GPS车载定位系统的设计

1、第第 1 章章 绪论绪论 随着社会经济的发展, 城市机动车辆的数量不断增加, 城市交通问题如道路拥 堵、交通事故、环境污染等问题越来越突出, 交通运输状况急需改善。解决这些问 题的常用办法是“增加供给”和“控制需求”, 但这两种方法都有一定的局限性。 “增加供给”是指增加交通网, 大量修筑道路基础设施。但由于受城市空间、物力、 财力等的限制, 此方法并不能成为首选方案。 “控制需求”是指限制机动车辆的数 量, 此方法只能从一定程度上缓解城市交通的矛盾, 不能从根本上解决问题, 因为 随着生活水平的提高, 城市居民家庭轿车会不断增多, 交通压力会越来越大。利用 先进的通信技术、计算机技术对路网进

2、行优化管理是解决问题的最佳途径1。 汽车电子化、智能化是现代汽车发展的重要标志之一。人们对未来新一代汽 车的要求是环保、节能、安全、轻量化和智能化。汽车电子技术是汽车关键技术之 一，目前汽车电子设备占整车成本的 20%30%，而且这个数字还会以每年 10% 20%的速度增长。智能化技术在汽车上的高度应用,不仅可以大大提高汽车的综合 性能,提高行车安全,减轻驾驶者的负担,而且还可以使驾驶者始终保持与外界的紧密 联系2。 车载智能终端是汽车电子化、智能化的一个重要应用。车载智能终端是集 GPS 技术，GPRS 技术和汽车行驶记录仪于一体的综合车辆管理系统。监控中心根 据 GPRS 向其发回的汽车全

3、球定位数据，能够在 GIS 地图上显示受监控车辆的位 置。汽车行驶记录仪能够实时检测汽车行驶过程中的各类状态数据和事故疑点数据 3。国内外的使用情况表明，车载智能终端的合理利用可以在很大程度上缓解交通 压力, 提高道路利用率，特别是对于城市公交的合理动态调度有显著的效果，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，对保障道路交通安全起到了直接的作用。 1.1 车载智能终端的发展车载智能终端的发展 随着电子工业和电子技术的飞速发展，车载智能终端由当初简单的汽车数据 记录仪发展到集数据采集、数据存储、全球定位系统、地理信息系统和各种

4、无线通 信技术、多媒体技术于一体的高性能智能化汽车数字电子装置。 国外汽车电子技术的发展大致经历了三个阶段：第一个阶段从上世纪 60 年代 中期到七十年代末期，为局部应用阶段；第二阶段为 70 年代末期到 90 年代中期， 机电一体化思想和技术运用到汽车设计中；第三阶段从上世纪 90 年代中期到 2010 年为全面应用阶段。 欧盟、日本等国家早在 20 世纪 70 年代就开始以立法的形式在部分客运车辆 及货车上强制安装使用记录仪4，经过靠近 30 年的发展，已经形成了一套体系完 善，车辆监控、调度制度健全的全国范围内的车辆行驶监控中心，大大减少了由于 汽车行驶安全带来的人员和财产的损失，也因此

5、受到物流运输、汽车租赁、企事业 单位、保险公司和交通管理部门的欢迎。国外在车载智能终端方面的研究受市场需 求量的驱动发展迅速，从其稳定性、安全性、易用性、完善性角度比较走在了世界 的前列。 我国从 20 世纪 80 年代后期开始，在少数地区也曾试用过由国内一些科研机 构及企业自主研制的数字式汽车电子装置。经过 20 多年的发展，车载终端的研发 已经初具规模，向正规化和专业化发展。但与欧盟等国家相比较，我国汽车电子技 术的整体水平比较落后，与国外的主要差距表现在：自主开发能力差，技术水平低、 应用范围小、器件和产品精度差、相关立法滞后、研究与应用脱节等。 1.2 本文的研究内容本文的研究内容 本

6、文研究的主要内容是车载智能终端的设计，在学习和借鉴国内外在车载电 子领域已有的成熟经验的基础上，利用 32 位嵌入式处理器 S344B0X01 和 C/OS- 实时操作系统技术，针对汽车行驶记录仪、GPS/GPRS 的已有设计的不足提出了 新的解决方案，并对方案的可行性进行了分析和论证。 1.3 本文的结构本文的结构 为了能调理清晰地讲述课题所用到的技术和课题研究内容的进展，特对本文 的结构作如下的安排： 第 2 章 本章先主要从宏观的角度，将系统整体框架作了一个简单的描述， 然后，再对汽车行驶记录仪终端、车载卫星定位系统终端分别从概念的角度作了叙 述。 第 3 章 本章主要介绍了车载智能终端

7、的一个重要组成部分“汽车行驶记录 仪”的硬件电路的设计。在讲述这部分内容的时候，主要从设计原理和思路以及注 意点等方面作了详细的介绍。 第 4 章 本章主要介绍了汽车行驶记录仪的软件设计。从整体设计流程到各 个模块的设计都作了详细的讲述。 第 5 章 本章主要对车载卫星定位系统的应用和使用注意点作了介绍。 第 6 章 本章为总结和展望部分。 第第 2 章章 车载智能终端车载智能终端 2.1 系统总体框架及工作流程系统总体框架及工作流程 车载智能终端是集成汽车行驶记录仪和车载卫星定位系统（GPS）技术以及 GPRS 技术的智能汽车电子装置。该终端具有车辆行驶状态监测、车辆定位、信息 传输、紧急报

