1 ，2 1 。 为了提高运输效率和安全性，减少交通事故，降低环境污染，世界各国纷纷提出“智 能运输系统”( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，简称i t s ) 的概念，该系统的目标是应用 先进的技术使交通在减少拥挤、污染和对环境影响的同时更安全有效地运行。多功能汽 车行驶记录仪的研究开发便是一个成功的尝试，它将普通机动车行驶记录仪和车辆定位 导航系统有机结合起来，在能够记录、存储、显示、打印车辆运行速度、时间、里程以 及有关车辆运行安全的其他状态信息为事故发生后提供事故责任判别依据的同时，还具 有全球定位、轨迹回放、越界报警、超速超时报警、连续跟踪、实时监控等功能，从而 能够实现车辆的动态监控，预防事故发生，最终建立一个智能化的、安全、便捷、高效、 舒适、环保的综合运输环境。 1 1 2 国内外发展状况 汽车行驶记录仪制造和应用的发源地均在欧洲。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，早期的记录仪和其他仪表配合在汽车上得到了广泛的应 第一章绪论 用。欧共体在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驶记录仪；欧盟在第3 8 2 5 8 号法规关于公路运输车辆的 一记录设备中规定：“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”。 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。 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时刻的运行状况，以此加强企业的安全生产管理。 从2 0 0 1 年初开始，四川省道路运输行业进一步加大了科技投入。在安全信息管理 技术方面，四川省交通厅运管局委托成都一家科研生产单位开发出汽车行驶记录仪，从 而在创新道路运输管理方式上，迈出了新的一步。2 0 0 1 年1 0 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，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 1 1 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g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 汽车行驶记录仪，以确保运输安全。 汽车行驶记录仪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。现今主要有如下两种类型： ( 1 ) 普通型行车记录仪。采用电子元器件组成，测量并记录汽车车速、日行驶里程、 日行驶时间、总累计里程及八种行驶状态，对车载传感器信号进行判别、计算并直接显 示，超速、超时语音或闪烁报警，存储或i c 卡读写，以曲线和数字记录在卷式记录纸 上或通过i c 卡采集到计算机上显示出行驶曲线和汇总信息，配有“管人、管车、管安 全”行车记录仪管理软件的仪器。 ( 2 ) g p s g s m i n t e m e t 汽车行驶记录仪。除具有普通型汽车行驶记录仪的功能外，还 具有g p s g s m i n t e m e t 扩展功能，并能把采集的数据通过g s m 和i n t e m e t 网络传送到 监控中心和各分控中心的仪器。 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， 2 长安大学硕士学位论文 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。 依托g 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互。