基于ARM的汽車“黑匣子”設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

0 引 言

汽車行駛記錄儀俗稱汽車黑匣子，是一種能夠?qū)囕v行駛速度、時間、里程以及其他狀態(tài)信息進(jìn)行記錄的電子裝置。行駛記錄儀能夠?qū)崟r地記錄車輛運(yùn)行和駕駛員駕駛活動的有關(guān)信息，通過對車輛行駛速度、連續(xù)行駛時間、里程和其他運(yùn)行狀態(tài)等有關(guān)信息進(jìn)行檢查、監(jiān)控、反饋和互動管理，能夠有效地實(shí)現(xiàn)對駕駛員的行駛時間、行車速度、行車路線等進(jìn)行全方位的約束和控制，遏制疲勞駕駛、車輛超速等嚴(yán)重交通違法行為，預(yù)防道路交通事故，規(guī)范車輛管理。統(tǒng)計資料表明，汽車黑匣子的使用，使交通事故率降低了37 %~52 %,大大減少了人員傷亡和財產(chǎn)損失，產(chǎn)生了顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。2003 年10 月，公安部交通安全產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心發(fā)布了汽車行駛記錄儀的國家標(biāo)準(zhǔn)GB1 T1905622003 .汽車黑匣子無疑將成為一種新的規(guī)范，隨著車輛的不斷增多，交通不斷擁擠，為了確保交通安全，將來會實(shí)施強(qiáng)制安裝行駛記錄儀。

1 黑匣子的分類

由于各研制生產(chǎn)廠家的出發(fā)點(diǎn)不同，因而產(chǎn)品的類型不同，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式也不盡相同。目前市場上的記錄儀己形成了一個種類繁多、性能不一的產(chǎn)品格局。汽車行駛記錄儀根據(jù)其功能不同可以分為單一型、事故型、管理型、綜合管理型和3G型。

3G型是從軟件、硬件和系統(tǒng)功能上進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，以綜合管理為主要目地而開發(fā)的新一代汽車行駛記錄儀。主要特征是多通道數(shù)據(jù)采集處理，全程連續(xù)記錄，大容量存儲卡和強(qiáng)大的綜合管理軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)資源共享。此類型記錄儀利用多通道數(shù)據(jù)采集處理平臺、GPS 衛(wèi)星定位儀、大容量數(shù)據(jù)存儲卡、日趨成熟的地理信息系統(tǒng)和后臺綜合管理平臺軟件等強(qiáng)有力的現(xiàn)代化技術(shù)手段，重點(diǎn)針對營運(yùn)和特種車輛的綜合化管理目標(biāo)，來完成車輛綜合化管理進(jìn)程?？赏ㄟ^在微機(jī)軟件介面上重放的全程連續(xù)記錄曲線和各開關(guān)傳感器的連續(xù)狀態(tài)，對車輛的營運(yùn)、安全、質(zhì)量等綜合指標(biāo)進(jìn)行強(qiáng)有力的全程監(jiān)控，根據(jù)需求打印統(tǒng)計圖表，并采用動態(tài)分析方式，為駕駛員的安全駕駛提供極高價值的參考。

本文介紹的就是基于ARM的3G型汽車黑匣子的設(shè)計。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

本系統(tǒng)包括記錄儀車載端主機(jī)和監(jiān)控軟件組成。其中主機(jī)采用TI 公司32 位的RISC 微處理器TMS470R1A256 作為主控制器，包括基本記錄模塊、顯示模塊、打印機(jī)模塊、GPS 模塊、GPRS 模塊、數(shù)據(jù)通訊模塊。系統(tǒng)整體設(shè)計框圖如圖1 所示。


圖1 　系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)通過TMS470R1A256 對外部模擬信號輸入、數(shù)字信號輸入以及開關(guān)量輸入三種信號分別進(jìn)行采集。需要保存的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后存儲于內(nèi)部大容量存儲器中，實(shí)時數(shù)據(jù)（如實(shí)時車速、實(shí)時時問） 及報警信號等可通過顯示面板輸出顯示。GPS模塊對經(jīng)緯度，速度進(jìn)行測量，通過GPRS 實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和實(shí)時跟蹤。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3. 1 TMS470R1A256.

TMS470R1A256 是TI TMS470R1 x 通用16/32 位精簡指令（ RISC） 微控制器的系列產(chǎn)品。

TMS470R1A256 主要包含以下資源： 256 KBFlash、12 KB SRAM、零管腳鎖相環(huán)（ZPLL） 時鐘模塊、模擬看門狗（AWD） 定時器、實(shí)時中斷（RTI） 、串行外圍接口（ SPI） 、串行通信接口（ SCIx） 、標(biāo)準(zhǔn)CAN 控制器（ SCC） 、二類串行接口（C2Sib） 、外部時鐘分頻器（ ECP） ,10 位多緩沖ADC（MibADC） 、16 輸入通道、高端定時器（ HET） ,多達(dá)49 個I/ O口和一個只輸入口。

TMS470R1A256 的Flash 存儲器是非易失性的、電可擦除的，可編程的存儲器，并具有32 位寬的數(shù)據(jù)總線接口。Flash 操作以系統(tǒng)時鐘頻率進(jìn)行， 可達(dá)24MHz.在管道模式下，頻率可達(dá)48 MHz.