8、警、静音监听、车载电话、救援通话等多项功能。 其中，车辆行驶状态监测主要是指汽车行驶记录仪在汽车行驶的过程中，不 断对汽车行驶速度、行驶里程、疲劳驾驶时间和各种状态量进行检测和存储，为事 故分析及处理提供原始和可靠的资料3； 车辆定位主要指可将车辆位置信息，包括经度、纬度、方向、速度、时间等， 按要求及时传送回监控中心； 信息传输主要指用 GPRS 将车辆定位等信息向监控中心传送以及讲监控中心 发回的调度命令回送； 紧急报警是指车辆一旦出现紧急情况，可通过脚踏报警按钮向监控中心发送 报警信息，比如车辆行驶在高速公路上，当发生交通事故等异常情况时，可以通过 这个功能向监控中心求助，这样有利于对事

9、故即时处理，将损失降至最小9； 车载智能终端主要适合于安装在长途物流运输，城市出租车辆以及公交车辆 中。例如在城市出租车辆中大面积安装和使用车载智能终端可以全面提高出租车辆 管理水平和管理效益。该系统可以： 1) 大大提高出租车的载客率，提高出租车司机的收入。节省客人出行时间。 2) 大大提高交通安全。可以切实避免出租车被抢、被盗及司机被害的可能性， 切实保障司机的人身安全。 3) 大大减少调度管理的花费和提高管理水平，交通现代化管理得以实现。 4) 大大方便了用户和提高中国人民的生活品质。 监控中心可以完成系统的运行监测、调度控制、信息管理及外部数据接口。 实现对车辆的自动漫游跟踪，显示有关

10、的各种信息，并且可以实时发布文字及图像 信息及广告，进行电子地图库的制作与编辑。 图 2.1 所示为车载智能终端工作示意图。该图所示的汽车中均装了配备有汽车 行驶记录仪，车载卫星定位系统的车载智能终端。汽车在行驶的过程中不断与卫星 通过信道 1 进行数据通信，得到准确的定位信息，然后将定位数据及其它相关信息 通过图中 2、3 所示的通信链路发送至监控中心。监控中心根据实际路况和具体工 况通过通信链路向汽车回送数据命令。通过这样一个过程，监控中心可以实现对汽 车调度。图 2.1 仅仅描述了城市出租车辆和监控中心的通信过程，高速公路的通信 和调度情况与此类似，不再赘述。 LoadBatteryLi

11、ne On On Battery Smart Boost Replace Battery Test 运营商 卫星 3 2 1 监控中心 图 2.1 系统工作示意图 图 2.2 车载智能终端的结构示意图 由图 2.2 可以看出，车载智能终端包含车载卫星定位系统终端和汽车行驶记录 仪终端。两个终端进行无缝连接，协调工作。 2.2 汽车行驶记录仪介绍汽车行驶记录仪介绍 汽车行驶记录仪(以下简称记录仪)是一种用于记录、存储、显示、打印输出 车辆有关行驶状态信息的装置3。记录仪的使用，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驾驶行为、保障车辆行驶安全以及道路交通事故的分 析鉴定具有重要的

12、作用。 欧盟、日本等国家早在 20 世纪 70 年代就开始以立法的形式在部分客运车辆 及货车上强制安装使用记录仪，我国从 20 世纪 80 年代后期开始，在少数地区也曾 试用过由国内一些科研机构及企业自主研制的数字式记录仪。国内外的使用情况表 明，记录仪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，其使用对保障道路交通安全起到 了直接的作用。 2.3 车载卫星定位系统模块介绍车载卫星定位系统模块介绍 随着我国经济的发展和经济改革的不断深入，商务竞争的日益激烈，服务行 业把工作效率和服务质量放到了重心位置。 另外随着我国市场经济体制的

13、逐步建立，公路建设、道路运输等各项交通事 业正在跨越式地向前发展,为了实现进一步管理好运输市场, 保证运输安全等一系 列目标，各级交通部门正在积极推行“智能交通” ，即通过运用先进的信息、通信、 控制等高新技术对传统运输系统进行改造而形成的一种信息化、智能化、社会化的 新型交通运输。 GPS 车辆卫星定位系统是运用 GPS 导航定位技术，通过 GPRS 通讯网络发送 的数据包对车辆进行实时监控、调度指挥的应用系统。系统应用了 GPS 卫星定位 技术、现代通信技术、信息处理技术等科技成果，具有先进、实用的特点。 调度中心的电子地图上可监测移动目标的运行状态、灵活的掌握所派出车辆 的实时情况，可以

14、对顾客的要求调度最近的车辆去满足需求，对很多临时任务可以 做出应急措施，使调度人员合理的分配车辆去完成任务。 在长途班车、旅游客车、危险品运输车辆上安装车载 GPS 卫星定位系统后， 通过中心监控系统可以对车辆进行实时监控，对管理部门监督驾驶员超速行车、疲 劳驾驶、提高运输生产组织水平等具有积极的辅助管理作用；同时监控中心可对于 正处于超速、抛锚等情况的长途营运车实施报警功能，从而降低交通事故的发生率， 对提高运输安全生产具有积极的意义。 目前车载 GPS 系统已被相关管理部门和企业所认识并正在积极推广应用中。 第第 3 章章 车载智能终端的硬件结构及设计车载智能终端的硬件结构及设计 车载智能

15、终端的硬件设计包括，车载卫星定位系统的设计和汽车行驶记录仪 的设计。 3.1 车载卫星定位系统车载卫星定位系统 车载卫星定位系统（GPS）是利用卫星提供安全、全天候、24h 的无线电导航 信息，在交通领域得到广泛应用。1996 年美国总统克林顿提出美国全球卫星定位 系统的政策11，认为 GPS 将推进交通系统的安全和效率，对国家和国际利益起支 持的作用。由联邦交通部和国防部联合成立了一个政府官员参加的委员会，负责监 督 GPS 系统的推进工作。制造商推出俞来俞多的软件和设备，为公共交通企业服 务。很多公交企业将 GPS 技术看作吸引客流和改进服务的有效手段，起到一石二 鸟的作用。GPS 已经在

