汽车行驶状态记录仪的研究与实现

首都师范大学 论文分类号：硕士学位论文 密 级：题目：汽车行驶状态记录仪的研究与实现Research and Implementation of Vehicle Travelling Data Recorder学科专业：计算机应用技术研究方向 ：智能接口技术研究生姓名： 指导教师姓名：姚正治 刘金刚指导教师职称：教授 博士生导师摘 要I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USB和RS232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51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、可靠性高、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子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USB通信的实现：利用SL811HST实现USB HOST功能，通过优盘方便快捷地读取记录仪中数据，然后再由PC软件进行分析。对USB HOST中的关键技术：USB设备枚举、BulkeOnly传输协议以及FAT16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；C51；USB；固件编程AbstractIIAbstractVehicle traveling data recorder (VTDR) is a special digital electronic recorder which used to acquire and store vehicles traveling speed, time, distance and other related status information, and then transmit data via USB and RS232 interface. The use of vehicle traveling data recorder can not merely halt the break in trafic rules and regulations, restrain the drivers from being drive at bad habit, and can prevent the traffic accident effectively, it can also offer scientific, faithful initial data for the tipstaffs carries on the accidents. So it plays a very important role in transportation management. Aimming at the actuality of the VTDR research, a VTDR is designed in this paper which bases on the 51 MCU. It also has some characteristics such as real-time, high dependability and less cost.First, VTDRs background and reseach actuality are introducted in the pape. By analyzed the system requirement of VTDR, the system is consisted of data acquisition sub-system, data storage sub-system and correspondence interface sub-system. And then, hard ware framework is introduced in this paper. And the methods in which every function units of the recorder is designed are also discussed. Those function units mainly include power supply, real-time clock, data collection, data store, data communication, human and machine interface.At last, in the part of software design, the flow of every tasks software is described in the paper, based on the functions of VTDR. It makes use of SL811HS to realize USB HOST function, gets the data from recorder conveniently and swiftly through U disk. Have done more detailed explanation in the key technology of USB Host. Such as enumerating device, Bulk-Onlyt ransmit protocol and FAT16 files ystem. Otherwise, several measures of anti-jamming are adopted in the process of hardware and software designing.Finally, summarize the all design, point out that needed improvement the prospect of the future of The Vehicle Traveling Data Recorde.Keywords: Vehicle Traveling Data Recorder; Single Chip Microcomputer; C51; USB; Firmware Programming.目录III目 录题目：汽车行驶状态记录仪的研究与实现 .0摘 要 .IAbstract.II目 录 .III第一章 绪论 .11.1 国内外汽车行驶记录仪发展的状况 .11.2 本课题的目的和意义 .21.3 本课题的目标和主要研究内容 .21.3.1 课题的总体目标 .21.3.2 研究的主要内容 .3第二章 汽车行驶记录仪总体方案设计 .42.1 仪器的功能要求及技术性能指标 .42.1.1 电气性能要求 .42.1.2 记录仪的功能要求及技术性能指标 .42.1.3 数据安全性 .52.1.4 气候环境适应性 .52.1.5 机械环境适应性 .52.1.6 抗汽车电点火干扰 .52.2 系统结构 .52.2.1 主板的功能与设计 .62.2.2 面板的功能与设计 .7第三章 汽车行驶记录仪硬件设计与实现 .83.1 电源模块 .83.1.1 电源模块设计概述 .8目录IV3.1.2 电源方案的选择与论证 .83.1.3 电源模块的设计 .103.2 实时时钟模块 .123.2.1 SD2301B 的硬件电路设计 .133.2.2 SD2301B 的内部寄存器 .143.2.3 SD2301B 的软件编程 .143.3 数据采集 .183.3.1 信号的调理设计 .183.3.2 车辆状态信号的采集 .203.4 中央处理器 .203.4.1 中央处理器的选择 .213.4.2 复位系统 .213.5 CPU 的 IO 扩展 .223.6 数据存储模块 .233.6.1 存储需求分析 .233.6.2 存储器的选择 .243.6.3 铁电存储器 FM1808 介绍和应用电路设计 .253.6.4 数据闪存 AT45DB041 的电路设计和应用编程 .263.7 人机交互模块 .323.7.1 LCD 液晶显示器 .333.7.2 键盘 .363.7.3 声光提示 .373.8 通信模块 .373.8.1 RS232 接口 .383.8.2 USB 接口 .38目录V3.9 抗干扰措施 .433.9.1 硬件抗干扰设计 .433.9.2 印刷电路板的抗干扰设计 .44第四章 汽车行驶记录仪软件设计与实现 .474.1 控制软件功能简介 .474.2 控制软件的设计与实现 .484.2.1 主机软件的总体架构 .484.2.2 数据采集程序的设计与实现 .494.2.3 显示子程序的设计与实现 .544.2.4 主菜单的设计与实现 .554.2.5 主程序的设计与实现 .574.2.6 串行通信程序设计与实现 .584.3 USB 的设计与实现 .594.3.1 USB 主机设计与实现 .604.3.2 USB 从机设计与实现 .704.4 系统软件的抗干扰设计 .72第五章 汽车行驶记录仪的调试 .735.1 静态调试 .735.2 硬件调试过程中遇到的问题和解决方法 .735.3 软件调试过程中遇到的问题和解决方法 .745.4 整体调试 .74第六章 总 结 .75参 考 文 献 .76致 谢 .77作者简历 .78第一章 绪论1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（Vehicle travelling data recorder），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电子记录装置。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 20 世纪 80 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 1975 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 3825/85 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 15 个成员国在 10 年内，给在用的 900 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。