基于單片機的汽車行駛狀態(tài)記錄儀(黑匣子)畢業(yè)設(shè)計-2

1.1汽車行駛記錄儀簡介汽車行駛記錄儀是一種安裝在車輛上且對車輛行駛速度、時間、里程以及有關(guān)車輛行駛的其它狀態(tài)信息進行記錄、存儲并可通過接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出的數(shù)字式電子記錄裝置。它又稱汽車工作信息記錄儀、汽車綜合信息記錄儀，也有人將其形象地稱為汽車電子警察，它能全程同步記錄、監(jiān)控車輛運行狀態(tài)。利用汽車行駛狀態(tài)記錄儀，通過專用軟件可以將汽車行駛軌跡在電腦上完整、準確的再現(xiàn)。汽車行駛記錄儀在汽車上已經(jīng)得到廣泛的開發(fā)應(yīng)用，它由硬件和軟件兩局部組成。硬件局部包括面板、單片機及輔助電器元件；軟件局部包括控制、處理各種數(shù)據(jù)的儀表功能程序系統(tǒng)[1]。該儀器可實現(xiàn)多種信息處理，顯示汽車狀況，進行自我診斷，對車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、水溫、油壓、燃油量、油耗和蓄電池電壓等一系列參數(shù)進行有效監(jiān)控。并通過控制發(fā)光二極管、液晶顯示、蜂鳴器等報警手段，為司乘人員提供直接的汽車狀況信息和發(fā)出各種超限情況的報警等，可有效防范和化解車輛事故的發(fā)生。1.3國內(nèi)外汽車行駛記錄儀的開展狀況1.3.1國外汽車行駛記錄儀的開展狀況歐洲是最早制造也是最早強行推行使用汽車行駛記錄儀的地區(qū)，同時也是目前使用記錄儀最多的地區(qū)。早在20世紀20年代，行駛記錄儀便伴隨著汽車里程表而誕生，當時是和汽車速度、里程表結(jié)合在一起的。1934年，德國創(chuàng)造了世界上第一臺紙盤式行駛記錄儀，并于1953年開始對載重超過7噸的車輛強制推行紙盤式行駛記錄儀。1970年歐共體通過立法方式在德國、法國、意大利、比利時、盧森堡6個成員國強制推行使用紙盤式記錄儀[3]。這種紙盤式行駛記錄儀它通過速度傳感器測量車輛速度，以機械指針在圓形坐標記錄紙上記錄車輛的行駛速度、時間、行駛里程，記錄結(jié)果直觀，裝置結(jié)構(gòu)相對簡單、使用方便。20世紀70年代后，隨著電子和集成模塊技術(shù)、數(shù)據(jù)總線和一些電子設(shè)備〔如顯示屏、打印機等〕的相繼引入，汽車行駛記錄儀根本形成了電子記錄儀樣式。但是出于使用習慣和技術(shù)平安性方面的考慮，最初的電子式記錄儀仍使用紙盤作為記錄媒介，甚至直到現(xiàn)在歐盟普遍使用的還是電子式紙盤記錄儀。隨著電子存儲〔磁卡或優(yōu)盤〕和平安保障技術(shù)的逐步完善，歐盟積極準備更換和推行數(shù)字式電子記錄儀。20世紀90年代初，德國首先開發(fā)了數(shù)字式汽車行駛記錄儀，且率先規(guī)定自2006年5月起新車必須安裝使用數(shù)字式汽車行駛記錄儀。1.3.2國內(nèi)汽車行駛記錄儀的開展狀況我國從1984年就開始了汽車行駛記錄儀的研究，并于80年代后期，在少數(shù)地區(qū)試用國內(nèi)一些科研機構(gòu)及企業(yè)自主研制的數(shù)字式記錄儀。以后國內(nèi)一度出現(xiàn)汽車行駛記錄儀熱，全國有十幾個省市下達了安裝汽車行駛記錄儀的通知，同時也出現(xiàn)了近百家記錄儀生產(chǎn)企業(yè)。但由于當時技術(shù)水平的制約，特別是當時沒有出臺相應(yīng)的技術(shù)標準和配套法規(guī)，記錄儀在使用過程中出現(xiàn)了許多問題，并沒有充分發(fā)揮它應(yīng)有的作用，這一熱潮很快就冷卻下去了[4]。隨著我國經(jīng)濟的快速開展，我國道路交通事故也呈上升趨勢，尤其是長途客運車輛的重、特大交通事故頻發(fā)，給國家財產(chǎn)和人民生命財產(chǎn)帶來了巨大損失。為了標準我國汽車行駛記錄儀產(chǎn)品的生產(chǎn)和標準，落實公安部、交通部、國家平安生產(chǎn)監(jiān)督管理局關(guān)于長途客運車輛逐部安裝行車記錄儀的通告，保障車輛運行平安，到2003年4月，由公安部、國家標準化管理委員會、國家經(jīng)貿(mào)委起草審定，國家質(zhì)量監(jiān)督檢查檢疫總局發(fā)布了《汽車行駛記錄儀國家標準(GB／T19056．2003》，于2003年9月1日正式實施。從此我國汽車行駛記錄儀的研發(fā)生產(chǎn)進入了標準化的時代。此后，全國各地也相應(yīng)出臺安裝汽車行駛記錄儀的文件，記錄儀市場掀起了新的熱潮。到2004年7月底，全國生產(chǎn)汽車行駛記錄儀的企業(yè)已達80多家，經(jīng)公安部交通平安產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心檢測、通過國家標準檢測的68家。據(jù)不完全統(tǒng)計，全國有廣東、四川、吉林、湖南、上海、浙江、廣西、江西、河南、新疆、黑龍江等20多個省、自治區(qū)、直轄市汽車行駛記錄的應(yīng)用工作取得進展，已安裝使用行駛記錄儀的客運、貨運企業(yè)約350多家，車輛約4萬輛。近些年來，汽車行駛記錄儀的功能已經(jīng)不僅限于單純的事故記錄，逐漸與汽車的其它電子系統(tǒng)相結(jié)合，例如GPS定位系統(tǒng)、故障診斷及報警系統(tǒng)、測重測溫系統(tǒng)等。同時，許多公司已經(jīng)開發(fā)了具備無線傳輸、智能射頻識別技術(shù)等技術(shù)，使記錄儀的數(shù)據(jù)更快速、實時地傳送到各有關(guān)部門[5]。隨著我國開始建設(shè)智能交通系統(tǒng)的進程，汽車行駛記錄儀將成為確?，F(xiàn)代交通運輸平安和高效物流動態(tài)運營管理的不可或缺的記錄處理、顯示和數(shù)據(jù)傳輸?shù)木C合裝置，不久的將來將真正地融入城市智能交通網(wǎng)絡(luò)，并成為這一網(wǎng)絡(luò)中不可替代的一環(huán)。1.4本設(shè)計的研究內(nèi)容及特點本設(shè)計針對國內(nèi)目前的情況，在充分理解國家標準，學習和借鑒國內(nèi)外車載電子領(lǐng)域已有的成熟經(jīng)驗的根底上，設(shè)計開發(fā)了一個完整的汽車行駛記錄儀統(tǒng)。記錄儀模塊的處理器選用STM32F103，它具有強大的性能、良好的穩(wěn)定性、方便的擴展性及豐富的通信接口，它通過與外圍電路進行合理的配合主要來完成如下功能：1、自檢功能；2、實時時間及駕駛時間的采集、記錄、存儲功能；3、車輛行駛速度、行駛里程的測量、記錄、存儲功能；4、駕駛員身份記錄功能；5、數(shù)據(jù)顯示；6、操作功能；7、數(shù)據(jù)打印輸出功能；8、數(shù)據(jù)通信功能；9、實時報警功能；10、掉電保護功能。1.5論文結(jié)構(gòu)結(jié)合課題研究期間的具體工作及對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的分析研究，論文共分5章撰寫，具體如下：第一章緒論第二章系統(tǒng)總體方案設(shè)計第三章汽車行駛記錄儀硬件電路設(shè)計第四章軟件設(shè)計第五章結(jié)論2系統(tǒng)總體方案設(shè)計2.1系統(tǒng)總體框圖本課題的目的是制作一個現(xiàn)實中操作性強、價格低廉、運行可靠、能夠使學習者直接開發(fā)或調(diào)試的獨立式汽車行駛狀態(tài)記錄儀，使它能夠?qū)崟r監(jiān)控并記錄汽車行駛的各種狀態(tài)信息，對汽車的運營狀況進行全程監(jiān)控并記錄。