基于嵌入式系統的汽車(chē)行駛記錄儀的設計

摘要：本文介紹了一種以帶有ARM7內核的LPC2292為微控制器，以UC/OS-Ⅱ為操作系統的汽車(chē)行駛記錄儀。闡述了汽車(chē)行駛記錄儀所要實(shí)現的功能，并介紹了該系統的硬件電路設計和軟件設計。系統的軟硬件設計部分包括信號采集、數據存儲、鍵盤(pán)操作、顯示以及數據通信等模塊，實(shí)驗證明所設計的行駛記錄儀符合GB/T19056-2003的國家標準。
關(guān)鍵詞:  ARM7；LPC2292；UC/OS-Ⅱ；操作系統；汽車(chē)行駛記錄儀；CAN總線(xiàn)

    引言

    　汽車(chē)行駛記錄儀是能夠記錄和再現汽車(chē)行駛狀態(tài)的一種數字式電子記錄裝置，它可以全程記錄汽車(chē)的行駛數據，并通過(guò)對所記錄的行駛信息數據的分析，對車(chē)輛的行駛狀況予以精確的掌控。汽車(chē)行駛記錄儀可有效預防駕駛員的違章駕駛，降低車(chē)輛的交通事故。早在20世紀70年代，歐共體就開(kāi)始全面強制使用機電模擬式汽車(chē)行駛記錄儀并使得交通事故率降低了30%-50%。90年代以來(lái)，美國、日本、馬來(lái)西亞、新加坡等國家也紛紛制定汽車(chē)行駛記錄儀的法規。

　　我國從20世紀80年代開(kāi)始進(jìn)行汽車(chē)行駛記錄儀的研制。2003年4月15日，由公安部有關(guān)部門(mén)起草、國家標準化管理委員會(huì )、國家經(jīng)貿委審定通過(guò)，國家質(zhì)量監督檢查檢疫總局發(fā)布了汽車(chē)行駛記錄儀的國家標準(GB/T19056-2003)，于2003年9月1日起正式實(shí)施。實(shí)施對象包括所有的在用車(chē)和新車(chē)，將逐步由點(diǎn)到面，分批分時(shí)的展開(kāi)。

1汽車(chē)行駛記錄儀的功能

　　汽車(chē)行駛記錄儀包括汽車(chē)行駛記錄儀的主機和計算機端的數據分析軟件這兩部分組成。該課題中重點(diǎn)設計汽車(chē)行駛記錄儀的主機部分。

　　參照汽車(chē)行駛記錄儀的國家標準(GB/T19056-2003)的要求，本課題所設計的汽車(chē)行駛記錄儀主要實(shí)現如下功能：自檢功能；實(shí)時(shí)時(shí)間、日期及駕駛時(shí)間的采集、記錄、存儲功能；車(chē)輛行駛速度的測量、記錄、存儲功能；車(chē)輛行駛里程的測量、記錄、存儲功能；駕駛員身份記錄功能；鍵盤(pán)操作功能；數據顯示；數據打印輸出功能；數據通信功能。在數據通信接口部分除了國家標準所規定的USB標準接口和標準RS232CD型9針接口的這兩種通信方式外，該課題中還增加了CAN總線(xiàn)接口功能。

2系統的硬件設計 

    　該課題所設計的汽車(chē)行駛記錄儀選用帶有ARM7TDMI-S內核的LPC2292為微控制器，操作系統采用UC/OS-Ⅱ嵌入式操作系統。該系統可實(shí)現對車(chē)速信號、開(kāi)關(guān)量信號以及模擬量信號的采集、處理以及數據的實(shí)時(shí)存儲和顯示，通過(guò)串口、USB接口可以實(shí)現與PC機之間的數據通信，通過(guò)CAN總線(xiàn)接口可實(shí)現與汽車(chē)上的CAN節點(diǎn)間的數據通信。該系統的外圍接口模塊有電源模塊、復位電路模塊、信號采集模塊、鍵盤(pán)操作模塊、存儲器模塊、時(shí)鐘模塊、顯示模塊、JTAG調試接口以及通信接口模塊，系統的組成框圖如圖1所示。