16、公共交通先进运行系统和智能化公共交通系统中发挥重要 作用。 在长途班车、旅游客车、危险品运输车辆上安装车载 GPS 卫星定位系统后， 通过中心监控系统可以对车辆进行实时监控，对管理部门监督驾驶员超速行车、疲 劳驾驶、提高运输生产组织水平等具有积极的辅助管理作用；同时监控中心可对与 正处于超速、抛锚等情况的长途营运车实施报警功能，从而降低交通事故的发生率， 提高运输安全生产具有积极的意义。在 GPRS 通信网平台上传输 GPS 信息，建立 GPS/GPRS 卫星定位车辆监控调度系统。 其意义如下： 1) 通讯以流量计费，节省成本，减少开销 2) 可以提高工作效率，创造经济效益 3) 加强管理水平

17、，提高服务质量 目前车载 GPS 系统已被相关管理部门和企业所认识并正在积极推广应用中。 3.1.1 现有车载现有车载 GPS 短信系统分析短信系统分析 现有车载 GPS 短信系统通信主要采用 GSM 短信方式来实现，如图 3.1 所示。 装有车载定位系统的汽车在行驶的过程中不断通过 GPS 信息机获取当前全球 卫星定位信息，然后通过 GSM 网络传送给运营监控中心1112。 图 3.1 现有车载 GPS 短信系统示意图 现有现有 GPS 短信方案技术特点短信方案技术特点 现有 GPS 短信方案技术主要有如下的特点： 1）车载 GPS 信息机对 GPS 设备实时采集的汽车的位置

18、信息进行收集和运算 处理。 2）车载 GPS 信息机对处理后的信息定时以短信发送给运管监控中心相应的 SP 或者指定手机号码。 3）运管监控中心通过 SP 或指定手机号码接收相应的车载 GPS 信息。 4）特殊情况下，运管监控中心通过 SP 或指定手机号码直接发送短信控制车 载 GPS 系统，如告警或强制熄火等12。 现有现有 GPS 短信方案优点及缺点短信方案优点及缺点 与其他无线电台等传统方式比较，采用 GSM 短信息网络系统具有以下优点： 1）速度快，实时性好，不掉线 2）可以双向通信，及时返回终端信息 3）设备体积小，操作简单 4）由于控制中心无须专门设置大功率发射电台

19、，将大大降低安装费用 5）覆盖面广受地理环境的影响小 6）不受气候影响 与此同时，现有 GPS 短信方案又存在着如下所示的缺点： 1）传送时间不确定：因为短信采用信道命令时隙来传送，没有专门的数据通 道，所以在命令时隙出现繁忙时候就容易出现数据传送延迟或丢失的情况。 2）信道容量有限：一条短信最多能传送 140 个有效字节，不能全面及时地反 映车辆的实时信息。 3）通信费用昂贵：基本按照收发的总条数来计算。 4）可扩展性差：以 SMS 为主要通信链路，受链路带宽的影响，无法进一步 扩展将来的其它数据传输业务。如车辆运行中的图像监控等。 5）尽管车载 GPS 监控系统有利于交通部门实现交通管理智

20、能化，但目前短 信方式的综合性能较差从而阻碍了该系统的全面推广。 3.1.2 GPRS 发展现状及技术分析发展现状及技术分析 GPRS(General Packet Radio Service 通用分组无线业务)是在现有 GSM 网络上 发展出来的一种新的分组交换数据应用业务。GPRS 是全球移动通信网络技术向第 三代移动通信(3G)演进的主流技术和重要里程碑，被称为 2.5 代移动通信。与传统 的 GSM 电路拨号交换相比，GPRS 在资源利用效率、交换容量和性能上都有一个 质的飞跃。GPRS 抛弃了传统的独占电路交换模式，采用分组交换技术，每个用户 可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可

21、以由多个用户共享，有效地利用了信 道资源，带宽最高可达 171.2Kb/s13。目前中国移动的 GPRS 覆盖范围在中心城市 几乎达到了 100%，在边远地区也达到了 80%以上，实际应用带宽大约在 20- 40Kb/s，特别适合像金融交易、远程监测等行业各种中、低速率的突发通信需求， 完全取代过去传统的有线 MODEM、X.25、数传电台、短信等通信方式。 GPRS 采用 TCP/IP 协议，非常容易和现有 INTERNET 技术及应用平台整合， 将使各种 IP 技术与服务同移动通信技术相结合，为客户提供各种高速高质的移车 载动数据通信业务。 GPRS 数据传输的优点数据传输

22、的优点 利用 GPRS 进行数据传输具有下面列出的几项优点： 1）移动通信：GPRS 无线通信打破了过去有线通信的固定位置限制，可根据 业务需要随时增减数据传输点，极大地拓展了通信的领域。 2）费用低廉：GPRS 网络按照客户收发数据包的数据流量来收费，而不是采 用 SMS 的按短信条数的方式收费，极大地降低了通信使用费用。以 GPS 监控系统 为例，同样的一笔业务，其通信费用约为过去的 1/51/8，具有较强的成本竞争能 力和市场推广性。目前中国移动还推出了包年 900.00 元不计流量的优惠政策。 3）永远在线：客户随时都与网络保持联系，即使没有数据传送时,客户仍然在 网上与网络之间还保持

23、一种连接。 4）快速登录：连接时间很快。GPRS 无线终端一开机，就已经与 GPRS 网络 建立了连接，每次登录网络，只需要一个激活过程，一般仅需 1 到 3 秒。 5）高速传输：由于 GPRS 网络采取了先进的分组交换技术，数据传输最高理 论值可达 171.2kb/s。实际使用中一般能达到 2040 kb/s。 6）组网灵活：中国移动的 GPRS 网络覆盖面广，可在全国漫游而不增加额外 费用，特别适合中小用户以低成本方式在短时间内组建自己的跨区域性数据网络。 7）信道保障：GPRS 通信链路由中国移动这样的专业运营商维护，在出现通 信链路中断的情况下能得到及时抢修，免除通信链路维护的后顾之忧

