汽车行驶记录仪的设计毕业论文.doc

汽车行驶记录仪的设计毕业论文目录摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 课题研究背景及意义21.2 国内外的发展状况21.2.1国内发展21.2.2国外发展31.3 汽车行驶记录仪在交通管理中的必要性41.4 汽车行驶记录仪的分类51.5 本文的主要工作71.6本章小结8第二章 系统总体方案设计9 2.1系统框图9 2.2主控制器10第三章 系统方案的硬件设计3.1数据采集单元133.2数据存储单元153.3液晶显示单元20第四章 系统软件设计224.1系统软件整体流程224.2数据采集单元234.3数据存储单元284.4液晶显示单元30第五章 总结34致谢35参考文献3635第一章 绪论1.1 课题的研究背景及意义我国自改革开放以来，道路交通基础设施日益完善，汽车的拥有量也不断增加，交通的发展一方面为社会创造了大量的财富，另一方面也带来了严重的交通隐患。仅2011年我国交通事故死亡人数就超过了20万人。而发达国家则有自己的一套方法，他们为控制机动车安全驾驶，通过立法(如欧盟第382585法规)强制安装机械式纸盘汽车行驶记录仪，对遏制疲劳驾驶、车辆超速等交通违章，约束驾驶员的不良驾驶行为，保障安全行车很有效。各级交通部门面对的问题是如何通过科学的方法提高道路交通管理水平，减少事故发生。由于交通管理的复杂性，交通车辆的运行范围大，活动范围涉及全国各地，管理部门无法随时随地的对车辆进行追踪监控。交通管理部门迫切需要一种可以代替人工对车辆的运行状况和驾驶员的操作情况进行实时监控的电子设备。交通管理中也需要一种能够有效保障车辆安全、提供实时调度管理的产品，使我国的交通管理能够真正迈入智能化时代。而汽车行驶记录仪就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。美国、日本、香港、马来西亚等地都在大量使用汽车行驶记录仪，我国许多大城市的车辆也安装上了汽车行驶记录仪。经过运输企业的使用，事实证明，安装使用汽车行驶记录仪有利于规范驾驶员操作，降低汽车公里胎耗、油耗，提高驾驶员安全意识，从而减少应交通事故给企业造成的经济损失。安装汽车行驶记录仪后，运输企业可以依据记录的数据对驾驶员的进行奖励或批评教育甚至是处罚，长期坚持使用汽车行驶记录仪，不仅可以培养驾驶员规范操作的良好习惯，还有助于运输企业筛选出经常有不良驾驶行为的个别司机，找出重点监督对象，从而达到“管车、管人、管安全”的目的。依托6PS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换。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110报警，为人员和车辆提供安全保障。1.2 国内外发展状况1.2.1 国内发展我国汽车用电子产品水平与国际先进水平相比大约落后10年左右。在汽车行驶记录仪国家标准实行之前，国内已经有好几家开始了在汽车行驶记录仪方面的研究。其中，航空工业总公司第631研究所研制的车载行驶记录仪，它已经能记录并打印最近一次停车前128秒内车辆的瞬时速度、车辆的刹车、鸣笛、转向及所有灯的开启情况，掉电后数据能保存72小时；西安远交信息产业有限公司开发的汽车黑匣子，能监视车速范围为0一240公里小时，其它检测状态包括：刹车、鸣笛、倒车、大灯、小灯、左转灯、右转灯，具有内置时钟和实时数据压缩算法，可以记录2天的运行数据，掉电后数据可以保存5年。公安部、交通部和国家安全生产监督管理局于2001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，长途客运车辆应当安装、使用符合国家有关标准的行驶记录仪。同时，还于2002年制定了2002年预防道路交通安全管理的通告，明确规定对疲劳驾驶和车辆超速等8项违章行为进行集中整治。此后加紧制定汽车行驶记录仪全国统一标准的步伐，公安部于2003年发布了汽车行驶记录仪国家标准GBT190562003(以下简称“记录仪国家标准)并于当年9月1日实行，该标准的出台有利于从根本上解决追在眉睫的交通事故，有利于规范、统一汽车行驶记录仪的全国市场，有利于与国际智能交通行业接轨，与时代同步。我国的汽车行驶记录仪标准既充分参考了欧盟的法律和技术标准，又很好的结合了我国的道路交通管理、道路运输和记录仪产品技术水平的实际情况。发达国家汽车行驶记录仪和事故记录器(黑匣子)是两个标准，两种产品。而我国则只有一个标准，有效的克服了既要安装行驶记录仪又要黑匣子，增加车主经济负担等问题。国家标准除规定了记录超速、疲劳驾驶等汽车行驶记录仪的功能外，还规定了记录刹车灯以及其它七种可选状态的黑匣子功能。此外还有环境适应性测试方法、通讯协议和管理软件等都作了严格规定。