电子毕业设计基于嵌入式系统的汽车行驶记录仪的设计

摘要汽车行驶记录仪是一种能够记录和再现汽车行驶状态的数字式电子记录装置，它可以全程记录汽车的行驶数据，并通过对所记录的行驶信息数据的分析，对车辆的行驶状况予以精确的掌控。它在遏制疲劳驾驶、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。汽车行驶记录仪包括汽车行驶记录仪的主机和计算机端的数据分析软件这两部分组成，该课题中重点设计汽车行驶记录仪的主机部分。参照汽车行驶记录仪的国家标准GB厅190562003的要求，进行汽车行驶记录仪的系统设计。本文的工作包括系统的硬件电路设计和软件设计，系统的软硬件设计部分包括信号采集、数据存储、键盘操作、显示以及数据通信等模块。系统的硬件设计部分首先对各部分模块的芯片进行选型，这里微处理器采用AKM7芯片LPC2292。软件部分采用了UCIOS一11嵌入式操作系统，对各个模块建立不同的任务，通过对各个任务的调度，来实现系统各部分的功能。在数据通信部分，除了采用了国家标准中所规定的USB标准接口和标准RS232CD串行接口以外，还添加了CAN总线接口。该课题中所设计的汽车行驶记录仪实现了对驾驶员的信息记录功能车速信号、开关量信号和模拟量信号采集、存储功能液晶模块显示功能、键盘操作功能USB接口、串口以及CAN总线接口的数据通信功能。嵌入式操作系统的使用，降低了软件开发的难度、提高了系统的实时性和灵活性，缩短了系统的开发周期，是汽车行驶记录仪的发展方向。关键词ARM7，LPC2292，UCI5一N，CAN总线，汽车行驶识录仪QQ64134703VEHICLETRAVELINGDATARECORDERISADIGITALELECTR0NICDSVICE，WHICHCAN正CORD幼D化SHOWVEHICLE、TRAVELINGSTALUSINFOM口LIONLTC助戏沈。川VEHICLE毖TLAVELINGDATADURINGTHETLAVELINGTI心，ITAISOCANHAVEAFULLKNOW】EDGEOFVEBICLE，STRAVELINGSLATUSBYTHEWAYOFANALYSING的，已HNGDSTAITPLAYSA乒ATR01EINHO】DINGBACKTRAFFICPECANCIESSUCHASI此D刁RIVING，创E招户笼D，CU比INGBAD加祀卜NGBEHAVIOR，衅VENTING。习FFICACCIDEOTS，GUARAN讹INGVEHICLE。习VELIUGSAFETY，I叮甲ROVLNGTHELEVE】OFTRANS脚RTATION，SUPP】YLNGDATAFORAC口DENTANALYSISAWHOLE、REHICLETVEIINGDATARECORDERSYSTEMINDUDESTWOPARTS，ONEISTHE胭NFTA住朗DTHEOTHERISTHEN坦NAGINGANDANALYZMGSOFTW眼，面STHESIS咖DYDSSCRI比STHEDESLGNOF画。6习心THESYSTEMISDESIGNINGBASEDONREGU俪ONSOFTHEGBRR1905吞2的3了七ISPAPERN旧功LYDSSCRIBESTHEH田月W即此ADSOFTW眼山51即INGOFTHESYSTE位，INCLUDINGSIGUALACQULSITION，山扭似。川抽G，KE沙的RDSCANUING，DISPLA，INGDS妞的LCD，山TACOLNMUNICATIONFUNCTIONANDSOOU玩THEBARDWAREDESIGOINGPAN，6DYC卜OOSESCBIPFORDI月乞RENTMODULE，CHOOSINGARM7CHIPLPC2292朋硒EROC00ODLLERUNIT玩此。丘WARE钾RT，CH侧招INGUOOS一NE州BEDDEDO详拍TINGSYSTEM，ATINGDIFL七MNTLASKSFOREACHM目U贻，川妞INING加N而ONS妙THEWAYOFTAKDISPAT加RANDSHEDU】ERAP州6MUSB，UARTDS比。“皿NUN，CATION砌妙，WADDCANBUCONUNUMCA石ONSTY协FORTHEYSTENLTHESYS怡MAOAINS此加N比ONOF面丫ERSINFOM曰TION似。川功9，VEHIC肠户喊血LEAGE，SWITCHSIGNAL超QUISITIONA”DSTORAGE，LCDDIS讨哪NG，坛YBO耐。伴口石NGANDDATACON”刀UNICATIONT七SYSTEMBULLD她GBASEDENIBEDDEDSYS招IN卜AVETHE司VANTAGEOF挂泪UCING触COINP】EXJTYOFSONW别旧血的GNING，M详OVINGTHEREAL一TI脂朋D月E兀IBI】ITY，SHON己DIUGTHEDESIGNLGPERI曰，ITSUPPLIESAWENDEVELOPINGO幻ENTATIONFOR、REBICLETMVELINGDATARECO记EKEYWORDSA侧M7，1PC2292，UCIOS一N，CANBUS，、飞HIC肠TRAVELINGDATARECO沈七RQQ64134703独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料一。