                         圖1  汽車(chē)行駛記錄儀的組成框圖

2.1 微控制器

   　 LPC2292是PHILIPS公司開(kāi)發(fā)的基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的32 位 ARM7TDMI-S CPU 的微控制器，并帶有256kB嵌入的高速 Flash 存儲器。128 位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32 位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運行。該控制器有兩路CAN通道和10路A/D轉換通道，并帶有外部存儲器接口，可方便的進(jìn)行外部存儲器的擴展。

2.2 電源模塊

　　由于車(chē)載電源不穩定，首先要對車(chē)內的12v電源進(jìn)行穩壓，然后通過(guò)線(xiàn)性穩壓芯片L7805把電壓轉換為5V。由于微控制器LPC2292的供電電壓為3.3v和1.8v，故還需要通過(guò)低壓差（LDO）穩壓器SPX117M3-3.3和SPX117M3-1.8把5v分別轉換為3.3v、1.8v。

2.3 信號采集模塊

   　 信號采集模塊需要采集的信號有1路車(chē)速信號、15路開(kāi)關(guān)量信號以及2路模擬量信號。

　　通過(guò)霍爾式車(chē)速傳感器輸出汽車(chē)的車(chē)速信號，由于傳感器輸出的信號不是標準的脈沖信號，故需要對該車(chē)速信號進(jìn)行整形處理。車(chē)速信號先通過(guò)運算放大器OP2340進(jìn)行信號的放大，然后通過(guò)施密特觸發(fā)器74HC14把車(chē)速信號整形成脈沖信號，然后把該脈沖信號與微處理器的P0.11 CAP1.1引腳相連。通過(guò)定時(shí)器的脈沖捕獲功能，可測量出脈沖信號的脈寬，經(jīng)過(guò)運算可獲得汽車(chē)的車(chē)速。通過(guò)對脈沖信號的計數，可得到汽車(chē)的里程。

　　開(kāi)關(guān)信號分別為：前照燈遠光、前照燈近光、左轉向開(kāi)關(guān)、右轉向開(kāi)關(guān)、尾燈、倒車(chē)燈、汽車(chē)喇叭開(kāi)關(guān)、刮水器開(kāi)關(guān)、點(diǎn)火開(kāi)關(guān)、制動(dòng)開(kāi)關(guān)、中央控制門(mén)鎖、車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)（駕駛員側、前座乘客側、后座左側、后座右側）。這15路開(kāi)關(guān)量信號先經(jīng)過(guò)TLP521光耦隔離后，再經(jīng)過(guò)16路開(kāi)關(guān)量信號檢測芯片CD4067進(jìn)行信號通道的選通，輸出信號與LPC2292的P0.8 TXD1引腳相連。通過(guò)CD4067的 4個(gè)輸入端依次進(jìn)行這15路開(kāi)關(guān)信號的通道選擇，然后分別讀取P0.8 TXD1引腳的狀態(tài)，就可知道各路開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。 

　　兩路模擬量信號分別為冷卻水溫信號和節氣門(mén)開(kāi)度信號。由于冷卻水溫傳感器、節氣門(mén)傳感器的輸出信號均為電阻信號，故先把傳感器輸出的電阻信號轉換為電壓信號，經(jīng)過(guò)4路運算放大器LM124對這兩路電壓信號整形，然后再把這兩路信號輸出到微處理器的模數轉換引腳P0.27 ANT0、P0.28ANT1進(jìn)行模數轉換。

2.4 存儲器模塊

　　根據國家標準規定，汽車(chē)行駛記錄儀中的數據應該包括2個(gè)部分：汽車(chē)實(shí)時(shí)數據(存放汽車(chē)發(fā)生事故前后的20 s時(shí)間內數據)；汽車(chē)歷史數據(存放360 h內汽車(chē)和司機的行駛狀況)。

　　由于汽車(chē)的實(shí)時(shí)數據更新頻繁，要求有較高的可靠性，在該課題中選用NOR型 flash存儲器SST39VF1601作為數據存儲器。該存儲器是一個(gè)1Mⅹ16的CMOS多功能Flash MPF器件。SST39LF/VF160 具有高性能的字編程功能，字編程時(shí)間為 14us。該芯片有10,000個(gè)周期的耐用性和大于100年的數據保持時(shí)間，可廣泛用于設計制造和測試等應用中。它的使用可顯著(zhù)增強系統的性能和可靠性，降低功耗。