在网络系统强大的地理、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 2 车载记录仪的技术研究价值 电子技术与通信技术的发展使得以g p s 为代表的高精度实时卫星定位技术逐步取 代了传统陈旧的定位技术；计算机网络技术和移动通信技术相结合诞生的无线数据通信 网，为实时有效地监控、调度、指挥车辆提供了保障；信息科学、系统科学不断向地图 学渗透，使得g i s ( g 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 ) 逐步进入实用；以前的车载装置大 多采用单片机来进行控制和实现智能化，随着汽车电子功能的增多、增强，在汽车电子 中采用嵌入式技术将成为必然。嵌入式作为一种新技术，最近几年才从单片机发展而来， 其处理能力介于单片机和微型机之间，随着嵌入式技术的不断研究和发展，嵌入式己应 用到很多方面，其技术也变得越来越成熟，其成本也在不断降低，因此开发基于嵌入式 的产品既能提高产品的档次，又能提高产品的功能和性能，我们采用嵌入式技术开发多 功能汽车行驶记录仪系统，一方面能增强控制能力，提高汽车电子的智能化程度，另一 方面，缩小了系统的体积，提高了系统应用的灵活性，同时也为将来进一步增强汽车电 子的功能提供了扩展空间。 总之，现代高科技的发展为智能化的现代车辆监控系统提供了坚实的技术基础。从 另一方面说，正是由于该系统的实现涉及到多方面的技术，而且这些技术都是近年来发 展起来的新技术，因而它是一个综合性很强的新兴应用研究领域，系统实用化过程中必 然存在一些技术难题有待解决，这也正是它的研究价值所在。 本论文中的多功能汽车行驶记录仪系统是采用a r m 7 微处理器构造的嵌入式系统， 结合了传统技术和新型的g p r s 无线通信技术，充分利用了g p r s 网络优势，可全天2 4 小时监控，成本低，实现完全自我服务，大大提高了车载监控系统的安全性、灵活性和 第一章绪论 可靠性。 1 3 主要研究内容 本文研究并实现了一种新型的基于嵌入式实时操作系统v x w o r k s 的多功能汽车行 驶记录仪，其主要的研究内容概括下来有以下几点： 1 ) 讨论了系统方案确的确定过程，对各种方案的优缺点和可行性进行了比较，并 对最后方案进行了描述和归纳。 2 ) 详细介绍车载终端硬件的设计。先分析系统目标，接着根据系统目标设计了系 统的结构模型，介绍了其工作机理，最后详细分述了系统硬件设计方案及各功能模块的 实现。 3 ) 讨论了板级支持包( b s p ) 的设计，介绍了实时操作系统的移植和驱动程序的开 反o 4 ) 讨论了系统应用层软件的设计，包括系统任务的设计，功能单元的设计。 5 ) 阐述了系统的软、硬件测试，对测试过程中碰到的各种问题进行了讨论。 4 长安人学硕士学位论文 2 1 课题目标 第二章系统总体设计方案 本课题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 ) ) 及其第一号更改单、广东 省( ( g p s g p r s 汽车行驶记录仪地方标准等的要求，确定本课题的设计目标。 2 1 1 多功能汽车行驶记录仪的性能要求 1 ) 整体性能要求【4 】 记录仪及固件应设计为1 5 x 2 4 小时持续稳定工作，在正常运行时无须外部干预。不 受通信网络的故障的影响，在网络恢复正常时能及时将存储的重要信息重新发送至运营 管理中心； 可靠性：记录仪的平均无故障时间( m t b f ) 最低为： 3 0 0 0 小时； 可扩展性：应能支持r s 2 3 2 接口或r s 4 8 5 外部数据通信接口，以及支持记录仪所需 的各种外部传感器的车辆信号接口； 可维护性：支持远程设置和配置。 2 ) 断电保护性能 记录仪断电，自动进入保护状态，断电前存储的数据至少经过1 5 天不丢失。 3 ) 卫星定位模块 卫星定位模块的接收灵敏度不低于一12 0 d b m 。 卫星定位模块所确定的车辆位置与实际位置的偏差不大于1 5 米。 位置信息更新频率不大于1 h z 。 冷启动：从系统加电运行到实现捕获时间不大于1 2 0 s 。 热启动：实现捕获时间不大于2 0 s 。 