SCI 是全雙工的、串行I/ O 接口，實(shí)現(xiàn)了CPU與采用標(biāo)準(zhǔn)不歸零制（NRZ） 格式的外圍設(shè)備間的異步通訊。SCC 利用串行的、多主機(jī)通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)了高效的分布式實(shí)時控制和高達(dá)1Mbit/ s 的穩(wěn)定通訊。SCC 是高噪聲和惡劣環(huán)境中，要求可靠串行通信和多道通訊應(yīng)用的理想選擇。C2Sib 使TMS470R1A256 可以在遵循SAEJ I850 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的二類網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送與接收信息。

3. 2 TMS470R1A256 與MC33993 之間的通信

美國MO TOROLA 公司推出的可編程多路開關(guān)檢測接口集成電路MC33993 可檢測多達(dá)22 路的開關(guān)量輸入信號，并可將檢測到的多路開關(guān)狀態(tài)（三態(tài)）信號通過該芯片的SPI 口傳送給MCU .此外，該器件還具有22 路模擬多路開關(guān)功能，可用以讀取多路模擬輸入信號。該模擬輸入信號經(jīng)緩沖器可由模擬多路開關(guān)輸出以供MCU 讀取。并且MC33993 可使得包括MCU 在內(nèi)的整個系統(tǒng)能在一個較低的靜態(tài)電流下工作這對遠(yuǎn)程監(jiān)控之類的系統(tǒng)非常重要，因?yàn)閷λ鼈兌?，電流損耗是重要的設(shè)計考慮。因此，本設(shè)計選用MC33993 作為多路開關(guān)檢測接口電路。

系統(tǒng)中MC33993 采用SPI 與MCU 實(shí)現(xiàn)硬件連接，如圖2 所示：當(dāng)外部有開關(guān)量輸入，狀態(tài)發(fā)生改變時， MC33993 會發(fā)出中斷信號IN T 給TMS470R1A256 , TMS470R1A256 響應(yīng)中斷讀取開關(guān)量輸入狀態(tài)，從而提高M(jìn)CU 的工作效率。


圖2 MC33993 與TMS470R1A256 的硬件連接。

3. 3 TMS470R1A256 與FM24L256 之間的通信

在汽車行駛記錄儀行業(yè)中，數(shù)據(jù)安全保存是最重要的。隨著記錄儀的發(fā)展，保存的數(shù)據(jù)量越來越大，這就需要大容量的存儲器，而大容量的EEPROM 指標(biāo)不是很高，尤其是擦寫次數(shù)和速度影響電能表自身的質(zhì)量。FM24L256 是由RAMTRON公司研制的新型存儲器，它的核心技術(shù)是鐵電晶體材料，擁有隨即存取記憶體和非易失性存貯產(chǎn)品的特性。FM24L256 和A T24C256 容量等同，總線結(jié)構(gòu)兼容， 但FM24L256 的性能指標(biāo)遠(yuǎn)大于A T24C256 .

FM24L256 的通訊方式是雙向兩線協(xié)議，腳位少，占用線路板空間小。圖3 描述了FM24L256 與MCU 硬件連接方式。



圖3 FM24L256 與TMS470RIA256 的硬件連接

3. 4 TMS470R1A256 與SL811HS 之間的通信

本系統(tǒng)中USB 的主機(jī)通過主機(jī)控制器與USB設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。USB 主機(jī)應(yīng)當(dāng)具有： 檢測USB 設(shè)備的插拔；管理USB 主機(jī)與USB 設(shè)備之間的控制流；管理USB 主機(jī)與設(shè)備間的數(shù)據(jù)流和收集USB 主機(jī)的狀態(tài)等功能。

SL811HS 是CYPRESS 公司生產(chǎn)的、可支持全速數(shù)據(jù)傳輸?shù)腢SB 控制芯片，且內(nèi)含USB 主從控制器，支持全速、低速數(shù)據(jù)傳輸，并能自動識別低速或全速設(shè)備。SL811HS 所提供的接口遵從USB1. 1 標(biāo)準(zhǔn)，可與TMS470R1A256 微處理器相連。SL811HS 的數(shù)據(jù)接口與微處理器進(jìn)行接口可提供8 位數(shù)據(jù)I/ O 或雙向DMA 通道，并能以從機(jī)操作方式支持DMA 數(shù)據(jù)傳輸。SL811HS 內(nèi)部有一個256 字節(jié)的RAM ,可用做控制寄存器或數(shù)據(jù)緩沖器。SL811HS 與TMS470R1A256 的硬件連接方式如圖4 所示。


圖4 SL811HS 與TMS470R1A256 的硬件連接。

3. 5 TMS470R1A256 與HOLUXGR285 之間的通信

HOLUXGR285 智能型衛(wèi)星接收模組，采用美國瑟孚公司所設(shè)計的第二代衛(wèi)星定位接收芯片，是一個完整的衛(wèi)星定位接收器。具備全方位功能，能滿足專業(yè)定位的嚴(yán)格要求與個人消費(fèi)需求。適用范圍從汽車導(dǎo)航、保安系統(tǒng)、地圖制作等。

HOLUXGR285 通過RS2232 , TTL 與其它電子設(shè)備溝通，并以內(nèi)建充電電池，存貯衛(wèi)星資料。

其耗電量低，且能同時追蹤12 顆定位衛(wèi)星的訊號，每0. 1 秒接收一次，每秒更新一次定位信息。

HOLUXGR285 與TMS470R1A256 均為3.

