（机械制造及其自动化专业论文）汽车行驶记录仪的研究与实现.pdf

摘要 摘要 随着社会经济的发展，现代交通工具发挥着越来越重要的作用，但是日益增 多的交通事故也给人们带来了难以计数的人员伤亡和财产损失。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状态信息进行记录存储 并可以通过接口实现数据输出的数字式电子记录装置。记录仪不仅可以遏止交通 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，在交通运输管理 中发挥着十分重要的作用。 在嵌入式技术被广泛运用的今天，我国现有的汽车记录仪仍然多是以单片机 作为处理器，功能单一。本论文在参考了国内外多种不同结构，不同领域的汽车 行驶记录仪的设计与研究的基础上，将现今领先的f p g a 技术应用在传统的汽车行 驶记录仪上。高速、低功耗的新型f p g a 集成了中央处理器、数字处理器内核，可 进行软硬件协同设计，从而缩短设计时间，提高汽车行驶记录仪的集成性、稳定 性和灵活性。 本论文首先分析了国内外汽车行驶记录仪的相关背景和现状，根据汽车行驶 记录仪的国家标准及其系统性能指标要求，提出了一种基于f p g a 的汽车行驶记录 仪系统的设计方案。结合本课题设计方案，确定了系统设计的主要构架，初步提 出了系统设计预期的性能指标参数。系统开发采用a l t e r a 公司f p g a 技术的硬件开 发平台和软件开发环境。 其次，根据系统的总体方案，详细进行了系统的硬件和软件设计。设计突出 了s o p c 技术的优点，在硬件部分中，设计了汽车行驶记录仪的供电及复位模块、 信号采集模块、存储模块、显示模块、按键模块和通信模块等各个部分的电路结 构。在软件部分中，利用q u a r t u s i i 实现系统硬件电路及软件平台的搭建，设计采 用自顶向下的模块化开发流程，实现系统各个功能模块以及系统与外设各个连接 接口的功能模块设计：同时详细说明了n i o s i i 软核处理器的开发过程及本系统的 软件设计流程和调试代码；并且对该系统进行综合、布局布线，随后进行了系统 综合后的时序仿真；接着将生成的配置文件下载到目标板实现，进行系统的硬件 山东大学硕十学何论文 调试和验证。 最后，总结自己在本次系统设计中的工作，针对本系统核，t 1 , f p g a 良好的可重 构特性和n i o s i i 软核处理器易完成系统维护和升级换代的特性提出对本系统未来 的展望。 系统设计充分发挥t n i o s i i 软核处理器及s o p cb u il d e r 提供的i p 核功能，简 化硬件电路设计，使得开发精力集中在系统功能实现上，缩短了系统开发周期， 提高了设计效率；利用f p g a 的可编程特性，使得系统的电路设计具有良好的可移 植性和可重构性，便于系统的扩展和升级，增强了系统的灵活性和完整性。实验 测试结果表明，系统硬件及软件运行稳定，测试结果各项指标基本满足系统预期 的性能指标要求，且该系统开发成本低，系统功耗小，具有极强的市场竞争力。 关键词汽车行驶记录仪；f p g a ；s o p c ；n i o s i i i l a b s t r a c t a b s t r a c t a c c o m p a n yr a p i dd e v e l o p m e n to fs o c i e t y a n de c o n o m y ，m o d e mt r a n s p o r t sa r e p l a y i n gm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l e s h o w e v e r ，i n c r e a s i n gt r a f f i ca c c i d e n t sc a u s e c o u n t l e s sc a s u a l t i e sa n dp r o p e r t yd a m a g e v e h i c l et r a v e l i n gd a t ar e c o r d e ri sad i g i t a l e l e c t r o n i cr e c o r d e rw h i c hc a nc o l l e c ta n ds t o r ev e h i c l e sr u n n i n gv e l o c i t y ，t i m e ，d i s t a n c e a n do t h e rs t a t ei n f o r m a t i o nr e l a t e d i tc a na l s ot r a n s m i td a t av i ai n t e r f a c e v e h i c l e t r a v e l i n gd a t ar e c o r d e rc a nh o l do u tt r a f f i cv i o l a t i o n s ，r e s t r i c td r i v e r sf r o mb a dd r i v e h a b i t ，p r e v e n tt r a f f i ca c c i d e n t sf r o mh a p p e n i n g ，p r o v i d es c i e n t i f i c ，v e r