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东北大学硕士学位论文 摘要 基于车辆运行的数字记录装置的设计 摘要 汽车运行数字记录装置是一种对车辆行驶速度、时间、里程以及有关车辆行驶的其 它状态信息进行记录、存储，并可通过接口实现数据输出的数字式电子记录装置。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，并将为事故分析鉴定提供原始数 据。 本文将记录装置整个系统分为记录部分和上位机软件管理部分。记录装置部分采用 以微控制器为核心，同时配以时钟芯片、存储器、键盘，显示芯片、u s b 接口芯片以及速 度传感器设计来组成一个嵌入式硬件系统。上位机应用软件选用v i s u a lb a s i c 语言开发， 并对数据进行数据库管理。 本文的主要工作包括系统方案的规划、各部分硬件实现的设计、记录装置的部分固 件程序的设计。该产品目前已经通过公安部国家标准检测，并且已经投入生产和使用。 关键词：微控制器；u s b ；p c f 8 5 6 3 ( 日历时钟芯片) ：速度传感器 i i 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i g i t a lr e c o r d e rd e s i g nb a s e do nv e h i c l e sm o v e m e n t a b s t r a c t r e c o r d e ro nt h ev e h i c l ei sad e v i c et h a tc a r lc o l l e c tt h es t a t u s ，s u c ha sv e l o c i t y , t i m ea n d m i l e a g e ，o ft h ev e h i c l ea n ds t o r et h ei n f o r m a t i o nt h a ts h o u l db eo u t p u tt ot h ec o m p u t e ro r o t h e rd e v i c e s t h i sd e v i c ec a l la l a r mt h ed r i v e r sn o tt od r i v i n gw i t ht i r e do ro v e r s p e e ds oa st o k e e pt h es a f e t y o ft r a f f i ca n di m p r o v et h em a n a g e m e n to fc o n v e y a n c ea n de t c i f u n f o r t u n a t e l ys o m ea c c i d e n th a p p e n ，i tc a na l s og i v eu ss o m eh e l po f a n a l y s i n gt h ea c c i d e n t t h ep a p e rd i v i d e st h ew h o l es y s t e mi n t ot w op a r t s ：o n ei so nt h er e c o r d e ra n dt h eo t h e ri s o nt h eu p p e rm a c h i n em a n a g e m e u ts o f t w a r e t h er e c o r d e ri sb a s e do nm i c r o c o n t r o l l e ru n i ta n d a l lt h eo t h e rr e l e v a n tc u p s t h eu p p e rm a c h i n es o f t w a r ea r ed e v e l o p e db yv i s u a lb a s i c t h em a i nw o r ko ft h ep a p e ri n c l u d em a k i n go u tt h es y s t e mf r a m e ，d e s i g n i n gt h e h a r d w a r e ，p r o g r a m m i n gt oa r r i v ea tt h es y s t e md e m a n d s n o wt h ep r o d u c th a sp a s s e dt h el e s t o f s t a t es t a n d a r d s ，a n db e e n u s e db ym a n yv e h i d ed e p a r t m e n t s k e y w o r d s ：m i c r o c o n t r o l l e r ；u s b ；p c f 8 5 6 3 ( c l o c kc h i p ) ；v e l o c i t ys e n s o r i n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其它学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：黏而 日期：渺多、矽 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名：否则视为不同 意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题提出的背景 第一章绪论 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，早期的记录仪和其它仪表配合在汽车上得到了广泛的应 用。