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了谢意。研究生签名旬裤时间二J”刀年月反日关于论文使用授权的说明本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。保密的学位论文在解密后应遵守此协议研究生签名交习禅时间加。冲时间呵年月之日导师签“迟崎确年子月/如QQ64134703中国农业大学硕十学位论文第一查绪论第一章绪论11研究背景和意义我国汽车工业的发展，一方面带动了其它行业的发展，另一方面对道路的交通安全带来了新问题。据公安部通报的2005年全国道路交通事故的统计分析，2005年全国共发生道路交通事故450254起，造成98738人死亡，造成469911人受伤，直接财产损失188亿元川其中机动车驾驶人交通违法是造成交通事故的主要原因。同时，许多交通事故由于无任何行驶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。汽车行驶记录仪是能够记录和再现汽车行驶状态的一种数字式电子记录装置，它可以全程记录汽车的行驶数据，并通过对所记录的行驶信息数据的分析，对车辆的行驶状况予以精确的掌控121为了保护人民的生命财产安全，遏制交通事故频发，国内外的许多公司企业、科研单位已经研制开发了汽车行驶记录仪产品。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。针对我国交通安全体制不够完善，驾驶员的素质不高，公民的交通意识淡薄，违章现状严重的现状，在机动车上安装形式记录仪是一项新的举措，是汽车工业中引入电子化、智能化的一次成功尝试，对于我国汽车工业的发展、汽车安全行驶和交通管理体系的完善、规范约束驾驶员的驾驶行为具有重要的实际意义。12国内外研究现状121国外研究现状汽车行驶记录仪制造和应用的发源地在欧洲。早在20世纪20年代，行驶记录仪便伴随着汽车里程表而诞生，当时是和汽车里程表结合在一起的13。随着汽车工业的快速发展，记录仪开始在汽车运营中得到自发性的广泛应用。1934年，德国发明了世界上第一台纸盘式行驶记录仪，至今己有70年的历史141。为了保障道路交通安全运输，欧共体在1975年通过了在汽车上安装行驶记录仪的立法，要求3，5吨以上货车、9座以上客车必须安装行驶记录仪TSL。1992年欧盟成立，原欧共体有关记录仪应用的各项法规继续有效。2003年，欧盟颁布新规定自2004年8月起，在欧盟注册的毛重超过35吨以上的商用车强制安装使用IC卡技术、有打印功能的数字式行驶记录仪师17，0这一做法很快在美国、日本、马来西亚等国家引起效仿，纷纷立法强制安装汽车行驶记录仪。QQ64134703中国农业大学硕十学位论文第一章绪论砚巨皿旦旦日目旦目旦旦旦里旦旦旦日本的法律规定，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一时刻的运行状况，以此加强企业的安全生产管理MLSL。七十年代后期，欧共体推出机电模拟式汽车行驶记录仪，证实在降低事故率，提高驾驶员责任心和进行科学管理等方面收到了良好效果，使用记录仪后交通事故率可降低3以一5沸1，。进入九十年代，计算机日益普及，美国、欧共体相继推出性能更为优良的电子式汽车记录仪。目前较常见的电子式记录仪包含记录器、显示器、数据采集处理卡、传感器以及PC机处理软件等几个部分，其中数据采集处理卡为便携式的磁卡，可插入记录仪进行数据采集，亦可将采集到的数据送计算机进行图像处理和事故分析。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141171。总体来说国外汽车记录仪的技术比较成熟，且己经得到广泛应用。它可以连续采集行车状态数据，不断记录每一时刻段内的车辆运行状态数据。如车速，加速度，刹车，转向灯，方向盘转动角度等等。一旦发生交通事故，机动车的运行数据通过传感器自动记录在汽车记录仪中，可以通过计算机模拟事故前的运行轨迹、行车路线，从而再现肇事、违章过程，给公安、交普、保险等部门提供可靠的法律依据。机动车行驶记录仪拥有自有的微处理器、传感器和存储模块，因而能保证数据的真实性。包括超速提醒、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、无线卫星通讯、GPS定位系统、电子计费、声音识别、疲劳监测及导航以及行驶称重和防盗系统，更有将事故急救通知系统纳入其中的趋势。总体来说，国外这种装置能够记录的数据包括汽车行驶轨迹、速度、方向盘角度、档位、刹车、转向灯，离合器等各种汽车状态信息和驾驶员操作信息，还具有功能扩展接口17。L22国内研究现状我国从20世纪80年代后期开始，在少数地区曾试用过由国内一些科研机构和企业自主研制的数字式记录仪，这些记录仪的主要功能是集中存储一些数据，以便车辆发生意外后将数据取出，重现事故全过程。但由于存储数据比较少，无法有效复现事故过程，不能很好地分析事故原因，而且记录仪的功能是事后方知，解决不了控制交通事故发生率的问题。