汽車行車記錄儀論文最終

本科畢業(yè)論文〔設(shè)計〕題目：基于STM32的汽車行駛記錄儀的設(shè)計與實現(xiàn)姓名：學(xué)號：專業(yè)：院系：指導(dǎo)老師：職稱學(xué)位：完成時間：教務(wù)處制基于STM32的汽車行駛記錄儀的設(shè)計與實現(xiàn)摘要汽車行駛記錄儀是一種電子式記錄設(shè)備，它對車輛行駛的時間、速度、里程以及車輛行駛的狀態(tài)信息進行采集、記錄、存儲。汽車行駛記錄儀的使用，對疲勞駕駛、超速行駛等駕駛員不良駕駛習(xí)慣能夠起到約束作用，對保障車輛的平安行駛，分析和鑒定交通事故原因上具有重要的作用。本次設(shè)計中設(shè)計了一款基于STM32的汽車行駛記錄儀，主要采用STM32F103單片機為主控單元，以O(shè)V7670攝像頭模塊為圖像采集模塊，以SD卡位數(shù)據(jù)存儲模塊。控制系統(tǒng)以一定的間隔收集攝像頭模塊采集到的圖像數(shù)據(jù)，并進行存儲，實現(xiàn)實時的圖像收集；通過將SD卡插入電腦端即可對系統(tǒng)實時拍攝并存儲的圖像信息進行查看。除此之外，可以通過串口工具實時監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸過程，使得抽象的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)調(diào)用變的更加形象、具體。本次設(shè)計的汽車行駛記錄儀具有實時性好，可靠性和性價比高的特點。關(guān)鍵詞：汽車行駛記錄儀；實時監(jiān)控；STM32；SD卡ResearchOnVehicleTravelingDataRecorderBasedOnSTM32AbstractVehicletravelingdatarecorderisanelectronicrecordingdevice,itsvehicletraveltime,speed,mileageandvehiclestatusinformationcollection,recording,storage.Baddrivinghabitsvehicletravelingdatarecorderuse,fatiguedriving,speedingandsothedrivercanactasarestraintonthesafedrivingsupportvehicles,andhasanimportantroleintheanalysisandidentificationofAccidents.ThedesignbasedontheSTM32designedavehicletravelingdatarecorder,mainlySTM32F103microcontrollerasthemaincontrolunittothecameramoduleOV7670imageacquisitionmoduletoyourSDCarddatastoragemodule.Controlsystemsatcertainintervalstocollectthecameramoduletocaptureimagedata,andstorereal-timecollectionofimages,wecaninserttheSDcardtothecomputersideofthesysteminrealtimeandstorethecapturedimageinformationview.Inaddition,throughtheserialdatatransmissionsystemmonitoringtoolforreal-time,makingtheabstractdataacquisition,datastorage,datacallimagebecomesmorespecific.Thedesignofthecarrecorderwithareal-time,highreliability,andcostcharacteristics.KeyWords：vehicletravelingdatarecorder，Real-timemonitoring，STM32，SDcard目錄1緒論11.1課題研究的背景和意義11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及開展趨勢11.3本文的主要工作32系統(tǒng)整體設(shè)計42.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計42.3系統(tǒng)各模塊的選型52.3.1系統(tǒng)主控芯片的選型52.3.2系統(tǒng)圖像傳感器模塊的選型63汽車行駛記錄儀的硬件設(shè)計83.1系統(tǒng)硬件原理圖83.2系統(tǒng)功能模塊設(shè)計83.2.1電源模塊電路設(shè)計93.2.2STM32最小系統(tǒng)設(shè)計103.2.3圖像采集模塊113.2.4SD卡數(shù)據(jù)存儲模塊123.2.5程序燒錄模塊134汽車行駛記錄儀的軟件設(shè)計144.1汽車行駛記錄儀的主程序設(shè)計154.2子程序設(shè)計175調(diào)試與測試195.1硬件的調(diào)試195.2軟件調(diào)試205.3系統(tǒng)實現(xiàn)216結(jié)論22致謝23參考文獻24附錄251緒論1.1課題研究的背景和意義隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)開展，國民機動車保有量急劇增加，交通運輸企業(yè)的規(guī)模和管理等級逐步擴大，而與此同時帶來了大量疲勞駕駛、超速行駛等違章駕駛行為，使交通事故不斷涌現(xiàn)，嚴(yán)重威脅了道路交通平安與駕駛?cè)藛T的生命平安。因此，如何提高汽車的平安系數(shù)，防止車輛的損失和人員的傷亡是未來汽車開展的方向。[1]汽車行駛記錄儀,俗稱“汽車黑匣子”，來源于“飛機黑匣子”，安裝在車輛上，記錄車輛行駛速度，時間，里程等并通過接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳遞。汽車行駛記錄系統(tǒng)要求能夠?qū)崟r、完整、準(zhǔn)確的記錄車輛在行駛過程中的各種狀態(tài)信息。[2]對疲勞駕駛，車輛超速等違章駕駛行為有約束作用。對分析鑒定交通事故，提高交通管理的執(zhí)法水平，提高運輸企業(yè)的管理水平，保障車輛運行的平安有重要作用。汽車行駛記錄儀實時將車輛行駛信息反響給為駕駛員，同時將信息提供應(yīng)其所屬的道路交通運輸企業(yè)，使企業(yè)能夠提高車輛使用效率。而且對道路平安有顯著的提高。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及開展趨勢汽車行駛記錄儀的制造和運用最早開始于歐洲，二十世紀(jì)二十年代，距現(xiàn)在已經(jīng)有七十多年。隨著道路交通平安運輸要求的提高，德國政府對載貨量大于7噸的貨運汽車和客運汽車強制安裝行駛記錄儀。1970年后，歐洲開始推廣德國經(jīng)驗，其它各國開始強制執(zhí)行行駛記錄儀的安裝[3]。在1990年前，歐洲各國立法要求在商用汽車上必須安裝汽車行駛記錄儀,在未來的十年內(nèi)給900萬輛商用車安裝汽車行駛記錄儀。其中,9座以上的巴士、3噸以上的貨運汽車是必須安裝記錄儀的。美、日等國和地區(qū)跟隨歐洲的步伐，也開始推廣汽車行駛記錄儀。美國要求汽車制造商廠要給新車加裝汽車行駛記錄儀。GM通用汽車公司為其生產(chǎn)的600萬輛汽車在出廠的時候安裝了汽車行駛記錄儀。