1998 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20 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釆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。2001 年 10 月 24 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 2001 年以来，交通部交规划发2001268 号发布的公路行业产业政策、交公路发2002226 号和交公路发2002418 号文件等分别要求利用全球定位系统(GPS)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 GPS 行车记录仪，以确保运输安全。第一章 绪论22003 年国家质量监督检验检疫总局发布并实施了 GB/T19056-2003 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 。2004 年 12 月 10 日，在第二届中国智能交通论坛期间，11 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 37%-52%，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611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GBIT 9056-2003，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 GB/T19056-2003 汽 车 行 驶 记 录 仪 国 家 标 准 的 汽 车 行 驶第一章 绪论3记 录 仪 。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。数据采集模块 数据处理模块 数据存储模块通信模块 数据分析软件数据人机交互模块数据数据数据图 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、IC 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 USB第一章 绪论4通信机制。第二章 汽车行驶记录仪总体方案设计5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 GB_T190562003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电气性能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 GB_T190562003 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压电源电压波动范围极性反接试验电压 过电压12 916 140.1 2424 1832 280.2 3636 2748 420.2 542.1.2记录仪的功能要求及技术性能指标国家标准GB_T190562003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。第二章 汽车行驶记录仪总体方案设计62.1.3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) 记录仪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、插接器等不应有严重变形；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 LCD 显示器、指示灯、蜂鸣器、操作按键等第二章 汽车行驶记录仪总体方案设计7 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 USB 口、一个 RS232串口及两个自定义的插接件。RS232 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 所示电源模块车辆状态信号速度脉冲信号调整电路C P UF l a s h 存储器实时时钟U S B 通信单元复位电路 、 电源监控R S 2 3 2 接口L C D 显示单元键盘单元打印机通信接口指示灯 、 蜂鸣器I C 卡接口扩展电路主板面板图 2.1 记录仪的总体结构2.2.1 主板的功能与设计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、USB）等功能，是整个系统的核心。主板以菲利普（Philips）公司生产的 P89C51RD2 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 74HC573 挂在数据总线上；利用单片机的定时器/计数器 T1 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 FM1808 作为扩展数据存储器，使用 Atmel 公司的 4M 基于 SPI 总线访问的 Data Flash AT45DB041 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第二章 汽车行驶记录仪总体方案设计8FM1808 中，当满足一定条件的时候，将 FM1808 中的数据保存到 Flash 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 SD2301；USB 控制器采用Cypress 公司的 SL811HS 芯片，实现 USB 通信的功能，该芯片既可以实现 USB 主机又可以实现 USB 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，LCD（分辨率为 128*64） ，键盘（拥有 16 个按键） 。第三章 汽车行驶记录仪硬件设计与实现9第三章 汽车行驶记录仪硬件设计与实现3.1电源模块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。3.1.1 电源模块设计概述目前汽车电源的输出电压有+12V,+ 24V和+36V三种标准。在我国汽车电源的输出电压主要是+12V和+24V。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LED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+12V和+24V电源供电的情况，电源的设计能够同时满足和兼容+12V和+24V两种标准。3.1.2 电源方案的选择与论证汽车的供电电压通常为+12V或+24V，而主机需要+5V和+3.3V 的工作电压。因此需要采用DC-DC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DC-DC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DC-DC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DC-DC的转换。传统的线性稳压器，如78xx系列都要求输入电压要比输出电压高2V-3V 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(Low Dropout Regulator，简称LDO)，这种电源芯片的输入输出电压只要有0.2 V-1.3V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10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: IUPOTINL)(其中： 功率损耗(W)；输入电压(V)；I输出电压(V)；OUT工作电流(A).线性电源的工作效率的计算公式为: %10INOUT在本记录仪电源模块的设计中，由于输入电压比较高(+12V或+24V)，系统工作电流较大，最大时需要+5V/2.5A 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+12V电源供电的情况下，线性稳压电源的工作效率只有41.7%；在+24V电源供电的系统中，其效率只有20.8%。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(+5V)不宜采用线性稳压电源，+3.3V 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（75%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+12V系统中电压的波动范围在+9V- +16V，在+24V的系统中电压的波动范围在+18V- +32V)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(+5V)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，第三章 汽车行驶记录仪硬件设计与实现11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(+5V)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35mA)，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:National Semiconductor，MAXIM，Linear(LT)等。在本记录仪中采用了美国National Semiconductor公司的LM2576-5作为主控芯片。LM2576开关稳压集成电路的主要特性如下2 最大输出电流：3A； 最高输入电压：LM2576为40V，LM2576HV为60V； 转换效率：75%88%（不同电压输出时的效率不同） ； 工作温度范