i t a b l eo r i g i n d a t u mf o rt i p s t a f f st oa n a l y z ea n dd i s p o s ea c c i d e n t s i 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 n o w a d a y s ，e m b e d d e dt e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di nv a r i o u sf i e l d s i no u rc o u n t r y ， v e h i c l et r a v e l i n gd a t ar e c o r d e ri ss t i l lu s i n gas i n g l e c h i pp r o c e s s o rw i t hau n i t a r y f u n c t i o n i nt h i sp a p e r , w er e f e r e n c et oav a r i e t yo fd i f f e r e n ts t r u c t u r e sa th o m ea n d a b r o a d b a s e do nt h ed e s i g na n dr e s e a r c hi nd i f f e r e n ta r e a so ft h ev 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 , w ep r e s e n tl e a d i n gf p g at e c h n o l o g yi nt r a d i t i o n a lv 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 h i g h s p e e da n dl o w p o w e rf p g a ，诵t hi n t e g r a t i o no fn e wc e n t r a l p r o c e s s o ra n dd i g i t a lp r o c e s s o rc o r e ，c a nc a r r yo u th a r d w a r ea n ds o f t w a r ec o d e s i g n ， a n dt h e nr e d u c ed e s i g nt i m ea n di m p r o v ei n t e g r a t i o n ，s t a b i l i t ya n df l e x i b i l i t yo fv e h i c l e t r a v e l i n gd a t ar e c o r d e r i nt h i sp a p e r ，w ef i r s ti n t r o d u c ea n da n a l y z eb a c k g r o u n da n ds t a t u so fd o m e s t i ca n d f o r e i g nv 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 b i n e 诵t hp r o je c td e s i g n ，e x p e c t e d i n d i c a t o r so fd e s i g np e r f o r m a n c ep a r a m e t e r sa r ep r e l i m i n a r yp r o p o s e d a n db a s eo n p e r f o r m a n c ei n d i c a t o r s ，w ed e t e r m i n em a i nf r a m e w o r ko fs y s t e md e s i g n a c c o r d i n gt o n a t i o n a ls t a n d a r d so fv e h i c l et r a v e l i n gd a t ar e c o r d e ra n di t se x p e c t e dp e r f o r m a n c e ， w ep r o p o s eaf p g a - b a s e dv e h i c l et r a v e l i n gd a t ar e c o r d e rd e s i g np r o g r a m h a r d w a r e p l a t f o r m sa n ds o f t w a r ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n to f t h i sw o r ki sd e v e l o p e dw i t hf p g a t e c h n o l o g yb ya l t e r ac o m p a n y s e c o n d l y ，w ed e s c r i p to v e r a l ls y s t e md e s i g n ，s y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n