第二次世界大战后，德国的经济开始复苏，交通运输业迅速发展，道路运输竞争日 趋激烈，导致驾驶员疲劳驾驶和超速驾驶等违法行为大量出现，严重威胁道路交通安全 2 9 a o o 为了保障道路交通安全，规范道路运输市场，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，替代欧共体，原欧共体有关记录仪应用的各项法规继续有效。截至目前， 欧盟1 5 个成员国约7 0 0 多万辆商用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【引j 【1 9 】。 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成效显著， 事故发生率和死亡人数大幅度降低【3 2 】。据德国交通运输部公布的德国客车及货车安装记 录仪后的事故统计数据，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【3 3 】。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，事故发生率降低 了2 2 倍：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 倍【3 4 1 。根据德国交通运输部公布的1 9 7 0 年至1 9 9 8 年部分欧共体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 【3 5 】【1 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三个主要 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、标线等信号设箍大大 改善i 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【3 6 1 ”】 1 9 1 。 近年来，随着匡家经济的飞速发展，我国道路交通业也得到了蓬勃发展。同世界上 许多发达国家曾经经历过的情况一样，我国的交通事故也逐渐呈上升趋势，极大地威胁 了人们的生命财产安全。目前，我国是世界上交通事故死亡人数第一位的国家。全世界 6 0 亿人口每年死亡5 2 0 0 万人，其中死于交通事故的有5 0 万人，占死亡人数的l 。排 在人类死亡原因的第十位。而我国年交通事故死亡9 万人，占世界总死亡人数的百分比 为1 5 ，排在死亡原因的第七位。2 0 0 0 年，我国交通事故死亡人数9 3 8 5 3 人，4 1 8 7 2 1 人受伤，直接经济损失达2 6 7 亿元 2 。在这些交通事故中，每死三个人就有两个是违 东北大学硕士学位论文第一章绪论 章驾驶，违章的主要原因是超重、超载和超速1 2 “。 为了借鉴发达国家管理机动车安全行驶的成功做法，控制我国不断增长的交通事故 发生，我国也加大了对道路交通安全状况管理的力度，各项法律法规纷纷出台并实施f 2 2 1 。 公安部、交通部、国家安全生产监督管理局于2 0 0 1 年底联合下发了公安部、交通部、 国家安全生产监督管理局关于加强公路客运交通安全管理的通告。通告要求：长途客 运车辆驾驶员一次连续驾驶车辆不得超过3 小时，2 4 小时内实际驾驶时间累计不得超过 8 小时；长途客运车辆应当逐步安装、使用符合国家有关标准的汽车行驶记录仪。同时， 为了在全国范围内继续深入开展预防和减少道路交通事故的工作，公安部、国家安全生 产监督管理局制定了2 0 0 2 年预防道路交通事故工作方案，明确规定对疲劳驾驶、车 辆超速等8 项违章行为进行集中整治【2 3 】。2 0 0 3 年9 月1 日开始实施的汽车行驶记录仪 国家标准( g b t 1 9 0 5 6 2 0 0 3 ) ，规定了汽车行驶记录仪的定义、要求、试验方法、检验规 定、安装、标志、标签以及包装等内容。国标规定：“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，i ”j 。2 0 0 4 年5 月1 日“中华人民共和国道路交通安全法” 开始实施。其中第二章第十四条明确规定：“用于公路营运的载客汽车、重型载货汽车、 半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、连续行驶时间以及其它行驶状态信息进行检查。安装汽车行驶记录仅可以分步实施， 实施步骤f h 国务院机动车主管部门会同有关部门规定”j 。 