汽車行駛狀態(tài)記錄儀主要由11個模塊組成：供電單元、信號采集模塊、鍵盤輸入模塊、單片機模塊、液晶顯示模塊、駕駛員信息記錄模塊〔IC卡〕、打印模塊、通信模塊、存儲模塊、時鐘模塊、報警模塊等。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1。圖2.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖2.2各模塊功能需求1、自檢功能：記錄儀通電工作后，應(yīng)啟動開機自動檢測程序，如果有故障，應(yīng)有信號提示；如果沒有故障，那么進入默認顯示狀態(tài)，并以信號提示工作正常。2、實時時間及駕駛時間的采集、記錄、存儲功能：記錄儀要求能夠提供北京時間日期和時鐘，該日期和時鐘被用于為記錄儀實現(xiàn)所有功能(記錄、輸出、顯示、數(shù)據(jù)通信等)標注日期和時間。記錄儀應(yīng)能對連續(xù)駕駛時間進行記錄，連續(xù)記錄24h數(shù)據(jù)，記錄時間允許誤差在±5s以內(nèi)。3、車輛行駛速度、行駛里程的測量、記錄、存儲功能：記錄儀應(yīng)當能夠以不大于O.2s的時間間隔持續(xù)記錄并儲存停車前20s實時時間對應(yīng)的車輛行駛速度值及車輛制動狀態(tài)信號、記錄次數(shù)至少是10次。速度記錄單位是km／h，測量范圍為Okm／h～220km／h，測量分辨率等于或優(yōu)于lkm／h。無論車輛在行駛狀態(tài)還是在停止狀態(tài)，記錄儀均應(yīng)當能夠提供實時時間對應(yīng)的車輛行駛速度信息。記錄儀應(yīng)能以不大于lmin的時間間隔持續(xù)記錄并儲存車輛在最近360個小時內(nèi)的行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)，即車輛在行駛過程中與實時時間相對應(yīng)的每分鐘間隔內(nèi)的平均行駛速度值。記錄儀應(yīng)能持續(xù)記錄車輛從指定統(tǒng)計時間開始的累計行駛里程。車輛行駛里程的記錄單位是km，行駛里程的測量范圍是0～999999.9km，分辨率應(yīng)等于或優(yōu)于0.1km。4、駕駛員身份記錄功能：記錄儀應(yīng)能實現(xiàn)駕駛?cè)藛T身份記錄功能，應(yīng)能記錄駕駛員代碼和公安交通部門核發(fā)的機動車駕駛證證號。駕駛員代碼為阿拉伯數(shù)字，最大長度不超過7位，代碼設(shè)置方法由使用者根據(jù)需要自定；在同一記錄儀的數(shù)據(jù)記錄中，某一駕駛員的代碼應(yīng)與機動車駕駛證證號唯一相對應(yīng)。在每次開車前，駕駛?cè)藛T應(yīng)首先確認自己的代碼，確認方式由制造商自定。5、數(shù)據(jù)顯示：當無按鍵操作時，可默認顯示車輛的實時行駛速度、實時時鐘或駕駛員代碼。通過操作按鍵應(yīng)能實現(xiàn)如下顯示：(1)最近15min內(nèi)每分鐘的平均車速記錄；(2)最近2個日歷天內(nèi)同一駕駛員連續(xù)駕駛時間超過3h的所有數(shù)據(jù)記錄；(3)車輛特征系數(shù)。6、操作功能：操作按鍵設(shè)置應(yīng)能滿足使用要求，并且應(yīng)在對應(yīng)的位置標出各按鍵名稱。僅使用面板按鍵應(yīng)不能對速度、時間、里程等原始數(shù)據(jù)進行修改和刪除。7、數(shù)據(jù)打印輸出功能：數(shù)據(jù)打印只能在停車狀態(tài)下進行；記錄儀至少應(yīng)能打印輸出車牌號碼、車牌分類、駕駛員代碼、駕駛證號碼、打印實時時間、停車時刻前15min內(nèi)每分鐘的平均車速、疲勞駕駛記錄。8、數(shù)據(jù)通信功能：記錄儀應(yīng)同時配置以下兩種標準接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳下載：(1)USB(通用串行總線)標準接口，建議采用主結(jié)構(gòu)式USB接口；(2)標準RS232CD型9針接口。9、實時報警功能：對車輛行駛數(shù)據(jù)進行計算處理，判斷是否超速、是否疲勞駕駛、是否緊急剎車，如果出現(xiàn)上述異常情況，那么進行報警。10、掉電保護功能：數(shù)據(jù)對記錄儀至關(guān)重要，如果由于某些意外情況導(dǎo)致記錄儀掉電，系統(tǒng)應(yīng)能及時檢測，并做好當前數(shù)據(jù)的保存工作[6]。3汽車行駛記錄儀硬件電路設(shè)計3.1電源模塊的設(shè)計記錄儀作為車載設(shè)備使用汽車上的電源。汽車上的電源有兩個：汽車發(fā)電機和蓄電池。記錄儀的電源直接取自蓄電池，在發(fā)電機轉(zhuǎn)速和用電負載發(fā)生較大變化時，可保持汽車電網(wǎng)電壓的相對穩(wěn)定。車輛使用的車載蓄電池標稱值有兩種12V的和24V的。小型車電源一般為直流12V〔不同車型可能有所不同〕，如大型的貨車是直流電24V的。此設(shè)計采用12V車載蓄電池。記錄儀本身需要的是+5V的供電，所以系統(tǒng)需要供電模塊來實現(xiàn)+12V-+5V的電源變換。儀表系統(tǒng)對電源要求較高，只有穩(wěn)定的電源系統(tǒng)才能保證系統(tǒng)的可靠性。目前汽車采用的12伏電源系統(tǒng)并不穩(wěn)定，其電壓可能從幾伏變化到二十伏左右，而且可能還存在電壓很高的干擾脈沖，因此，必須設(shè)計良好的電源電路將汽車電源轉(zhuǎn)換為儀表系統(tǒng)需要的穩(wěn)定電源。由于汽車上各種電氣設(shè)備很多，各種元件動作頻繁，因此會有電壓不穩(wěn)及瞬間電干擾、電磁干擾等問題。所以要考慮電源的適應(yīng)性、過壓沖擊和短路保護等因素，采用具體電路來消除及處理。3.1.1設(shè)計方案的選擇方案一：采用線性集成穩(wěn)壓器，優(yōu)點是簡單，易于實現(xiàn)；缺點是效率低(30％一60％)，散熱器面積大，用作輸出電壓平滑濾波的電容器及其電容值也很大。方案二：采用由DC—DC直流變換器組成的小型開關(guān)電源，它不但具有重量輕、體積小的優(yōu)點而且具有效率〔功率損耗的角度〕高〔70％一85％〕的優(yōu)點。根據(jù)汽車電子特殊性，在設(shè)計中采用由DC-DC直流變換器組成的小型開關(guān)電源為整個系統(tǒng)供電。3.1.2電路設(shè)計本系統(tǒng)對電源的需求有：CPU、數(shù)據(jù)存儲模塊等需要3.3V電源；其它模塊需要5V電源，同時各種芯片的最大輸入電流不盡相同，所以要求系統(tǒng)電源必須要有較寬的輸入范圍和較大輸出電流。LM2596電源芯片是降壓型電源管理單片集成電路，最大輸入電壓可達+40V，最大輸出電流高達3A；同時該芯片屬于第二代開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，功耗小、效率高，具有很好的線性和負載調(diào)節(jié)特性，輸出電壓的誤差可以保證在±4％的范圍內(nèi)，振蕩頻率誤差在±15％的范圍內(nèi)；而且它具有自我保護電路(一個兩級降頻限流保護和一個在異常情況下斷電的過溫完全保護電路)?？梢暂敵?.3V、5V、12V的固定電壓和可調(diào)節(jié)的小于32V的各種電壓。該器件只需4個外接元件，內(nèi)集頻率補償和一個固定頻率發(fā)生器，所以使用非常簡便。該器件有固定輸出3.3V和5V的版本，只需4個根本外接元件就可以使用，即輸入電容〔C〕、電感〔L〕、輸出電容〔C〕及續(xù)流二極管〔D〕，這使LM2596的使用簡便，電路簡單。