i nd e t a i l t h ed e s i g nh i g h l i g h t sa d v a n t a g e so fs o p ct e c h n o l o g y ，b u i l d sh a r d w a r ea n d i i i 山东大学硕十学位论文 s o f t w a r ep l a t f o r mi ni n t e r n a li m p l e m e n t a t i o no fas i n g l ef p g a ，a c h i e v ed e v e l o p m e n t p r o c e s s e so f e a c hf u n c t i o n a lm o d u l eo ft h es y s t e ma n di n t e r f a c eb e t w e e nt h es y s t e ma n d e a c hp e r i p h e r a l i nt h ep a r ta b o u ts o f t w a r e ，w ef i r s td e s c r i b ef l o wo fs o f t w a r es y s t e m ， a n dt h e nd e s c r i b et h es y s t e m sn i o s i ls o f t c o r ep r o c e s s o r sa n di t sd e v e l o p m e n tp r o c e s s i l ld e t a i l f i n a l l y ，w e r e c o r dt h ep r o c e s so fh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea d ju s t m e n ta n d p e r f o r m a n c et e s t i n g ，a n a l y s i sa n do p t i m i z et h er e s u l t so fe x p e r i m e n t ，a n dp u tf o r w a r d p r o s p e c t sa c c o r d i n gt ot h et e s tr e s u l t s d e s i g no ft h es y s t e mb r i n g sf u l l yf u n c t i o n a li pc o r e sw h i c hp r o v i d e db ys o p c b u i l d e ra n dn i o s i is o f tp r o c e s s o r t h e r e f o r e ，w es i m p l i f yc i r c u i td e s i g no ft h es y s t e m s h a r d w a r e ，m a k ep r o d u c t i v ed e v e l o p m e n tf o c u so ns y s t e mf u n c t i o na n da l g o r i t h md e s i g n ， i m p r o v ed e s i g ne f f i c i e n c y u s i n gf p g ac h a r a c t e r i s t i c so fp r o g r a m m i n g ，w eb r i n g f l e x i b i l i t yo fc i r c u i td e s i g na n dr e c o n s t r u c t i o no fa l g o r i t h m ，l e tt h es y s t e mh a sg o o d p o r t a b i l i t y ，a n dr e v e a ls c a l a b i l i t yo ft h es y s t e m e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h e s y s t e mo p e r a t i n gs t a b i l i t y a n dt e s t i n gr e s u l t sa l s os h o wt h a te a c h i n d e xo ft h es y s t e m m e e t st h eb a s i cr e q u i r e m e n t s a n dl o w - c o s ta n dl o w - p o w e rc o n s u m p t i o n o f d e v e l o p m e n to f t h i ss y s t e mh a ss t r o n gc o m p e t i t i v e n e s si nt h em a r k e t 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 ；f p g a ；s o p c ；n i o s i i i v c o n t e n t s a b s t r a c ti nc h i n e s e c