24、。 8) 防雷击：GPRS 采用小功率短天线，不需要室外架设大天线，克服了有线 传输设备和无线电台容易被雷击而损坏和中断通信的情况。 车载定位系统车载定位系统 GRPR 方案方案 深入分析现有车载 GPS 短信系统，我们认为一种组网方便、性价比高、随时 在线的、稳定的通信方式，可有效解决车载 GPS 监控系统在通讯传输中庞大费用 等问题，是车载 GPS 监控系统在运输行业中普遍推广的必要手段。而现在中国移 动的 GPRS 网络正是满足这一需求的新兴通信方式，同时以原有 GSM 为备份链路， 完全可以保证 GPS 监控系统数据传输的实时性与可靠性，同时在性能和价格方面 均有质的飞

25、跃。其组网方式如图 3.2 所示。 图 3.2 车载 GPS 系统 GPRS 方案示意图 车载 GPS 系统 GPRS 方案的主要特点如下所示： 1）通讯费用低：车载 GPS 监控系统的通信特点是具有突发性，但数据量小， 对采用按流量计费的 GPRS 非常有优势。以一次 GPS 信息传输为例，采用短消息 方式最低费用为 0.10 元/条。而采用 GPRS 方式，费用降低为 12 分钱，降低了 80%以上，非常具有成本优势。 2）数据传输效率高： GPRS 是一种新型移动数据通信业务，给移动用户提供 高速无线 IP 服务。GPS 设备采集的位置信息经过分析处理后，封装在 IP 报文中 进行传输，

26、其最大数据传输效率90%。 3）强有利的安全措施：GPRS 网络采用 GSM 的多种物理信道加密方式，同 时在应用层，还提供中心专线接入、专用 APN 等安全措施，可完全满足运输管理 系统对安全的扩展性要求。 4）可扩展性强：可根据将来业务的需要在 GPRS 上增加新的监控内容，如增 加图像传送等等。 5）可选短信备份：在 GPRS 不通的情况下，可以通过传统的短信备份方式来 保证关键信息的传送。 表 5.1 所示为 GSM 方案与 GPRS 方案比较结果13。 表 5.1 GSM 方案与 GPRS 方案比较 方案 名称 通信 方式 建设 成本 运营 成本 监控 范围 传输 速度 操作 方式

27、实时性 GSM 方案GSM较低很高较宽14.4BPS并行差 GPRS 在 线监控 GPRS较低较低较宽21.4-85.6k并行高 3.2 汽车行驶记录仪硬件设计汽车行驶记录仪硬件设计 汽车行驶记录仪作为车载智能终端的一个重要的组成部分，担负着记录和存 储汽车行驶过程中的各种状态量、汽车行驶速度、行驶里程和连续驾驶时间等的重 任。汽车行驶记录仪可以忠实地记录 360 小时（15 天）的所有行车数据。如果发 生交通事故，可以通过汽车行驶记录仪读取行车数据，精确分析事故原因。方便了 交警的的事故处理。 汽车行驶记录仪可以设置超速提醒。当车辆行驶速度超出约定速度后，自动 发出提示音，提醒驾驶员员减缓速

28、度。交警可以通过 U 盘、232 串口、打印机、无 线局域网等现场读取行驶记录仪的数据，确认车辆是否违规操作。车辆回到车队后， 车队可采集车辆的行驶数据，在系统软上进行数据分析，对超速、车辆使用时间、 驾驶员等内容统计分析，进行有效管理。 由于汽车行驶记录仪具有事故分析、超速提醒、心理暗示、现场执法、车辆 管理等重大意义，已经引起了国内外交通运输管理部分的重视。汽车行驶记录仪是 新一代汽车安全设备，拟从法律上保护遵守交通规则的驾驶员，所以，它是继安全 气囊、ABS 刹车系统自之后又一个有望普及的车载安全设备。 现在，全世界除了欧共体、日本、美国外，还包括、韩国、马来西亚、巴西、 澳大利亚等绝大

29、多数发达国家都在或已出台相关的法规要求推广和使用汽车行驶记 录仪。美国国家运输安全委员会（NTSB)一直在致力于推广汽车行驶记录仪的工作。 三年前，NTSB 正式要求各汽车生产厂安装汽车行驶记录仪，GM、Ford 等汽车公 司纷纷行动。仅 GM 一家已为 600 万辆出厂车安装了汽车行驶记录仪。可见美国 使用汽车行驶记录仪规模之大14。 欧共体早在上世纪九十年代就在法规中规定，载客 8 人以上，载货 3.5 吨以上 必须装汽车记录仪。据有关方面报道，欧共体已立法规定其 15 个成员国内必须为 数达 900 万辆的商用车在限期内装上汽车行驶记录仪。日本通过立法规定，运营里 程在 100 公里以上

30、的客运车辆、出租车、自重在 8 吨以上、最大载重量在 5 吨以上 的货车均要安装汽车行驶记录仪。 2003 年 4 月 15 日起正式发文出台GBT19056-2003 汽车行驶记录仪国家 标准草案，2003 年 10 月正式实施，2004 年 5 月颁布中华人民共和国道路交通安 全法实施条例 ，据不完全统计 2005 年 4 月份前全国已安装过的行驶记录仪已达到 十万辆左右，2005 年，全国各地将全面展开该项工作5。 汽车行驶记录仪硬件部分由若干个小模块组成，各个模块间相对成独立系统， 但同时，各个模块间又存在频繁的数据通信。图 3.3 所示为记录仪的硬件结构图， 而图 3.4 所示则为各