因此，本系統(tǒng)選用LM2596-5.0和LM2596-3.3為電源芯片，將汽車的直流電源轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)電路正常工作所需要的+5.0V和+3.3V兩種直流電壓。但是由于本系統(tǒng)對電源的特殊要求，還須設(shè)計抗干擾電路，LM2596的穩(wěn)壓電源電路如圖3.1所示。本圖為輸出電壓為5V的電路，使用LM2596-5.0芯片，而輸出3.3V的電路與輸出5V的電路相同，只需使用LM2596-3.3芯片，其它元件相同。圖3.1LM2596-5．0的穩(wěn)壓電源電路表3.1LM2596管腳功能引腳符號功能介紹IN正輸入端GND接地端OUTPUT輸出端FEEDBACK反應(yīng)端ON/OFF這個管腳可以利用邏輯電平把LM2596切斷記錄儀系統(tǒng)的電源設(shè)計一定要考慮到環(huán)境因素，預(yù)防干擾并采取相應(yīng)的防范措施[7]。本系統(tǒng)做了一些預(yù)防措施：(1)為了防止在輸入端出現(xiàn)大的瞬態(tài)電壓，在輸入端和地之間要加輸入電容C作為旁路電容，即C1、C2、C3，去除紋波和高頻噪聲；(2)在輸入端接了一個二極管D1，在輸入端和地之前反接了一個續(xù)流二極管D2。如果電源極性正確，那么記錄儀能夠正常工作，但如果極性接反，將會有反向電動勢，續(xù)流二極管D2的接入正好和反向電動勢方向一致，它把反向電動勢以電流的形式中和掉，從而保護了其他電路元件，保護了記錄儀的平安；(3)在輸出端接電感器L1，它可以抑制紋波，使LM2596輸出穩(wěn)定的電壓，最好使用磁屏蔽結(jié)構(gòu)的電感器；(4)在輸出端和地之間接一個續(xù)流二極管D3，續(xù)流二極管D3用來為電感電流提供通路，但續(xù)流二極管必須是快恢復(fù)的；(5)在輸出端和地之間接輸出電容C，用來實現(xiàn)輸出濾波以及提高環(huán)路的穩(wěn)定性，即C6、C7。3.1.3掉電保護儀表系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)必須保證數(shù)據(jù)的真實性與完整性，汽車由于行駛工況比擬復(fù)雜，可能由于各種不確定因素導(dǎo)致系統(tǒng)斷電，而且斷電時刻極可能是事故發(fā)生的時候，記錄此刻數(shù)據(jù)對事故分析有重要意義[8]。為了解決系統(tǒng)斷電的問題，本設(shè)計采用如圖3.2所示的解決方案，系統(tǒng)安裝備用充電電池，當車載電源掉電時，二極管導(dǎo)通，通過電池供電，INT連接單片機的外部中斷輸入INT0，此時INT輸出腳從高點位變化到低點位，系統(tǒng)檢測到掉電中斷，保存當前數(shù)據(jù)。硬件電路圖如圖3.2:圖3.2掉電保護電路3.2信號采集模塊本系統(tǒng)需采集的數(shù)據(jù)較多，大致可以分成三類：車速信號、開關(guān)量信號，對不同種類的信號采用不同的采集方式。3.2.1車速信號的采集速度信號檢測模塊的原理是：主要應(yīng)用汽車內(nèi)部自身的傳感器，也就是將現(xiàn)成的信號提供給記錄儀。汽車行駛過程中，輪子每轉(zhuǎn)一周，會通過汽車內(nèi)部的霍爾傳感器送出一對差分信號，此差分信號經(jīng)過信號采集模塊變成滿足要求的計數(shù)脈沖，此脈沖送到單片機的T0端口進行脈沖計數(shù)，與此同時單片機的T1進行計時開始待到定時器產(chǎn)生中斷請求后，由計數(shù)器得到的脈沖數(shù)經(jīng)過速度計算的公式和里程的計算后得到汽車行駛的速度和里程且存儲于單片機的RAM數(shù)據(jù)存儲區(qū)。為了防止汽車周圍環(huán)境的干擾，切斷輸入和輸出通道間直接的電信號聯(lián)系，此處采用了光電隔離電路。車速脈沖采集模塊電路如圖3.3：圖3.3車速脈沖采集電路表3.2LM311管腳介紹引腳符號功能介紹引腳符號功能介紹GROUND/GND接地BALANCE平衡INPUT+正向輸入端BALANCE/STROBE平衡/選通INPUT-反向輸入端V+電源正OUTPUT輸出端V-電源負光電耦合器件通過光信號的傳遞，使輸入輸出沒有直接的電信號聯(lián)系，因而沒有公共地，也就隔離了干擾的直接傳導(dǎo)。經(jīng)濾波后的車速脈沖信號實際上并不是規(guī)那么的矩形波,使車速測量的精度到達一定要求,本系統(tǒng)選用集成施密特觸發(fā)器LM311來完成這一功能。施密特觸發(fā)器是脈沖波形變換中經(jīng)常使用的一種電路。利用它不僅可以將邊沿變化緩慢的信號波形整形為邊沿陡峭的矩形波，而且可以將疊加在矩形脈沖信號高、低電平上的噪聲有效地消除。車速脈沖信號經(jīng)上圖的電路處理后，由單片機的T0捕捉此脈沖進行采集。另外用定時器記錄脈沖的輸出間隔，從而計算出里程、車速等實時數(shù)據(jù)，用以保存和輸出。3.2.2開關(guān)量信號的采集開關(guān)量信號包括車門、左燈、右燈、倒車燈、遠光燈、近光燈、剎車等共八路信號。開關(guān)量信號采集模塊電路如圖3.4：圖3.4開關(guān)量信號采集電路上圖給出的是一路開關(guān)信號的采集電路圖，其它開關(guān)量信號的采集與此相同，這里不一一畫出[9]。開關(guān)信號經(jīng)過光電隔離處理后直接輸入到單片機的PE口。系統(tǒng)每隔0.2秒對八路開關(guān)量信號和一路脈沖信號采集一次，處理器只要將PE口的狀態(tài)直接讀入就可以了。單片機模塊3.3.1單片機選型圖3.5STM32F103管腳圖STM32F103是中等容量增強型，32位基于ARM核心的帶64或128K字節(jié)閃存的微控制器USB、CAN、7個定時器、2個ADC、9個通信接口。功能：內(nèi)核：ARM32位的CPU；最高72MHz工作頻率，在存儲器的0等待周期訪問時可達1.25DMips/MHZ。存儲器：從64K或128K字節(jié)的閃存程序存儲器；高達20K字節(jié)的SRAM。時鐘、復(fù)位和電源管理：2.0～3.6伏供電和I/O引腳；上電/斷電復(fù)位(POR/PDR)、可編程電壓監(jiān)測器(PVD)；4～16MHz晶體振蕩器；內(nèi)嵌經(jīng)出廠調(diào)校的8MHz的RC振蕩器；內(nèi)嵌帶校準的40kHz的RC振蕩器；產(chǎn)生CPU時鐘的PLL；帶校準功能的32kHzRTC振蕩器。低功耗：睡眠、停機和待機模式；VBAT為RTC和后備存放器供電。多達80個快速I/O端口：26/37/51/80個I/O口，所有I/O口可以映像到16個外部中斷；幾乎所有端口均可容忍5V信號。調(diào)試模式：串行單線調(diào)試(SWD)和JTAG接口。多達7個定時器：3個16位定時器，每個定時器有多達4個用于輸入捕獲/輸出比擬/PWM或脈沖計數(shù)的通道和增量編碼器輸入；1個16位帶死區(qū)控制和緊急剎車，用于電機控制的PWM高級控制定時器；2個看門狗定時器(獨立的和窗口型的)；系統(tǒng)時間定時器：24位自減型計數(shù)器。多達9個通信接口：多達2個I2C接口；多達3個USART接口；多達2個SPI接口(18M位/秒)；CAN接口；USB2.0全速接口。3.3.2時鐘電路設(shè)計時鐘電路是單片機的心臟，它控制著計算機的工作節(jié)奏，CPU就是通過復(fù)雜的時序電路完成不同的指令功能的。單片機的外部晶振電路如圖3.6：圖3.6外部晶振連接圖3.3.3復(fù)位電路設(shè)計復(fù)位是單片機的重新初始化操作。