2.5 實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊

　　汽車(chē)行駛記錄儀需要對狀態(tài)發(fā)生時(shí)對應的時(shí)間信息作相應的記錄，以便后來(lái)的分析使用，所以需要詳細的時(shí)間信息。LPC2292有內置的實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC模塊，但該模塊不支持微控制器的斷電模式，故需要對汽車(chē)行駛記錄儀設計外部實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊。由于行駛記錄儀對時(shí)間的實(shí)時(shí)性要求較高，并在系統斷電時(shí)鐘仍要運行，故選擇具備掉電檢測功能并且提供附加電池供電的時(shí)鐘芯片DS1302。

　　DS1302是DALLAS公司推出的涓流充電時(shí)鐘芯片，內含一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷和31字節的靜態(tài)RAM，可通過(guò)串行接口與微控制器進(jìn)行通信，同步串行通信時(shí)僅需要3個(gè)口線(xiàn)。其實(shí)時(shí)時(shí)鐘/日歷電路可提供秒、分、時(shí)、日、期、月、年的信息，每個(gè)月的天數和閏年的天數可自動(dòng)調整。該芯片工作時(shí)功耗低并支持備用電源供電。

2.6 鍵盤(pán)操作模塊

　　由于LPC2292的GPIO口的引腳位置不連續，故該模塊采用了ZLG7290來(lái)驅動(dòng)4ⅹ4行列式小鍵盤(pán)。其中ZLG7290是I²C串行接口器件，能提供鍵盤(pán)中斷信號，可以方便地與處理器相連。在4ⅹ4行列式小鍵盤(pán)上設置車(chē)速顯示按鍵、里程顯示按鍵、模擬量顯示按鍵、USB數據傳輸按鍵、串口數據傳輸按鍵、駕駛員信息輸入按鍵、時(shí)間的調整按鍵、打印輸出按鍵。

2.7 顯示模塊

    　該系統中顯示模塊采用YLF240128點(diǎn)陣式液晶顯示模塊，被光源顏色為黃綠色，STN液晶屏。它的內嵌控制器為T(mén)OSHIBA公司的T6963C，外部顯示存儲器為32KB。該顯示模塊用于顯示汽車(chē)行駛記錄儀的顯示瞬時(shí)車(chē)速、每分鐘最高車(chē)速、每10 分鐘內最高車(chē)速、時(shí)間、日期、總里程數、冷卻水溫度、節氣門(mén)的位置等行駛數據信息。

2.8 通信接口模塊

    　該課題中所設計的通信接口有USB標準接口和標準RS232CD串行接口以及 CAN總線(xiàn)接口。其中USB標準接口和標準RS232CD串行接口可以實(shí)現由PC機向汽車(chē)行駛記錄儀主機的數據下傳功能和由記錄儀主機向PC機的數據上載功能。這樣能方便駕駛員的身份識別以及發(fā)生交通事故時(shí)獲取汽車(chē)的行駛數據，從而有利于對交通事故的分析。USB標準接口采用PDIUSBD12器件，該器件完全符合USB1.1的規范。RS232CD串行接口部分采用SP3232進(jìn)行RS232的電平轉換，SP3232是3V電源的RS232轉換芯片。

　　隨著(zhù)總線(xiàn)技術(shù)的發(fā)展，汽車(chē)上很多電子控制系統都帶有CAN接口。為了方便汽車(chē)行駛記錄儀與汽車(chē)上的帶有CAN接口的電子控制系統之間進(jìn)行通信，故給該系統增加了CAN接口。由于LPC2292帶有兩路CAN通道，故在CAN總線(xiàn)接口電路的設計時(shí)只需考慮信號的隔離和CAN總線(xiàn)收發(fā)器的設計。LPC2292的CAN控制器的引出端TD1、P0.25RD1分別經(jīng)過(guò)高速光耦TLP113隔離后與CAN總線(xiàn)收發(fā)器PCA82C250的TXD、RXD相連。該CAN總線(xiàn)接口可與汽車(chē)上的其它CAN節點(diǎn)進(jìn)行數據的通信。

