（车辆工程专业论文）基于嵌入式系统的汽车行驶记录仪的设计.pdf

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 ( g b 厂r 1 9 0 5 6 2 0 0 3 ) 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a r m 芯片l p c 2 2 9 2 。软件部分采用了u c o s 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u s b 标准接t ：l 和标准r s 2 3 2 c d 串行接口以外，还添加了c a n 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；u s b 接口、串口 以及c a n 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：a r m 7 ，l p c 2 2 9 2 ，u c o s i i ，c a n 总线，汽车行驶记录仪 a b s t r a c t 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 le l e c t r o n i cd e v i c e ，w h i c hc a nr e c o r da n dr e s h o w v e h i c l e st r a v e l i n gs t a t u si n f o r m a t i o n i tc a nr e c o r dv e h i c l e st r a v e l i n gd a t ad u r i n gt h et r a v e l i n g t i m e ，i ta l s oc a nh a v eaf u l lk n o w l e d g eo fv e h i c l e st r a v e l i n gs t a t u sb yt h ew a yo fa n a l y s i n g t r a v e l i n gd a t a i tp l a y sag r e a tr o l e i nh o l d i n gb a c kt r a f f i cp e c c a n c i e ss u c ha st i r e d - d r i v i n g ， o v e r s p e e d ，c u r b i n gb e dt r a v e l i n gb e h a v i o r , p r e v e n t i n gt r a f f i ca c c i d e n t s ，g u a r a n t e e i n gv e h i c l e t r a v e l i n gs a f e t y , i m p r o v i n g t h e l e v e lo f t r a n s p o r t a t i o n ，s u p p l y i n g d a t a f o r a c c i d e n t a n a l y s i s aw h o l ev e h i c l et r a v e l i n gd a t ar e c o r d e rs y s t e mi n c l u d e st w op a r t s ，o l l ei st h em a i n f r a m ea n d t h eo t h e ri st h em a n a g i n ga n da n a l y z i n gs o f t w a r e ，t h i st h e s i sm a i n l yd e s c r i b e st h ed e s i g no f m a i n f r a m e t h es y s t e mi sd e s i g n i n gb a s e do nr e g u l a t i o n so ft h eg b t 1 9 0 5 6 - 2 0 0 3 t h i sp a p e r m a i n l yd e s c r i b e st h eh a r d w a r ea n d s o f t w a r ed e s i g n i n go f t h es y s t e m ，i n c l u d i n gs i g n a la c q u i s i t i o n ， d a t ar e c o r d i n g , k e y b o a r ds c a n n i n g ，d i s p l a y i n gd a t a0 1 3l c d ，d a t ac o m m u n i c a t i o nf u n c t i o na n ds o o n i nt h eh a r d w a r ed e s i g n i n gp a r t , f i r s d yc h o o s e sc h i pf o rd i f f e r e n tm o d u l e ，c h o o s i n ga r m 7 c h i p l p c 2 2 9 2a sm i c r oc o n t r o l l e ru n i t i nt h es o f t w a r ep a r t c h o o s i n gu c o s 一1 ie m h 泔d e do p e r a t i n g s y s t e m ，c r e a t i n gd i f f e r e n tt a s k sf o re a c hm o d u l e ，a t t a i n i n gf u n c t i o n sb yt h ew a yo ft a s kd i s p a t c h e r a n d s c h e d u l e r a p a r t f r o mu s b ，u a r td a t ec o m m u n i c a t i o n 唧i 。g oa d dc a nb u s c o m m u n i c a t i o ns t y l ef o r t h es y s t e m t h es y s t e ma t t a i n st h ef u n c t i o no fd r i v e r si n f o r m a t i o n r e c o r d i n g ，v e h i c l es p e e d , m i l e a g e ，s w i t c hs i g n a la c q u i s i t i o na n ds t o r a g e ，l c dd i s p l a y i n g ， k n y b o a r do p e r a t i n ga n dd a t ac o m m u n i c a t i o n t h es y s t e mb u i l d i n gb a s e de m b e d d e ds y s t e m , h a v e t h ea d v a n t a g eo fr e d u c i n gt h ec o m p l e x i t yo fs o f t w a r ed e s i g n i n g ，i m p r o v i n gt h er e a l t i m ea n d f l e x i b i l i t y , s h o r t e n i n gt h ed e s i g n i n gp e r i o d , i ts u p p l i e saw e l ld e v e l o p i n go r i e n t a t i o nf o rv 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 k e yw o r d s ：a r m 7 ，l p c 2 2 9 2 ，u c o s - i i ，c a nb u s ，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 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。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：女l j 趣时间：7 年苦月j 2 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：女u 辉时间： 。