o n t e n t s a b s t r a c t c h a p t e r 1i n t r o d u c t i o n 1 1b a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo f t h et h e s i s 1 1 2d e v e l o p m e n ta th o m ea n da b r o a d 2 1 2 1d e v e l o p m e n ta ta b r o a d 2 1 2 2d e v e l o p m e n ti nc h i n a 3 1 2 3f u t u r ed e v e l o p m e n t 4 1 3f u n c t i o ni n d i c a t o r so 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 4 1 4m a i nc o n t e n t so f t h et h e s i s 5 1 5s u m m a r yo f t h i sc h a p t e r 6 c h a p t e r2o v e r a l ld e s i g no ft h es y s t e m 7 2 1o v e r a l ld e s i g no f t h es y s t e m sp r o g r a m 7 2 2b a s i ca n a l y s i so f 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 sf u n c t i o n s 8 2 3d e v e l o p m e n t a le n v i r o n m e n to fk e r n e lm o d u l e sf p g a 8 2 3 1i n t r o d u c t i o no f f b g a 9 2 ：；2d e v e l o p m e n t a le n v i r o n m e n to fq u a r t u s l i 9 2 ：；3t e c h n o l o g yo fs o p c 1l 2 3 4d e v e l o p m e n t a le n v i r o n m e n to fs o p cb u i l d e r 1 2 2 3 5n i o si ip r o c e s s o r 13 2 3 6a v a l o nb u ss y s t e m 1z l 2 4c h o i c eo fs o p cs o l u t i o n s 15 2 5d e s i g nf l o wo fs o p c 16 2 6s u m m a r yo ft h i sc h a p t e r 17 c h a p t e r3h a r d w a r ed e s i g no ft h es y s t e m 1 9 3 1d e s i g no f m a i nc i r c u i td i a g r a m 1 9 3 2d e s i g no f p o w e rs u p p l ym o d u l e ：! ( ) 3 3d e s i g no f s i g n a la c q u i s i t i o nm o d u l e 2 2 ：；4d e s i g no f f l a s hi n t e r f a c ec i r c u i t ：2 ：； ：；5d e s i g no fs d r a mi n t e r f a c ec i r c u i t ：! z i 3 6d e s i g no f d a t ac o m m u n i c a t i o nm o d u l e ：1 5 3 7d e s i g no f l c di n t e r f a c ec i r c u i t 。2 6 3 8d e s i g no fi n p u ts w i t c hb u t t o nc i r c u i t 2 7 3 9d e s i g no fi t a gi n t e r f a c ec i r c u i t 2 8 3 10r e s e tm o d u l e ：1 9 3 11s u m m a r yo f t h i sc h a p t e r 2 9 c h a p t e r4s o f t w a r ed e s i g no ft h es y s t e m 3 l 4 1c r e a t eq u a r t u si ip r o j e c t 31 4 2f o r m a t i o no fc o r eh a r d w a r es y s t e mn i o s l l ：；2 4 3f o r m a t i o no f t o po f q u a r t u si ip r o j e c t ：；7 4 4d e s i g no f c o m p i l ea n dd o w n l o a d 4 1 4 5n i o s l ii d e 4 2 4 6p r o g r a mf l o wc h a r t 4 3 山东人学硕十学伊论文 4 7s e