因此，汽车行驶记录仪终因其不能起到预防交通事故发生的作用而无法推广同2田1年底，公安部、交通部、国家安全生产监督管理局联合下达了公安部、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应当逐步安装、使用符合国家有关标准的行车记录仪。到2印3年4月15日，由公安部有关部门起草、国家标准化管理委员会、国家经贸委审定通过，国家质量监督检查检疫总局发布了汽车行驶记录仪的国家标准CB厅1如52003191，于2加3年9月1日起正式实施。实施对象包括所有的在用车和新车，将逐步由点到面，分批分时的展开。汽车行驶记录仪是一种法规性的产品，将在配套法规的支持下推广应用，据不完全统计，全国有广东、四川、吉林、湖南、上海、浙江等20多个省、自治区、直辖市汽车行驶记录的应用工作取得进展，已安装使用行驶记录仪的客运、货运企业约QQ64134703中国农业大学硕十学位论文第一章绪论巨组旦巴照旦旦里旦旦亘旦旦口组350多家，车辆约2万辆110。目能全国各地交通运输企业营运车辆安装使用行车记录仪的工作仍处于起步阶段，各地的工作进展不一。推广使用汽车行驶记录仪是一项既定国策，是一项中长期持久的工作任务，也是我国进入价0与国际接轨的产物。随着2003年9月1日国家标准的颁布实施，市场上出现了许多不同功能的产品。其中以北京伟航新技术开发有限公司研制开发的IBB一3型系列汽车综合记录仪为代表。现在又出现了将GPS卫星导肮与记录仪相结合的趋势，北京森泰克数据通信技术有限公司开发出多功能行驶监控仪，使用该产品，信息中心可以对车辆超时超速和紧急情况进行报警，可以对车辆进行卫星定位跟踪，驾车者则可借助车载免提电话时刻与外界保持联系15。综合使用各种新技术，使得汽车行驶记录仪功能不再单一，从而成为集防盗、导航、监测、事故诊断为一体的多功能产品。13课题的研究内容汽车行驶记录仪包括汽车行驶记录仪的主机和计算机端的数据分析软件这两部分组成，其中前者用于记录驾驶员的驾驶信息，后者分析主机模块纪录的状态数据并生成事故疑点数据曲线图和一般行驶速度记录曲线图等图表191。这样得到的结果可有助于运输企业和管理部门对车辆的运行状态的监控，加强对车辆和驾驶员的管理，并为交通部门对交通事故的处理提供技术手段。该课题研究重点是汽车行驶记录仪的主机部分，根据国家标准对汽车行驶记录仪的要求以及现实要求，确定出该课题的研究内容1系统的总体设计参照汽车行驶记录仪的国家标准GB八19056一2003的要求，制定出汽车行驶记录仪所要实现的功能并画出系统的结构框图。在系统的硬件方案设计部分，对各个模块进行芯片选型。系统的软件方案设计部分，确定所采用的操作系统。2系统的硬件设计在系统的硬件电路的设计方面，选择各模块所需要的芯片，然后用PROTE1DXP软件设计该系统的硬件电路原理图和PCB图，并制作出电路板。3系统的软件设计软件的编程环境选用几璐12集成开发环境，操作系统选用UC/璐一N。软件部分以操作系统为基础，采用模块化设计方法，包括操作系统的移植、各个模块驱动程序的编写以及应用层各个任务的编写。4系统的软硬件调试电路板制作出来后，首先要对板上的信号线进行检测，没有问题后，在板上焊接元件，然后对系统上电调试。系统软硬件调试都采用模块化的方法，硬件调试主要是看信号输出是否正确，线路是否连通，采用的调试工具有万用表和示波器。软件在ADSI2开发环境下进行调试，调试时出现的问题可能是仿真器问题，程序的编写问题。程序的编写要注意对各个模块的任务调度、芯片的时序以及对工程中各个文件的修改。QQ64134703中国农业大学硕十学位论文第一章绪论14本章小结本章首先介绍汽车行驶记录仪的研究背景和研究的意义，然后介绍汽车行驶记录仪在国内外的研究现状，然后确定课题的研究内容，课题重点对汽车行驶记录仪的主机模块进行研究，QQ64134703中国农业大学硕士学位论文第二章汽车形式记录仪的总休设计第二章汽车行驶记录仪的总体设计21系统的整体方案设计汽车行驶记录仪包括汽车行驶记录仪的主机和计算机端的数据分析软件这两部分组成，该课题中重点设计汽车行驶记录仪的主机部分。参照汽车行驶记录仪的国家标准GBFR1905卜2印3的要求191，课题所设计的汽车行驶记录仪主要实现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键盘操作功能数据显示数据通信功能。在数据通信接口部分除了国家标准所规定的USB标准接口和标准RS232CD型9针接口的这两种通信方式外，该课题中还增加了CAN总线接口功能。该课题所设计的汽车行驶记录仪选用带有ARM7TD卜115内核的LPC2292为微控制器，操作系统采用UC10S一N嵌入式操作系统。该系统可实现对车速信号、开关量信号以及模拟量信号的采集、处理以及数据的实时存储和显示，通过串口UART、USB接口可以实现与咒机之间的数据通信，通过CAN总线接口可实现与汽车上的CAN节点间的数据通信。该系统的外围接口模块有电源模块、复位电路模块、系统时钟模块、信号采集模块、键盘操作模块、存储器模块、时钟模块、液晶显示模块、刀沐G调试接口以及通信接口模块，系统的组成框图如图1一所示。圈2一1汽车行驶记录仪的组成框图22主机系统的硬件方案设计在系统的整体方案设计中已设计出了系统所要实现的功能和系统的组成框图该系统主要包括微处理器模块、电源模块、复位电路模块、信号采集模块、键盘操作模块、存储器模块、时钟模块、液晶显示模块、刀该G调试接口以及通信接口模块。