汽车行驶记录仪的推行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极为重要的作用。 它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。汽车行驶记录仪的广泛运用既是交通运输安全的必 然要求，同时也是交通运输向现代化、信息化发展的必然趋势 3 8 1 1 2 4 1 。 1 2 国内外发展状况 七十年代后期，欧共体推出机电模拟式汽车行驶记录仪，用于记录汽车行驶的速度 和距离。经欧共体各国推广使用质，证实在降低事故率，提高司机责任心和进行科学管 理等方面收到良好效果。据德国、比利时和荷兰几家公司的统计，使用记录仪后交通事 故率可降低3 0 5 0 。进入九十年代，科学技术飞速发展，计算机曰益普及，美国、欧 共体相继推出性能更为优良的电子式汽车行驶记录仪，并得到美国国家运输安全委员会 的支持，敦促在其轿车和卡车上安装这神仪器。同时，美国通用公司和福特公司等汽车 制造商也着手研制汽车记录仪，并在其几种高档车上安装，记录仪中的数据已在其法律 诉讼及车辆返修等事务中提供了可靠的帮助【1 7 】【1 8 】。1 9 9 4 年，比利时的一家公司在其1 1 4 辆车上安装了汽车记录仪，实践证明，记录仪的使用大大革新了该公司的管理体系，它 不但忠实的记录了每辆车的行驶时间、速度、距离等，帮助管理人员对车辆进行统筹管 2 东北大学硕士学位论文第一章绪论 理，而且在限制超速、提醒司机小心驾驶等方面也起到了非常积极的作用，这样还使车 辆的行驶情况、司机的业务评比更透明化，同时改善了司机的驾驶品质，车辆的磨损和 下路维修都大为减少。据新华社报道，智利旅游汽车公司的所有长途客车上都装有记录 仪，使用当年，因超速引起的交通事故已降为零。9 8 年3 月，马来西亚内阁会议决定强 制推行使用汽车记录仪，以控制超速现象 2 5 】【39 1 。最新资料显示，日本汽车研究所最近研 制出的“黑匣子”，不仅能够记录车辆事故发生的各种数据，而且它还能自动收入事故 发生前1 0 秒和后5 秒之间从驾驶室看到的画面 2 ”。 我国汽车运行数字记录装置的研究基本与世界同步。早在1 9 8 8 年，这项研究就被 国家计委、物价局、税务局、中国工商银行等部门列入国家级重大新产品试产计划，1 9 9 4 年，由中国航空工业第六一一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，并在深圳、上海、广州、南宁等地试行装 车，取得了一定的社会效益。尤其是近几年，有关汽车运行数字记录装置问题的研究在 我国方兴未艾，很多公司和科研院所都投入了大量的人力物力进行研究开发，相继又有 多种产品问世1 2 6 2 7 。 所以，着眼于已经研制出的汽车行驶记录仪，应该研制出一种功能更强，性能更加 优良的数字记录装置。 1 3 论文主要研究工作 本设计系统是根据汽车行驶记录仪国家标准的要求，完成对汽车的实现时间和 车速数据的采集和处理。在具体的工作上，主要解决了车速传感器的数据采集、车速的 计算、数据的存储和显示、单片机与上位机的通信等问题。论文中侧重分析了车速的计 算及在系统中的硬件实现。 本文针对车速数据采集的要求，首先讨论了本设计的产生和应用背景，接着讨论了 车速测量的原理和计算方法，然后主要具体讲述了单片机及系统各部分的原理和设计以 及芯片的选择，最后阐述上位机管理软件对数据的处理。 本课题的主要研究内容如下： ( 1 ) 车况信息采集装置。车况信息主要指行车速度、制动状态以及其他一些对车辆 工况分析有用的信息。车况信息采集装置就是用来对这些有用信息进行采集的，设计中 采用的是霍尔传感器。 ( 2 ) 大容量的数据存储装置。系统不仅有信息采集的功能，而且还要求把这些信息 保存下来。大量的采集数据要占据很大的存储空间，如何有效地组织和读写这些数据是 本系统要研究的一个重要问题。 ( 3 ) 语音安全提示装置。为有效的预防交通事故的发生，系统设置了语音安全提示 功能，在车速超过预设报警值时，系统产生语音安全提示。 ( 4 ) 液晶显示装置。车速是车辆运行的重要参数，系统采用液晶显示器显示车速， 。3 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 可以更直观的了解车辆的行驶状态。 ( 5 ) 上位机软件。在停车状态，可以用上位机软件提取下位机采集的数据，并对这 些数据进行相应的处理。 。4 东北大学硕士学位论文第二章系统的巷体结构分析与设计 第二章系统的总体结构分析与设计 车辆运行数字记录装置是一种对车辆行驶速度、时间、里程以及有关车辆行驶的其 它状态信息进行记录、存储并可通过接口实现数据输出的数字式电子记录装黉! 。是一种 能够安装在机动车辆上，全程同步记录、监控车辆运行状态、预防交通事故发生的高科 技智能化产品。 2 1 系统功能分析 车辆运行数字记录装置是而向运输公司和交通管理部门的高科技智能化产品，它可 采集记录车辆行驶状态和司机操作的各种信息，具备如下功能： ( 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 ) 车辆行驶速度和里程的测量、记录、存储功能； ( 4 ) 驾驶员身份记录功能； ( 5 ) 操作及数据显示功能； ( 6 ) 数据打印输出功能； ( 7 ) 数据通信功能。 