t t i n ga n da c c e s st i m ei n f o r m a t i o n 4 4 4 8d e s i g no fl c d p r o g r a m 4 5 4 9d e s i g no fs e r i a lc o m m u n i c a t i o np r o g r a mr s 2 3 2 4 6 4 10d e s i g no fi n f o r m a t i o ns t o r a g ep r o g r a mf l a s h 4 6 4 11s i m u l a t i o na n dd e b u g g i n go ft h es y s t e m 4 7 4 1 2s u m m a r yo f t h i sc h a p t e r i 51 c o n c l u s i o na n de x p e c t a t i o n a p p e n d i x r e f e r e n c e s 5 3 5 5 6 5 l i s to fp u b l i s h e dp a p e r sd u r i n gp u r s u i n gd e g r e e 6 7 a c k n o w l e d g m e n t 6 9 i v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题的选题背景与意义 社会经济的发展和科技水平的提高，带动了交通运输的腾飞，导致了交通技 术的快速发展，汽车已经成为一种重要的现代社会的交通工具，而目前其数量还 在不断增加。但这直接导致交通事故频发以及对事故责任的鉴定越来越困难。据 统计，近2 0 年来，我国交通事故造成的死亡人数已达1 0 8 万人以上。并且许多重 大、特大等交通事故由于发现晚或报案迟等原因造成事故责任无法认定，对国家 和人民生命财产造成了巨大的损失。 交通事故责任的主要依据是肇事事故现场，这引发了各种各样的人为与非人 为的各种因素的影响，导致交警部门解决交通事故的准确性、可信度等方面出现问 题。由于没有先进的科学和技术应用于这一领域，导致事故各方纷争四起，而有 的时候还发生伪造、破坏、转移事故现场等不法行为骗取保险金。如何采取有效 措施防止道路交通事故的发生，提高事故处理的公正性、快速性及准确性是一个 值得研究的问题心3 。 根据统计资料显示，汽车驾驶员的违章抢道、疲劳驾驶、疏忽大意、超速行 驶等是导致交通事故的主要原因，占交通事故量的8 0 以上口3 。而与此同时，我们 还发现这样一个事实，哪里有交通警察在场，哪里的交通事故就极少发生。这就 提示了我们，如果给每一辆汽车安装上一位“电子警察，而且能够有效地监督驾 驶人员的驾驶行为，必然能预防或减少交通事故的发生；另一方面，当发生交通 事故后，“电子警察”能够给我们提供数据和资料，提高事故处理的效率和准确性。 这种“电子警察”就是“汽车行驶记录仪”。 汽车行驶记录仪( v e h i c l et r a v e li n gd a t ar e c o r d e r ) ，是安装在车辆上，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 其它状态信息的数字式电子记录装置，是集智能化，电子化，人性化等多种功能 为一体的高级智能行驶仪器。它将微机应用的先进性、实用性与车辆运行状态统 山东大学石页十学位论文 一起来，可以完整、准确地记录汽车行驶状态下的有关情况，将汽车行驶轨迹完 整记录，并通过专用软件在电脑上再现，为分析、判断汽车驾驶状态和处理交通 事故提供可靠准确的科学依据。汽车行驶记录仪在记录汽车运行数据的同时，除 了实时显示等功能，还具有分析，警告，提醒驾驶员超速行驶等多项功能，约束 汽车驾驶员的行为，使汽车驾驶员在开车时会比平时更加小心，从而可以更多的 避免交通事故。 综上所述，汽车行驶记录仪的使用，为交通管理部门准确了解界定交通事故 发生原因和公正处理提供了科学、权威的依据；为汽车的科研、生产、日常维护 以及对于及时查找突发性交通事故的原因，减少车辆故障提供有效的测试手段， 为产品设计与故障分析提供了依据；同时，汽车行驶记录仪也规范了汽车驾驶员 的行为，可以有效的避免交通事故。汽车行驶记录仪对深入研究各类车辆的完善 设计、故障分析、降低成本和交通管理、避免交通事故具有重要的实际作用及意 义。 1 2 国内外发展现状 1 2 1 国外发展现状 早期的汽车行驶记录仪发源地在欧洲，早在2 0 世纪初，汽车行驶记录仪便伴 随着汽车里程表而诞生了。为了保障道路交通安全运输，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 多年的历史h 1 。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，一些商用车若没安装行驶记录仪则不可以使用公共道路。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。 在2 0 世纪后半叶，交通事故频频发生，欧盟最先提出了机电模拟式驾驶仪的 概念，在后面到了2 0 世纪9 0 年代初期，美德两国也随即研发出了数字式汽车事故 记录仪的前期模拟，用来监控驾驶员的违章超速等违法行为。汽车行驶记录仪的 跟踪模拟、实时显示功能和数字分析等功能，使得它的使用在很大程度上为事故 发生后提供事故分析依据、监督驾驶员违规情况等提供了强有力的支持。