4 ) 无线通信传输模块 应能支持基于通用g s m 、c d m a 或t d s c d m a 等多种无线通信网络传输机制下的 通信模式，如s m s 、g p r s 、c s d 、c d m a 1 x 等中的一种或多种。 2 1 2 多功能汽车行驶记录仪的功能要求 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屏显示方式指示故障信息。 2 ) 实时时间、日期及驾驶时间的采集、记录、存储功能 第二章系统总体设计 记录仪应能提供北京时间日期和时钟，该日期和时钟被用于为记录仪实现所有功能 ( 记录、输出、显示、数据通信等) 标注日期和时间。记录仪应能以年、月、日或 y y y y m m d d 的方式记录实时日期；应能以时、分、秒或h h ：m m ：s s 的方式记录实时时钟。 记录仪应能对连续驾驶时间进行记录。 连续记录2 4 h 数据，记录时间允许误差在士5 s 以内。 3 ) 车辆行驶速度的测量、记录、存储功能 ( 1 ) 事故疑点数据 记录仪应能以不大于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1 0 次。速度记录单位为 k m h ( 千米d , 时) ，测量范围为o k m h - - , 2 2 0 k m h ，测量分辨率等于或优于l k m h 。 ( 2 ) 行驶状态数据 无论车辆在行驶状态还是停驶状态，记录仪均应能提供实时时间对应的车辆行驶速 度信息。当车速传感器输出的脉冲信号超过1 脉冲秒并且持续5 秒以上时，可认为车 辆是在行驶状态，否则认为车辆是在停驶状态。 记录仪应能以不大于1 分钟的时间间隔持续记录并存储车辆在最近3 6 0 小时内的 行驶状态数据，该行驶状态数据为：车辆在行驶过程中与实时时间相对应的每分钟间隔 内的平均行驶速度值。 4 ) 车辆行驶里程的测量、记录、存储功能 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 - - 一9 9 9 9 9 9 9 k m ，分辨率应等于或优于0 1 k m 。 5 ) 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。驾驶员代码为阿拉伯数字，其最大长度不超过7 位，代码 设置方法由使用者根据需要自定，在同一记录仪的数据记录中，某一驾驶员的代码应与 其机动车驾驶证证号唯一相对应。 6 ) 数据显示功能 ( 1 ) 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、行驶方向； 通信传输模块的信号强度； 卫星定位状态；指示是否精确定位状态； ( 2 ) 通过操作按键应能实现如下显示： 6 长安大学硕士学位论文 最近1 5 分钟内每分钟的平均车速记录； 最近2 个日历天内同一驾驶员连续驾驶时间超过4 小时的所有数据记录； 车辆特征系数； 运营管理中心与记录仪之间的收发信息( 最近2 0 条) 设置参数类信息 呼入、呼出通话记录 7 ) 数据打印输出功能 数据打印只能在停车状态下进行。记录仪至少应能打印输出车牌号码、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( 一次连续驾驶时间超过4 小时的所有记录) 。 8 ) 记录仪应同时配置两种标准接口： u s b ( 通用串行总线) 标准接口和标准r s 2 3 2 c d 型9 针接口。 ( 1 ) 下传信息 应能通过规定的通信接口，实现对记录仪中如下参数和信息的输入、设定、存储： 车辆识别代号、车牌号码、车牌分类、驾驶员代码、驾驶证证号、实时时钟、记录仪主 机可识别的唯一性编号及初次安装日期。 ( 2 ) 上载信息 记录仪应能通过通信接口，向外部设备输出至少包含如下内容的信息：实时时钟、 事故疑点数据、最近3 6 0 小时内车辆行驶速度数据( 记录间隔为1 分钟，数据为每分 钟内的平均速度。) 、对应实时时钟的车辆行驶里程数据、车辆识别代号、车牌号码、车 牌分类、驾驶员代码、驾驶证证号、车辆特征系数。 上载数据时，不能改变和删除记录仪内存中己存储的任何数据。 记录仪应对每一次上载的日期和时间进行记录、存储。 