單片機在啟動運行時，都需要先復(fù)位，其作用是使CPU和系統(tǒng)中其它部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作，因此復(fù)位是一個很重要的操作方式，但單片機本身不能自動進行復(fù)位，必須配合相應(yīng)的外部電路才能實現(xiàn)。單片機的上電自動復(fù)位電路如圖3.7：圖3.7上電自動復(fù)位電路鍵盤模塊汽車行駛記錄儀現(xiàn)行國家標準要求操作按鍵設(shè)置應(yīng)能滿足使用要求，并且應(yīng)在對應(yīng)的位置標出各按鍵名稱。3.4.1設(shè)計方案的選擇鍵盤分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤。編碼鍵盤有檢測鍵閉合、去抖動及產(chǎn)生相應(yīng)鍵編碼的硬件電路和一個選通脈沖。選通脈沖可作為CPU的中斷請求信號，以通知CPU以中斷方式接收所按鍵的編碼。此種鍵盤使用方便，但硬件開銷大、電路復(fù)雜、本錢高，常不被單片機系統(tǒng)所采用，而是用非編碼鍵盤代替。非編碼鍵盤用一些按鍵排成行列矩陣，按鍵的作用只是使相應(yīng)點接通或斷開，在相應(yīng)程序配合下產(chǎn)生被按鍵的編碼。這種結(jié)構(gòu)的特點是按鍵較少，硬件設(shè)計簡單且相應(yīng)的鍵掃描軟件實現(xiàn)也比擬簡單。本設(shè)計考慮到儀表系統(tǒng)的簡單與美觀，在滿足功能的根底上沿用大局部記錄儀的四鍵設(shè)計方式，即上鍵、下鍵、取消鍵、確定鍵。3.4.2電路設(shè)計傳統(tǒng)的鍵盤解決方案電路連接比擬復(fù)雜，不管是獨立式鍵盤還是矩陣式鍵盤，都會浪費微控制器的端口資源，要占用多根I／O端口線，這嚴重浪費系統(tǒng)的端口資源。而且都需要人為進行去抖動處理，且抗干擾性差。ZLG7290可完全克服上述弊端。它采用I2C總線接口，與微控制器的連接僅需兩根信號線，硬件電路比擬簡單[10]。而且可以驅(qū)動8位共陰數(shù)碼管或64只獨立LED、64只獨立按鍵，并可提供自動消除抖動、連擊鍵計數(shù)等功能。ZLG7290B的電路簡單，使用也很方便。用戶按下某個鍵時，ZLG7290的INT引腳會產(chǎn)生一個低電平的中斷請求信號，讀取鍵值后，中斷信號就會自動撤銷。正常情況下，微控制器只需要判斷INT引腳就可以得到鍵盤輸入的信息。按鍵實現(xiàn)的方式是通過12C總線與ZLG7920鏈接實現(xiàn)信息通信。ZLG7290是12C接口鍵盤及LED驅(qū)動器，方便鍵盤中斷信號與處理器接口相連，按鍵或者傳感器檢測可實現(xiàn)鍵盤去抖動處理、雙鍵互鎖處理、連擊鍵處理、功能鍵處理，簡化輔助電路的設(shè)計、方便功能擴展。硬件電路圖如下：圖3.8鍵盤模塊接口電路設(shè)計表3.3ZLG7290引腳功能介紹引腳符號功能介紹引腳符號功能介紹Dig0-Dig7LED顯示位驅(qū)動及鍵盤掃描線/RES復(fù)位輸入端，低電平有效SegA-SegHLED顯示段驅(qū)動及鍵盤掃描線OSC1連接晶體以產(chǎn)生內(nèi)部時鐘SDAI2C總線接口數(shù)據(jù)/地址線0SC2連接晶體以產(chǎn)生內(nèi)部時鐘SCLI2C總線接口始終線VCC電源正〔3.3-5.5V〕/INT中斷輸出端，低電平有效GND電源地3.5存儲器模塊根據(jù)國家標準規(guī)定，汽車行駛記錄儀中的數(shù)據(jù)應(yīng)該包括2個局部：汽車實時數(shù)據(jù)(存放汽車發(fā)生事故前后的20S時間內(nèi)數(shù)據(jù))；汽車歷史數(shù)據(jù)(存放360h內(nèi)汽車和司機的行駛狀況)。3.5.1存儲需求分析國標要求記錄儀具備車輛行駛速度的測量、記錄、存儲功能。車輛行駛速度數(shù)據(jù)主要由事故疑點數(shù)據(jù)和行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)兩局部組成。(1)事故疑點數(shù)據(jù)的存儲需求國標要求記錄儀應(yīng)能以不大于0．2s的時間間隔持續(xù)記錄并存儲停車前20秒實時時間對應(yīng)的車輛行駛速度及車輛制動狀態(tài)信號、記錄次數(shù)至少為10次。速度記錄單位為km/h，測量范圍為0km/h～220km/h，測量分辨率等于或優(yōu)于lkm/h。需要存儲的實時數(shù)據(jù)至少應(yīng)該包含以下信息:駕駛員代碼，單獨存儲，十六進制，占用3個字節(jié)的存儲空間。時間(年、月、日、時、分、秒)，8421BCD碼，占用6個字節(jié)。速度，十六進制，占用1個字節(jié)。車輛行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)，十六進制，占用1個字節(jié)。考慮到時間僅能精確到秒，所以時間不需要每200ms記錄一次，每5次(1秒)記錄一次時間[11]。由此得出事故疑點數(shù)據(jù)的邏輯格式如表3．4所示。表3.4疑點數(shù)據(jù)的格式序號123合計工程名稱時間速度車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)長度〔字節(jié)〕61×51×516根據(jù)疑點數(shù)據(jù)的邏輯格式，可以計算出每秒事故疑點數(shù)據(jù)占用16個字節(jié)存儲空間。20秒實時數(shù)據(jù)所需要的數(shù)據(jù)空間：20×16=320(字節(jié))(2)行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)的存儲需求國標規(guī)定無論車輛在行駛狀態(tài)還是停駛狀態(tài)，記錄儀均應(yīng)能提供實時時間對應(yīng)的車輛行駛速度信息。記錄儀應(yīng)能以不大于1分鐘的時間間隔持續(xù)記錄并存儲車輛在最近360小時內(nèi)的行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)，該行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)為車輛在行駛過程中與實時時間相對應(yīng)的每分鐘間隔內(nèi)的平均行駛速度。速度的單位為km/h，測量范圍為：0km/h-220km/h，分辨率等于或優(yōu)于lkm/h。需要存儲的行駛數(shù)據(jù)包含以下幾組信息：駕駛員代碼，單獨存儲，十六進制，3字節(jié)。時間(年、月、日、時、分)，8421BCD碼，5字節(jié)；速度，十六進制，1字節(jié)；里程，8421BCD碼，3字節(jié)。從而可得每一分鐘需要記錄的歷史數(shù)據(jù)為9字節(jié)。本記錄儀中，總共存儲最近360小時內(nèi)的行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)，因此需要的存儲空間為：360×60×9=194400(字節(jié))=189．84375k(字節(jié))。另外，還要存儲數(shù)據(jù)的索引、車輛特征系數(shù)(十六進制，3字節(jié))、車輛識別代號VIN(ASII碼，17字節(jié))、車牌號碼(ASII碼，12字節(jié))、車牌分類(ASII碼，12字節(jié))、駕駛員代碼(十六進制，3字節(jié))、機動車駕駛證號碼(ASII碼字符，18字節(jié))、記錄儀主機可識別的唯一性編號及初次安裝同期(8421BCD碼，5字節(jié))、記錄儀每一次下傳的日期及時間8421BCD碼，5字節(jié))、每一次上載的日期和時間(8421BCD碼，5字節(jié))、每一次車輛特征系數(shù)的設(shè)定時間(8421BCD碼，5字節(jié))等信息。