下面对主要模块进行芯片的选型。QQ64134703中国农业大学硕十学位论文第二章汽车形式记录仪的总休设计221微处理器的选择微处理器的选择对系统的硬件和软件设计都至关重要，选择合适的微处理器在硬件方面可以减少系统的外围电路，在软件方面提高编程开发的效率，提高系统的稳定性和可靠性1111汽车行驶记录仪对时间的实时性要求很高，需要完成数据采集、存储、实时显示、数据通信等多种任务，同时需要有较大的数据存储空间来存储车辆的车速、里程等驾驶信息。目前所生产的汽车行驶记录仪普遍采用单片机为微处理器，但是采用单片机系统不能很好地满足汽车行驶记录仪的强实时性、较大的数据存储量以及接口扩展的要求1121随着微处理器技术的发展，越来越多的嵌入式处理器应用到电子系统中并发挥出色的功能。因为采用嵌入式处理器能很好地满足采用汽车行驶记录仪的性能要求，我们选用ARM处理器为汽车行驶记录仪的微处理器。ARMADVANCEDRISCMACHINES是微处理器行业的一家知名企业，该企业设计了大量高性能、廉价、耗能低的刃SC处理器、相关技术及软件。ARM公司的处理器具有性能高、成本低和能耗省的特点，适用于多种领域，比如嵌入控制、消费尹教育类多媒体、DSP和移动式应用等。ARM将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和OEM厂商，每个厂商得到的都是一套独一无二的ARM相关技术及服务。利用这种合伙关系，ARM很快成为许多全球性RISC标准的缔造者ML目前，总共有30家半导体公司与ARM签订了硬件技术使用许可协议，其中包括恤。卜IBM、LG半导体、NEC、SONY、菲利浦和国民半导体这样的大公司。至于软件系统的合伙人，则包括微软、升阳和材叹1等一系列知名公司。ARM架构是面向低预算市场设计的第一款即SC微处理器，其设计实现了外形小但是性能高的结构。A丑M处理器结构的简单使AR初的内核非常小，这样使器件的功耗也很低。它集成了典型的犯SC结构特性一个大而统一的寄存器文件装载和保存结构简单的寻址模式统一和固定长度的指令域ARM公司开发了很多系列的ARM处理器核，目前应用比较多的是ARM7列、ARMG系列、ARMGE系列、ARM10系列等。其中ARN口系列微处理器为低功耗的32位犯SC处理器，最适合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用。ARM7系列微处理器包括如下几种类型的核ARM71DHLL、ARN7TD加115、ARM720T、A侧M7EJ。其中，ARM7FMDI是目前使用最广泛的32位嵌入式川SC处理器，属低端ARM处理器核，它将ARM7指令集同THULR山扩展组合在一起，以减少内存容量和系统成本。同时，它还利用嵌入式ICE调试技术来简化系统设计，并用一个DSP增强扩展来改进性能。本文中所设计的汽车行驶记录仪需要两路冉ZD转换、一路串行UART通信接口、一路CAN通信接口。通过对LPCZIO田22X系列芯片的比较，微处理器确定为LPC2292。LPC2292是一款基于16132位ARM7TD卜115，并支持实时仿真和跟踪的CPU，并带有256K字节嵌入的高速R“H存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位THUMB模式将代码规模降低超过3守汤，而性能的损失却很小“41。LPC2292采用144脚封装、极低的功耗、多个32位定时器、8路10位ADC、2路高级CAN通道、PWM输出以及多达9个的外部中断，可以满足汽车行驶记录仪系统的要求。QQ64134703中国农业大学硕十学位论文第二章汽车形式记录仪的总休设计222信号采集方案设计所设计的汽车行驶记录仪所要采集的信号1路车速脉冲信号、巧路开关量信号以及2路模拟量信号。其中车速信号的采集部分先要对车速传感器的输出信号进行放大、整形，然后把处理后的信号与微处理器的脉冲捕捉口线相连。15路开关量信号主要有刹车开关信号、点火开关信号、车灯开关信号以及车门开关信号。对这15路信号的处理可以先把这些开关量信号经过光祸隔离后直接与微处理器的UO口线相连，但这样会占用处理器的15个引脚，而且这些引脚选择时不连续，这样不方便实现对读取引脚寄存器的状态。故可先让这15路开关量信号经过光祸隔离，然后再经过16路开关量信号检测芯片CD暇拓7进行信号通道的选通，输出信号与LPCZ灼2的PO8TXDI引脚相连。通过CD暇兀7的4个输入端依次进行这15路开关信号的通道选择。然后分别读取印8TXDI引脚的状态，就可知道各路开关的状态。这样可以节约口线并方便电路的设计，提高系统的可靠性。两路模拟量信号分别为冷却水温信号和节气门开度信号。由于冷却水温传感器、节气门传感器的输出信号均为电阻信号11，】，故先把传感器输出的电阻信号转换为电压信号，首先经过运算放大器LM124对这两路电压信号整形，然后再把这两路信号输出到微处理器的模数转换引脚即27ANTO、PO28ANTI进行模数转换。223数据存储方案设计目前，在可现场改写信息的非易失存储器市场中，快擦写R韶HME血理存储器、新型非易失静态存储器NVSRAM和铁电存储器FRAM有着广泛的应用116。其中快擦写RASHME咖RY存储器在目前的应用最为广泛。