9 ) 定位监控功能 ( 1 ) 实时监控 记录仪能向运营管理中心发送实时位置信息和记录信息，发送内容包括时间、精度、 纬度、方向、速度、状态等，发送时间间隔可在5 秒2 5 0 秒内自由设置。 记录仪能提供实时的时间、位置、速度和方向等状态信息，并存储到内部存储介质 中，通过选定的通信方式传送到指定的接收器上。 记录仪可以对连续驾驶的时间进行记录； ( 2 ) 定时监控 第二章系统总体设计 记录仪能传送多条定位资料集，每个定位资料集由多个定位资料按照一定的时间间 隔采集组成。记录仪并能支持运营管理中心远程对参数进行设置、修改。 ( 3 ) 速度监控 记录仪能实现按不同路段和不同时段进行速度监控。当记录仪检测车速超过设定速 度，并持续设定时间后，对司机进行提示，同时向运营管理中心上报报警信息。记录仪 支持运营管理中心远程对参数进行设置和修改。( 分段功能可选) ( 4 ) 区域监控 当车辆进区域、出区域、进出区域，记录仪均应及时向运营管理中心报警，并能对 所处的区域进行设定的超速值进行是否超速判断并向运营管理中心报警。 ( 5 ) 线路监控 记录仪支持对车辆行驶的路线进行实时监控管理，并能自动在终端判断车辆运行是 否超速( 可以分不同时间段和不同行驶路段进行判断不同的超速值) 、进出站点、偏移 设定路线、驶入危险路段等。 当车辆偏移设定路线的设定距离持续超过设定时间后，记录仪应及时向运营管理中 心报警。 1 0 ) 疲劳驾驶提醒 记录仪能够实现不同驾驶人连续驾驶时间超过国家法规规定的时间的疲劳驾驶判断 及时上报运营管理中心，并声音提醒驾驶人注意。 1 1 ) 信息服务功能 记录仪要求具有显示屏或其他显示设备，能够接收运营管理中心下发的消息并显示， 同时具备声音提示功能，并能够向运营管理中心上发消息。 1 2 ) 紧急报警 记录仪应能向运营管理中心进行紧急报警； 运营管理中心应能远程控制( 切断恢复油路等) ； 运行管理中心能监听； 1 3 ) 设置维护功能 应能通过规定的通信接口实现对记录仪参数和信息的输入、设定、存储。 运营管理中心能对记录仪参数进行远程查看、设置、修改。 运营管理中心能够控制记录仪复位、恢复出厂设置。 8 k 安太学碰十n * z 2 2 系统总体方案概述 根据国家标准规定，汽车行驶记录仪系统一般由二部分构成：记录仪主机、系统管 理分析软件、外围设备。记录仪主机一般又包括了记录仪终端、显示屏：系统管理分析 软件一般包括了实时监控软件，数据分析软件等；外围设备主要包括：车速传感器、打 印机等，还可以根据特殊需求配备摄像头等辅助设备，系统的结构组成如图21 所示。 其主要功能是将移动目标的动态位置( 经度和纬度) 、时间、状态等信息，实时进行记录 并通过无线通信链路传送至监控中心站，而后在具有强大的地理信息查询功能的电子地 图上进行移动目标运动轨迹的显示，并对目标的准确位置、速度、运动方向、车辆状态 等用户感兴趣的参数进行监控和查询，为调度管理提供可视化依据提高车辆的运营效 率并确保车辆的安全。 冒_ i ”毫i t - e m m w ， n 自n 圈z 1 系统组织结构图 多助能汽车行驶记录仪系统的设计必须满足基本数据需求和增值业务需求。基本数 据需求就是通过g p r s 无线链路把车辆行驶信息、车辆状态信息、卫星定位等信息传送 到监控中心，并可以接收监控中心下达的监控指令，对于这个流程的实现，首先要能够 采集g p s 卫星定位数据并对该数据进行一定的运算处理和封装处理，其次要能够通过 g p r s 无线数据链路访问位于监控中心的服务器。除此之外记录仪系统还可咀进行与p c 机的串门、u s b 口进行通信、提供显示面板以及按键操作面板。满足基本数据需求之后， 可以扩展增值业务，提供诸如车载免提电话和短消息语音播放等功能。 对于基本数据需求来说，卫星数据聚集可以通过g p s 模块实现，但是需要有一个可 以控制的接口和具有较强讣算能力的处理器来处理采集的数据。无线数据链路的物理层 直一 塑| | | 眦 翁 第二章系统总体设计 可以由g p r s 模块承载，车速信号的采集主要通过车速传感器将速度信号转换为频率信 号，通过c p u 采集与处理，车辆状态数据的采集可以通过相应的信号采集和处理电路 来完成。