而日本那么是通過立法，規(guī)定商業(yè)運營用的客運汽車、出租車、貨車〔載貨量大于5噸〕都要安裝汽車行駛記錄儀。來自交通部門的資料顯示，在歐美各國強制推廣汽車行駛記錄儀后，交通事故率明顯下降。如德國貨車事故發(fā)生率由1970年的每50萬公里/起，下降為2000年的每160萬公里一起，事故率減少了220%；而客運汽車那么4萬公里/起，降為100萬公里/故，事故率減少了150%。國外最新的產(chǎn)品除了能實時記錄車輛行駛信息，還具有GPS定位功能，還可以將這些信息傳送給車隊調(diào)度中心。[4]家長們可以通過給車輛安裝該系統(tǒng)，然后在互聯(lián)網(wǎng)上監(jiān)控，以保證駕車行駛的孩子的人身平安。我國從80年末起，開始在一些地區(qū)試用國內(nèi)有自主知識產(chǎn)權(quán)的電子式汽車行駛記錄儀。截止2004年，國內(nèi)已有80多家生產(chǎn)汽車行駛記錄儀的廠家，通過公安部交通平安產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心檢測的有68家。據(jù)統(tǒng)計，全國20多個省、自治區(qū)、直轄市汽車行駛記錄的推廣工作取得極大的進展，有350多家運輸企業(yè)安裝使用了汽車行駛記錄儀，共計2萬多輛汽車。[5]但是，我國汽車行駛記錄儀的推廣仍處于初期階段，且全國各地的進展也不一樣。目前，雖然市場上已經(jīng)有80多家廠商的產(chǎn)品，但大多數(shù)產(chǎn)品功能單一，性價比低，不利于記錄儀的普及。隨著我國交管人員對記錄儀在道路交通平安上的作用認(rèn)識的提高。開始加大汽車行駛記錄儀在交通運輸管理上的應(yīng)用,而國內(nèi)汽車行駛記錄儀的研發(fā)也越來越成熟，技術(shù)指標(biāo)越來越接近國外的產(chǎn)品。有鑒于此，國家于2003年4月15日頒發(fā)的國標(biāo)GB/T19056-2003，2003年9月1施行。目前，推廣記錄儀的應(yīng)用存在的困難主要有以下：一、缺乏宏觀立法的支持；二、交通運輸企業(yè)還沒有意識到汽車行駛記錄儀對企業(yè)管理和節(jié)省運營本錢上的作用，而且市場上汽車行駛記錄儀的性能指標(biāo)參差不齊，價格也各不相同，售后效勞也不完善。導(dǎo)致企業(yè)不愿意使用汽車行駛記錄儀作為管理工具,影響企業(yè)使用的積極性。三、交通管理部門對汽車行駛記錄儀的推廣宣傳工作不到位，對汽車行駛記錄儀在防范事故發(fā)生和增強道路行車平安意識上的作用認(rèn)識缺乏。1.3本文的主要工作本課題研究的主要內(nèi)容包括以下幾個方面：第一章緒論，主要介紹了課題研究背景及意義，國內(nèi)外汽車行駛記錄儀的研究現(xiàn)況及開展趨勢，并提出了課題研究的主要內(nèi)容。第二章系統(tǒng)整體設(shè)計，核心模塊的選型。第三章系統(tǒng)硬件設(shè)計，各個功能模塊的電路設(shè)計。第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計，各個功能模塊的軟件設(shè)計。第五章系統(tǒng)調(diào)試，本章是對這個系統(tǒng)運行狀態(tài)的總結(jié)和概括，并通過軟硬件調(diào)試完善系統(tǒng)功能，同時對于可能出現(xiàn)的干擾問題進行分析和解決。第六章總結(jié)。2系統(tǒng)整體設(shè)計本章介紹了汽車行駛記錄儀需要到達的各項性能指標(biāo)，以及針對這些指標(biāo)提出總體的設(shè)計方案，并介紹系統(tǒng)主控芯片的選擇原那么。2.