可以说汽车行驶记录仪国标的颁布已成为今后国内智能交通行业发展的分水岭和界标。目前我国生产汽车行驶记录仪的企业不多，能通过公安部检测合格的更是凤毛麟角。能否通过公安部检测达标已经是一个首当其冲的挑战，它直接决定了企业能否合法进入国内国际市场。同时通过汽车行驶记录仪在各省市的推广应用情况可以看到，当前国内的记录仪技术还很不成熟。这就留给了我们很大的发展余地。1.2.1国外成果汽车行驶记录仪在国外已经得到了大量的使用，其中欧共体于1975年就通过了在汽车上安装汽车行驶记录仪的立法，要求吨以上货车、9座以上客车必须安装行驶记录仪，欧盟在第382585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”。到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。这一作法将很快在美国引起效仿，美国通用汽车公司到1999年有半数的汽车都已经安装了这种装置，而到了2000年几乎所有的通用汽车都安装了这种装置。近年美国通用公司已经授权加利福尼亚圣克拉拉的Vetronix公司推出可解读记录仪信息的电子系统。Vetronix公司主管柯尔说，该项装置已经上市一年，美国各州州警及各地警察局已经广泛采用这款售价2495美元的解读装置。在加拿大、日本、香港、马来西亚等地，警方对交通事故的处理大部分也是以现场对汽车行驶记录仪记载的信息分析结果为依据。美国加利福尼亚州的多家汽车技术公司最近宣布，将把新近生产出来的商用汽车控制和记录装置投入市场。这一系统完全独立于汽车上原有的计算机模块，拥有自己的微处理器、传感器和存储模块，与飞机数据记录仪十分相似，因而能保证数据的真实性。基本的商用车系统包括事故发生记录、运输记录和防盗技术。其附加的模块和更高级的“即插即用”技术包括行驶称重、6PS定位系统、电子计费、声音识别、声音合成及导航。另一种商用拖车系统的基本型包括事故发生记录、无线卫星通讯和GPS定位系统，升级后加上了行驶称重和防盗系统。“黑匣子”的无线通讯特性可以将数据下载到固定设备上及车载设备上，这就极大地方便了旅行过程中的商务活动。1.3 汽车行驶记录仪在交通管理中的必要性1.3.1 交通事故的主要原因据公安部交通管理局分析，造成当前交通事故高发的五大原因中，驾驶员安全知识的缺乏和安全意识的薄弱是诱发道路交通事故的重要原因。2004年机动车驾驶员肇事667万起，造成82万人死亡、462万人受伤，直接经济损失284亿元，分别占全年事故总数的867、773、846和918。据统计，2004年国内因驾驶员因素导致的交通事故占总数的898，造成的死亡人数、受伤人数分别占到了总数的874、906，其中3年以下驾龄的驾驶员造成的事故占50，造成的死亡人数占总数的363，在道路运输行业中一次死亡3人以上的道路运输事故中，有782与驾驶员违章超载、超速、违章占道、违章超车、疲劳驾驶等因素有关，造成的死亡人数、受伤人数分别占总死亡人数的837、794。1.3.2 汽车行驶记录仪的作用1）自检功能记录仪通电后会对系统各部件及接口进行检测，自检通过后“嘀的”一声响提示用户记录仪开始正常工作。 2） 具有身份识别功能 司机每次开车时利用U盘验证身份，记录仪分类保存每个司机的行驶数据。 3） 车辆行驶时间、速度、里程的记录及存储功能 详实记录存储车辆行驶的时间、速度及里程。 4） 超速报警及记录功能 当汽车超过预先设置的超速值时，会第一时间报警提醒，并记录下来。 5） 超时驾驶（疲劳驾驶）报警及记录功能 司机连续驾驶接近4小时，记录仪会声音提示，超过4小时就开始记录。6） 具有事故疑点记录分析功能 记录仪会以0.2秒间隔记录事故发生前20秒车辆行驶速度、刹车等信息。 7） 显示打印功能 可通过液晶LCD显示和即时打印最近15min内每分钟的平均车速记录、超时驾驶（疲劳驾驶）记录、超速记录及车辆相关信息。8） 数据通讯功能 可通过标准USB或串口采集记录仪数据、设置记录仪参数，车辆信息、驾驶员档案的管理功能。 9） 管理软件提供良好的人机界面，实现车辆信息、驾驶员档案录入、修改、查询统计及报表打印功能。 增加经济效益，科学合理的进行员工调度，车辆保养。 10）存储视频图象（选配摄像头、SD卡）1。1.4 汽车行驶记录仪的分类随着电子技术的不断发展，各种类型的汽车行驶记录仪在技术上已经比较成熟，形成了比较明显的个性化，同时也形成了综合化管理的大趋势，近年来在许多国家和地区得到了广泛的应用。汽车行驶记录仪按照功能可分为如下几类：1）单一型主要记录行驶过程中的某一单项参数(如：速度、里程)，并对记录下来的数据进行相应的管理。主要特征是功能的单一。比如，加拿大的车辆速度监控器，对出现超速情况首先进行报警提示，三次报警后，如还在超速，就会自动控制刹车。2）事故型以记录事故发生时的车辆状态数据为主要目的。记录模式以飞机黑匣子为参照蓝本。