显示面板可用液晶显示模块，操作面板可以通过简单的按键电路实现。 记录仪主机是本课题研究的核心部分，其硬件主要划分为以下几个功能模块：数据 信号采集，处理器、数据存储、人机交互、外部数据通信、电源等模块。 2 3 硬件各模块方案的选择 2 3 1 主处理器方案的选择 微处理器对于整个系统来说至关重要，如果将系统比作一个人，那么微处理器就是 人脑，它指挥身体的各个部分协调工作，顺利完成一切行为。 目前汽车行驶记录仪的微处理器一般采用的是8 位m c s 5 1 单片机，此类单片机应 用广泛，价格相对较低，发展也较成熟，是记录仪低端方案的首选。低端方案虽然能够 实现系统的基本功能，但是却不能保证系统对实时性、大量数据的处理能力、扩展接口 等各方面的要求，故考虑采用高端方案一一3 2 位r i s c 处理器，如嵌入式处理器 a r i m 9 , 1 0 i 。以下是根据系统各方面指标要求对5 1 单片机和a r m 处理器的比较： 1 、a r m 架构复杂，适用于系统复杂度较高的产品：5 1 单片机架构简单，硬件资源 相对较少，适合于一般的应用。汽车行驶记录仪输入信号众多，处理数据庞大，流程复 杂，用a r m 处理器可以很方便地解决这些复杂问题。 2 、 记录仪需要处理的数据众多，且处理的实时性要求较高( 如每0 2 s 需要处理一 次，对超速需要及时报警等) ，这些指标对于处理位数只有8 位的5 l 单片机而言，无疑 是很难达到的。但是，3 2 位a r m 处理器却能够驾轻就熟。 3 、本记录仪需要扩展的外围电路较多，它需要有串口、u s b 通信接口、实时时钟 电路、显示屏、以及多个键盘等，5 1 单片机只有4 0 管脚，显然很难满足这么多接口的 需要，而不少a r m 处理器芯片具有上百个管脚，内置接口丰富，因此很容易满足各类 扩展需求，从而能够大幅度缩短系统的开发周期。 4 、记录仪对性能要求较高，a r m 处理器内部寄存器很多，可用于存放中间数据和 优化对操作数的访问，这对于提高处理器的性能以及进行实时控制都极为有利。同时， a r m 处理器的编译器具备优化功能，可以生成高效率执行的机器代码。 5 、a r m 处理器芯片虽然价格较5 l 单片机高，但是由于它内置了许多功能部件和接 口，所以从整体上来说性价比还是不错的。 1 0 长安大学硕士学位论文 根据如上分析，我们选用了a r m 处理器芯片作为本设计的主处理器芯片。 2 3 2 数据存储方案的选择 汽车行驶记录仪的数据存储通常有以下几种方案【l l 】 1 、s r a m + 电池+ 电源管理i c + e e p r o m 由于e e p r o m 的擦写次数的限制，检测的数据量不能实时写入其中，只能存储在 s r a m 中，当到一定的时间或检测到掉电后再把数据写入e e p r o m 中。此方案的特点： 技术简单但系统复杂，而且成本较高，性能很不可靠。由于同时采用了传统的s r a m 和 e e p r o m ，而且增加了电池和电池管理i c ，使得整个系统的电路复杂，调试困难，成 本也较高。发生事故时可能整个系统都没有电，当系统检测到掉电时，再把s r a m 的 数据写入e e p r o m ，已经没有时间，而且汽车系统的环境比较复杂，强烈的电磁干扰 也会使得这种方案可靠性很差。 2 、n v 二s r a m ： 汽车行驶记录仪的另一种存储方式是采用n v - s r a m 作为存储器件，n v - s r a m 是 挥发性s r a m 加上备用锂电池，系统正常工作时m c u 利用s r a m 存储及交换数据， 停电后用锂电池维持数据。在铁电存储器面世之前，n v - s r a m 也广泛应用于数据写入 频度高且要求掉电不丢失数据等应用领域，但该类器件昂贵的价格又制约了其在价格敏 感领域的应用。另外在性能方面，如果n v - s r a m 还有电池用完的危险，所以用它来存 储数据也不够可靠。 3 、f r a m f r a m 是美国r a m t r o n 公司的产品，被称为铁电存储器，其核心技术是铁电晶体材 料。