預(yù)計總的數(shù)據(jù)量將會有200k字節(jié)。3.5.2存儲方案選擇為方便表達，事故疑點數(shù)據(jù)、行駛狀態(tài)數(shù)據(jù)分別采用實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)術(shù)語。實時數(shù)據(jù)存放汽車發(fā)生事故前后的數(shù)據(jù)，主要用于分析事故發(fā)生的原因和事故的責任；歷史數(shù)據(jù)存放汽車和司機的行駛狀況，作為事故分析的參考依據(jù)和對汽車、司機的運行狀況考核[12]。本記錄儀需要存儲的數(shù)據(jù)量較大，記錄儀對存儲的實時性和可靠性要求較高。本文設(shè)計的記錄儀實時數(shù)據(jù)存儲在鐵電存儲器中，歷史數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)閃存中。將實時數(shù)據(jù)暫存起來，滿一頁時，再將實時數(shù)據(jù)傳送到歷史數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)中，存滿360h數(shù)據(jù)，然后將其重新覆蓋。(1)實時數(shù)據(jù)的存儲記錄儀不僅要有較大的存儲空間，并且要求能夠有較快的存取速度，掉電情況下能夠?qū)?shù)據(jù)進行保存。為了保證所有采集的數(shù)據(jù)能夠及時的存儲，僅使用Flash存儲器是不行的，因為它的擦寫速度比擬慢，不能按字節(jié)進行擦寫操作。在記錄儀掉電或單片機任務(wù)繁忙的情況下，會造成車輛行駛信息不能及時的存儲。因此，需要擴展一個快速的RAM器件作為數(shù)據(jù)緩存。單片機可以將采集的數(shù)據(jù)及時保存在緩存中，在空閑周期內(nèi)，將成頁或成塊的車輛行駛數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到Flash存儲器中，充分保證記錄儀的可靠性。目前可滿足實時數(shù)據(jù)存儲方案的非易失性RAM主要有普通靜態(tài)RAM加電池供電、內(nèi)部帶鋰電的非易失性RAM和新型的非易失性FRAM鐵電存儲器三種實現(xiàn)方式。第一種方案要考慮電池充放電電路、同時要保證電池電量可靠、安裝穩(wěn)定牢固等因素，使得系統(tǒng)復(fù)雜度增大、可靠性降低；第二種方案RAM價格昂貴，1K字節(jié)需要15元左右；第三種方案FRAM兼具RAM的快速寫入特性和ROM的非易失性，沒有電池產(chǎn)生的不良因素[13]。鑒于上述要求，本系統(tǒng)選用非易失性串行外圍接口FRAM鐵電存儲器FM25L256，它具有以下顯著特點：·工作頻率最高可達25MHz，存儲空間為32K×8bit；·無限次的讀寫次數(shù)；·快速SPI串行協(xié)議，讀寫數(shù)據(jù)無延時；·掉電保護，且掉電數(shù)據(jù)可保持45年；·先進的高可靠性鐵電制造工藝，體積小、抗干擾性強；·完善的軟、硬件雙重寫保護；(2)歷史數(shù)據(jù)的存儲歷史數(shù)據(jù)存儲器的選擇主要滿足存儲空間較大、存放數(shù)據(jù)平安、保存時間較長等特點即可。嵌入式系統(tǒng)一般不使用硬盤或者軟盤作為存儲設(shè)備，大局部嵌入式系統(tǒng)使用FLASH存儲器來存放數(shù)據(jù)和代碼。對于大容量的非易失性存儲器，通常采用EEPROM或Flash型存儲器，它們不僅可以在掉電的情況下不會喪失所保存的數(shù)據(jù)，并且可改寫的次數(shù)也很大，價格低廉，其中Flash型器件的擦寫速度更快，可擦寫次數(shù)也比EEPROM高。因此本記錄儀中用Flash型存儲器。Flash存儲器有并行接口方式、SPI接口方式和12C接口方式三種。并行接口方式的Flash占用過多的單片機I/O引腳，本文設(shè)計的記錄儀I/O資源緊張；12C接口的Flash只需要兩個I/O引腳就可以實現(xiàn)訪問但是其訪問速度比擬慢(400Kbps)；SPI總線接口的Flash，需要4個I/O引腳，其訪問的速度可達20Mbps。綜上所述，F(xiàn)M25L256很適合應(yīng)用在汽車行駛記錄儀這種要求快速頻繁寫操作的非易失性應(yīng)用場合；SPI接口的閃存AT45DB081B適合本記錄儀的應(yīng)用[14]。采用鐵電存儲器與SPI接口的閃存兼顧按字節(jié)快速寫入速度、較大數(shù)據(jù)存儲空間及掉電不喪失數(shù)據(jù)的需求。3.5.3存儲器選型(1)鐵電存儲器FM25L256通過SPI接口與主控芯片通信，在SCK的上升沿接收數(shù)據(jù)，在SCK的下降沿發(fā)送數(shù)據(jù)。將FM25L256的WP腳接高電平、狀態(tài)存放器設(shè)置為O×O，不采用硬件寫保護，這樣就可以對所有存儲空間進行寫操作。而且對FM25L256進行操作之前，必須向其傳遞一個操作代碼，以指示FM25L256現(xiàn)在進行的是什么操作。汽車行駛記錄儀實時數(shù)據(jù)存儲模塊的電路連接如圖3.9所示。圖3.9實時數(shù)據(jù)存儲電路表3.5FM25L256引腳功能介紹引腳符號功能介紹引腳符號功能介紹/CS芯片選擇輸入端SI串行輸入端SCK串行時鐘輸入端SO串行輸出端/HOLD保持輸入端VDD電源〔2.7V-3.6V〕/WP寫保護輸入端VSS接地端(2)閃速存儲器AT45DB08lB是ATMEL公司推出的一款基于Flash技術(shù)的大容量數(shù)據(jù)存儲器，采用2．7V-3.6V供電，管腳(SI、SCK、/CS、/RESET、/WP)支持5V輸入，允許直接5VTTL或COMS電平信號相聯(lián)接，并且與之兼容；AT45DB081B的最大時鐘頻率可達20MHz；在系統(tǒng)編程比擬簡單，不需要高電壓。AT45DB081B的存儲結(jié)構(gòu)分為主存儲區(qū)、兩個緩存區(qū)及一個狀態(tài)存放器。主存儲區(qū)容量為8,650，752位，被分成10段、512塊和4096頁三個等級，每頁264字節(jié)。AT45DB081B有段、塊和頁三種操作方式，相關(guān)操作包括讀操作指令、編程擦出指令兩局部。編程操作是基于頁的，可實現(xiàn)對字節(jié)的讀操作，不支持單字節(jié)的寫操作：支持頁寫、頁擦除操作，擦除操作那么可以按塊或頁進行。由于MC9S12D64內(nèi)嵌1個SPI模塊，所以AT45DB081B的硬件電路容易實現(xiàn)，只需將二者對應(yīng)管腳相連即可。WP為寫保護引腳，如果將其置低，那么AT45DB081B中存儲器的前256頁被寫保護。如果要對其執(zhí)行寫操作，必須使WP為高。WP引腳在芯片內(nèi)部拉高，如果不使用寫保護功能該引腳可以懸空。為了提高AT45DB081B的可靠性，/WP端接電源，允許寫。當AT45DB081B的CS由高變低時，芯片啟動一次操作，而當CS由低變高時，終止操作。這時SI上的任何數(shù)據(jù)都被忽略，SO處于高阻態(tài)[15]。AT45DB081B的接口電路如圖3.10所示。圖3.10歷史數(shù)據(jù)存儲電路表3.6AT45DB081B引腳介紹引腳符號功能介紹引腳符號功能介紹/CS片選端/WP寫保護輸入端SI串行輸入端/RES復(fù)位端SO串行輸出端/RDY/BUSY就緒/忙SCK串行時鐘輸入端VCC電源GND接地3.6駕駛員身份識別國標規(guī)定記錄儀應(yīng)能實現(xiàn)駕駛?cè)藛T身份記錄功能，應(yīng)能記錄駕駛員代碼和公安交通管理部門核發(fā)的機動車駕駛證證號。