31、模块间数据通信示意图。 汽车行驶记录仪 处理器 S3C44B0X 01 打印机 串口 显示器 键盘 电源 报警部分 打印机 数据检测 图 3.3 记录仪的硬件结构图 S3C44B0 UP DOWN ENTER 串口 数据检测 报警部分 打印机 显示器 打印机 存储器 图 3.4 记录仪各模块间数据通信示意图 在图 3.3 中，可以看到，记录仪由中央处理器 S3C44B0、串口，报警部分、 键盘、数据检测、显示器等部分组成。处理器统一对各个模块进行任务调度和分配， 协调完成相应功能。 处理器 S3C44B0 用于处理各个模块回送过来的数据以及向各个模块发出操作 命令。 串口用于上下位机之间的通信

32、，这些通信包括上位机向下位机发送配置数据 以及下位机向上位机回送各类信息数据。 报警部分用于对驾驶员违规操作作出提醒，比如，当车速过快时，报警部分 会发出“超速行驶”的警告音，汽车连续行驶时间超过 4 个小时时，会发出“劈来 驾驶”的警告音等。 键盘部分用于完成人机交互功能，在汽车行驶记录仪中，有很多操作需要驾 驶员的手动命令来完成，例如，汽车启动后，记录仪要求驾驶员选择驾驶序列号， 记录仪维护人员在初次安装记录仪时，需要通过键盘来配置一些参数等。 数据检测部分包括汽车行驶速度检测、汽车连续行驶时间检测、汽车行驶里 程检测、8 路开关量检测，4 路门信号量检测等。这些检测到的数据回送至处理器

33、后，处理器将这些数据保存到存储器中。 而显示器则用于显示菜单，汽车行驶速度，实时时间等信息。 为了方便调试，我们将汽车行驶记录仪硬件分为处理器部分、电源部分、数 据传输部分、液晶显示部分、信号采集部分。下面分别对各部分电路从设计原理和 思路以及注意点等方面作详细的介绍。 ADC 看门狗 实时时钟 GPIO ARM7 内 核 I2S 总线 UART0、 1 PWM I2C 总线 总 线 总 线 S3C44B0 图 3.5 S3C44B0 内部资源结构图7 3.4.1 汽车行驶记录仪处理器汽车行驶记录仪处理器 汽车行驶记录仪能否正常、可靠、稳定工作在很大程度上取决于处理器的性 能的好坏。在选择记录

34、仪处理器的方面，我们基于以下几点考虑： 1) 按照国标要求，汽车行驶记录仪应能够以高于 0.2 秒的时间分辨率记录并 存储车辆停车前 20s 实时时间对应的车辆行驶速度值及车辆制动状态信号，且记录 次数至少为 10 次；记录仪还应能够以不大于 1min 的时间间隔持续记录并存储车 辆在最近 360h 内的行驶状态数据。这就要求记录仪中所选用的处理器不但能够有 较快的数据处理能力，而且能够应付频繁的任务切换所带来的任务压栈，出栈所带 来的额外负荷。 2) 由于记录仪在工作的过程中，同时需要运行若干个任务，比如，正常工 作时，记录仪需要在液晶上显示当前时间，汽车当前行驶速度，汽车当前行驶里程 等信

35、息，这就要求在软件设计时能有一个很好的任务切换机制，我们选择了 C /OS-来进行任务管理。用 C /OS-来管理和调度任务很好地解决了上述问题， 但同时，也因为频繁的压栈、出栈给处理器带来了额外的负荷。这就要求处理器能 够工作在较快的系统频率下。 3) 另外行车记录仪所处的环境十分恶劣,除天气变化、潮湿、机械振动等干 扰因素外,汽车电气设备中有很多导线、线圈和元件,它们有不同的电容和电感,而 任何一个具有电感和电容的闭合回路都会形成振荡回路。当汽车上的电气设备工作 产生火花时就会产生高频振荡,并以电磁波的形式发射到空气中,其中点火系统产生 的电磁波频率高、强度大,影响尤为严重。火花塞的中心电

36、极对其壳体有一定的电 容,中心电极本身又有一定的电感,这样,火花塞的电容和电感就形成了一个振荡回 路,在火花塞放电时就会产生高频振荡,连接火花塞的导线起着天线的作用,将振荡 以电波的形式向空间发射。汽车上类似这样的电路还有很多,像放电机的电刷、喇 叭、调节器触点等等,这些电器工作时会产生电磁干扰,而且由于回路中的电容、电 感的大小不同,产生的振荡频率也不相同,其频率范围很宽,对其他电器的干扰就很 多。因此，抗干扰能力是选择处理器时必须要考虑的一个重要方面6。 4) 由于受汽车空间因素的制约，记录仪的体积不能设计得太大。而降低记 录仪体积的一个很好的措施是减小外围设备所占主板的面积。选择一种可以

37、集成诸 如 UART、RTC 等外围设备在芯片内部的处理器，是一个很好的解决方法。 综合以上的因素，我们选择了三星公司生产的 ARM7 芯片 S3C44B0X。以下 是该芯片内部资源的一个简介7： 1) External memory controller. (FP/EDO/SDRAM Control，Chip Select logic) 2) 2-ch UART with handshake(IrDA1.0，16-byte FIFO) / 1-ch SIO 3) 5-ch PWM timers (1) void WriteComRight(); (2) void WriteDataLeft(