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計系統(tǒng)通過對外部模擬信號〔圖像信號〕的實時采集，并將原始數(shù)據(jù)送入STM32，經(jīng)處理后，將需要保存的數(shù)據(jù)存入系統(tǒng)內(nèi)部大容量儲存器中。需要顯示的數(shù)據(jù)那么通過人機接口模塊顯示。在車輛正常運行時，系統(tǒng)電源采用汽車發(fā)電機輸出的經(jīng)變換后的電源。由于發(fā)電機輸出電壓不穩(wěn)定，所以，系統(tǒng)需要電源監(jiān)控電路來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了保證不喪失數(shù)據(jù)，需要有掉電保護電路，掉電保護電路在監(jiān)控到系統(tǒng)供電電源低于閾值時，產(chǎn)生掉電中斷，通知STM32將內(nèi)存中需保存的數(shù)據(jù)寫入到FLASH中，同時將系統(tǒng)電源切換到備用電源，STM32進入睡眠模式，只有片上實時時鐘模塊的內(nèi)核正常工作，降低系統(tǒng)功耗。[6]STM32芯片內(nèi)部自帶實時時鐘模塊，通過外接32.798kHz的晶振，可產(chǎn)生準(zhǔn)確的1秒定時，時鐘模塊的內(nèi)部有一個32位的存放器，通過計數(shù)器累加，最長可記錄136年的時間信息。本設(shè)計中的系統(tǒng)主要由微處理器模塊，圖像采集模塊，電源模塊，SD卡存儲模塊四個模塊組成。本設(shè)計中的汽車行駛記錄儀系統(tǒng)的整體設(shè)計框圖如圖2.1所示。圖2.1系統(tǒng)框圖2.3系統(tǒng)各模塊的選型2.3.1系統(tǒng)主控芯片的選型汽車行駛記錄儀以STM32F103〔STM32〕為核心處理器，搭配外圍電路實現(xiàn)對車輛行駛信息的實時采集、處理和儲存。STM32是意法半導(dǎo)體公司開發(fā)的基于Cortex–M3(CM3)內(nèi)核的32位RISC處理器，CM3內(nèi)核與傳統(tǒng)51內(nèi)核的馮諾伊曼結(jié)構(gòu)不同，CM3采用擁有獨立指令總線和數(shù)據(jù)總線的帶分支預(yù)測的三級流水線哈佛結(jié)構(gòu)。搭載CM3內(nèi)核的STM32，工作頻率最高能達72MHz，在存儲器的0等待周期訪問時可達1.25DMips/MHz。而且支持單周期乘法和硬件除法，極大提高數(shù)據(jù)處理能力。[7]自帶上電/斷電復(fù)位(POR/PDR)、可編程電壓監(jiān)測器(PVD)，3個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，1μs轉(zhuǎn)換時間，轉(zhuǎn)換范圍：0至3.6V，12通道DMA控制器，支持的外設(shè)：定時器、ADC、DAC、SDIO、I2S、SPI、I2C和USART，多達112個快速I/O端口，片上集成4個16位定時器，每個定時器有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，2個看門狗定時器(獨立的和窗口型的)，2個I2C接口，5個USART，3個SPI，CAN接口〔2.0B主動〕，USB2.0全速接口〔設(shè)備模式〕，SDIO。2.3.2系統(tǒng)圖像傳感器模塊的選型OV7670是OV公司生產(chǎn)的一顆1/6寸的CMOSVGA圖像傳感器。該傳感器體積小、工作電壓低，提供單片VGA攝像頭和影像處理器的所有功能。通過SCCB總線控制，可以輸出整幀、子采樣、取窗口等方式的各種分辨率8位影像數(shù)據(jù)。該產(chǎn)品VGA圖像最高到達30幀/秒。用戶可以完全控制圖像質(zhì)量、數(shù)據(jù)格式和傳輸方式。所有圖像處理功能過程包括伽瑪曲線、白平衡、度、色度等都可以通過SCCB接口編程。