lC卡是汽車行駛記錄儀的重要組成局部，主要用于駕駛員身份識別和存儲汽車的根本數(shù)據(jù)，例如放駕駛員代碼和駕駛證號碼[16]。駕駛員在開車之前插入IC卡，直到離開時將IC卡拔出，在此期間存儲的駕駛記錄均由該駕駛員產(chǎn)生。3.6.1設(shè)計方案的選擇目前汽車行駛記錄儀采用的駕駛員身份識別方式主要有：直接輸入識別、非接觸式IC卡識別以及接觸式IC卡識別。方案一：直接輸入式識別。顧名思義就是直接通過按鍵，輸入駕駛員的信息資料來確認身份。最常見的是輸入與駕駛證號碼唯一對應(yīng)的駕駛員代碼和密碼，從而實現(xiàn)駕駛員身份的識別。直接輸入識別方式開發(fā)簡單，可靠性較高，但也存在著占用CPU引腳多，增大記錄儀體積等缺點。方案二：非接觸式IC卡識別。其讀寫過程通常由非接觸式IC片和讀寫設(shè)備間的無線電波來完成。非接觸式IC卡識別方式操作過程簡單，但是抗干擾能力相對較弱，且本錢較高。方案三：接觸式IC卡識別。CPU一旦探測到有IC卡插入那么通過卡的I/O口讀取數(shù)據(jù)，接著進行程序的判斷處理。當確定為合法的IC駕駛員卡后，再按照協(xié)議讀取駕駛員信息。接觸式IC卡存儲量大，讀寫機構(gòu)造價廉價，維護方便[17]。綜合考慮，此設(shè)計采用方案三IC卡的方式作為記錄儀主機的駕駛員身份識別方案。IC卡(IntegratedCircuitcard)又叫智能卡(smartcard)。根據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域IC卡可分為金融IC卡和非金融IC卡；從IC卡的讀／寫方法上來分類有接觸型和非接觸型兩種；根據(jù)IC卡內(nèi)部結(jié)構(gòu)可分為存儲卡(memorycard)、邏輯加密IC卡和CPU卡3種。為了保證駕駛員的信息不被隨意更改，選用西門子公司生產(chǎn)的接觸式邏輯加密卡SLE4442.3.6.2電路設(shè)計SLE4442提供最小10萬次的擦寫次數(shù)，數(shù)據(jù)保存10年，具備12C總線接口。SLE4442存儲器主要由256字節(jié)E2pROM型主存儲器、32位PROM型保護存儲器和4字節(jié)E2PROM型加密存儲器組成。SLE4442卡讀卡器電路如圖3.11所示：3.11IC卡接口電路表3.7SLE4442引腳功能介紹引腳符號功能介紹引腳符號功能介紹VCC工作電壓GND地線RST復(fù)位信號SCL串行時鐘輸入SDA串行數(shù)據(jù)輸入/輸出SW2/SW1卡插入測試端單片機內(nèi)嵌一個12C模塊，硬件實現(xiàn)較為簡單，只需把SLE4442的兩線(SCL和SDA)和單片機對應(yīng)的引腳相連即可，由于SCL和SDA是開漏輸出，所以要加上拉電阻。RST引腳與單片機l/O腳相連。接觸推拔式IC卡卡座有常開、常閉兩種類型，本文采用常開卡座。IC卡插入方向為IC卡觸點面向上，并且觸點端朝前。ICSW腳與單片機I/O引腳相連，有IC卡插入時，ICSW為高電平；反之，無IC卡插入。3.7車載主機和上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸方式國家標準規(guī)定汽車行駛記錄儀應(yīng)同時配置以下兩種標準接口：USB(通用串行總線)標準接口，建議采用主結(jié)構(gòu)式USB接口；標準RS232CD型9針接口。在具備上述通信接口的根底上，可以同時使用其它通信方式。USB技術(shù)的優(yōu)勢以及USB接口在此設(shè)計中的應(yīng)用通用串行總線USB技術(shù)具備很多優(yōu)點：設(shè)備自動被系統(tǒng)識別，自動安裝驅(qū)動程序，系統(tǒng)自行進行配置；USB支持熱插拔和即插即用；占用的系統(tǒng)資源少，無總線競爭；速度快：USBl．1支持1．5Mbps和12Mbps兩種傳輸速率，而USB2．0可達480Mbps，比串口快了整整4000倍，比并口也快了400多倍；USB端口支持多個不同設(shè)備的串聯(lián)，一個USB口理論上可連接127個USB設(shè)備；USB事務(wù)處理包括錯誤檢測機制，用以確保數(shù)據(jù)無錯誤的發(fā)送；設(shè)備能夠直接由USB總線進行供電；支持四種傳輸方式：控制傳輸、中斷傳輸、塊傳輸和同步傳輸[18]。在此設(shè)計中USB接口實現(xiàn)了單片機通過USB2.0接口與主機交互數(shù)據(jù)的功能，具體如下：〔1〕駕駛員身份碼設(shè)置，公司管理人員用計算機通過專用軟件，進行駕駛員信息數(shù)據(jù)設(shè)置，再輸入移動優(yōu)盤，駕駛?cè)藛T在開車時將已儲存駕駛員信息的移動優(yōu)盤，插入USB接口，優(yōu)盤能由記錄儀自動讀取、分辨駕駛員身份碼。〔2〕對記錄儀進行初始設(shè)置，在汽車行駛記錄儀采集設(shè)置軟件中進行數(shù)據(jù)設(shè)置，保存至移動優(yōu)盤，通過權(quán)限命令，記錄儀自動執(zhí)行初始化設(shè)置?！?〕實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)移，行車后，通過權(quán)限命令可用移動優(yōu)盤采集數(shù)據(jù)，導(dǎo)入桌面管理系統(tǒng)，進行分析修正。其數(shù)據(jù)采集過程如下：將汽車行駛記錄儀上位機目錄中的相關(guān)管理命令復(fù)制到空白優(yōu)盤中，記錄儀將會自動執(zhí)行采集數(shù)據(jù)的命令，把行駛數(shù)據(jù)輸入優(yōu)盤。3.7.2USB接口的硬件電路設(shè)計STM32F103芯片內(nèi)部集成了USB外設(shè)，大大減輕了USB電路的設(shè)計負擔，只需設(shè)計USB接口電路，就可以實現(xiàn)基于STM32F103芯片的電路板的USB通信設(shè)計。USB接口電路很簡單，只需要連接好USB接口的4根線就根本可以了。如圖3.12所示，左邊是一個標準的USB接頭。USB-和USB+兩根信號線連接到STM32F103芯片的DPLUS和DMINUS引腳。圖3.12USB接口電路在圖3.12中，2、3端點對應(yīng)與B型口的兩個差分數(shù)據(jù)引腳，1和4端點分別對應(yīng)B型口的電源和接地引腳。由于B型口直接與USB電纜連接，由上面分析可得出USB電纜組成情況，具體連接定義可見表3.8。表3.8USB電纜連接定義連接序號信號名稱典型連接線1VBUS〔電源正〕紅2USB-(負差分信號〕白3USB+(正差分信號)綠4GND〔電源地〕黑外層屏蔽層－如表3.8所示，USB電纜也包含了兩根電源線VBUS和GND，其電壓標稱值為+5V，但實際上這個電壓可能會偏高或偏低一些。對于高功率集線器端口，該電壓范圍是4．75V～5．25V，而對于低功率集線器端口，該電壓范圍是4．4V～5．25V。另外，由于電纜和其他損失，USB設(shè)備最后得到的電壓可能會更低一些[20]。3.7.3RS232接口記錄儀通過RS232C接口和上位機串行通信，實現(xiàn)與上位機的數(shù)據(jù)交換。通信接口使用標準RS232C9針接口，通信過程符合RS-232C標準。此標準中的電平采用負邏輯，規(guī)定+3V-+15之間的任意電平為邏輯“0〞電平，-3V～-15V之間的任意電平為邏輯“1"電平，與一般微處理器、單片機的TTL或CMOS邏輯電平是不一致的。在實際使用中，必須進行電平轉(zhuǎn)換，以便與RS-232C標準的電平匹配。MAX232是一種把電腦的串行口RS232信號電平〔-10，+10〕轉(zhuǎn)換為單片機所用到的TTL信號點平〔0，+5〕的芯片。