年占月j 2 日 导师签名：退碥娟鼬闷：2 网年6 只l 湘 中国农业大学硕七学位论文第一章绪论 1 1 研究背景和意义 第一章绪论 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2 0 0 5 年全国道路交通事故的统计分析，2 0 0 5 年全国共发生道路交通事故 4 5 0 2 5 4 起，造成9 8 7 3 8 人死亡，造成4 6 9 9 1 1 人受伤，直接财产损失1 8 8 亿元。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 嘲。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。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 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2 0 世纪2 0 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例。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。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 今己有7 0 年的历史1 4 l 。为了保障道路交通安全运输，欧共体在1 9 7 5 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”1 。1 9 9 2 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。2 0 0 3 年，欧盟颁布新规定：自2 0 0 4 年8 月起，在 欧盟注册的毛重超过3 5 吨以上的商用车强制安装使用i c 卡技术、有打印功能的数字式行驶记 录仪“删。 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。 中国农业大学硕七学位论文第一章绪论 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2 0 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”胴。 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 0 铲5 0 舻】。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p c 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 4 1 【7 j 。 总体来说国外汽车记录仪的技术比较成熟，且已经得到广泛应用。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、交警，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嚣、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、g p s 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【7 】。 1 2 2 国内研究现状 我国从2 0 世纪8 0 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 8 1 。 2 0 0 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 0 0 3 年4 月1 5 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( g b f r l 9 0 5 6 - 2 0 0 3 ) ，于2 0 0 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2 0 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 2 中国农业大学硕七学位论文 第一章绪论 3 5 0 多家，车辆约2 万辆i l 。目前，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w t o 与国际接轨的产物。 随着2 0 0 3 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i b b 一3 型系列汽车综合记录仪为代表。现在又出现了将 6 p s 卫星导航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嗍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。 1 3 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9 j 。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仅的要求以及 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( g b t 1 9 0 5 6 2 0 0 3 ) 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p r o t e ld i p 软件设计该 系统的硬件电路原理图和p c b 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a d s l 2 集成开发环境，操作系统选用u c 0 s 一。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a d s l 2 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。 3 中国农业大学硕七学位论文第一章绪论 1 4 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。 4 中国农业大学硕七学位论文第二章汽车形式记录仪的总体设计 第二章汽车行驶记录仪的总体设计 2 1 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( g b t 1 9 0 5 6 - 2 0 0 3 ) 的 要求1 9 i ，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u s b 标准接口和标准r s 2 3 2 c d 型9 针接口的这两种通信方式外， 该课题中还增加了c a n 总线接口功能。 该课题所设计的汽车行驶记录仪选用带有a r m 7 t d m i - s 内核的l p c 2 2 9 2 为微控制器，操作 系统采用u c o s i i 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u a r t 、u s b 接口可以实现与p c 机之间的数 据通信，通过c a n 总线接口可实现与汽车上的c a n 节点问的数据通信。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、j t a g 调试接口以及通信接口模块，系统的组成框图如图l - l 所示。 图2 - 1 汽车行驶记录仪的组成框图 2 2 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、j t a 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 5 中国农业大学硕七学位论文第二章汽车形式记录仪的总体设计 1 2 2 1 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“” 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”。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a r m 处理器为汽车行驶记录仪的微处理器。 a r m ( a d v a n c e d r i s cm a c h i n e s ) 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r i s c 处理器、相关技术及软件。a r m 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，教育类多媒体、d s p 和移动式应用等。 