[8]OV圖像傳感器應(yīng)用獨有的傳感器技術(shù)，通過減少或消除光學(xué)或電子缺陷如固定圖案噪聲、托尾、浮散等，提高圖像質(zhì)量，得到清晰的穩(wěn)定的彩色圖像。OV7670的主要特點見下表2-1。表2-1OV7670攝像頭模塊特性序號OV7670的特點1高靈敏度、低電壓適合嵌入式應(yīng)用2標(biāo)準(zhǔn)的SCCB接口，兼容IIC接口3支持RawRGB、RGB(GBR4:2:2，RGB565/RGB555/RGB444)，YUV(4:2:2)和YCbCr〔4:2:2〕輸出格式4支持VGA、CIF，和從CIF到40*30的各種尺寸輸出5支持自動曝光控制、自動增益控制、自動白平衡、自動消除燈光條紋、自動黑電平校準(zhǔn)等自動控制功能。同時支持色飽和度、色相、伽馬、銳度等設(shè)置。6支持閃光燈，支持圖像縮放ALIENTEKOV7670攝像頭模塊自帶了有源晶振，用于產(chǎn)生12M時鐘作為OV7670的XCLK輸入。同時自帶了穩(wěn)壓芯片，用于提供OV7670穩(wěn)定的2.8V工作電壓，并帶有一個FIFO芯片〔AL422B〕，該FIFO芯片的容量是384K字節(jié)，足夠存儲2幀QVGA的圖像數(shù)據(jù)。[9]圖2.2為該模塊的外觀。圖2.3位該模塊的原理圖。圖2.2OV7670攝像頭模塊實物圖圖2.3OV7670攝像頭模塊原理圖3汽車行駛記錄儀的硬件設(shè)計本章記錄了汽車行駛記錄儀硬件系統(tǒng)的整體構(gòu)架，并分別介紹了各個功能模塊的設(shè)計原理、方案選擇和具體電路設(shè)計。3.1系統(tǒng)硬件原理圖系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)以STM32最小系統(tǒng)為核心，在此根底上附加其它的各個功能模塊，實現(xiàn)更多更復(fù)雜的功能。圖3.1系統(tǒng)硬件原理圖圖3.1為系統(tǒng)硬件原理圖，圖中包括電源模塊、STM32最小系統(tǒng)模塊、攝像頭圖像采集模塊、SD卡數(shù)據(jù)存儲模塊以及程序燒錄模塊。3.2系統(tǒng)功能模塊設(shè)計系統(tǒng)功能模塊設(shè)計詳細(xì)介紹各個功能模塊的設(shè)計思路，方案和核心器件選擇以及最后的電路實現(xiàn)。電源模塊電路設(shè)計電源電路作為整個系統(tǒng)的供電系統(tǒng)，為整個系統(tǒng)的正常運行提供了最根本的保證，同時也是整個系統(tǒng)最根本的可靠性保證。目前市場上汽車種類繁多，汽車所提供的電源有+12V，+24V和+36V三種電平標(biāo)準(zhǔn)。我國的車輛主要以+12V和+24V的為主，但是現(xiàn)如今的絕大局部車輛都帶有USB接口，現(xiàn)在的USB接口統(tǒng)一含有5V直流電源，所以本論文以直流5V電平設(shè)計方案，供電系統(tǒng)。[10]電源模塊除了考慮輸入電壓外還需要考慮功耗、電源反接和過壓保護、電磁干擾和車輛起動停止時電源電壓的變化。汽車內(nèi)部是一個復(fù)雜的電磁環(huán)境，有著各種電磁干擾。如點火系統(tǒng)產(chǎn)生的瞬間高達10KV級的尖峰脈沖。以及其它的車載用電設(shè)備對車輛電源也會產(chǎn)生很大的影響，使電源電壓產(chǎn)生較大的浪涌電流和電壓波動，導(dǎo)致電源質(zhì)量變差。所以為保證本設(shè)計的汽車行車記錄儀的穩(wěn)定性和可靠性，直接采用汽車內(nèi)部經(jīng)過專業(yè)處理過得USB供電接口作為電源，這樣既能防止浪涌電流，電壓波動，防止反接等。然而本設(shè)計中的汽車行駛記錄儀需要+3.3V工作電壓，而汽車USB充電接口提供的電壓一般是+5V，所以需要通過電壓轉(zhuǎn)換電路，將汽車提供的電壓轉(zhuǎn)換為記錄儀需要的電壓。