快擦写存储器主要分为两种，一种是NOR性RASH，另一种为NAND型R”HLL31。除了单片的存储器外，应用广泛的存储设备还有IC卡与CF卡。NOR型FLASH的特点是可以直接读取芯片内存储器的数据，速度比较快，应用程序可以直接在该种RASB上运行。NAND型RASH的特点是其内部数据以块为单位进行存储，地址线和数据线共用，可以达到高存储密度，写入和擦除的速度较快，该种RASH的应用的困难在于RASH和对系统接口的特殊要求。ICINTEGATEDC加ULTCAD卡按所嵌的芯片类型的不同可分为三类阴第一种是存储器卡，这种卡内的集成电路是可用电擦除的可编程只读存储器EEPROM，它仅具数据存储功能，没有数据处理能力存储卡本身无硬件加密功能，只在文件上加密，很容易被破解。第二种是逻辑加密卡，这种卡内的集成电路包括加密逻辑电路和可编程只读存储器EEPROM，加密逻辑电路可在一定程度上保护卡和卡中数据的安全，但只是低层次防护，无法防止恶意攻击。第三是智能卡CPTJ卡，这种卡内的集成电路包括中央处理器CPU、可编程只读存储器EEPROM、随机存储器RAM和固化在只读存储器ROM中的卡内操作系统COSCHIPQ阵RATINGSYSTE时。卡中数据分为外部读取和内部处理部分，确保卡中数据安全可靠。CFC0功PACTRASHC耐卡内嵌单片控制器和多片闪存模块，它的片内MCU可对RASBMELNORY阵列进行读写，这种设计可以增加CF的数据读写的可靠性，同时提高数据通信的速率1151QQ64134703中国农业大学硕十学位论文第二章汽车形式记录仪的总休设计巨组里巨旦目口旦巴里里里里里绝曰巴纽口里纽里里里一曰里目口口曰口曰思巴口IC卡和CF卡的功能比FLASH有更大的数据存储容量，存储功能也更强大，但是IC卡和CF卡的价格要比RASH高，而该系统中用RASH就可实现系统的数据存储功能，综合分析后，存储器模块选用NOR型RASB中的SST39VFLOOL芯片。SST39VF16OI是一个IMXL6的CMOS多功能RASH州田F器件由SST特有的高性能SU卯RFLASH技术制造而成SU声RFLASH技术的分裂闸SPLITG毗单元结构和厚氧化物制程的采用可提供可靠性更强、工艺更完善的解决方案11气SST39VF1601的写编程或擦除操作电源电压为27V36V，它具有高性能的字编程功能，字编程时间为14US。器件通过触发位或数据查询位来指示编程操作的完成。为了防止意外写的发生器件还提供了硬件和软件数据保护机制。ST39V下1601的10，1洲X个周期的耐用性和大于100年的数据保持时间使其可广泛用于设计制造和测试等应用中。SST39VF1601尤其适用于要求程序配置或数据存储器，可方便和低成本地更新的应用。对于所有的系统，它的使用可显著增强系统的性能和可靠性，降低功耗。它们比其它技术制造的RA劝器件在擦除和编程操作中消耗更少的能量。所有能量的消耗与应用的电压、电流和操作时间有关。由于不管对于任何的电压范围，SU讲旧ASH技术都消耗很小的电流，使用很短的擦除时间因此SST39VRL601在擦除或编程操作中消耗的能量小于其它R朋H技术制造而成的器件。224实时时钟模块设计汽车行驶记录仪需要对状态发生时对应的时间信息作相应的记录，以便后来的分析使用，所以需要详细的时间信息。LPC2292有内置的实时时钟RTC模块，但该模块不支持微控制器的断电模式，故需要对汽车行驶记录仪设计外部实时时钟模块。由于行驶记录仪对时间的实时性要求较高，并在系统断电时钟仍要运行，故需要选择具备掉电检测功能并且提供附加电池供电的时钟芯片。近年来应用较多的日历时钟芯片有美国D月区人5公司研制的DS12887和DS1302芯片以及日田L口5公司生产的LZC实时时钟芯片PCF856SLL61。其中DS12887是CMOS实时时钟日历芯片，可通过并行接口方便地与微处理器相连，该芯片可产生秒、分、时、星期、日、月、年这七个日历时钟以及秒、分、时三个警报时钟。DS1302是串行、涓流充电时钟芯片，使用简单，通过一个简单的串行接口FO与微处理器通信，还可以通过其备份电源充电PC曰563是低功耗的CMOS实时时钟日历芯片，它提供一个可编程时钟输出，一个中断输出和掉电检测器，所有的地址和数据通过LZC总线接口串行传递通过对这三种芯片的比较，选择DS1302为该系统的实时日历时钟芯片，该芯片与微处理器的连接方便，可通过串行接口与微控制器进行通信，同步串行通信时仅需要3个口线。DSL32工作时功耗很低，保存数据和时钟信息时，功率小于11LLW。该芯片可采用双电源供电，备用电源可由电池供电，这样在系统断电的时候，可以保证该时钟仍能正常工作。QQ64134703中国农业大学硕十学位论文第二章汽车形式记录仪的总休设计225显示模块方案设计为了使得驾驶员方便的察看到汽车的车速、里程等驾驶信息，汽车行驶记录仪应配备显示器。在电子控制系统中，常用的显示器主要有LED发光二级管显示器、1刀D液晶显示器LED只能实现对数字09和字母AF的显示，显示功能过于简单，不能很好的满足汽车行驶记录仪的显示功能要求。LCD显示器的功耗很低、显示清晰度较高，有着视域宽、显示信息量大等优点。液晶显示器按其显示功能可分为三类笔段式液晶显示器、点阵字符式液晶显示器和点阵图形式液晶显示器。