主要特征是记录停车前短时间内的数据，一般为一分钟到几小时之间，并不是连续全程记录模式。汽车黑匣子就是以此命名的，也可以说汽车黑匣子是属于汽车行驶记录仪事故型。有的事故型记录仪除了可以记录行驶过程中的速度变化情况和发出超速报警信号外，还可记录行驶过程中车辆运行的方向变化和驾驶人员的操作行为，以便在出现事故时，能够根据在一段时间内的信息来分析判断事故的原因和责任。此类记录仪，一般可记录、存储每次行驶的起始时间、结束时间、行驶里程、停车前一分钟内和十分钟内的最大车速以及停车前一分钟内的速度、左灯、右灯、大灯、喇叭、刹车、刹车气压等工作状态和相关数据。适用于只需要事故型的单位和个人用户。目前国内外市场上出现的记录仪大部分是属于这一类的产品(如：德国VDOKIENZLE公司生产的UDS型事故数据记录仪)。3）管理型管理型记录仪是在事故型的基础上，结合数字式记录仪记录的数据可以进行二次开发利用的特点，根据营运车辆管理的需要开发的新一代数字式行驶记录仪，是事故型的升级型。主要特征是事故型加上简单的计算机管理系统。其功能除了具备事故型记录仪的主要事故分析功能外，还增加了简单的计算机管理系统，用于运营单位的司机、车辆、车队以及实现运营单位的运营数据的自动化和网络化基本管理。目前国内外市场上出现的记录仪有相当部分是属于这一类的产品。这类产品的典型代表：国外有美国0TC公司生产的SWl00型车辆监控系统。4）综合管理型综合管理型是在总结了事故型和管理型记录仪经验的基础上，从软件、硬件和系统功能上进行了优化设计，以综合管理为主要目的而开发的新一代行驶记录仪。主要特征是多通道数据采集处理，全程连续记录，大容量存储卡和强大的综合管理软件系统，实现资源共享。此类型行驶记录仪利用多通道数据采集处理平台、GPS卫星定位仪、大容量数据存储卡和后台综合管理平台软件等强有力的现代化技术手段，重点针对营运和特种车辆的综合化管理目标，来完成车辆综合化管理进程。其数据一经采集各职能部门都受益，特别是适用于中大型企业十几台车乃至上千台车的综合管理需求。可通过在微机软件界面上存放的全程连续记录曲线和各开关传感器的连续状态，对车辆的营运、安全、质量等综合指标进行强有力的全程监控，并根据需求打印统计图表。从以上各类行驶记录仪都是采取事后分析方式，在事后才下载数据，再根据数据或图形进行分析处理。对于在事件现场出现的情况不能及时获得信息，避免和减少交通事故的发生。为此又有新的一代产品问世，可以称之为3G型行驶记录仪。5）3G型行驶记录仪3G型行驶记录仪是在行驶记录仪的基础上加上3G系统(即GPS卫星定位系统、GIS电子地理信息系统、GSM移动通信公共网GPRS分组交换通讯系统)，以及计算机网技术(INTERNET)和呼叫中心(CALLCENTER)的技术，来扩展实现车辆实时调度的综合信息管理服务系统，并具防劫、防盗功能。主要特征是行驶记录仪通过现代通讯网络进行时传送数据，发现问题即时处理。随着现代通讯技术的迅速发展，信息费用的降低，此类行驶记录仪将成为主流。随之车载部分也可简化处理，从而降低系统成本，也就更有利于大面积推广使用。1.5 本文的主要工作汽车行驶记录仪主要由记录器、显示器、MCU主控芯片、PC机处理软件和传感器组成，汽车行驶记录仪，通常安装在发电机盖的内侧，其自身的保护装置非常严密，在车辆发生事故后可为事故分析提供可靠的依据，其功能和作用如下： （1）记录器。能在汽车行驶中客观、精确地记录下多种工作状态，如前进、后退、加/减速、匀速、转弯、爬坡、上下桥、超速、飞车时的参数。当遇到不测或被切断电源后，原先记录下的数据能被完好的保留，一般可以保存十几年。（2）显示器。能及时显示出汽车行驶时的动态数据，一般安装在仪表盘上，供驾驶员及时掌控车况。 （3）MCU主控芯片。对采集到的各种汽车数据进行整理分类，并将其转存到存储模块中。还要借助软件系统控制其它模块，如数据传输、数据显示等。 （4）PC机处理软件系统。可直接采集设置记录器中的汽车参数、时间、限速范围，还能以图线形式再现发生事故的汽车行驶轨迹。 （5）传感器。能够向记录器提供汽车行驶时的速度、信号、方向。 汽车行驶记录仪能在事故发生后安全回收，其结构设计充分考虑到耐撞击、耐火、耐腐蚀、防潮、防水等安全性能，使汽车行驶记录仪在受坠毁冲击、挤压、着火及液体污染物浸渍后，数据记忆体仍能复原。论文首先对汽车行驶记录仪系统的产生和应用背景进行了讨论，接着讨论了汽车行驶记录仪的主要功能和结构，然后进行了硬件电路的设计，主要包括传感器的选择，汽车行驶记录仪(黑匣子)主机电路设计，其中包括数据采集模块设计，数据输出模块设计和显示电路设计。1.6 本章小结本章详细介绍了本课题的研究背景和意义，阐述了我国在当今交通压力的催生下，发展汽车形式记录仪的紧迫性和重要性。其发展必将对中国当前的经济效益和社会效益产生巨大影响。在查阅了国内外相关资料的基础上，初步介绍了国内最近几年对汽车行驶记录仪的研究情况，以及国外汽车行驶记录仪的发展情况。