2 1 1 自检功能 记录仪在通电开始工作时，要求首先进行白检，白捡正常后应以绿闪信号或显示屏 显示方式指示工作正常，如有故障应以红闪信号或显示屏显示方式指示故障信息。 2 1 2 实时时间、日期及驾驶时间的采集、记录、存储功能 记录仪能够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。记录仪应当以年、月、口或y y y y m n d d d 的方式记录实时日期，以时、分、秒或h h ：；m n l ：；s s 的方式记录实时时钟。 记录仪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。 2 1 3 车辆行驶速度和里程的测量、记录、存储功能 记录仪能够以不大于o 2 s 的时问间隔持续记录并储存停车前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、记录次数至少是1 0 次。速度记录单位是k n 怕。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 。 无论车辆在行驶状态还是在停止状态，记录仪均能睇提供实时时间对应的车辆行驶 无论车辆在行驶状态还是在停止状态，记录仪均能睇提供实时时间对应的车辆行驶 。5 东北大学硕士学位论文第二章系统的总体结构分析与设计 第二章系统的总体结构分析与设计 车辆运行数字记录装置是一种对车辆行驶速度、时间、里程以及有关车辆行驶的其 它状态信息进行记录、存储并可通过接口实现数据输出的数字式电子记录装置。是一种 能够安装在机动车辆上，全程同步记录、监控车辆运行状态、预防交通事故发生的高科 技智能化产品。 2 1 系统功能分析 车辆运行数字记录装景是面向运输公司和交通管理部门的高科技智能化产品，它可 采集记录车辆行驶状态和司机操作的各种信息，具备如下功能： ( 1 ) 白检功能； ( 2 ) 实时时间、日期及驾驶时间的采集、记录、存储功能； ( 3 ) 车辆行驶速度和里程的测量、记录、存储功能； ( 4 ) 驾驶员身份记录功能； ( 5 ) 操作及数据显示功能； ( 6 ) 数据打印输出功能； f 7 ) 数据通信功能。 2 1 1 自检功能 记录仪在通电开始工作时，要求首先进行自检，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，如有故障应以红闪信号或显示屏显示方式指示故障信息。 2 1 2 实时时间、日期及驾驶时间的采集、记录、存储功能 记录仪能够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) 标注日期和时闻。记录仪应当以年、月、日或y y y y 舢州d d 的方式记录实时日期，以时、分、秒或h h ：m m ：s s 的方式记录实时时钟。 记录仪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。 2 1 3 车辆行驶速度和里程的测量、记录、存储功能 记录仪能够以不大于o 2 s 的时间间隔持续记录并储存停车前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、记录次数至少是1 0 次。速度记录单位是k m h ，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 。 无论车辆在行驶状态还是在停止状态，记录仪均能够提供实时时间对应的车辆行驶 5 。 东北大学硕士学位论文第二章系统的总体结构分析与设计 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，可以认 为车辆是在行驶状态，否则认为车辆是在停止状态。 记录仪能以不大于l m i n 的时间间隔持续记录并储存车辆在最近3 6 0 个小时内的行 驶状态数据，即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。 记录仪能持续记录车辆从指定统计时间开始的累计行驶里程。车辆行驶里程的记录 单位是k m ，行驶里程的测量范围是0 - 9 9 9 9 9 9 9 k m ，分辨率应等于或优于o 1 k r n 。 2 1 4 驾驶员身份记录功能 记录仪能实现驾驶人员身份记录功能，能记录驾驶员代码和公安交通部门核发的机 动车驾驶证证号。驾驶员代码为阿拉伯数字，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机动车驾驶证 号码唯一相对应。在每次开车前，驾驶人员应首先确认自己的代码，确认方式由制造商 自定。 2 1 5 操作及数据显示功能 操作按键设置能满足使用要求，并且在对应的位置标有各按键名称。仅使用面板按 键不能对速度、时间、里程等原始数据进行修改和删除。 ， 显示器符合如下要求： ( 1 ) 显示字符笔划完整、清晰规范，在使用中不依靠环境光源也能正确读数； ( 2 ) 显示数据参数时字符高度不小于4 m m ； ( 3 ) 在显示数据参数的同时，以显示或面板标识的方式，能清楚表示数据参数的名 称及单位，字符高度不小于3 m m ； ( 4 ) 显示器在车辆点火开关通电后处于工作状态； ( 5 ) 在任意恒定的速度下，车速显示值的变化范围不超过l k m t h 。 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 操作按键能实现如下显示： ( 1 ) 最近1 5 m i n 内每分钟的平均车速记录； ( 2 ) 最近2 个日历天内同一驾驶员连续驾驶时间超过3 1 1 j 的所有数据记录； ( 3 ) 车辆特征系数。 2 1 6 数据打印输出功能 ( 1 ) 打印方式： ( a ) 数据打印只能在停车状态下进行； ( b ) 从打印开始到每分钟平均车速记录内容打印结束，时间不得超过3 0 s ； 6 4 。 东北大学硕士学位论文第二章 系统的总体结构分析与设计 ( c ) 打印字符字迹清晰、规范： ( d ) 打印字符的高度不小于2 4 m m ，宽度不小于1 5 m m ； ( e ) 打印纸上将留有足够的空白位置供驾驶员或其它人员签名及简单备注之用。 ( 2 ) 打印内容： 记录仪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 m i n 内每分钟的平均车速、疲劳驾驶记录。 2 1 7 数据通信功能 ( 1 ) 通信接口 记录仪同时配罱以下两种标准接口： ( a ) u s b ( 通用串行总线) 标准接口； ( b ) 标准r s 2 3 2 c d 型9 针接口。 ( 2 ) 下传信息 能通过通信接口，实现对记录仪中如下参数和信息的输入、设定和储存： ( a ) 车辆识别代号、车牌号码、车牌分类； ( b ) 驾驶员代码、驾驶证证号； ( c ) 实时时钟； ( d ) 记录仪主机可识别的唯一性编号及初次安装e t 期。 记录仪对每一次下传的日期及时间进行记录和储存。 ( 3 ) 上载信息 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： ( a ) 实时时钟； ( b ) 事故疑点数据； ( c ) 最近3 6 0 h 内车辆行驶速度数据： ( d ) 对应实时时钟的车辆行驶里程数据； ( e ) 车辆识别代号、车牌号码、车牌分类； ( f ) 驾驶员代码、驾驶证证号； ( g ) 车辆特征系数。 记录仪对每一次上载的日期和时间进行记录和储存。 2 2 系统的总体结构 系统主要由信息采集、控制、信息输出、存储电路、数据处理系统、实时时钟电路、 看门狗和电源监控电路等单元组成。如图2 1 所示： 整个电路是以a t m e l 公司推出的一款新型a v r 高档单片机a t m e g a 6 4 为主控c p u 基本电路，电路整体上采用1 2 c 总线扩展方式。 7 东北大学硕士学位论文 第二章 系统的总体结构分析与设计 ( 1 ) 数据存储载体 常规行驶状态数据、行驶里程、实时时间、日期、事故疑点数据、驾驶员身份、车 辆号码、驾驶证号码等重要数据采用f m 2 4 c 2 5 6 铁电存储器芯片记录备份，此芯片具有 1 0 0 亿次擦写次数。 图2 1系统的总体结构图 f i g 2 1 t h eo v e r a l ls t r u c t u r e dc h a r to f s y s t e m ( 2 ) 通讯接口设计( u s b 、2 3 2 、i c 卡) u s b 接口拟采用南京沁恒公司的已开发成熟并应用的u s b 模块，缩短软件开发周 期。2 3 2 口由一片m a x 2 3 2 电平转换芯片完成同上位机的接口。i c 卡选用x i c o r 公司 的x 7 6 f 1 0 0 卡，接口电路简单，能够完成驾驶员和车辆信息存储、加密。 ( 3 ) 报警提示、液晶显示及背光控制接口 显示部分由一块精电蓬远公司的m g l s l 2 8 6 4 液晶点阵显示模块同并口总线接口， 背光控制，按标准要求由软件控制。报警部分选用a p l 8 4 0 n 语音芯片，当汽车内有相 8 东北大学硕士学位论文第二章系统的总体结构分析与设计 关参量达到报警状态时，语音报警提醒司机及时处理。 ( 4 ) 数据采集及按键接口 信号采集部分通过光耦隔离电路对车速，左转向，右转向，刹车，喇叭，远光，倒 车等状态信息采集，并把部分信号状态反馈给数字式汽车仪表。 对记录仪的操作通过五个按键完成，分别是菜单、上翻、下翻、确定、取消键。整 机电路的片选，通过一片l a t t i c e 公司的i s p m 4 a 56 4 1 3 2 的c p l d 芯片完成， ( 5 ) 外置打印机 本次设计选用了北京迅普电子技术公司生产的s p m 系列的微型打印机。s p m 系列 微型打印机是面板嵌入式通用微型打印机，是特别为安装在仪器或设备金属或塑料面板 上而设计的。可以打印a s c i i 字符以及英文、希腊文、德文、法文、俄文、日本片假名 和国标码汉字、全部二级字库的汉字和数字符号等。