a r m 将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软件和o e m 厂商，每个厂商得到的都是一套独 一无二的a r m 相关技术及服务。利用这种合伙关系，a r m 很快成为许多全球性r i s c 标准的缔 造者【i ”目前，总共有3 0 家半导体公司与a r m 签订了硬件技术使用许可协议，其中包括i n t e l 、 m m 、l g 半导体、n e c 、s o n y 、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m r i 等一系列知名公司。 a r m 架构是面向低预算市场设计的第一款r i s c 微处理器，其设计实现了外形小但是性能高 的结构。a r m 处理器结构的简单使a r m 的内核非常小，这样使器件的功耗也很低。它集成了典 型的r i s c 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。 a r m 公司开发了很多系列的a r m 处理器核目前应用比较多的是a r m 7 列、a r m 9 系列、 a r m g e 系列、a r m l 0 系列等。其中a r m 7 系列微处理器为低功耗的3 2 位r i s c 处理器，最适 合用于对价位和功耗要求较高的消费类应用。 a r m 系列微处理器包括如下几种类型的核：a i m 仃r i d m 【、a 】强盯1 d m 【s 、a r m 7 2 0 t 、 a r m 7 e 3 。其中，a r m 7 t m d i 是目前使用最广泛的3 2 位嵌入式r i s c 处理器，属低端a r m 处 理器核，它将a r m 7 指令集同t h u m b 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i c e 调试技术来简化系统设计，并用一个d s p 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a d 转换，一路串行u a r t 通信接口、一路c a n 通信接口。通过对l p c 2 1 0 0 2 2 0 0 系列芯片的比较，微处理器确定为l p c 2 2 9 2 。u | c 2 2 9 2 是一款 基于1 6 3 2 位a r m 7 t d m i - s ，并支持实时仿真和跟踪的c p u ，并带有2 5 6 k 字节嵌入的高速f l a s h 存储器。1 2 8 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使3 2 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1 6 位t h u m b 模式将代码规模降低超过3 0 ，而性能的损失却 很小1 1 4 1 l p c 2 2 9 2 采用1 4 4 脚封装、极低的功耗、多个3 2 位定时器、8 路1 0 位a d c 、2 路高级 c a n 通道、p w m 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 6 中国农业大学硕十学位论文第二章汽车形式记录仪的总体设计 2 2 2 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、1 5 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。 1 5 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1 5 路信号的处理可以先把这些开关量信号经过光耦隔离后直接与微处理器的f o 口线相连，但 这样会占用处理器的1 5 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1 5 路开关量信号经过光耦隔离，然后再经过1 6 路开关量信号检测芯片 c d 4 0 6 7 进行信号通道的选通，输出信号与l p c 2 2 9 2 的p o 8t x d l 引脚相连。通过c d 4 0 6 7 的4 个输入端依次进行这1 5 路开关信号的通道选择，然后分别读取p o 8t x d i 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1 1 5 1 ，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u 1 2 4 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p o ” 砧哪、p 0 2 8 a n t i 进行模数转换。 2 2 3 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( f i s hm e m o r y ) 存储器，新型非 易失静态存储器n v s i 测i 和铁电存储器f r a m 有着广泛的应用【l “。其中快擦写( h a s hm e m o r y ) 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n o r 性f l a s h ，另一种为 n a n d 型f l a s h ”l 。除了单片的存储器外，应用广泛的存储设备还有i c 卡与c f 卡。 n o r 型h a s h 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f l a s h 上运行。n a n d 型f l a s h 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f l a s h 的应用的困难在于f l a s h 和对 系统接口的特殊要求 i c ( i n t e g a t e d c i r c u i tc a d ) 卡按所嵌的芯片类型的不同可分为三类“7 】：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e e p r o m ，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e e p r o m ，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( c p u 卡) ， 这种卡内的集成电路包括中央处理器c p u 、可编程只读存储器e e p r o m 、随机存储器r a m 和固 化在只读存储器r o m 中的卡内操作系统c o s ( c h i po p e r a t i n gs y s t e m ) 。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。 c f ( c o m p a c tf l a s hc a r d ) 卡内嵌单片控制器和多片闪存模块，它的片内m c u 可对f l a s h m e m o r y 阵列进行读写，这种设计可以增加c f 的数据读写的可靠性，同时提高数据通信的速率“”。 7 中国农业大学硕十学位论文 第二章汽车形式记录仪的总体设计 i c 卡和c f 卡的功能比f l a s h 有更大的数据存储容量，存储功能也更强大，但是i c 卡和c f 卡的价格要比h a s h 高，而该系统中用f l a s h 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n o r 型h a s h 中的s s t 3 9 v f l 6 0 l 芯片。 s s t 3 9 v f l 6 0 1 是一个1 m x1 6 的c m o s 多功能f l a s h ( m p f ) 器件由s s t 特有的高性能 s u p e r f l a s h 技术制造而成s u p e r f l a s h 技术的分裂闸( s p h t - g a t e ) 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“”。 s s t 3 9 v f l 6 0 1 的写编程或擦除操作电源电压为2 7 v - 3 6 v ，它具有高性能的字编程功能，字 编程时间为1 4 u s 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。s t 3 9 v f l 6 0 1 的1 0 ，0 0 0 个周期的耐用性和大于1 0 0 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。 s s t 3 9 v f l 6 0 1 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f l a s h 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，s u p e r f l a s h 技术都消耗很小的电流，使用很短的擦除时间。