MAX232芯片是MAXIM公司生產(chǎn)的低功耗、單電源、雙RS232發(fā)送／接收器。MAX232芯片內(nèi)部有一個電源電壓變換器，可以把輸入的+5V電源變換成RS-232C輸出電平所需的+-10V電壓，所以采用此芯片接口的串行通信系統(tǒng)只要單一的+5V電源就可以。電腦通過串口RS232和單片機RXD和TXD相連，即可將用戶程序下載到單片機。異步串口通信電路如圖3.13所示[21]。引腳介紹：C1+,C1-,C2+,C2-,V+,V-等引腳各和一個電容組合，功能是產(chǎn)生+12V和-12V兩個電源，提供給RS-232串口電平的需要；R1IN,R1OUT,T1IN,TIOUT為第一數(shù)據(jù)通道；R2IN,R2OUT,T2IN,T2OUT為第二數(shù)據(jù)通道。TTL/CMOS數(shù)據(jù)從T1IN,T2IN輸入轉(zhuǎn)換成RS-232數(shù)據(jù)從T1OUT,T2OUT送到電腦，電腦的RS-232數(shù)據(jù)從R1IN,R2IN輸入轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS數(shù)據(jù)后從R1OUT,R2OUT輸出。圖3.13RS232接口電路3.8顯示模塊顯示模塊的主要功能是同鍵盤相配合，起到幫助使用者更直觀、簡便地操作記錄儀主機系統(tǒng)的作用。顯示電路結(jié)合鍵盤電路，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳、下載、顯示狀態(tài)等功能。3.8.1設(shè)計方案的選擇在單片機系統(tǒng)中，常用的顯示器有：發(fā)光二極管，簡稱LED；液晶顯示器簡稱LCD；熒光管顯示器。嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域中LED、LCD的顯示技術(shù)都比擬成熟，本系統(tǒng)顯示的信息量大、數(shù)據(jù)多、界面較復(fù)雜，采用LCD的顯示方案。液晶顯示器有數(shù)碼液晶顯示器、字符液晶顯示器、圖形液晶顯示器和專業(yè)液晶顯示器〔如、PDA等〕。本系統(tǒng)要求能夠進行字符、數(shù)字和漢字的顯示，因此本文選用了可以顯示圖形和漢字的圖形液晶顯示器。顯示器主要是為人機交互提供即時的信息，能讓人們與機器進行很好的交流。在眾多種類的顯示器中，越來越多的儀器儀表及人機交互界面采用液晶顯示器[22]。LCD可分為段位式LCD、字符式LCD和點陣式LCD。其中段位式和字符式只能用于數(shù)字和字符的簡單的顯示，不能滿足圖形曲線和漢字顯示的要求：而點陣式不僅能夠顯示字符和數(shù)字，還可以顯示各種圖形、曲線及漢字，可以實現(xiàn)屏幕的上下左右滾動等功能。3.8.2電路的設(shè)計本系統(tǒng)選用了臺灣矽創(chuàng)電子公司生產(chǎn)的中文圖形液晶控制器ST7920(128*64)，它與驅(qū)動器ST7921組成的模塊最多可驅(qū)動256×32點陣液晶，主要用于顯示漢字及圖形，并內(nèi)置了2MB的中文字型ROM(提供8192個16×16點陣的中文字型)和16KB半寬字型ROM(提供126個16×8點陣的西文字型)。此外，為了適應(yīng)多種微處理器與單片機接口需求，該模塊還可提供4位并行、8位并行、2線串行以及3線串行等多種接口。利用上述特性可以方便地實現(xiàn)文字與圖形混合顯示、畫面去除、顯示開／關(guān)、顯示字體閃爍等很多功能。表3.9ST7920的引腳及功能介紹引腳符號功能介紹引腳符號功能介紹VDD(VCC)電源輸入5VLED(+)背光電壓正VSS〔GND〕電源地LED〔-〕背光電壓負PSB并行/串行選擇，H為并口，L為串口RS(CS)存放器選擇，H數(shù)據(jù)L指令〔串行片選信號端〕RST復(fù)位信號V0LCD驅(qū)動電壓R/W(SID)讀/寫選擇端〔串行數(shù)據(jù)輸入端〕，H讀L寫E〔CLK〕使能信號〔串行時鐘輸入端〕DB0-DB7顯示數(shù)據(jù)ST7920是臺灣矽創(chuàng)電子公司生產(chǎn)的中文圖形液晶控制器，它是一種內(nèi)置128x64漢字圖形點陣的液晶顯示模塊，用于顯示漢字及圖形。該芯片共內(nèi)置8192個漢字(16x16點陣)，128個字符ASCII字符庫(8x16點陣)及64x256點陣顯示RAM(GDRAM)[23]?？勺鳛榭刂破骱万?qū)動器提供32路com輸出和64路seg輸出。ST7920的接口連接的方式非常靈活，分為并行和串行兩種方法。使用并行接口電路復(fù)雜，但編程簡單，訪問速度也快，而使用串行接口電路簡單，但編程復(fù)雜。由于本系統(tǒng)使用的顯示數(shù)據(jù)量不大，并且要盡量簡化電路，因此采用串行接口電路，注意電源和幾條控制線均要加5V上拉，否那么漢字可能不能正常顯示。如圖3.14所示：圖3.14顯示模塊電路設(shè)計3.9時鐘模塊由于系統(tǒng)產(chǎn)生的各種數(shù)據(jù)和記錄都與時間密切相關(guān)，對時鐘的實時性要求很高，同時記錄儀本身存在著斷電的危險，為了準確記錄車輛行駛狀態(tài)，并對異常情況進行記錄，因此選擇實時時鐘芯片來提供日期和時間[24]。實時時鐘芯片是一種不僅能支持每天時間〔時、分、秒〕的更新，而且能夠進行日期〔世紀、年、月、日〕更新的永久時鐘電路。時鐘芯片可以提供北京時間。通過它可以獲得汽車在每一個車速下所對應(yīng)的時間。它和顯示模塊配合實現(xiàn)報警功能。3.9.1設(shè)計方案的選擇近年來應(yīng)用較多的日歷時鐘芯片有美國DALLAS公司研制的DSl2887和DSl302芯片以及PHILIPS公司生產(chǎn)的I2C實時時鐘芯片PCF8563。其中DSl2887是CMOS實時時鐘日歷芯片，可通過并行接口方便地與微處理器相連，該芯片可產(chǎn)生秒、分、時、星期、日、月、年這七個日歷時鐘以及秒、分、時三個警報時鐘。DSl302是串行，涓流充電時鐘芯片，使用簡單，通過一個簡單的串行接口I/O與微處理器通信，還可以通過其備份電源充電[25]。PCF8563是低功耗的CMOS實時時鐘日歷芯片，它提供一個可編程時鐘輸出，一個中斷輸出和掉電檢測器，所有的地址和數(shù)據(jù)通過I2C總線接口串行傳遞。3.9.2電路的設(shè)計本文采用DALLAS公司的DSl302芯片，DS1302與單片機之間能簡單地采用同步串行的方式進行通信，僅需用到三個口線:1.RST復(fù)位，2.I/O數(shù)據(jù)線，3.SCLK串行時鐘。時鐘/RAM的讀/寫數(shù)據(jù)以一個字節(jié)或多達31個字節(jié)的字符組方式通信。DS1302工作時功耗很低，保持數(shù)據(jù)和時鐘信息時功率小于1MW。DS1302是由DS1202改良而來，增加了以下的特性：雙電源管腳用于主電源和備份電源供給VCC1，為可編程涓流充電電源附加七個字節(jié)存儲器。它性能高、功耗低，時鐘校準也較為容易，通過3V鋰電池和車內(nèi)蓄電池兩種方式供電，這樣可以保證當蓄電池在出現(xiàn)故障的情況下，該時鐘芯片仍然能夠正常工作，從而使記錄儀的數(shù)據(jù)同樣準確、可靠[26]。其內(nèi)部自帶3l字節(jié)的靜態(tài)RAM，存儲容量滿足實用的需要。數(shù)據(jù)在CLK的上升沿串行輸入，在進行單字節(jié)或多字節(jié)傳送時，開始的第一個字節(jié)為命令字節(jié)，用于指定31個字節(jié)中哪個將被訪問。當進行任何數(shù)據(jù)傳送時，其最高有效位MSB(位7)必須為邏輯l，如果它是零，那么禁止寫DSl302。