其中前两种可显示数字、字符和符号等，而点阵图形式液晶显示器可以动态显示连续、完整的图形以及中文、数字等，功能更为完善，界面更友好1141。为了使得汽车行驶记录仪的显示模块在显示数据参数的同时，能用显示方式清楚表示数据参数的名称及单位，我们在这里选用点阵图形液晶模块。汽车行驶记录仪的显示面板上要显示瞬时车速、每分钟最高车速、每10分钟内最高车速、时间、日期、总里程数、冷却水温度、节气门的位置等行驶数据信息，故需要有较大的显示区域，通过对点阵图形液晶模块的选择，我们采用YU刃40128作为显示模块。YL尺40128点阵式液晶显示模块的点像素为2叨X128点，被光源颜色为黄绿色，STN液晶屏。它的内嵌控制器为TOSHIBA公司的T6肠3C，外部显示存储器为32KB226数据通信方案的设计国家标准规定汽车行驶记录仪应同时配置以下两种标准接口USB通用串行总线标准接口，建议采用主结构式USB接口标准RS232CD型9针接口。在具备上述通信接口的基础上，可以同时使用其它通信方式阴该课题中所设计的通信接口有USB标准接口和标准RS232CD串行接口以及CAN总线接口。其中USB标准接口和标准RS232CD串行接口可以实现由PC机向汽车行驶记录仪主机的数据下传功能和由记录仪主机向PC机的数据上载功能。这样能方便得得到驾驶员的身份识别以及在交通事故时汽车的行驶数据，有利于对交通事故的分析。USB标准接口采用PDIUSBD12器件，该器件完全符合USBLI的规范。RS232CD串行接口部分采用SP3232进行RS232的电平转换，SP3232是3V电源的RS232转换芯片。随着总线技术的发展，汽车上很多电子控制系统都带有CAN接口。为了方便汽车行驶记录仪与汽车上的带有CAN接口的电子控制系统之间进行通信，故给该系统增加了CAN接口。2323一1系统的软件方案设计软件设计结构该系统的软件设计中以嵌入式操作系统为基础，采用模块化层次结构设计，软件设计的层次QQ64134703中国农业大学硕士学位论文第二章汽车形式记录仪的总体设计口旦鱼鱼鱼鱼鱼旦旦旦旦旦旦口巨旦结构如图1一2所示。系统的硬件部分是软件设计的基础，在硬件的基础上，对软件进行分层模块化的设计。其中驱动程序向上为应用层的用户应用程序提供接口函数，向下通过系统的硬件接口函数实现对硬件的控制1111。嵌入式操作系统为该系统提供软件平台，要使得选择的操作系统能在微处理上运行，需要涉及到操作系统在目标板上的移植。应用层部分就是应用程序的编写，是整个软件设计过程中所有程序的最高层，这部分可以有多个任务，每个任务对应各自的不同功能。在前面的操作系统的移植，驱动程序的基础上调用应用程序就可以实现所要实现的系统功能。图22软件设计的层次结构图232嵌入式操作系统的选择嵌入式系统是以应用为中心，软硬件可裁减的，适用于对功能、可靠性、成本、体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统1川作为嵌入式系统包括硬、软件系统极为重要的组成部分的嵌入式操作系统，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、标准化浏览器等。嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理复杂的系统资源能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。选择合适的嵌入式操作系统能够方便实时应用程序的设计和扩展、降低开发、设计的难度。在进行嵌入式操作系统的选择时，可以从操作系统进入市场的时间、可移植性、所占用的系统资源、所需要的成本以及硬件支持程度、开发工具的支持程度、能否满足系统设计的要求等方面进行选择1111目前常用的嵌入式操作系统有VXWO比5、WINDOWSCE、嵌入式LINUX、UCI0SN。下面对这4种操作系统进行介绍。VXWORKS有着良好的发展能力、高性能的内核和友好用户开发环境，在嵌入式操作系统中占据重要地位。稳定、可靠性是VXW0D“的突出优点，同时它的实时性作的非常好，其内核可根据系统的要求进行裁减。由于操作系统本身以及开发环境都是专有的，开发价格一般都比较高同时其源代码不公开，学习起来不太方便。WIODOWSCE是微软公司开发的一个开放、可升级的32位嵌入式操作系统，它的图形用户界面相当出色。它能在多种处理器体系结构上运行，并且通常适用于那些对内存占用空间具有一定限制的设备。它的基本内核需要至少2加KB的ROM。WINDOWSCE没有开放源代码，使应用开发人员很难实现产品的定制它在效率、功耗方面的表现并不出色，占用的系统内存，运用程序庞大开发起来费用较高。嵌入式LIUX即UCLINUX的最大的特点是源代码公开并且遵循GNUIGPL协议。UCLINUX在标准的UUUX基础上进行适当的裁减和优化，体积较小，是一种高度优化、代码紧凑的嵌入式UNUX，并保留了LIDUX的大多数优点。UCLINUX适用于不同的CPIJ，支持多种体系结构，如X86、A又M、MIPS、ALPHA、SPARC等。它提供各种硬件的驱动程序源代码，为用户编写自己专有硬件的驱动程序带来很大方便。QQ64134703中国农业大学硕十学位论文第二章汽车形式记录仪的总休设计UC10S一11是一个源代码公开的实时内核，是专为嵌入式应用设计的，可用于5位，16位和32位单片机或数字信号处理器。