还根据这些资料展现的前景，对汽车行驶记录仪的未来发展趋势进行预测。最后，还以章节为线索，对本论文的主要内容进行了详细论述。第2章 系统总体方案设计2.1 系统框图本文设计的记录仪主机主要由主控制器、数据采集单元、数据存储单元、液晶显示器、热敏打印机和数据通信单元等组成。系统总体框图如图2-1所示。图2-1系统总体框图1)主控制器选用Freescale16位微处理器MC9S12D64，该系列芯片抗干扰，在汽车电子产品中应用较多。2)数据采集单元驾驶员身份采集选用普通的存储卡，驾驶员身份容易被非法更改。本文选用接触式逻辑加密卡，更改驾驶员身份需要经过密码校验，保护驾驶员的合法权益。由于设计的速度采集电路可以采集模拟和数字信号，车速计算方法与车辆半径无关，所以设计的记录仪适应各种车辆安装。不仅可以采集国标规定的刹车信号，还可以采集雾灯等其它七路车辆状态信号。本系统需采集的数据较多，可以分成驾驶员身份和实时时钟、车速信号、开关量信号三类。不同的信号编码、存储格式不同。对不同种类的信号采用不同的采集方式，分别采用12C接口，脉冲累计器和200ms定时查询等方式。IC卡实现驾驶员身份识别功能；实时时钟为记录仪主机记录、存储数据提供不间断的时间依据。通过采集开关型霍尔车速传感器的脉冲数，实现车速采集功能。3)数据存储单元存储事故疑点数据和历史数据存储。数据存储单元选用磁盘抗震性能差，本文采用IC芯片，提高存储单元的抗震性能，并且兼顾快速写入速度、较大存储空间的需求。系统主存储器容量高达1M字节，可以存储高于国标规定的360h的数据2。4)液晶显示器默认实时显示车速等数据。由于记录仪只需显示和打印100多个汉字及其它字符，所需的存储空间小，为降低成本，自定义液晶和打印机的字库。2.2 主控制器主控制器是记录仪主机系统的核心，负责处理系统数据采集、存储、显示、输出等功能。考虑各种因素，系统选用飞思卡尔公司生产的16位微控制器MC9S12D64。MC9S12D64最小系统电路如图2-2所示3。图2-2MC9S12D64最小系统电路MC9S12D64频率高达25MHz，可采用锁相环技术提高系统的电磁兼容性，片内有64KBFlash、4KBRAM和1KBEEPROM，片内集成2个异步串口SCI、1个同步外围设备串口SPI、1个12C总线接口、1个CAN模块、16位定时器、脉冲累加器模块、8通道输入捕捉通道和输出比较通道、最多高达91个独立数字IO，其中20个具有外部中断及唤醒功能4。MC9S12D64最小硬件系统由供电电路、复位电路、振荡电路和锁相环电路等组成。JPl为系统的BDM(背景开发模式)调试接口。时钟电路选用串联振荡电路，PE7脚必须拉高，如果PE7脚接地，时钟的外部振荡电路必须选用并联振荡电路。电容C18、C19和晶振Y1组成最小系统的时钟电路。锁相环滤波电路由电容C21、C22和电阻R24组成，VDDPLL引脚由单片机内部提供25V电压。XFC引脚是压控振荡器(vCO)的电压控制端，通过给锁相环电路编程，以数字方式锁定VCO的控制端电压5。第3章 系统硬件设计与实现硬件是实现记录仪功能的重要载体。本章重点分析记录仪主机系统的数据采集、存储、显示单元的电路设计。3.1 数据采集单元论述驾驶员身份识别、实时时钟、车速、里程等数据采集单元的电路设计。3.1.1 驾驶员身份识别国标规定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相对应。在每次驾车前，驾驶人员首先应确认自己的代码。本文采用IC卡的方式识别不同的驾驶员。为了保证驾驶员的信息不被随意更改，选用西门子公司生产的接触式逻辑加密卡SLE4442。SLE4442提供最小10万次的擦写次数，数据保存10年，具备12C总线接口。SLE4442存储器主要由256字节E2pROM型主存储器、32位PROM型保护存储器和4字节E2PROM型加密存储器组成。MC9S12D64单片机内嵌一个12C模块，硬件实现较为简单，只需把SLE4442的两线(SCL和SDA)和MC9S12D64对应的引脚相连即可，由于SCL和SDA是开漏输出，所以要加上拉电阻。RST弓I脚与单片机IO脚相连。接触推拔式IC卡卡座有常开、常闭两种类型，本文采用常开卡座。IC卡插入方向为IC卡触点面向上，并且触点端朝前。U5的10脚为常开卡座的辅助触点，PWIC脚与单片机IO引脚相连，有IC卡插入时，辅助触点与Q讯DSTA接通，Q2导通，PWIC为高电平，D15点亮；反之，无IC卡插入。3.1.2 实时时钟国标规定记录仪记录仪应能提供北京时间同期和时钟，应能以年、月、日或yyyymmdd的方式记录实时日期；应能以时、分、秒或hh：mm：ss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24h数据，记录时间允许误差在5s以内。