这一特殊材料使得铁电存贮产品同时拥有s r a m 和非易失性存储产品的特性：擦写 次数至少可达到1 0 0 0 亿次，超过1 0 0 0 亿次后还可作为s r a m 使用，速度快，没有写 等待时间：功耗低，读写电流1 5 0 9 a ，静态电流小于l 衅；可靠性高；串行接口方式有 1 2 c 和s p i 两种。 由于方案l ，2 用于保存实时数据的不可靠性，我们决定采用方案3 - f r a m 作为 记录仪存储器。但是，目前市场上出现的f r a m 芯片容量都不够大，所以考虑再使用 一块大容量f l a s h 作为数据存储器，而将f r a m 作为数据转存的中介。当需要以微秒 级速度保存数据的时候，使用可多次擦写的f r a m 暂存。当满足设定的条件，则立即 将f r a m 中的数据转存入f l a s h 中，这样就能满足存储器容量大且能够多次擦写的 第二章系统总体设计 要求，而且避免了因掉电而发生数据丢失的现象。 2 3 3 信号采集方案的确定 本系统的输入信号较多，大致可分成三类：模拟信号、数字信号以及开关量信号。 不同种类的信号采用不同的采集方式： 1 、模拟信号采集方案 本系统采集外部1 2 v 供电电压、内部5 v 供电电压，采集和处理是采用a d 转换器 进行的，由于处理器4 4 8 0 内置了8 路1 0 位精度的a ，d 转换器，其输入电压范围为o 2 5 v ，故只须简单的电压变换电路即可满足模拟信号的采集需求。 2 、频率信号采集处理方案 频率信号主要是车速霍尔传感器信号。这路信号通过霍尔传感器转换成车速脉冲输 出，由此可以利用4 4 8 0 定时器的外部中断接口进行采集。通过记录脉冲的输出间隔， 从而可以计算出里程、车速等实时数据，用以保存和报警输出。 3 、开关量信号采集方案 开关量信号包括：前门、后门、大灯、左灯、右灯、倒车灯、点火、刹车等8 路信 号，每一路信号的状态发生变化时，均需要能够及时检测到。本设计直接通过c p u 数 据i o 口按照0 2 秒的周期对开关量信号进行采集。 2 3 4 数据显示方案的确定 车辆仪表的显示器常采用v f d 或l c d 液晶显示屏。 v f d ( v a c u u mf l u o r e s c e n td i s p l a y ) e l i 真空荧光显示屏，它是从真空电子管发展而来的 显示器件，它的基础特性与电子管的工作特点基本相同。由发射电子的阴极( 直热式， 统称灯丝) 、加速控制电子流的栅极、玻璃基板上印上电极和荧光粉的阳极及栅网和玻 盖组成。它利用电子撞击荧光粉，使荧光粉发光，是一种自身发光显示器件。 v f d 根据结构一般可分为二极管和只极管两种。根据显示内容可分为：数字显示、 字符显示、图案显示、点阵显示；根据驱动方式可分为：静态驱动( 直流) 和动态驱动( 脉 冲) 。显示发光形式有点阵式、固定图形和文字式等。 l c d ( l i q u i dc r y s t a ld i s p l a y ) 为液晶显示器，它使用两片薄膜，利用通电与未通电时 中间的液态晶体改变排列方向来造成透光与不透光效果，从而产生图形。l c d 液晶器具 有图像不失真、无闪烁、无辐射等优点【1 3 1 。 相比而言，v f d 可显示的图像更加丰富多彩，而且界面图形固定，编程简单。可是 1 2 长安大学硕上学位论文 另一方面，记录仪需要显示的数据较多，包括实时车速、实时时间、驾驶员代码、报警 信号等，车辆运行的过程中还需要进行循环显示。这些对于v f d 而言显示屏上的图形 会过多从而影响美观，也不利于驾驶员观察实时数据。另外，v f d 界面图形固定，虽然 编程方便，可是却限制了显示内容，而l c d 可任意描绘显示的图形甚至表格和曲线， 方式更为灵活多样，屏幕也比较清爽。所以l c d 是本系统显示面板的首选。 2 3 5 驾驶员身份识别方案的确定 规范驾驶员行为，作为汽车行驶记录仪基本功能之一，它首先应该能够准确识别驾 驶员身份【1 2 】。目前汽车行驶记录仪采用的驾驶员身份识别方式主要有：接触式i c 卡识 别、非接触式i c 卡识别以及直接输入识别【1 4 】。 