38、);(3) void WriteDataRight(); (4) void LCDBusyTest();(5) void LCDSrcClr();(6) 函数 1 为写命令到左屏(主屏)，函数 2 为写命令到右屏(从屏)，函数 3 为写数 据到左屏，而函数 4 为写数据到右屏，函数 5 为 LCD 忙检测函数,函数 6 用于清屏 操作。 液晶显示部分涉及到一个驾驶员序列号选择的控制程序。要求驾驶员用键盘 的按钮选择其序列号，为了使程序设计能够简单，我们设计了 3 个键用于选择，如 图 4.2 所示。键盘分为 UP 键，用于向上进行菜单选择；DOWN 键，用于向下反向 选择；而 OK 键用于确认

39、。图中虚框内同时给出了液晶显示驾驶员序列号选择菜单 示意图。当选中起中一个序列号时，会在后面打上符号作为提示和标志。 S3C44B0 UPDOWNOK LCD12232 请输入驾驶 员序列号 序列号 1 序列号 2 图 4.2 键盘控制液晶电路示意图 另外记录仪还要求液晶显示器能显示菜单供人机交互的界面，所显示的菜单 为图 4.3 所示。 当记录仪运行汽车是否启动检测程序检测到汽车已经启动后，处理器对键盘 操作不予响应，而当检测到汽车已经停止时，开始根据键盘上的动作执行相应的操 作。 一级菜单二级菜单三级菜单 状态极性 驾驶员号码 车辆特征系数 产品版本号 车牌号码 返回 驾驶员代码 每分钟车

40、速 （停车前 15 分钟 内） 连续驾驶记录 累计总里程 返回 打印完成后，自动返回到 正常显示状态 若有 U 盘插入，则保存数据显 示进度条调到数据保存完成， 若无，则显示操作失败后恢复 正常 检测开关门 开关门参数 返回 从当前菜单返回正常显示状态 例如：苏 D4096 例如：12345 例如：925 例如： （负搭铁：1） 例如：0. 返回到一级菜单 例如：01：03 05 19 08：30 03 05 19 11：30 返回到一级菜单 显示“进行中” ，这期间 对每个门执行开关操作， 检测完成恢复默认显示 例如：门 1：双键脉冲 门 2：未检测到 返回到上一级菜单 显

41、示参数 显示记录数据 打印 保存数据到 U 盘 其他操作 返回 例如：999.9km 例如：（18 位） 图 4.3 人机交互菜单分层结构 4.2 数据采集控制程序的设计数据采集控制程序的设计 数据采集控制程序主要用于记录仪采集和存储汽车行驶速度，计算和存储汽 车行驶里程以及各路开关量信号。 汽车行驶速度检测主要是对车速传感器传过来的脉冲信号进行数据处理，数 据处理包括单位换算，变量值的计算转换等。 这部分程序的设计思路主要是在某一时间段如 1ms 内，计算速度传感器传过 来的脉冲个数，假使为 n,如果汽车车轮的半径设为 R ,而且车辆行驶每公里里程时 驱动速度传感器的转数为 r，则可以得到汽

42、车行驶速度的公式： V = 1000n/r； 计算行驶速度的关键部分在于检测脉冲个数。在硬件电路设计时，将脉冲信 号输出线接到了处理器的外部中断 2 上面，因此，我们在外部中断 2 服务程序中设 置一个计数器 speedCount,用于对输入的脉冲个数进行计数，且同时，我们将处理 器自带的内部定时器 5 打开，用于 1ms 定时，当定时时间到后，将 speedCount 里 面的值提取出来，进行分析和计算。 速度检测开始 启动定时器 5 外部中断 2 speedCount 计数 是否关闭 1ms 定时时间到 关闭外部中断 2 调用显示速度 speedCount 清零 否 是 二 者 同 时 并

43、 行 工 作 定时器 5 等待中断 图 4.4 汽车行驶速度检测程序工作流程图 检测程序工作流程图如图 4.4 所示。定时器 5 的中断优先级高于外部中断 2。 当检测程序启动时，同时启动定时器 5 个外部中断 2，此后二者同时并行工作，定 时器 5 专门用于 1ms 定时，而外部中断 2 用于计数。而当定时器 5 定时时间到后， 会将外部中断 2 关闭，调用显示速度函数，在显示器上将速度显示出来，然后将 speedCount 清零，从新开始计数。 汽车行驶里程主要是从采集到的速度和连续驾驶时间得到。计算机方法较简 单，不再赘述。 采集开关量主要包括 8 路开关量采集，4 路（2 路）门信号量

44、的采集。 8 路开关量的采集我们主要借助并入串出芯片 CD4021 来完成。 CD4021 的工作流程图如图 4.5 所示。由该图可以看出，检测程序启动后，首 先控制 P/S 引脚从高电平跳转到低电平，完成转换使能操作。然后，每当 C/S 出现 下降沿信号时，CD4021 就会一次将 P7-P0 的值取出，通过串行线 Q8 送入处理器。 循环 8 次这样的过程后，8 位并行数据就可以全部采集完毕。 检测开始 P/S 从高电平跳转到低电平，转换使 能 C/S 从高电平跳转到低电平 循环 8 次，读取并记录 P1P8 的值 保存，结束 图 4.5 CD4021 工作流程图 而 4 路门信号量的采集

45、相对而言比较简单。在硬件设计的时候，将 4 路门信 号量经电压转换后直接连接到 GPIO 口上去。然后读取这些 I/O 口控制寄存器的值 就可以得到相应的数据。 4.3 汽车是否启动检测程序的设计汽车是否启动检测程序的设计 国标规定当车速传感器输出的脉冲信号超过 1 脉冲/S，并且持续 5S 以上时， 可认为车辆是在行驶状态，否则认为车辆处于停止状态。 汽车是否启动检测程序以此作为检测汽车是否启动的主要判别依据。 4.4 基于基于 C/OS-的任务调度的任务调度 车载智能终端是一个集车载卫星定位系统和汽车行驶记录仪在一起的复杂的 系统，智能终端正常工作时，要执行下面的操作： 1)需要不断地接收