选用NXP公司推出的一种低功耗的实时时钟日历芯片NXP8563，其带有一个400KHz12C总线接口，允许使用备用电池长时间供电，每次读写数据后，内嵌的字地址寄存器会自动产生增量。NXP8563可以作为一个从接收器或从传送器，此时的时钟信号线SCL只能是输入信号线，数据信号线SDA则为一条双向信号线。芯片8脚封装，体积小，功耗低，在实时日历时钟集成电路选型时，是一款性价比高的芯片。在系统设计中，采用单片机的两个IO口与NXP8563的SCL和SDA相连接，通过软件模拟12C总线。由于12C总线接口均为开漏或丌集电极输出，故需加上拉电阻。在OSCI和OSCO端可以连接一个32768KHz的石英晶体，在OSCI和GND间接电容器以调整振荡频率。电池座子有卧式和立式之分，前者便宜，后者价格贵，但是节省布线空间。当汽车熄火时，通过电池给NXP8583供电6。3.1.3车速采集车速传感器是国标规定的记录仪的重要组成部分之一，速度脉冲信号可以从车速仪表盘采集，或者按照用户要求安装车速传感器。本文选用开关型霍尔传感器采集车速脉冲信号。采集脉冲信号时必须要将方波信号提高到满足几电平，才能提供给单片机端口。为增强速度信号的抗干扰性，提高测量速度信号的准确性，系统采用如图33所示的速度脉冲信号采集电路。图中汽车速度传感器的输出接VP0，VPl信号送MCU的脉冲累加器引脚。MC9S12D64内嵌2个16位脉冲累加器(PACA、PACB)，相应的输入引脚为IOC7PT7和10COPTO，本文中VPl信号输入IOC0PT0；开关S1选择模拟或者数字信号输入通道，提高了主机系统的适应性。本文调试时，输入信号为数字信号。模拟输入信号电路由电压跟随器、迟滞比较器、光电隔离等部分组成。迟滞比较器的阈值电压UTl和Ur2计算公式如公式3-1和公式3-2所示。参考电压Uref的取值需经过现场调试确定，Ubuf为O伏或5伏电压。 （3-1） （3-2）由速度传感器采集到的速度信号经过稳压管z1限压，使信号幅度在O-5V之间，然后信号送入电压跟随器、迟滞比较器，通过迟滞比较器的回差电压，消除了外界信号的干扰。又经光耦进行光电隔离模拟数字信号后，送入单片机的脉冲累加器输入端口，由单片机定时读取脉冲数，计算得到汽车行驶速度7。图3-1 速度脉冲信号采集电路3.2 数据存储单元详细分析数据存储单元的需求，阐述存储方案的选择，给出事故疑点数据和行驶状态数据的存储格式。3.2.1 存储需求分析国标要求记录仪具备车辆行驶速度的测量、记录存储功能。车辆行驶速度数据主要由事故疑点数据和行驶状态数据两部分组成。1)事故疑点数据的存储需求国标要求记录仪应能以不大于02s的时间间隔持续记录并存储停车前20秒实时时间对应的车辆行驶速度及车辆制动状态信号、记录次数至少为10次。速度记录单位为kmh，测量范围为0kmh220kmh，测量分辨率等于或优于lkmh。需要存储的实时数据至少应该包含以下信息：驾驶员代码，单独存储，十六进制，占用3个字节的存储空间。时间(年、月、日、时、分、秒)，8421BCD码，占用6个字节。速度，十六进制，占用1个字节。车辆行驶状态数据，十六进制，占用1个字节。考虑到时间仅能精确到秒，所以时间不需要每200ms记录一次，每5次(1秒)记录一次时间。由此得出事故疑点数据的逻辑格式如表31所示。表3-1 疑点数据的格式序号123合计项目名称时间速度车辆状态数据长度（字节）61*51*56根据疑点数据的逻辑格式，可以计算出每秒事故疑点数据占用16个字节存储空间。20秒实时数据所需要的数据空间：20*16=320(字节)2)行驶状态数据的存储需求国标规定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。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360d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。速度的单位为kmh，测量范围为：0kmh220kmh，分辨率等于或优于lkmh。需要存储的行驶数据包含以下几组信息，如驾驶员代码，单独存储，十六进制，3字节。时IBJ(年、月、日、时、分)，8421BCD码，5字，速度，十六进制，1字节，里程，8421BCD码，3字节。从而可得每一分钟需要记录的历史数据为9字节。本记录仪中，总共存储最近360小时内的行驶状态数据，因此需要的存储空问为：360*60*9=194400(字节)=18984375k(字节)。另外，还要存储数据的索引、车辆特征系数(十六进制，3字节)、车辆识别代号VIN(ASII码，17字节)、车牌号码(ASII码，12字节)、车牌分类(ASII码，12字节)、驾驶员代码(十六进制，3字节)、机动车驾驶证号码(ASII码字符，18字节)、记录仪主机可识别的唯一性编号及初次安装同期(8421BCD码，5字节)、记录仪每一次下传的日期及时间8421BCD码，5字节)、每一次上载的日期和时间(8421BCD码，5字节)、每一次车辆特征系数的设定时间(8421BCD码，5字节)等信息。