UCIOS一N已通过自联邦航空局的商用航行器认证，自1992年问世以来，UC10S一11己经用到数以百计的产品中。其特点为提供源代码，绝大部分源代码用C编写可移植性，几乎可以移植到所有的微处理器上可固化占先式，总是运行就绪条件下优先级最高的任务多任务性，可管理64个不同优先级的任务可确定性，函数调用与服务的执行时间具有其可确定性，不依赖于任务的多少稳定性和可靠性。VXWORKS、WINDO姚CE进行系统的开发时需要很高的开发费用，占用的系统内存较大，源代码不公开，学习起来不方便，我们在嵌入式操作系统的选择时不考虑这两者。UC如UX体积小，易优化和裁减，开发费用较低，学习起来很方便，是嵌入式操作系统的理想选择，但是该操作系统系统移植的内容较多，难度较大，可在以后系统改进时使用。由于U00S一11使用方便，便于学习和移植，开发费用较低，可以很好的满足汽车行驶记录仪的设计要求，故我们在汽车行驶记录仪的软件设计过程中选用该操作系统。24本章小结本章首先确定汽车行驶记录仪主机系统的整体方案，参照汽车行驶记录仪的国家标准GB汀19056一2003的要求，确定汽车行驶记录仪所要实现的功能和结构框图。在系统的硬件方案设计部分为主要的模块进行芯片的选型。软件部分首先确定嵌入式软件设计的层次结构图，然后选择合适的操作系统，这里选用UC10S一N操作系统。QQ64134703中国农业大学硕十学位论文第三章系统的硬件设计第三章系统的硬件设计31硬件的设计思路硬件的设计部分首先是确定各个模块的电路，画出原理图然后根据原理图进行PCB电路板的设计最后根据PCB图制做出电路板。其中原理图的设计是硬件设计的基础，PCB电路板的设计是硬件设计的关键1201。原理图设计的过程中采用模块化设计的方法，根据各个模块所要实现的功能，确定各个模块中所需要的芯片，在各个模块中设计芯片以及其它器件的连接电路。为了使得信号的连接直观，布线方便，这里把信号采集模块以及微处理器等模块放在一块板中。前面的系统整体方案设计中确定了系统采用A斑M7TDHN，5内核的LPC2292为微控制器，外围接口电路模块包括复位电路模块、系统时钟电路模块、信号采集模块、键盘操作模块、存储器模块、实时时钟模块、液晶显示模块、刀沐G调试接口以及通信接口模块。下面对各个模块进行说明，并对重要的芯片作以介绍。32系统各个模块的硬件电路设计所设计的汽车行驶记录仪所包括的模块有微处理器模块、电源模块、系统时钟电路模块、信号采集模块、存储器模块、实时时钟模块、键盘扫描模块、显示模块、数据通信模块、复位电路模块、仿真器电路模块。321微处理器模块1PC2292是PH几LPS公司开发的基于一个支持实时仿真和跟踪的32位ARN17TI油NSCPU的微控制器，并带有256KB嵌入的高速RAS卜存储器，128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行1141该控制器有两路CAN通道和10路八月。转换通道，并带有外部存储器接口，可方便的进行外部存储器的扩展，它的结构框图如图乡1所示。LPC2292的主要特性132位ARM7TD加盯，5微处理器，LQFP144封装。216KB片内静态RAM和256KB片内RASH程序存储器128位宽接口咖速器可实现高达60扮任玩的工作频率。3通过片内卜”T装载程序实现在系统编程巧P和在应用编程认P。512字节行编程时间为1皿。单扇区或整片擦除时间为粼犯”4E功B以记曰ICE，RT和嵌入式跟踪接口使用片内REAIM0NILOR软件对任务进行实时调试并支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪。52个互连的CAN接口，带有先进的验收滤波器。多个串行接口，包括2个16C550工业QQ64134703中国农业大学硕十学位论文第三章系统的硬件设计曰标准UART、高速LZC接口润月刃KBI确和2个SPI接口。68路10位八江转换器，转换时间低至144拌5。72个32位定时器带4路捕获和4路比较通道、PWM单元6路输出、实时时钟和看门狗。8向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。9通过外部存储器接口可将存储器配置成4组每组的容量高达16MB，数据宽度为别16132位。10多达112个通用FO口可承受SV电压，9个边沿或电平触发的外部中断引脚。11通过片内PLL可实现最大为印K任七的CPU操作频率。12片内晶振频率范围130MH史。132个低功耗模式空闲和掉电14通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒。15可通过个别使胎禁止外部功能来优化功耗。16双电源供电。其CPLJ操作电压范围L651仍VL8V土0巧哟刀0操作电压范围3036V，可承受SV电压。图3一LUP卫292的结构框图QQ64134703中国农业大学硕士学位论文第三章系统的硬件设计322系统时钟电路模块LPC22X系列AKM7微处理器可使用外部晶振或外部的时钟源，内部的PLL电路可调整系统时钟，使系统的运行速度更快如果不使用片内的PLL功能及巧P下载功能，外部晶振频率的选取范围是130NIFIZ，外部时钟的频率范围是150M旧2如果使用片内的PLL功能或ISP下载功能，则外部晶振频率的范围是1025材HZO我们在该系统的时钟电路部分，使用了外部晶振，频率为11一O592MH之，电路连接如图32所示，用阻值为IMQ的电阻并接到晶振的两端，这样可使得系统更容易起振。