可实现字符和图形的放大、缩小， 以及正向打印和反向打印的选择及打印格式的设置，有并口( c e n t r o n i c s ) 与串口 ( r s 2 3 2 ) 两种接口模式，可以通过调整打印机内的d i p 开关进行以下调整： ( a ) 波特率调整( 1 5 0 ，3 0 0 ，6 0 0 ，1 2 0 0 ，2 4 0 0 ，4 8 0 0 ，9 6 0 0 和1 9 2 0 0 b p s ) ； ( b ) 奇偶校验； ( c ) 握手方式。 我们使用常用的r s 2 3 2 口芯片- - m a x 2 3 2 行接口，m a x 2 3 2 通过电容充、放电完成 信号电平转换。 2 3 方案选择与方案论证 由于整个系统的设计涉及到数据采集、数据传输、数据存储等问题，选用基于微控 制器的系统，电路的实现不仅简单而且成本低、功耗低、能大大缩小整个系统的体积。 本系统是一个车载系统，需要微控制器有很强的抗干扰能力，而且要求微控制器内 部有看门狗定时器，以便在程序走飞时能自动复位；执行指令速度要快，以便能高速处 理采集到的实时数据。以下是对微控制器与电源的分析和选择。 ( 1 ) 微控制器的选择 方案一：微控制器选用a t 8 9 c 5 1 ，其外围接口电路简单，成本低，而且它经过多年 的发展，技术也相当的成熟。但是其抗干扰能力低；系统时钟为1 2 m h z 时，机器周期 为1 1 l s ，执行指令速度慢，很难实时处理采集到的实时数据。 方案二：选用基于c p l d f p g a 的控制系统，可以将整个系统固化在芯片内，从而 使系统由电路板级转化为芯片级，使系统的集成化大大提高。系统不仅体积小、重量轻、 功耗低而且整个系统的可靠性也大大提高。但其价格昂贵，使成本成倍提高。 方案三：微控制器选用a t m e l 公司在2 0 0 2 年推出的一款新型a v r 高档单片机 a t m e g a 6 4 ，a t m e g a 6 4 是基于增强的a v rr i s c 结构的低功耗8 位的c m o s 微控制器。 由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，a t m e g a 6 4 的数据吞吐率很高，从 9 东北大学硕士学位论文 第二章系统的总体结构分析与设计 而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛盾。a t m e g a 6 4 它承袭了a t 9 0 所具有的特 点，并在a t 9 0 的基础上，增加了更多的接口功能，而且在省电性能、稳定性、抗干扰 性以及灵活性方面考虑得更加周全和完善。片内集成了较大容量的非易失性程序和数据 存储器以及工作存储器，是具有极高性能价格比的单片机。 ( 2 ) 系统电源设计方案选择 方案一：采用线性集成稳压器，优点是简单、常用、易于实现；缺点是效率低( 3 0 6 0 1 ，散热器面积大，用作输出电压平滑滤波的电容器及其电容值也很大。 方案二：采用由d c d c 直流变换器组成的小型开关电源，它不但具有重量轻、体 积小的优点而且具有效率高( 7 0 8 5 ) 的优点。 基于以上的比较，我们在设计中，微控制器选用a t m e l 公司在2 0 0 2 年推出的一 款新型a v r 高档单片机a t m e g a 6 4 ，电源采用由d c d c 直流变换器组成的小型开关电 源为整个系统供电。 1 0 东北大学硕士学位论文 第三章信号采集及主要参数检测方法的研究 第三章信号采集及主要参数检测方法的研究 信号采集单元是系统的前向通道，由车速传感器、开关量采集和光电隔离电路组成， 用来采集自车的运行工况和速度信息。 3 1 信号采集与处理 本系统的输入信号大致可分成两类：数字信号和开关量信号。不同种类的信号采用 不同的采集方式，下面分别进行介绍： ( 1 ) 数字信号采集与处理 数字信号只有车速信号。车速信号通过传感器转换成车速脉冲输出，然后利用 a t m e g a 6 4 定时器的脉冲捕捉功能进行采集。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。 ( 2 ) 开关量信号采集与处理 开关量信号包括；左转灯、右转灯、倒车灯、喇叭、远光、刹车6 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。这些开关量信号直接与各个开关接线 端连接，由于汽车各种开关状态初始电平不定，因此接口必须满足高低电平的输入要求， 为了增强系统的抗干扰性、减小误差，对信号都用光耦加以隔离。 在处理车速信号时需要车速传感器，车速传感器采用集成开关型霍尔传感器，它能 够把车轮转速转换为霍尔电压输出。此输出为脉冲信号，能够直接输入单片机i o 口， 被单片机处理。车速传感器输出与车速成比例的脉冲信号至单片机i o 口。 3 2 转速传感器的分类及特点 转速传感器是将机械运动这个非电量转换成电量信号的传感器，是用非电量电测法 测量转速的测试系统的主要组成部分。按输出信号的模式可分为模拟式和数字式，按工 作原理又可分为电涡流式、光电式、磁电式等【1 4 】 1 5 】【1 6 】。其分类方法如图3 1 所示： 按工作原理或者说获取转速信号的方式可分为电涡流式，光电式和磁电式三种。 ( 1 ) 电涡流式 电涡轮式转速传感器是利用电涡流效应制成的。当传感器线圈上通有一交流电，。 时，电流的强弱变化在线圈周围产生一个交变磁场日- ，当导体( 如旋转盘) 置于该交变磁 场内，由于互感磁通的变化，在金属导磁盘上感生电涡流j ：，电涡流磁场h z ，形成互 感电势v z 。 v 2 = 一j e 0 2 m i l ( 3 1 ) 式( 3 1 ) 中；m 一传感器与旋转盘之间的互感系数，表示为单位电流所产生的互感链 数：0 3 2 一交流电动角频率。 东北大学硕士学位论文 第三章信号采集及主要参数检测方法的研究 图3 1 转速传感器的分类 f i g3 1 c l a s s i f i c a t i o n so f s p e e ds e n s o r 电流h ，h 的互感影响是同时发生的，1 2 也在传感器上产生附加感应电势 矿t _ 一j c o i m h ，可以用耦合系数k 来表示它们互相影响的程度。由电磁学原理可知： m 忙。五忑12 ( 3 2 ) v 厶l 式( 3 2 ) 中，互感系数m 及线圈和旋转盘的电感量三，、l 2 都影响着耦合系数，只要 影响这些参数的物理量有一个发生变化，都将最终反映到感应电势y 。数值的变化。就转 速信号的测量而言，可使用固定于旋转体上的齿轮，随着齿轮的旋转，交替改变的相对 距离变化，直观地反映到所测到的感应电势频率上，进而可以换算出车轮的角速度，即： 一，。 0 ) 3 = 2 r r n , = 篝生t a d s( 3 3 ) 厶 式( 3 3 ) 中：n z 一齿轮自q 每秒转速；，l 一感应电势的频率；珊，一被测转动体的角速 度：z 一齿轮的齿数。 光敏元件 图3 2 直射式光电车速传感器示意图 f i g 3 2 t h es k e t c hm a po f o p t i c a ls p e e ds e n s o r 1 2 东北大学硕士学位论文 第三章信号采集及主要参数检测方法的研究 具体测量时的测量电路可以是电桥电路、调幅、调频电路等，但无论使用何种电路， 最后终将得到交变的输出信号，经过检波、整形后均可输入计数器进行计数。 ( 2 ) 光电式车速信号传感器： 图3 2 为直射式光电车速传感器的示意图。 光电式传感器是利用光波作为媒介来实现测量的，属于非接触式测量方法。它由光 源、带孔圆盘( 光栅) 和光敏管及有关电路组成。转动圆盘被安装在转轴上，汽车车轮在 滚动时，带动光栅以一定的转速旋转，光源连续发光，当光束通过光栅上的小孔时，光 束照到光敏管上，使它产生相应的电脉冲信号。此信号送入计数器即可得到被测轴的转 速。图3 _ 3 为光电式车速传感器基本测量电路。 图3 3 光电式车速传感器基本测量电路 f i g 3 3 t h eb a s i cm e a s u r ec i r c u i to f o p t i c a ls p e e ds e n s o r 一般采用硅发光二极管作为光源，选择光敏二极管或光敏三极管作为光敏检测元 件。当测速光孔盘旋转切割光束时，光敏检测元件输出一串光电流脉冲信号，脉冲频率 与转速成正比。转速n 与脉冲频率厂关系为： n = 6 0 + f ，p ( r r a i n ) ( 3 4 1 其中p 为圆盘开孔总数。若取p = 6 0 ，则f = n ，即转速传感器输出信号频率便是被测 轴每分钟转数。将脉冲信号进行处理后，就可以最终计算出车速。 光电式转速传感器的处理电路简单，可利用v f 变换电路，噪声容限大，有较强的 抗电磁干扰能力，不适于高温环境，易受环境油污、粉尘及杂光的影响。 ( 3 ) 磁电式车速信号传感器： 磁电式转速传感器是利用磁场作为媒介或利用永磁体的各种物理效应来实现转速 测量，也是一种非接触式转速传感器，它由固定于被测转轴上的旋转齿轮和永久磁铁磁 芯及感应线圈等组成。汽车车轮滚动时，带动齿轮以一定的转速旋转，当磁电传感器对 准齿项时，磁电传感器感生电动势增强，同理当磁电传感器对准齿槽时，磁电传感器感 生电动势减弱，由于磁阻的变化，磁电传感器输出的电压信号为交变信号。信号电势的 1 3 东北大学硕士学位论文 第三章信号采集及主要参数检测方法的研究 频率随转轴角速度变化，角速度越快，电势幅值越大。但因信号较弱f 一般在3 m v 左右1 ， 所以必须经过信号放大及整形电路，将交变信号变为脉冲信号，送入c p u 输入口，以 获取车速信号。图3 4 为磁电车速传感器工作示意图。 磁电式转速传感器由于具有结构简单、安装方便、价格适中等优点，且一般不受油 污、粉尘及杂光的影响，所以一直被广泛应用于车辆的自动控制系统中。但是，它的抗 电磁干扰的能力较差。由于磁电式传感器以上的优点，系统选用霍尔集成传感器( 磁电 式传感器的一种) 构成速度传感器。 4 脉冲电压 图3 4 磁电车速传感器工作示意图 f i g 3 4 t h es k e t c hm a po f m a g n e t o e l e c t r i cs p e e ds e n s o r 3 3 霍尔转速传感器的原理 霍尔传感器是利用霍尔效应制成的转速传感器。