46、卫星定位信息 2)通过 GPRS 网络向监控中心发送数据和接收命令信息 3)记录仪不断监测汽车行驶时的各种状态 其中，记录仪不断监测汽车行驶时的各种状态又包括监测汽车行驶速度，汽 车行驶里程等若干操作，如图 4.1 所示。 可以看出，车载智能终端能否正常工作与各部分控制程序是否协调工作有跟 大的关系。因此，需要设计一个很好的控制程序调度机制来协调这些程序间的正常 工作。在进行了充分考虑后，我们决定选用嵌入式实时操作系统来进行任务管理。 嵌入式操作系统 EOS（Embedded Operating System）是一种用途广泛的系统 软件，过去它主要应用于工业控制和国防系统领域。EOS 负责嵌入

47、系统的全部软、 硬件资源的分配、调度作，控制、协调并发活动；它必须体现其所在系统的特征， 能够通过装卸某些模块来达到系统所要求的功能。目前，已推出一些应用比较成功 的 EOS 产品系列。随着 Internet 技术的发展、信息家电的普及应用及 EOS 的微型 化和专业化，EOS 开始从单一的弱功能向高专业化的强功能方向发展。嵌入式操 作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件固化以及应用的专用性等方面 具有较为突出的特点。EOS 是相对于一般操作系统而言的，它除具备了一般操作 系统最基本的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件处理等外，还有以下 特点81920： 可装卸性。开放性、可伸

48、缩性的体系结构。 强实时性。EOS 实时性一般较强，可用于各种设备控制当中。 统一的接口。提供各种设备驱动接口。 操作方便、简单、提供友好的图形 GUI，图形界面，追求易学易用。 提供强大的网络功能，支持 TCP/IP 协议及其它协议，提供 TCP/UDP/IP/PPP 协议支持及统一的 MAC 访问层接口，为各种移动计算设备预留 接口。 强稳定性，弱交互性。嵌入式系统一旦开始运行就不需要用户过多的干预， 这就要负责系统管理的 EOS 具有较强的稳定性。嵌入式操作系统的用户接口一般 不提供操作命令，它通过系统的调用命令向用户程序提供服务。 固化代码。在嵌入式系统中，嵌入式操作系统和应用软件被固

49、化在嵌入式 系统计算机的 ROM 中。辅助存储器在嵌入式系统中很少使用，因此，嵌入式操作 系统的文件管理功能应该能够很容易地拆卸，而用各种内存文件系统。 更好的硬件适应性，也就是良好的移植性。 国际上用于信息电器的嵌入式操作系统有 40 种左右。与其他商业内核相比较， C/OS-II 的内核结构较简单，但算法简单，结构紧凑，实时性较好。C/OS-II 的 内核结构包括任务控制块的结构，就绪表的结构，任务调度以及任务切换机理等， 它们根据时钟节拍相互协调工作2122。 4.4.1 C/OS-简介简介 C/OS-II 是专门为计算机的嵌入式应用而设计的实时操作系统，是基于静态 优先级的抢占式（pr

50、eemptive）多任务实时内核。该内核不大，但具有一般多任务 实时操作系统内核所具有的如可移植，可固化，可裁剪，可剥夺之类的全部特性。 比较适合嵌入式系统的程序员、策划人员以及对实时操作系统有兴趣的学生。而且 因为其经过了严格的测试，目前已被应用到了各个领域，如照相机业、发动机控制、 网络接入设备、高速公路电话系统、ATM 机和工业机器人等2023。 4.4.2 基于基于 C/OS-的任务调度的任务调度 C/OS-II 是基于静态优先级的多任务实时操作系统内核。静态优先级决定了 它进行任务管理等操作时，是以任务的优先级为基准的。每个任务都有其优先级。 任务越重要，赋予的优先级越高。所谓静态优

51、先级是指应用程序在执行过程中，诸 任务的优先级不会改变。在静态优先级系统中，诸任务以及它们的时间约束在程序 编译时均是已知24。 因此，我们必须要做的一步工作是为每个任务分配一个优先级。并且这个优 先级从始至终都不会改变。我们参考了 Jean J.Labrosse 在书中所用到的分配优先级的方法，并结合汽车行 驶记录仪实际情况，考虑到上文所述的任务间不存在优先级变动问题，为它们每个 分配了一个静态的优先级。表 4.1 所示为任务优先级分配表25。 表 4.7 任务优先级分配表 任务名称任务任务优先级 汽车是否启动检测VTDRCStTest 4 汽车是否停止检测VTDRCSpTest5 8 路开

52、关量检测VTDRESTest6 4 路门信号量检测VTDRFSTest7 行驶速度检测VTDRRSTest8 行驶里程检测VTDRRMTest9 连续驾驶时间检测VTDRCRTTest10 通过 USB 传送数据VTDRUSBTran11 通过串口传送数据VTDRUartTran12 打印机打印数据VTDRPrint13 液晶显示VTDRLcm14 菜单操作VTDRMenu15 汽车是否启动 等待任 务结束 执行汽车是否停止检测任务 执行其它检测任务 将任务挂起 延 时 图 4.6 任务切换流程图 图 4.11 所示为任务切换流程图。汽车是否启动检测任务 VTDRCStTest 的优先 级最高

53、。因为记录仪上电后首先要执行的是这一步操作。汽车是否停止检测任务的 优先级次之，因为，如果汽车停止了，诸如行驶速度检测之类的任务就可以被挂起 了。其它的任务优先级仅仅按照先后顺序依次随机分配，其实它们之间的优先级应 该是相同的。 当任务 VTDRCStTest 执行，且检测到汽车已经启动后，调用函数 OSTaskSupend 将自身挂起。在汽车停止之前，不再让此任务进入就绪态。因为既 然汽车启动检测工作已经完成，而且检测到汽车已经启动后，在汽车停止前这一步 就没有必要再执行了。 当汽车是否停止检测任务 VTDRCSpTest 检测到汽车停止后，OSTaskResume 将汽车是否启动检测任务恢