3系統的軟件設計

    　本課題中汽車(chē)行駛記錄儀軟件部分所要實(shí)現的功能是對汽車(chē)的行駛狀態(tài)數據的定時(shí)采集、存儲、與PC機進(jìn)行串口和USB通信、與汽車(chē)的其它CAN節點(diǎn)間的通信、LCD顯示、鍵盤(pán)輸入、打印輸出等功能。該系統的主程序流程圖如圖2所示。

    圖2  系統的主程序流程圖

　　汽車(chē)行駛記錄儀有兩種工作狀態(tài)。汽車(chē)運行時(shí)，記錄當前駕駛員的駕駛信息，如速度、里程、駕車(chē)連續時(shí)間、超速記錄、停車(chē)時(shí)間等，并在汽車(chē)超速時(shí)提供蜂鳴器報警。汽車(chē)停止時(shí)，經(jīng)過(guò)鍵盤(pán)掃描程序選擇采用USB或RS232這兩種通信模式和PC機進(jìn)行數據交換,數據既可以上載也可以下傳。

　　嵌入式操作系統是設計完成復雜功能的硬件和軟件，并使其結合在一起的計算機系統。嵌入式系統可提高系統的可靠性，提高產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)效率并能縮短開(kāi)發(fā)周期。目前常用的操作系統有Linux，Windows CE，VxWorks，OSE，Nucleus，eCos，UC/OS-Ⅱ等。UC/OS-Ⅱ是一個(gè)源碼公開(kāi)、可移植、可固化、可裁減及占先式的實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統。UC/OS-Ⅱ通過(guò)聯(lián)邦航空局商用航空器認證，自1992年問(wèn)世以來(lái)，以被應用到數以百計的產(chǎn)品中。由于UC/OS-Ⅱ的上述優(yōu)點(diǎn)，在本課題中采用UC/OS-Ⅱ操作系統。

　　汽車(chē)行駛記錄儀的軟件編寫(xiě)過(guò)程中采用模塊化程序設計的方法，建立不同的任務(wù)，對任務(wù)進(jìn)行優(yōu)先級的分配，并在任務(wù)之間采用信號量和消息郵箱這兩種通信機制。UC/OS-II的文件系統結構包括核心代碼部分、設置代碼部分、與處理器相關(guān)的移植代碼部分。其中核心代碼與處理器無(wú)關(guān)，該部分包括7個(gè)源代碼文件和1個(gè)頭文件，這些文件所實(shí)現的功能分別是內核管理、事件管理、消息隊列管理、存儲管理、消息管理、信號量處理、任務(wù)調度和定時(shí)管理。設置代碼與應用有關(guān)，該部分包括2個(gè)頭文件,用來(lái)配置事件控制塊的數目以及是否包含消息管理相關(guān)代碼。移植代碼部分與處理器相關(guān)，這部分在系統移植過(guò)程中需要修改，該部分包括OS CPU.H，匯編文件OS CPU A.S和OS CPU.C。把UC/OS-Ⅱ移植到LPC2292微處理器，需要完成的主要工作是對上述移植代碼部分的這3個(gè)文件的修改。

4結論

　　本課題中設計了汽車(chē)行駛記錄儀的硬件和軟件部分，該記錄儀系統完成了對車(chē)速脈沖信號、開(kāi)關(guān)量信號、水溫和節氣門(mén)信號的實(shí)時(shí)采集、存儲和顯示，實(shí)現了對駕駛員的身份記錄功能，并成功實(shí)現了USB和串口通信這兩種數據傳輸方式，很好的滿(mǎn)足國家標準(GB/T19056-2003)的要求。

　　本文作者創(chuàng )新點(diǎn)：在汽車(chē)行駛記錄儀系統的設計中以帶有ARM7內核的芯片LPC2292為微處理器，數據通信模塊增加了CAN接口模塊，軟件設計方面采用了UC/OS-Ⅱ操作系統，并成功實(shí)現了該操作系統在LPC2292上的移植。該系統的開(kāi)發(fā)周期短，易維護和修改，是汽車(chē)行駛記錄儀發(fā)展的方向。

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