3V 供電，故無需電平轉(zhuǎn)換便可通過串行通訊口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。硬件連接如圖5 所示。



圖5 HOLUXGR285 與TMS470R1A256 的硬件連接

3. 6 TMS470R1A256 與Benq M22 之間的通信

Benq M22 是一款內(nèi)嵌TCP/ IP 協(xié)議棧，支持GSM/ GPRS CLASS4 , 可工作在EGSM900MHz ,DCS 1800MHz ,PCS 1900MHz ,可以支持?jǐn)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)的透明和非透明傳輸。從封裝上來說，M22 使用連接座式接口，模塊上自帶天線MMCX 接頭。由于支持GPRS 甚至擁有嵌入式的TCP/ IP ,可以用于實(shí)時性要求較高，數(shù)據(jù)量相對較大，傳輸速度相對較快的汽車行駛記錄儀中。

Benq M22 和上位機(jī)的通訊數(shù)據(jù)接口為UART ,電平為TTL/ CMOS , 波特率為標(biāo)稱的300~115200bp s 的自適應(yīng)波特率，只要是這個區(qū)間的標(biāo)稱波特率，模塊自動識別，無須用戶去干預(yù)，可以接成全串口或者半串口通訊。所謂的全串口，是指DB9 的九條線都需要接上，所謂的半串口則只接RXD , TXD 和GND 就可以進(jìn)行通訊了。本系統(tǒng)采用半雙工模式，則模塊的RXD 可以直接連接TMS470R1A256 的TXD ,模塊的TXD 可以直接連接TMS470 R1A256 的RXD ,如圖6 所示。


圖6 M22 與TMS470R1A256 硬件連接

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電后，首先對系統(tǒng)進(jìn)行初始化。然后進(jìn)行自檢，自檢范圍包括數(shù)據(jù)存儲器、時鐘和I/ O 口，自檢后根據(jù)自檢結(jié)果在顯示器上顯示相關(guān)信息。

如果自檢不通過，顯示自檢不正常和錯誤代碼。

自檢通過后，然后進(jìn)入駕駛員身份認(rèn)證，通過后，LCD 顯示相關(guān)數(shù)據(jù)，等待數(shù)據(jù)刷新。系統(tǒng)主程序流程圖如圖7 所示。



圖7 　系統(tǒng)主程序流程圖

4. 1 數(shù)據(jù)采集

記錄儀讀取到原始數(shù)據(jù)后，根據(jù)脈沖量和車輛特征系數(shù)等能夠計算出總累計行駛里程、最近2 個日歷天的累計行駛里程、最近360 小時內(nèi)的累計行駛里程、每200 毫秒的速度和每分鐘的速度。

記錄儀采集的脈沖來自于速度傳感器，該速度傳感器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生8 個脈沖，而車輛在每公里使速度傳感器旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)由車輛特征系數(shù)決定。記錄儀根據(jù)所記錄的脈沖數(shù)，可以得到車輛行駛的里程。

由脈沖數(shù)計算出行駛速度，只要先由脈沖數(shù)計算得到里程數(shù)，再除以時間，即可得到速度。

4. 2 GPRS 設(shè)計

M22 支持GPRS CLASS4 , 即下行速度42. 8 Kbp s ,上行速度21. 4 Kbp s.同時，M22 也支持嵌入式的TCP/ IP 協(xié)議。這個嵌入式的TCP/ IP協(xié)議解決了從命令模式連接到數(shù)據(jù)傳輸模式的一個比較復(fù)雜的過程。

因?yàn)橛辛饲度胧降腡CP/ IP ,所以可以實(shí)時的傳輸大量汽車記錄數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控車輛的運(yùn)行情況。使用TCP 協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時，必須要經(jīng)過三個階段，第一個階段是連接建立階段，第二個階段是數(shù)據(jù)收發(fā)階段，第三個階段是連接釋放階段。

本系統(tǒng)中發(fā)送短消息采用而PDU 模式，因?yàn)樗粌H支持中文短信，也能發(fā)送英文短信。PDU模式收發(fā)短信可以使用3 種編碼： 72bit 、82bit 和UCS2 編碼。

5 結(jié) 論

本設(shè)計是在傳統(tǒng)記錄儀上，添加GPS , GPRS模塊，并對該系統(tǒng)進(jìn)行測試的結(jié)果是能夠?qū)崿F(xiàn)精確定位（民用標(biāo)準(zhǔn)） 、遠(yuǎn)程監(jiān)控、電子狗及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ埽瑢?shí)現(xiàn)了基本記錄儀與GPS 導(dǎo)航一體化，滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。