54、复。 其它任务每次执行完都会调用函数 OSTimeDly 将自身延时，暂时退出就绪态。 延时时间不等。 第第 5 章章 总结和展望总结和展望 IEEE 标准化委员会制定车载智能终端中汽车行驶记录仪记录的各种数据的公 共标准，包括日期、时间、位置、速度、行驶方向、乘客数量、安全带使用与否等 数据。美国交通安全机构从 97 年一直提倡安装黑匣子，其最主要的理由是通过综 合汽车记录设备和 GPS 等无线技术，可以为事故中受伤的人员提供及时的救助。 就国内行车记录仪技术水平来看，国内有些车载智能终端制造和研发厂商的 产品还不够成熟，还没有走过丛科研成果到商品的过程，再加上我国车辆品种繁杂， 各厂商需要

55、在实际试装中不断改进訾议的产品；另外，尽管现在的产品依然是粗放 性，不同的车用大致相同的行车记录仪，但是我们可以看到潜在的趋势；行车记录 仪产品必将不断精细化，只有符合行业的需求特点、管理特点的产品才能在将来的 市场上脱颖而出。 美国作为最大汽车市场，正在制定有关车载智能终端的标准。目前通过制定 相关法规，规定部分汽车上必须安装车载智能终端。在日本，计划为安装智能终端 的汽车减少保险费。从各国推动智能终端的力度来看，其普及的日子将指日可待。 但是由美国、日本、德国的部分汽车厂商组成的汽车交通安全联盟则主张 “通过普及汽车黑匣子，为事故中受伤的人员提供更好的救助的同时，还要保护车 主个人隐私”。

56、个人隐私保护论者担心滥用车载智能终端导致侵犯个人隐私。而另 一方面强调智能终端必要性的人们主张记录的数据属于车主法定财产，如果司法当 局查看信息则必须遵守其法律程序，以此来保护个人隐私。所以不仅需要制定车载 智能终端的硬件和功能规格、数据种类的标准，而且还需要拟定有关强制安装的规 定与正确使用方法。 国内外实践证明，车载智能终端是解决道路运输安全问题的有效措施，因此 国家强制甚至立法推广是必要的。地方各级主管部门应该根据各自的实际出台地方 实施办法，统一部署实施序列，对现有各厂家产品进行必要的技术参数测试和推荐。 致谢致谢 首先要衷心感谢我的导师*老师，我的大学有两年是在他的实验室度过的。 在

57、他的悉心指导下，我不但学会了如何做事，还学会了如何做人。 是他引导我打开 32 位单片机的大门。在整个课题阶段，从学习到生活，* 都给了我无微不至的关怀，没有他，我不会取得令我自己满意的成绩，我的课题也 不可能顺利完成。他朴素的工作作风，严谨的科研精神，敏锐的科学嗅觉，远见卓 识的科学创新，正直的人格，给我深深的影响，也必将激励我在科学技术的道路上 前进。我所有的成绩，无不凝聚着*的指导和汗水，和*的讨论，经常使我茅塞 顿开。可以说，是*为我指引了方向。对于课题，*更是倾注了满腔的心血，在 课题进行过程中，遇到了许许多多问题，如果没有*的耐心指教，也许课题就不 会进展顺利。在此谨向*表示衷心的

58、感谢，并致以最崇高的敬意! 感谢我的好朋友朱晓梅，还有 612 实验室所有的人，感谢 502，503 宿舍的所 有兄弟，因为有你们在我的身边，我的生活才会如此的精彩。 最后，感谢我的家人，感谢我的姨哥还有姨姐。在漫长的求学过程中，他们 在精神上、物质上始终给予我莫大的支持和鼓励，每当我在前行的道路上遇到困难 时，他们对我无私的爱使我充慢克服困难的信心和勇气。愿他们永远健康快乐！ 参考文献参考文献 1 张存保等.车辆监控调度系统的设计与开发J. 交通与计算机,2002年第3期第20 卷:17页 2 穆斌，罗珣.智能化车载信息终端的设计与实现J. 安徽工程科技学院学报， 2004.9:46 页 3

59、 GB/T 19056-2003.汽车行驶记录仪S 4 陈伟等.浅谈汽车行驶记录仪的现状与发展J.广东公安科技，2004 年第 1 期: 78 页 5 构建智能交通系统加速福建交通运输信息化管理进程J.福建省交通运输企业 信息化智能交通论坛,2005 年，福州 6 郭荣艳等. 汽车行驶记录仪的设计J. 周口师范学院学报.2005.9:63 页 7 Samsung electronics. S3C44BOX 16/32-Bit RISC Microprocessor USERS MANUALZ, 2002 8 三种嵌入式操作系统的分析与比较EB. http:/ 9 林彩霞等.车载信息终端对驾驶员

60、操作行为的影响的分析J.丹东师专学报, 2002.12:第 63 页 10 张保存等. 车辆监控调度系统的设计与开发J.交通与计算机,2002 年第 3 期: 第 18 页 11 朱民等.GPS 车载卫星地球站天线自动定位系统J.自动化与仪表,1998 年第 5 期第 13 卷:第 64 页 12 张树琪.车载 GPS 系统应用与设计J.自动化技术与应用,2000，11:第 50 页 13 陈云涛.公交车辆 GPS 定位跟踪系统的实践J.兵工自动化，2001 年第 20 卷第 2 期:第 11 页 14 王力争.国内外汽车行驶记录仪应用概况J.劳动保护，2004.9 15 王辛之等编著.单片机