预计总的数据量将会有200k字节。3.2.2 存储方案选择为方便叙述，事故疑点数据、行驶状态数据分别采用实时数据和历史数据术语。实时数据存放汽车发生事故前后的数据，主要用于分析事故发生的原因和事故的责任，历史数据存放汽车和司机的行驶状况，作为事故分析的参考依据和对汽车、司机的运行状况考核。本记录仪需要存储的数据量较大，记录仪对存储的实时性和可靠性要求较高。本文设计的记录仪实时数据存储在铁电存储器中，历史数据存储在数据闪存中。将实时数据暂存起来，满一页时，再将实时数据传送到历史数据存储系统中，存满360h数据，然后将其重新覆盖。1）实时数据的存储记录仪不仅要有较大的存储空间，并且要求能够有较快的存取速度，掉电情况下能够对数据进行保存。为了保证所有采集的数据能够及时的存储，仅使用Flash存储器是不行的，因为它的擦写速度比较慢，不能按字节进行擦写操作。在记录仪掉电或单片机任务繁忙的情况下，会造成车辆行驶信息不能及时的存储。因此，需要扩展一个快速的RAM器件作为数据缓存。单片机可以将采集的数据及时保存在缓存中，在空闲周期内，将成页或成块的车辆行驶数据转存到Flash存储器中，充分保证记录仪的可靠性。非易失性RAM主要有普通静态RAM加电池供电、内部带锂电的非易失性RAM和新型的非易失性FRAM铁电存储器三种实现方式。前者要考虑电池充放电电路、同时要保证电池电量可靠、安装稳定牢固等因素，使得系统复杂度增大、可靠性降低。第二种方案RAM价格昂贵，1K字节需要15元左右。FRAM兼具RAM的快速写入特性和ROM的非易失性，没有电池产生的不良因素。FMl808具有100亿次的读写寿命，即使每秒进行30次读写操作，寿命时限也可至少保证10年；掉电后数据保持10年，速度快，无须写等待时间。2）历史数据的存储对于大容量的非易失性存储器，通常采用EEPROM或Flash型存储器，它们不仅可以在掉电的情况下不会丢失所保存的数据，并且可改写的次数也很大，价格低廉，其中Flash型器件的擦写速度更快，可擦写次数也比EEPROM高。因此本记录仪中Flash型存储器。Flash存储器有并行接口方式、SPI接口方式和12C接口方式三种。并行接口方式的Flash占用过多的单片机IO引脚，本文设计的记录仪IO资源紧张；12C接口的Flash只需要两个IO引脚就可以实现访问但是其访问速度比较慢(400Kbps)；SPI总线接口的Flash，需要4个IO引脚，其访问的速度可达20Mbps。综上所述，FMl808很适合应用在汽车行驶记录仪这种要求以字节宽度进行快速频繁写操作的非易失性应用场合，SPI接口的闪存AT45DB081B适合本记录仪的应用。采用铁电存储器与SPI接口的闪存兼顾按字节快速写入速度、较大数据存储空间及掉电不丢失数据的需求。3.2.3存储器选型1）铁电存储器美国Ramtron公司铁电存贮器FRAMl808是一款并行接口掉电不挥发存储器。FMl808内存组织结构为32*768*8bits，内存体系结构是基于行和列阵列，通过并口访问32*752个内存地址空间，所有的15位地址唯一指定了一个32*768字节中的地址。内存被分成32块，每块拥有1K字节，每块的1K字节包括256行和4列。由于存储器每行不能超过块的界限，读写操作频率不同的数据应放在不同的块中。FRAMl808片选CE每次访问均须选通地址的原因，第一是锁存新地址；第二是在CE为高电平时，建立铁电存储器必须预充电时间。因此每次内存存取都必须确保CE产生一次由高到低的跃变，这是FRAM与SRAM时序唯一不同的地方。CE(片选线)不能接地，单片机在FMl808接口的时候必须产生CE的下降沿。设计时需要注意。铁电存储器接口电路如图34所示。图32 FMl808接口电路2）闪速存储器Ar45DB08lB是ATMEL公司推出的一款基于Hash技术的大容量数据存储器，采用27Vq6V供电，管脚(SI、SCK、CS、RESET、WP)支持5V输入，允许直接5V1几或COMS电平信号相联接，并且与之兼容；AT45DB081B的最大时钟频率可达20MHz；在系统编程比较简单，不需要高电压。AT45DB081B的存储结构分为主存储区、两个缓存区及一个状态寄存器。主存储区容量为8,650，752位，被分成10段、512块和4096页三个等级，每页264字节。AT45DB081B有段、块和页三种操作方式，相关操作包括读操作指令、编程擦出指令两部分。编程操作是基于页的，可实现对字节的读操作，不支持单字节的写操作：支持页写、页擦除操作，擦除操作则可以按块或页进行。由于MC9S12D64内嵌1个SPI模块，所以AT45DB081B的硬件电路容易实现，只需将二者对应管脚相连即可。