其時鐘電路如圖3.15，VCC1與3V鋰電池相連，VCC2與主電源相連，5,6，7引腳分別接主控制器的時鐘端，數(shù)據(jù)端和復(fù)位端，通過主控制器對時鐘模塊進行統(tǒng)一管理。電路圖如圖3.15：圖3.15時鐘芯片接口電路設(shè)計DS1302的引腳排列：VCC1為后備電源；VCC2為主電源〔在主電源關(guān)閉的情況下，也能保持時鐘的連續(xù)運行，DS1302由VCC1或VCC2兩者中的較大者供電，當VCC2大于VCC1＋0.2V時，VCC2給DS1302供電；當VCC2小于VCC1時，DS1302由VCC1供電〕；X1和X2是振蕩源，外接32.768kHz晶振；RST是復(fù)位/片選線，通過把RST輸入驅(qū)動置高電平來啟動所有的數(shù)據(jù)傳送〔RST輸入有兩種功能：首先，RST接通控制邏輯，允許地址/命令序列送入移位存放器；其次，RST提供終止單字節(jié)或多字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送手段。當RST為高電平時，所有的數(shù)據(jù)傳送被初始化，允許對DS1302進行操作。如果在傳送過程中RST置為低電平，那么會終止此次數(shù)據(jù)傳送，I/O引腳變?yōu)楦咦钁B(tài)。上電運行時，在VCC≥2.5V之前，RST必須保持低電平。只有在SCLK為低電平時，才能將RST置為高電平〕；I/O為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端(雙向)；SCLK為串行時鐘輸入端，控制數(shù)據(jù)的輸入和輸出；GND是接地端。3.10熱敏打印單元國標要求：記錄儀至少應(yīng)能打印輸出車牌號碼、車牌分類、駕駛員代碼、駕駛證號碼、打印實時時間、停車時刻前15min內(nèi)每分鐘的平均車速、疲勞駕駛記錄。3.10.1設(shè)計方案的選擇微型打印機具有響應(yīng)快、功耗低、價格低和體積小攜帶方便等優(yōu)點，能夠在打印數(shù)據(jù)量不大的情況下滿足打印需求[27]。微型打印機按數(shù)據(jù)傳輸方式，可分為無線微型打印機和有線微型打印機，前者利用紅外或藍牙進行數(shù)據(jù)通信，不僅需要特殊的硬件支持，而且價格昂貴；后者通過串行或并行方式進行數(shù)據(jù)通信，由于串口打印機存在速度慢、不能反映當前打印機狀態(tài)等缺點，因此采用具有多線控制精確、數(shù)據(jù)傳輸快和高性價比等優(yōu)點的并口微型打印機。3.10.2接口電路的設(shè)計微型打印機控制接口電路如圖3.16所示，包括8位并行數(shù)據(jù)口〔D0-D7〕。由系統(tǒng)地址譯碼信號CS和系統(tǒng)寫信號WR經(jīng)過邏輯與之后提供數(shù)據(jù)鎖存控制信號〔/STB〕。打印機忙檢測信號〔BUSY〕由PD11進行檢測。SEL和/ERR控制端由上拉電阻置為高電平。因為已經(jīng)檢測了BUSY信號，所以打印機應(yīng)答信號ACK可不必檢測。圖3.16打印機接口電路3.11報警模塊報警顯示局部是操作人員掌握了解行車信息的重要通道，本記錄儀模塊的開發(fā)不僅要滿足記載重要行車數(shù)據(jù)的要求，而且還必須在發(fā)生危險情況或者非法操作時及時提醒駕駛員，以盡量防止事故的發(fā)生。當某個參數(shù)的測量值超過預(yù)定的期限值時，置零相對應(yīng)的引腳，將啟動閃光報警。閃光報警電路設(shè)計如圖3.17：圖3.17閃光報警器電路設(shè)計當PD12輸出為0電平時，LED開始閃爍；當PD12輸出為1電平時，LED熄滅。LED選用紅色。4軟件設(shè)計汽車行駛記錄儀軟件局部主要是結(jié)合硬件系統(tǒng)來實現(xiàn)整個記錄儀的各項功能。該章介紹整個系統(tǒng)中幾個重要局部的程序，它們是：主程序、信號采集程序、RS-232通信程序、USB通信程序、數(shù)據(jù)存儲程序、液晶顯示程序、停車預(yù)處理程序的設(shè)計。4.1編寫程序使用的語言的選擇當設(shè)計一個小的嵌入式系統(tǒng)時，一般都用匯編語言但是使用匯編的麻煩在于它的可讀性和可維護性特別當程序沒有很好的標注的時候代碼的可重用性也比擬低。用C編寫的程序有很好的結(jié)構(gòu)性和模塊化更容易閱讀和維護，由于模塊化用C語言編寫的程序有很好的可移植性功能化的代碼能夠很方便的從一個工程移植到另一個工程從而減少了開發(fā)時間。用C編寫程序比匯編更符合人們的思考習慣開發(fā)者可以更專心的考慮算法而不是考慮一些細節(jié)問題，這樣就減少了開發(fā)和調(diào)試的時間。使用C語言程序員不必十分熟系處理器的運算過程這意味著對新的處理器也能很快上手，不必知道處理器的具體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使得用C編寫的程序比匯編程序有更好的可移植性。C的特點就是可以使你盡量少地對硬件進行操作，是一種功能性和結(jié)構(gòu)性很強的語言[28]。4.2設(shè)計方案4.2.1主程序 主程序的名稱是main0，它主要完成系統(tǒng)上電自檢，芯片的初始化等工作，然后進入一個無限循環(huán)的過程，等待中斷產(chǎn)生，并根據(jù)中斷來進行一系列的后繼處理，其流程圖如圖4.1：圖4.1主程序流程圖4.2.2信號采集模塊子程序設(shè)計信號采集子程序主要完成的功能是對車速信號的采集，開關(guān)量的采集只需要定時讀單片機的P1口的狀態(tài)即可，而時鐘信號是與采集的車速信號和開關(guān)信號所形成的數(shù)據(jù)一起形成各種記錄，無需單獨采集。車速信號的采集主要是脈沖送到單片機的T0端口進行脈沖計數(shù)，與此同時單片機的T1進行計時開始待到定時器產(chǎn)生中斷請求后，由計數(shù)器得到的脈沖數(shù)經(jīng)過速度計算的公式和里程的計算后得到汽車行駛的速度和里程。等待定時中斷，每隔0.125s產(chǎn)生一次定時中斷，讀取脈沖計數(shù)器中記錄的脈沖數(shù)和開關(guān)量信號，并通過脈沖數(shù)計算出0.125秒內(nèi)的速度。每隔20s將采集的汽車車速數(shù)據(jù)及開關(guān)量信號并存儲在實時數(shù)據(jù)存儲器中，這組數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)處理程序中進行處理后將按標準格式轉(zhuǎn)存至歷史數(shù)據(jù)存儲器中。在數(shù)據(jù)采集過程結(jié)束后，程序?qū)⑦M入數(shù)據(jù)處理子程序。把實時數(shù)據(jù)存儲器中的數(shù)據(jù)進行處理，按格式標準存儲于歷史數(shù)據(jù)存儲器中。經(jīng)過處理后會更新時間、速度、里程、汽車狀態(tài)信息數(shù)據(jù)，同時還會存儲15天內(nèi)累記行駛里程、15天內(nèi)行駛速度等數(shù)據(jù)，為同后將數(shù)據(jù)上傳到上位機或者PC時進行更詳細、全面的處理提供源記錄[29]。測速程序的流程圖如圖即定時中斷流程圖：圖4.2測速流程圖數(shù)據(jù)采集流程圖：圖4.3數(shù)據(jù)采集流程圖數(shù)據(jù)處理流程圖：按照汽車行駛記錄儀國家標準規(guī)定，當同一位駕駛員連續(xù)兩次開車時，如果兩次開車之間休息時間大于20分鐘，那么開車時長從后一次車輛啟動開始計算；但如果休息時間小于20分鐘，那么開車時長從前一次車輛啟動開始計算，并且加上休息時長。因此，根據(jù)駕駛員信息及休息時長的不同，分別用不同的方式計算