选用110592MHZ的晶振的原因是使得串口波特率更精确，同时能够支持微处理器内部的PLL功能或ISP下载功能。图32系统的时钟电路323电源模块由于车载电源所提供的电压在汽车运行时不稳定，故需要先用DC几电源模块B1212S对车内的12V电源进行稳压，然后通过线性稳压芯片L7805把电压转换为SV。由于微控制器LPC22兑的供电电压为33V和LSV，故还需要通过低压差1工旧稳压器SPXLL7M333和SPXLL7攻13一LS把SV分别转换为33V、LSV。系统的电源模块的电路如图3一所示。品，协沉劝口窝0呱引1刽加万忘哪即XLL，幼31盆咖柳VD口3VDO里月图3一3电源模块QQ64134703中国农业大学硕士学位论文第章系统的硬件设计324信号采集模块信号采集模块需要采集的信号有1路车速信号、巧路开关量信号以及2路模拟量信号。汽车的车速信号通过霍尔式车速传感器获得，传感器由自动变速器的输出轴的小齿轮带动1211。由于传感器输出的信号不是标准的脉冲信号，故需要对该车速信号进行整形处理，车速的信号采集电路如图3礴所示。车速信号先通过运算放大器OP2340进行信号的放大，然后通过施密特触发器MC74HC14AD把车速信号整形成脉冲信号，然后把该脉冲信号与微处理器的即UCAPLI引脚相连。为保证处理后的车速信号为标准的脉冲信号，这里对信号光祸隔离的前后用了两次施密特触发器对信号整形。圈3一车速信号采集电路所要采集的开关信号分别为前照灯远光、前照灯近光、左转向开关、右转向开关、尾灯、倒车灯、汽车喇叭开关、刮水器开关、点火开关、制动开关、中央控制门锁、车门开关驾驶员侧、前座乘客侧、后座左侧、后座右侧。这15路开关量信号先经过TLP521光祸隔离后，再经过16路开关量信号检测芯片CD粼拓7进行信号通道的选通，输出信号与LPC2292的即名TXDI引脚相连，这巧路开关量信号的采集电路如图3一所示。QQ64134703中国农业大学硕十学位论文第三章系统的硬件设计图3一5开关T信号采集电路两路模拟量信号分别为冷却水温信号和节气门开度信号。水温传感器采用热敏电阻传感器，该传感器安装在汽车的节温器壳上。节气门位置传感器安装在节气门体上，与节气门轴相连，驾驶员通过加速踏板操纵节气门的开度，该传感器选用线性输出型节气门传感器121】。由于冷却水温传感器、节气门传感器的输出信号均为电阻信号，故先把传感器输出的电阻信号转换为电压信号，经过4路运算放大器11吐124对这两路电压信号整形，然后再把这两路信号输出到微处理器的模数转换引脚印刀A刊阿0、印28ANTI进行模数转换这里采用了运算放大器LM124的电压跟随功能，由于水温信号和节气门开度信号对时间的要求不是太高，我们在运放电路后面的滤波电路中选用了较大的电阻。水温信号和节气门开度信号的采集电路分别如图3石，图3一所示。和刀冉T长0甲NO圈3石水温信号采集电路PDZ吕冉丁目1图3一节气门开度信号采集电路QQ64134703中国农业大学硕士学位论文第只章系统的硬件设计325存储器模块根据国家标准规定，汽车行驶记录仪中的数据应该包括2个部分汽车实时数据存放汽车发生事故前后的205时间内数据汽车历史数据存放3印H内汽车和司机的行驶状况由于汽车的实时数据更新频繁，要求有较高的可靠性，在该课题中选用NOR型N此H存储器SST39VF1601作为数据存储器。该存储器是一个IMXL6的CMOS多功能FLASHMPF器件。SST39VF1601具有高性能的字编程功能，字编程时间为14US。该芯片有10，创洲个周期的耐用性和大于100年的数据保持时间，可广泛用于设计制造和测试等应用中。它的使用可显著增强系统的性能和可靠性，降低功耗。为了系统调试的方便，存储器部分除了有月韶H存储器外还包括RAM存储器，这里选用SRAM存储器IS6LLV25616AL。这样在用仿真器对系统调试时，可以使程序直接在片外的RAM中运行，从而提高程序调试的速度。IS61LV25616AL是美国1551公司的高速SRAM器件，采用CMOS技术，其存储容量为SLZKB，具有16位数据宽度，工作电源为33VI221。存储器部分的电路如图3一所示，其中IS6LLV25616AL的片选信号与微处理器LPC2292的片选0信号CSO相连，SST39VF16OI的片选信号与处理器的片选1信号CSL相连。为了便于对LS61LV25616冉1的字单元进行单独的字节操作，其高字节控制引脚几旧和低字节控制引脚几刀分别与微处理器LPC2292的NB玲1、刊BUO相连。由于CSO是外部存储器EMC控制的BANKO存储器的片选信号，BANKO对应的首地址为0X8仪KX称的，故IS6LLV25616AL的地址范围是0X8以XX众刃0X8加7FI几下。CSI是BANKL存储器的片选信号，BANKL对应的首地址是0X810以X洲刀，故SST39V下1001的地址范围是0X81侧洲X阅旧0X811习千FF。图3一8存储器模块的电路QQ64134703中国农业大学硕士学位论文第下章系统的硬件设计326实时时钟模块汽车行驶记录仪需要对状态发生时对应的