WP为写保护引脚，如果将其置低，则AT45DB081B中存储器的前256页被写保护。如果要对其执行写操作，必须使WP为高。WP引脚在芯片内部拉高，如果不使用写保护功能该引脚可以悬空。为了提高AT45DB081B的可靠性，WP端接电源，允许写。当AT45DB081B的CS由高变低时，芯片启动一次操作，而当CS由低变高时，终止操作。这时SI上的任何数据都被忽略，SO处于高阻态8-9。3.3 液晶显示单元国标规定记录仪应具备显示及操作功能。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。通过操作按键应能实现最近15min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3h的所有数据记录和车辆特征系数显示。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、删除。按键通过MC9S12D64外部中断PH口实现，硬件电路较容易，详见附录1。本系统要求能够进行字符、数字和汉字的显示，因此本文选用可以显示图形和汉字的图形点阵液晶显示器NSl2232A。NSl2232A是一款内藏SEDl520控制器的122幸32图形点阵液晶器，它主要由行驱动器、列驱动器及122*32全点阵液晶显示器组成。NSl2232内部是由两片SEDl520并联来驱动的，SEDl520具有16个行驱动口和16个列驱动口，RAM中的1位数据控制液晶屏上一个点的亮暗状态，“1”表示亮，“O”表示暗。SEDl520中的显示RAM共有32行80列。NSl2232A显存分成4页，显存纵向排列方式，字节内的位顺序是下高上低，“1”对应黑点，“O”对应白点，显存地址自动加一。NSl2232A的DDRAM地址表如表32所示。表32 NSl2232A的DDRAM地址表页数据行号控制器2D0D7122列116从3D0D7122列0D0D7122列1732主1D0D7122列列地址ADC=000H3CH00H3CH列号060060控制器从主VLCD为液晶的负压输入端，调节VLCD端的电压可以改变LCD显示的对比度。+5V背光电源正，背光电源负，需单独引出。注意调节液晶的负压，使之满足要求，否则液晶屏会全黑或由于对比度太低，什么也看不见。单片机与NSl2232A液晶接口电路如图3-6所示。图3-3NS12232ALCD接口电路第4章系统软件设计本章重点介绍记录仪主机各单元的软件设计，通过驱动软件实现记录仪主机的功能。4.1 系统软件整体流程软件系统的任务分配由行驶中和停驶中任务两部分组成。本文设计的记录仪主机设置三名驾驶员驾驶同一辆车，允许停驶状态下更换驾驶员。行驶中采集车速和判断疲劳驾驶，该部分后续研发可以扩展超速、疲劳驾驶声光报警功能。由于国标规定在停驶状态打印数据，且数据通信等任务需要判断时间间隔，所以在停驶中实现该部分功能。车辆点火即为记录仪上电，熄火则记录仪断电。为防止产生歧义，本文中的车辆行驶中和停驶中指的是车辆点火状态下的术语。系统任务分配如表4.1所示。表4.1系统任务分配系统任务分配行驶中停驶中数据采集数据存储疲劳驾驶判断断电保护默认显示*疲劳驾驶超速声光报警操作按键显示数据打印数据通信更换驾驶员断电保护表4.1中标“*”的为本文中未实现的功能，后续开发可以扩展该部分功能。整体流程描述记录仪开机，主机系统自检，行驶停驶中任务，断电保护等部分。系统初始化由各个模块端口定义，各个模块初始化等组成。初次调试时，需要设置同历时钟，SLE4442驾驶员代码及其对应的驾驶证号码等。IC卡内可扩展存储发卡单位和发卡时间等。4.2 数据采集单元本文设计的驾驶员代码存储地址是32-49字节。程序是用单片机的两个IOEl模拟实现NXP8563的12C时钟同历芯片的写读操作。4.2.1 数据采集流程记录仪主机自检正常后，采集驾驶员代码和驾驶证号码。每200ms采集一次车速、里程、刹车等车辆状态信息，每1s采集一次实时时间，每1分钟计算一次里程。数据采集系统流程图4-2所示。开始定时器计时满200ms连续25次采集的脉冲数N小于5？采集1秒5次车速和刹车采集1分钟300次车速和刹车计算1分钟的车速，里程FM1808相应块写满意一行252字节？按历史数据格式，数据按页转存到AT45DB081B相应页中NNYY图4-1数据采集系统流程图 车辆状态可以分为起步，行驶中和停驶中3种状态。从起步到行驶中，车辆处于点火状态中；从行驶状态到停驶状态，车辆可能熄火，此时记录仪主机进入断电保护状态。每200ms定时采集车速脉冲，25次即可采集5s的车速，如果5s采集少于5个脉冲，则认为车辆进入停驶状态，记录仪主机进入断电保护。断电保护的功能是存储索引的索引，数据的索引，本次停驶的时间和本次驾驶员代码等。4.2.2车速采集国标规定记录仪应具备车速、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。