1 、接触式i c 卡识别 c p u 一旦探测到有i c 卡插入则通过卡的i o 读取数据，接着进行程序的判断处理。 当确定为合法的i c 驾驶员卡后，再按照协议读取驾驶员信息【1 4 】。 接触式i c 卡存储量大，读写机构造价便宜，维护方便。但是它的读写故障率较高， 同时还存在由于触点外露而导致卡的污染、磨损、静电等缺点。 2 、非接触式i c 卡识别 非接触式i c 卡的读写过程通常由非接触式i c 片和读写设备间的无线电波来完成。 该方式操作过程简单，但是抗干扰能力相对较弱，且开发成本较高。 3 、直接输入式识别 直接输入式识别，顾名思义就是直接通过按键，输入驾驶员的信息资料来确认身份。 最常见的是输入与驾驶证号码唯一对应的驾驶员代码和密码，从而实现驾驶员身份的识 别。 直接输入识别方式开发简单，可靠性较高，成本低，抗干扰性能也很好。接触式i c 卡方式使用简单，存储信息多。故本系统同时实现了这两个方案，客户可以根据自身需 求进行选择。 2 4 嵌入式操作系统的选择 2 4 1 引入嵌入式操作系统的意义 传统的单片机系统在程序设计上一般采用的是前后台方式或超循环方式( s u p e r - l o o p ) 【1 6 】，如图2 2 所示。应用程序是一个无限的循环，在循环中调用相应的函数完成相应的 第二章系统总体设计 操作，这部分可以看成后台行为1 ( b a c k g r o u n d ) 。而中断服务程序负责处理异步事件，这 部分可以看成前台行为( f o r e g r o u n d ) 。后台也可以称为任务级，前台也叫中断级。时间相 关性很强的关键操作( c r i t i c a lo p e r a t i o n ) 是靠中断服务程序保证的。因为中断服务程序提 供的信息一直要等到后台程序运行到该信息处理的这一步时才能得到处理，所以这种系 统在处理信息的及时性上，比实际可以做到的要差。 t - - - - - 后台一卜_ 一前台一 i s r = 图2 2 前后台式应用 这个指标称作任务级响应时间。最坏情况下的任务级响应时间取决于整个循环的执 行时间。因为循环的执行时间不是常数，程序经过某一特定部分的准确时间是不能确定 的【j7 1 。因此，如果程序被修改了，循环的时序也会受到影响。很多简单的嵌入式产品如 微波炉，电话机等都是采用前后台系统进行的软件设计。在另外一些简单型嵌入式应用 中，从省电的角度出发，平时微处理器都处在停机状态( h a l t ) ，所有的事情都靠中断服务 来完成。 对于简单的应用，这种前后台方式是可以满足需求的。而随着嵌入式系统的不断发 展，系统应用变的越来越复杂，系统可能要同时监测、控制多个外部设备，要求较高的 实时性，有多个任务要处理，如果在这种情况下在系统软件设计上仍然采用上述的传统 方式，就会出现两个比较突出的问题。是中断响应，一般为了保证某一项重要任务的 实时性，就必须在中断服务程序( i s r ) 中进行较为复杂的处理，这样一来就要考虑代码重 入、系统硬件堆栈溢出等问题。二是任务多，要考虑的各种可能性也多，各种资源调度 不当就会造成共享数据的不一致，降低系统的可靠性，同时程序量也加大。同时采用前 后台方式设计的软件也很容易引起任务管理上的混乱。 作为嵌入式系统灵魂的嵌入式实时操作系统( r e a l t i m ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ， 1 4 长安大学硕十学位论文 r t o s ) 是嵌入式系统发展到定阶段的产物。嵌入式实时操作系统是一种实时的、支持 嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统( 包括硬、软件系统) 极为重要的组成 部分，通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图 形界面等。嵌入式操作系统的出现，大大提高了嵌入式系统的开发效率，改变了以往嵌 入式软件设计只能针对具体的应用从头做起的历史。在嵌入式实时操作系统上开发嵌入 式应用系统将大大减少系统开发的工作量，增强嵌入式应用软件的可移植性，使嵌入式 系统的开发方法更具科学性。 嵌入式操作系统与通常意义上