具體電路圖如圖3.5。圖3.5電源原理圖汽車行駛記錄儀作為車載設(shè)備，整機的功耗應(yīng)該越小越好，而線性穩(wěn)壓電源的效率不到50%，也就是大于一半的功率被電源損耗了，并且穩(wěn)壓器在損耗功率的同時還產(chǎn)生大量熱量，給電源模塊的散熱和小型帶來困難。而且線性穩(wěn)壓電源調(diào)整管跨接在輸入和輸出之間，不能有效地隔離輸入輸出電壓，而汽車供電電源質(zhì)量很差，有很大的波動和脈沖，會影響記錄儀的工作狀態(tài)和使用壽命。所以，汽車行駛記錄儀的+5V供電模塊不適合用線性穩(wěn)壓電源。但是，線性穩(wěn)壓電源紋波小，穩(wěn)定性高，而且低壓差的線性穩(wěn)壓電源效率也不低，以LM1117為例，輸入+5V輸出+3.3V，效率能夠到達66%。所以+3.3V電源模塊使用LM1117為核心芯片。LM1117將+5V變換成+3.3V，由于壓差小，因此功率損耗也小，器件本身就能很好的完成散熱，不需要加散熱裝置。發(fā)光管D1和D2指示電源工作狀態(tài)。3.2.2STM32最小系統(tǒng)設(shè)計為構(gòu)建可穩(wěn)定工作的STM的最小系統(tǒng)，STM32需要時鐘電路、復(fù)位電路、啟動電路這些外圍接口電路。具體STM32的最小系統(tǒng)原理圖見圖3.7，復(fù)位電路，啟動電路和其他單片機電路大致相同，這里重點介紹一下STM32的時鐘電路。STM32提供了五個時鐘源來供用戶選擇，分別是：HSI〔內(nèi)部高速時鐘，由RC振蕩器提供的8MHz時鐘〕、LSI〔內(nèi)部的低速時鐘，由RC振蕩器提供的40KHz時鐘〕、HSE〔外部高速時鐘，由外部振蕩器提供時鐘，頻率在4MHz~16MHz之間〕、LSE〔外部低速時鐘，也由外部振蕩器提供時鐘，使用頻率32.768KHz的石英振蕩器，作為實時時鐘RTC的時鐘源〕、PLL〔鎖相環(huán)倍頻輸出，倍頻可選擇2~16倍，倍頻后的主頻一般不超過72MHz〕。由于內(nèi)部RC振蕩器提供的時鐘不是很穩(wěn)定和準(zhǔn)確，所以本設(shè)計采用外部石英振蕩器提供系統(tǒng)和實時時鐘的時鐘信號。圖3.6最小系統(tǒng)晶振圖中Y1為石英晶體振蕩器，相對于RC振蕩器石英晶體振蕩器的精度和頻率穩(wěn)定度更高，C1、C2為Y1的負(fù)載電容。由于石英晶體振蕩器本身不是振蕩器，只有通過外接負(fù)載電容，構(gòu)成并聯(lián)諧振電路，并通過負(fù)反響電路才能構(gòu)成一個穩(wěn)定的正弦波振蕩電路。[11]由于石英晶體的物理特性，振蕩電路產(chǎn)生的正弦信號不會有太大的改變，能夠提供穩(wěn)定的時鐘信號。R13是為了系統(tǒng)能更可靠的起振。圖3.7STM32最小系統(tǒng)3.2.3圖像采集模塊本設(shè)計中攝像頭圖像采集模塊采用的OV7670攝像頭模塊，該模塊雖然只能采集到黑白色的圖像信息，但是因為它有本錢低，反響速度快等優(yōu)點，所以得到廣泛的應(yīng)用。OV7670攝像頭模塊自帶有源晶振，用于產(chǎn)生12M時鐘作為OV7670的XCLK輸入，同時還自帶了穩(wěn)壓芯片，用于提供OV7670穩(wěn)定的2.8V工作電壓，除此之外，OV7670還帶有一個FIFO芯片，改芯片的容量是384K字節(jié)，足夠存儲2幀QVGA的圖像數(shù)據(jù)。下列圖3.2是本設(shè)計中OV7670攝像頭模塊的電路原理圖。圖3.2攝像頭模塊電路原理圖3.2.4SD卡數(shù)據(jù)存儲模塊本次畢業(yè)設(shè)計中數(shù)據(jù)存儲模塊采用以SD卡為存儲器的電路模塊。