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。1）车速、里程计算原理车辆特征系数，即车辆行驶每公里里程时驱动速度传感器的转速(rkrn)，是测量车辆速度的重要信息。速度信号是一个方波，利用单位时间测量到的脉冲数和车辆特征系数来计算车辆行驶速度和行驶里程。脉冲累加器每02秒对速度脉冲计数，然后计算、存储车速。采用每分钟的平均速度与时间的乘积计算每分钟的里程平均值，然后累加到总里程中进行存储。时间T内，记录仪脉冲数为N，车辆行驶旱程及速度计算公式： （4-1） （4-2）其中，S为车辆行驶里程(km)；V为车辆行驶速度(kmh)；N为记录的脉冲数(脉冲)；K为车辆特征系数(转km)；M为车速传感器的特征转数(脉冲转)。2）车辆特征系数的测试方法测试车辆特征系数的方法是将系统正确接入汽车行驶一段里程，系统记录行驶过程中汽车发出的总脉冲数，总脉冲数除以里程数，即可计算出该车的车辆特征系数。为降低误差和提高精度，车速信号在采集过程中必须滤除随机尖峰干扰脉冲，以保证测量速度的准确性。硬件滤波能够很好地抑制高频干扰，对低频干扰的滤波效果却比较差，软件滤波对低频干扰则具有较好的抑制能力。为尽可能地消除或减少干扰信号对系统的影响，在系统硬件方面采取光耦滤波措施，在控制算法亦采取一定的措施抑制干扰信号的影响，程序中采用连续多次采样求平均值的办法滤波。4.2.3疲劳驾驶检测流程国标规定记录仪应具有存储同一名驾驶员最近2天的疲劳驾驶记录的功能。本文设计的记录仪允许3名驾驶员驾驶同一辆车，允许不熄火停驶状态下更换驾驶员，方便长途客运或物流公司的车辆管理。删除驾驶员或添加其他驾驶员需要经过授权，通过RS232串口下载。该部分可扩展声光报警功能，疲劳驾驶时提示驾驶员。疲劳驾驶流程如图4-3所示10。开始读上次驾驶员代码读该驾驶员上次停驶的时间,储存当前时间到地址空间同一驾驶员读该驾驶员上次停驶的时间,储存当前时间到其他地址空间以上两者时间差大于20min以上两者时间差大于20min连续驾驶有效休息连续驾驶有效休息当前与该驾驶员上次停驶时间差大于3h当前与该驾驶员上次停驶时间差大于3h车辆停驶车辆停驶结束断电保护,存储疲劳驾驶时间断电保护,储存疲劳驾驶时间NYNYYNYNNY图4-2疲劳驾驶流程图4.3 数据存储单元数据存储单元是记录仪主机设计的重点与难点之一，是记录仪主机设计的核心部分。数据存储方案的设计合理与否关系到记录仪系统设计的成功与否。4.3.1数据存储流程本设计中采用建立索引的方式，对数据进行管理。数据存储流程如图4-4。开始没0.2s采集一次车速和刹车数据储存到FM1808车辆行驶中？采集实时时间并储存到FM1808相应块采集时间累计1分钟？计算1分钟的车速，里程，按历史数据格式储存到FM1808相应块断电保护NYNYYN图4-3 数据存储流程图对不同的驾驶员分别建立索引，对每次存储的位置进行指示。再对建立的索引进行管理，建立索引的索引，可指示每个驾驶员索引存放的位置。建立的索引与索引的索引都存放于FMl808中。每次车辆点火，通过索引的索引查找上次的存储地址，然后在上次地址后接着存储。读数据时，通过索引的索引查找数据的索引，然后通过数据的索引查找数据。 为方便理解和提高系统设计的灵活性，本文流程图中索引的索引、数据的索引采用FMl808相应块、行、列和AT45DB081B相应页地址叙述。每200ms采集的数据是事故疑点数据，由事故疑点数据计算的每分钟数据是历史数据。事故疑点数据、历史数据的逻辑结构和存储结构分别详见321和432节事故疑点数据存储在并口铁电存储器FMl808一块中。闪存不支持按字节写，只支持按页或块擦除，所以在铁电存储器中开辟一块存储历史数据。当铁电存储器中的历史数据字节数目满足闪存的一页时，将数据转存到闪存中。在铁电存储器相应地址查询索引的索引、数据的索引、疲劳驾驶记录和最近15分钟每分钟的车速。在闪存相应页中查找最近2个同历天或者最近360h的车速和累计行驶里程。在铁电存储器相应地址查找车辆特征系数等信息。4.4 液晶显示单元记录仪显示模块的功能是实时反映汽车行驶状态并提供人机操作接口。默认显示实时时间、车速、驾驶员代码，通过键盘可以显示国标规定的其它要求。4.4.1 键盘流程设置选择菜单退出、向上方向键、向下方向键、确认4个操作按键。菜单由显示最近15min内每分钟的平均车速、显示车辆特征系数和打印等选项组成。菜单每个选项送液晶显示，以供用户选择。当显示数据多于液晶屏一屏时，使用方向键上下翻页。限于篇幅，本文不给出其流程图。4.4.2 液晶显示流程NSl2232A液晶屏为点阵式液晶屏，输入字符是以点阵的形式输入，首先获得要输入图形、汉字的字符点阵，然后按位置输入到液晶屏上显示出来。液晶显示软件流程如图4-5所示。开始液晶初始化主从控制器页选择和