因此 s s t 3 9 v f l 6 0 1 在擦除或编程操作中消耗的能量小于其它f l a s h 技术制造而成的器件。 2 2 4 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。l p c 2 2 9 2 有内置的实时时钟r t c 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 a l l a s 公司研制的d s l 2 8 8 7 和d s l 3 0 2 芯片以及 p h i l i p s 公司生产的i 2 c 实时时钟芯片p c f 8 5 6 3 【1 6 l 。其中d s l 2 8 8 7 是c m o s 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。d s l 3 0 2 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i o 与微处理器通信，还可以通过其备份电源充电。p c f 8 5 6 3 是低功耗的c m o s 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i 2 c 总线接口串行传递。 通过对这三种芯片的比较，选择d s l 3 0 2 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d s l 3 0 2 工作时功耗很低，保存数据和时钟信息时，功率小于l m w 。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。 8 中国农业大学硕+ 学位论文 第二章汽车形式记录仪的总体设计 2 2 5 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l e d ( 发光二级管显示器) 、l c d ( 液晶显示器) l e d 只能实现对数字o 9 和字母a f 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。l c d 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【1 4 l 。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1 0 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y l f 2 4 0 1 2 8 作为显示模块。y l f 2 4 0 1 2 8 点阵式液晶显 示模块的点像素为2 4 0 x1 2 8 点，被光源颜色为黄绿色，s t n 液晶屏。它的内嵌控制器为t o s h i b a 公司的t 6 9 6 3 c ，外部显示存储器为3 2 k b 。 2 2 6 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：u s b ( 通用串行总线) 标准接 口，建议采用主结构式u s b 接口；标准r s 2 3 2 c d 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 9 1 该课题中所设计的通信接口有u s b 标准接口和标准r s 2 3 2 c d 串行接口以及c a n 总线接 口。其中u s b 标准接口和标准r s 2 3 2 c d 串行接口可以实现由p c 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p c 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。u s b 标准接口采用p d i u s b d l 2 器件， 该器件完全符合u s b l 1 的规范。r s 2 3 2 c d 串行接口部分采用s p 3 2 3 2 进行r s 2 3 2 的电平转换， s p 3 2 3 2 是3 v 电源的r s 2 3 2 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 c a n 接口。为了方便汽车行驶记录仪与汽车上的带有c a n 接口的电子控制系统之间进行通信， 故给该系统增加了c a n 接口。 2 3 系统的软件方案设计 2 3 1 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 9 中国农业大学硕七学位论文 第二章汽车形式记录仪的总体设计 结构如图1 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u l l 。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 2 3 2 嵌入式操作系统的选择 图2 - 2 软件设计的层次结构图 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 1 3 1 。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“。目前常用的嵌入式操作系统有v x w o r k s 、w i n d o w sc e 、嵌入式l i n u x 、u c o s 。下面对这4 种操作系统进行介绍。 v x w o r k s 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v x w o r k s 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。 w i n d o w sc e 是微软公司开发的一个开放、可升级的3 2 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问具有一定 限制的设备。它的基本内核需要至少2 0 0 k b 的r o m 。w i n d o w sc e 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l i n u x 即u c l i n u x 的最大的特点是源代码公开并且遵循g n u g p l 协议。u c l i n u x 在 标准的l i n u x 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 l i n u x ，并保留了l i n u x 的大多数优点。u c l i n u x 适用于不同的c p u ，支持多种体系结构，如x 8 6 、 a r b l 、m i p s 、a l p h a 、s p a r c 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。 1 0 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 u c o s i l 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8 位，1 6 位和 3 2 位单片机或数字信号处理器。u a o s i i 已通过自联邦航空局的商用航行器认证，自1 9 9 2 年问 世以来，u c o s i i 已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“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 v x w o r k s 、w i n d o w s c e 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。u c l i n u x 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u c o s i i 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。 2 4 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 ( g b t 1 9 0 5 6 2 0 0 3 ) 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u c o s 1 i 操作系统。 中国农业大学硕十学位论文 第j 章系统的硬件设计 第三章系统的硬件设计 3 1 硬件的设计思路 硬件的设计部分首先是