霍尔元件和霍尔传感器的体积比传 统的磁电式传感器小，外围电路简单，频带宽，动态特性好，寿命长，因此广泛应用于 测控系统中。 2 图3 5 ( a ) 霍尔元件 f i g 3 5 ( a ) h a l lp a r t w uh 图3 5 ( b ) 霍尔效应的电原理图 f 培3 5 ( b ) s c h e m a t i cd i a g r a mo ft a l le f f ec t 霍尔元件是霍尔传感器的主体。霍尔元件是由在单晶片的两端焊上两根控制电流目 1 4 一 4 j 帅、吖当营 东北大学硕士学位论文 第三章信号采集及主要参数检测方法的研究 线，另两端焊上两根输出引线而构成的，如图3 5 ( a ) 所示。 当在半导体薄片两端通以控制电流i ，并在薄片的垂直方向施加强度为b 的磁场时， 在垂直于电流和磁场的方向上将产生电势u - h ( 称为霍尔电势或霍尔电压) ，这种现象称为 霍尔效应。霍尔效应的电原理图如图3 5 ( b ) 所示。 霍尔效应是由于运动电荷受磁场中洛仑兹力作用的结果。霍尔电势u h 可用下式表 示： 确：掣( v ) 口 式( 3 5 ) 中：r h 为霍尔常数，m 3 ，c ；i 为控制电流，a ；b 为磁感应强度，t ； d 为霍尔元件的厚度，m 。 令k h = r h d ，则u n = k n l b ，由该式可知，霍尔电势的大小正比于控制电流i 和磁感 应强度b 。k h 称为霍尔元件的灵敏度，它只与材料的性质有关而与几何尺寸无关。 d u t u o r _ 稳压器a 一放大器s 一施密特触发器 3 一开关型三极管 h _ 譬尔元件 v c c _ 输入电压u 旷一输出电压 图3 6 开关型集成霍尔传感器基本电路图 f i g 3 6 t h ec i r c u i to f s w i t c hi n t e g r a t i o nh a l ls e n s o r 把霍尔元件、温度补偿电路、放大器及稳压电源等做在一个芯片上，然后封装起来 就构成了霍尔传感器。霍尔传感器可分为线性型集成和开关型集成两种。集成霍尔传感 器是在制造硅集成电路的同时，在硅片上制造具有传感器功能的霍尔效应器件，因此使 集成电路具有对磁场敏感的特性。 开关型霍尔传感器由稳压电源、霍尔元件、放大器、施密特触发器和输出晶体管组 成。它是把霍尔器件的输出电压经过一定的阙值鉴别处理和放大，输出一个高电平或低 电平的数字信号，其基本电路如图3 6 所示。 在输入端输入一个电压v c c ，经稳压器稳压后加在霍尔元件的两端，当霍尔元件处 于磁场中时，在垂直电流的方向产生霍尔电势差，再经过放大器将该电势差放大后输给 1 5 东北大学硕士学位论文 第三章信号采集及主要参数检测方法的研究 施密特触发器，由触发器整形，使其成为脉冲或方波输出给开关型三极管( 该晶体管是 集电极开路的) ，这样就组成个开关型集成霍尔传感器。 它的主要特性是输出电压u o 与霍尔元件感应面所在位置的磁感应强度b 的关系， 如图3 7 所示。 图3 7 开关型霍尔传感器输出特性曲线 f i g 3 7t h ee x p o r tc u r v eo f s w i t e hh a l ls e n s o r 磁感应强度b 由零开始增加，而输出电压u o 保持在一个与v e t 相近的高电平v o h 。 当b 增加到b o p 时，霍尔电势足够大，使输出电压始终保持在低电平。相反，b 由大于 b o p 开始下降，输出电压为v o l 。当b 减小到br p 时，霍尔电势差不足以触发施密特触 发器，输出电压突然跳回v o h ，b r p 称为释放点。为使传感器输出稳定，一般b o p 与b r p 的差值一定，此差值称为磁滞，用b h 表示。 这种b o p 与b r p 都大于零的集成霍尔传感器称为单稳态传感器。另有一种b p v 小于 零的传感器称为双稳态传感器，也叫锁键型霍尔传感器，这种传感器当磁感应强度超过 b o p 时，输出由高电平跳变为低电平，而在外磁场撤消后，其输出状态保持不变( 即锁存 状态) ，必须施加反向磁感应强度达到b r p 时，才能使电平产生变化。 在实际测量过程中，由于传感器内部为集电极开路输出，开关型集成霍尔传感器在 1 、3 两端间须接一1 - 2 k q 的上拉电阻，当施密特触发器输出的脉冲电压达到某一高电 平时三极管导通，则2 、3 间的电压几乎降为零，即o c 门输出端3 输出低电平。反之 亦然，施密特触发器输出脉冲小于另一值时，三极管截止，2 、3 间的电压基本与输入电 压v c c 相同，即输出高电平。 在本系统中选用了开关型u g s 一3 0 4 0 t 霍尔集成式传感器，u g s 3 0 4 0 t 的特性： ( 1 ) 电源电压：4 5 v 2 4 v ； ( 2 ) 工作温度范围：4 0 1 2 5 ； ( 3 ) 闽值( 工作点) 磁通典型值：1 5 0 g ； ( 4 ) 释放点磁通典型值：1 0 0 g ； ( 5 ) 最大输出电流：2 5 m a 。 1 6 东北大学硕士学位论文第三章信号采集及主要参数检测方法的研究 为增强速度信号的抗干扰性，进一步提高测量速度信号的准确性，系统采用的整个 电路包括射极跟随器、迟滞比较、光电隔离三部分。由速度传感器采集到的速度信号经 过稳压管