汽车仪 表的发展可分为机械式仪表、电气式仪表、模拟电路电子仪表、全数字仪表等几 2 第1 章绪论 个阶段畸3 。目前较常见的电子式仪表主要包含传感器、数据采集处理卡、显示器、 以及p c 机处理软件等几个部分。欧盟早在上世纪9 0 年代就已有法律规定，重型车 辆必须配备有汽车行驶记录仪。据报道截至2 0 0 7 年1 月，欧盟2 7 个成员国约1 8 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。 而在美国、巴西等国，商用机动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，交通事故率显著下降。据德国t t s 、比利时 w e s t b e lg l u m 公司使用汽车行驶记录仪前后事故率统计情况表明，事故率比没装 汽车行驶记录仪前降低了3 4 一5 3 h 1 。 1 2 2 国内发展现状 与西方发达国家相比，汽车行驶记录仪在中国的发展虽然起步较晚，但我国 的汽车行驶记录仪均为数字式，并且实现了功能的模块化和系统化。目前，全国各 地运输企业安装使用汽车行驶记录仪的工作仍处于起步阶段。自上世纪8 0 年代以 来，我国开始在少数地区试用国内一些科研机构及企业自主研制的数字式记录仪。 公安部、交通部和国家安全生产监督管理局在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当逐步安装、使用符合国 家标准的行车记录仪m 训。 汽车行驶记录仪是一种安装在车辆上全过程同步监控、记录车辆运行状态、 预防交通事故发生的高新技术产品。汽车行驶记录仪主要应用于交通管理部门和 需要车辆管理的企事业单位，如公交公司、旅游公司、货运和客运公司等随1 。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 r n 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 r n e t 扩展功能，并能把采集的数据通过g s m 和i n t e r n e t 网 络传送到监控中心和各分控中心的仪器。 山东大学硕十学位论文 近年来在车辆安装汽车行驶记录仪的应用统计数据显示，汽车行驶记录仪具 有以下的效果：一是汽车行驶记录仪能准确的反映、记录车辆运行的实际情况和 监控数据；二是汽车行驶记录仪的记录数据，对交通事故形成的原因和责任分析有 一定的作用；三是车辆超速时可以提醒司机，督促司机减速慢行安全驾驶，起到 预防和减少交通事故的作用；四是安装了汽车行驶记录仪，司机在驾驶过程中能够 保持车辆中速行驶，对减轻轮胎损耗、节约燃料、延长车辆使用寿命都起到重要 的作用，可减少经营管理成本。 1 2 3 未来发展动态 随着电子集成电路与计算机科学技术的发展，汽车行驶记录仪的功能已经远 远超过单纯事故记录的功能，从发展的趋势来看，未来的汽车行驶记录仪将与汽 车其它电子系统( 如g p s 定位、通讯、报警、测重、测温、故障诊断等) 相结合， 并且向大容量、模块多样系统化、数据无线传输和数据集成处理的方向发展凹1 。汽 车行驶记录仪最终会成为确保现代公路交通运输安全和高效物流动态营运管理的 不可或缺的记录处理、显示和传送的综合装置，也必将成为智能交通系统( i t s ) 的重要组成部分。 目前，在欧洲、美国已经出现了很多适合各种不同运输专业管理需要的汽车 行驶记录仪。例如美国d c t 公司专为h a v i 公司开发的汽车驾驶记录仪就兼有油耗记 录和停车卸货量的记录n 们。汽车驾驶记录仪同目前电子领域流行的专用近距离无 线通讯技术( b l u et o o t h 蓝牙) 、电子标签( e l e c t r o n i ct a g ) 以及智能射频识别 技术( r f i d ) 相结合，将记录的数据快速、实时地传送到有关部门。总之，汽车 行驶记录仪的包容性、全面性和适应性是实现汽车电子综合化、集成化的核心， 并必将成为未来i t s 系统的重要组成部分。 1 3 汽车行驶记录仪的功能和技术指标 2 0 0 3 年，国家标准局实施了g b t 1 9 0 5 6 2 0 0 3 汽车行驶记录仪国家标准。2 0 0 5 年1 月对此标准进行了修改。该标准规定了非常具体的汽车行驶记录仪所需要实现 的功能和技术指标。汽车行驶记录仪的主要功能应该包括以下几个方面n ： ( 1 ) 自检功能。在记录仪开始上电工作时，应该能够自检。正常情况下应该以 4 第1 章绪论 绿灯闪烁的信号或者是显示屏显示工作正常的方式来指示记录仪一切正常，如果 不正常，则应该以红色信号灯闪烁的方式提示记录仪出现了故障。 ( 2 ) 数据采集、记录以及存储功能。记录仪应该能够对驾驶时间、行驶速度、 行驶里程、实时时间、行驶日期等数据量进行采集、记录、存储和分析，并能使 数据在长时间内不会丢失。需要被检测采集的数据输入信号量一般来说包括三类： 模拟信号输入量、数字信号输入量和开关信号输入量。 ( 3 ) 数据处理功能。能够按照要求，对所采集到的数据进行整理、分析，并在 需要的时候采取措施对相应的车辆进行交通管理。 ( 4 ) 驾驶员身份认证功能。记录仪应该可以对驾驶员的身份进行识别，记录驾 驶员代码和交管部门核发的机动车驾驶证的i d 号。 ( 5 ) 数据显示功能。可以在记录仪的显示面板上面显示各项数据指标，包括行 驶路线、驾驶员i d 号、日期、实时时间、实时车速以及报警等多项功能。 ( 6 ) 数据通信功能。能够通过各种方式与外部进行实时通信，实现数据的交互。 1 4 论文的主要研究内容 在嵌入式技术被广泛运用的今天，我国现有的汽车记录仪仍然多是以单片机 作为处理器，功能单一。本文在参考了国内外多种不同结构，不同领域的汽车行 驶记录仪的设计与研究的基础上，将现今领先的f p g a 技术结合n i o si i 软核处理器 应用在传统的汽车行驶记录仪上。高速、低功耗的新型f p g a 集成了中央处理器、 数字处理器内核，可进行软硬件协同设计，从而缩短设计时间，同时具有较强可 扩展性以及升级特性，提高汽车行驶记录仪的集成性、稳定性和灵活性。 本论文首先分析了国内外汽车行驶记录仪的相关背景和现状，根据汽车行驶 记录仪的国家标准及其系统性能指标要求，提出了一种基于f p g a 的汽车行驶记录 仪系统的设计方案。结合本课题设计方案，确定了系统设计的主要构架，提出了 系统设计预期的性能指标参数。系统开发采用a l t e r a 公司f p g a 技术的硬件开发平 台和软件开发环境。 其次，根据系统的总体方案，详细进行了系统的硬件和软件设计。设计突出 了s o p c 技术的优点，在硬件部分中，设计了汽车行驶记录仪的供电及复位模块、 山东大学硕十学位论文 信号采集模块、存储模块、显示模块、按键模块和通信模块等各个部分的电路结 构。在软件部分中，利用q u a r t u s l i 实现系统硬件电路及软件平台的搭建，设计采 用自顶向下的模块化开发流程，实现系统各个功能模块以及系统与外设各个连接 接口的功能模块设计；同时详细说明了n i o s l i 软核处理器的开发过程及本系统的 软件设计流程和调试代码；并且对该系统进行综合、布局布线，随后进行了系统 综合后的时序仿真；接着将生成的配置文件下载到目标板实现，进行系统的硬件 调试和验证。 最后，总结自己在本次系统设计中的工作，针对本系统核, 心f p g a 良好的可重 构特性和n i o s i i 软核处理器易完成系统维护和升级换代的特性提出对本系统未来 的展望。 1 5 本章小结 本章主要介绍了汽车行驶记录仪在国内外的发展背景和现状，并根据其未来 发展趋势，结合我国的汽车行驶记录仪国家标准，提出开发一种以可编程逻辑器 件f p g a 为核心的新型汽车行驶记录仪。最后对本文的整体结构进行了详细阐述。 6 第2 章系统总体设计 第2 章系统总体设计 2 1 系统总体方案设计 根据国家标准规定，汽车行驶记录仪系统一般由三部分构成：汽车端的汽车 行驶记录仪主机、计算机端的汽车行驶信息分析软件和外围设备n 。记录仪主机 一般又包括了记录仪终端、显示屏；汽车行驶信息分析软件一般是指数据分析软 件；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。 记录仪主机是本课题研究的核心部分，根据汽车行驶记录仪的功能要求，该 系统主要从硬件设计和软件开发两大方面考虑。 本系统是根据国家颁布的汽车行驶记录仪的标准( g b t 1 9 0 5 6 2 0 0 3 ) 来设计相 关的技术要求的。总体结构如2 - 1 图所示： 人机接口模块 卜 系统叫数据存储模块 核心 模块 数据采集模块 卜 f p g a h | 数据通信模块 图2 - 1 总体结构图 ( 1 ) 系统核心模块：此行驶记录仪的核心部分。负责对采集的数据进行处理、 保存、分析等多项功能，并响应人机接口模块的操作，将数据传送到输出接口， 以显示和通信。利用片上可编程系统( s o p c ) 在f p g a 上的高度集成能力，以及基 于该技术所包含的n i o s i i 微处理器软核体系结构的优势，其系统核心模块采用 7 山东大学硕十学位论文 f p g a 结构。 ( 2 ) 电源模块：负责提供系统所需要的各种电源。 ( 3 ) 数据采集模块：负责采集系统所需要的车辆状态的各种信号。 ( 4 ) 数据存储模块：负责存储数据和专用程序代码。 ( 5 ) 数据通信模块：负责实现与上位机的数据通信。 ( 6 ) 人机接口模块：包括液晶显示( l c d ) 和按键操作两个部分，用来实现与 用户的人机操作功能。用户既可以输入信息，也可以看到实时的速度、里程及时 间等信息，可以做出实时判断。 2 2 汽车行驶记录仪的基本功能分析 本系统所开发的汽车行驶记录仪主要满足以下基本功能的要求： ( 1 ) 信息收集：采集汽车的工作状态，如速度、加速度、里程等信息。 ( 2 ) 数据采样频率：速度的采样周期可设置为1 秒每次 0 2 秒每次。 ( 3 ) 监测汽车行驶速度范围：o 2 2 0 k m h 。 ( 4 ) 分级警示功能：实时记录车辆限速行使的速度和持续时间，并在超速情况 下提供醒目的警示信号。 ( 5 ) 数据固态存储：能够保存一年内的采集数据。 ( 6 ) 数据分析：可以通过上位机分析汽车的运行情况。 ( 7 ) 要能够抗电磁干扰，防火、防潮、抗冲击。 ( 8 ) 尺寸要合适，便于在汽车上安装。 2 3 系统核心模块f p g a 的开发环境 本系统考虑汽车行驶记录仪对可靠性要求较高并且体积应该尽可能小的要 求，利用s o p c 在f p g a 上的高度集成能力，可以很大程度上减小产品体积并减少外 部信号对系统的干扰，有利于提高系统的可靠性。同时考虑汽车行驶记录仪的接 口类型和待检测量较多，而s o p c b u i l d e r 提供了大量的功能模块i p 可供选择，使用 方便