SD卡又稱平安數(shù)碼卡，它是一種基于半導(dǎo)體快閃記憶器的新一代記憶設(shè)備，被廣泛地應(yīng)用于便攜式裝置上。在本次設(shè)計中的系統(tǒng)中，因為需要通過電腦對系統(tǒng)采集并存儲到存儲器的圖片進行查看，所以需要一款容易插拔，平安可靠，高性能的大容量存儲器。除此之外，SD卡的讀寫速度比MMC卡要快4倍，達2M/s。最重要的一點是現(xiàn)在的筆記本電腦大局部都提供了讀取SD卡的卡槽，所以系統(tǒng)采用SD卡存儲圖像能夠很方便的移植到便攜式筆記本電腦上進行實時的查看記錄的圖像信息。于是我們就選擇了以SD卡為核心的電路模塊。具體電路原理圖見圖3.3。圖3.3SD卡電路原理圖3.2.5程序燒錄模塊STM32使用的是Cortex-M3內(nèi)核，該內(nèi)核包含硬件調(diào)試模塊，支持復(fù)雜的硬件調(diào)試操作。允許斷點調(diào)試。當(dāng)STM32連接到調(diào)試器上并開始調(diào)試時，調(diào)試器將使用內(nèi)核的硬件調(diào)試模塊進行調(diào)試操作。STM32支持兩種調(diào)試接口：串行接口、JTAG調(diào)試接口。由于調(diào)試器使用的是JTAG接口，所以電路設(shè)計為20針JTAG接口。圖3.4中的0歐電阻是為了調(diào)試方便和兼容設(shè)計。圖3.4程序下載電路4汽車行駛記錄儀的軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件采用前后臺系統(tǒng)，由于系統(tǒng)中最重要的中斷為0.2s中斷，而速度采集和模擬量采集總是由硬件實現(xiàn)，通過DMA不停的刷新數(shù)據(jù)，以保證在0.2s中斷發(fā)生時所讀取的數(shù)值為當(dāng)前值。主程序是一個死循環(huán)，在循環(huán)中通過調(diào)用相應(yīng)的處理函數(shù)來響應(yīng)中斷，整個主程序被看成是后臺系統(tǒng)。前臺系統(tǒng)是各個中斷。前臺系統(tǒng)通過中斷來響應(yīng)外部事件；后臺系統(tǒng)那么管理各個中斷所對應(yīng)的處理函數(shù)，并為其分配MCU資源。這就是通常所說的前后臺系統(tǒng)。一般情況下，后臺系統(tǒng)也叫任務(wù)處理系統(tǒng)，前臺系統(tǒng)也叫事件響應(yīng)系統(tǒng)。在程序運行時，后臺主程序逐個檢查中斷標(biāo)志位，看其是否被置位，然后調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)完成相應(yīng)的操作。圖4.1軟件系統(tǒng)框圖前臺系統(tǒng)由各種中斷處理函數(shù)成，當(dāng)中斷事件發(fā)生時，MCU迅速響應(yīng)中斷，并記錄下相應(yīng)標(biāo)志位，等待后臺系統(tǒng)的查詢。后臺系統(tǒng)即主函數(shù)是一個無限的死循環(huán)，在空閑時間只是在不停的循環(huán)查詢各個中斷事件標(biāo)志位。當(dāng)中斷發(fā)生且MCU已經(jīng)響應(yīng)中斷，中斷事件相對應(yīng)的標(biāo)志位被置位，主函數(shù)在最多不超過一個完整的循環(huán)時即可對響應(yīng)的中斷做出處理。汽車行駛記錄儀的主函數(shù)實現(xiàn)：SD卡初始化和掛載，數(shù)據(jù)通信串口的初始化，圖像數(shù)據(jù)的存儲，攝像頭控制；數(shù)據(jù)采集；數(shù)據(jù)計算及數(shù)據(jù)存儲格式轉(zhuǎn)換；定時器中斷跳轉(zhuǎn)；中斷函數(shù)的調(diào)用；邏輯判斷和跳轉(zhuǎn)執(zhí)行。4.1汽車行駛記錄儀的主程序設(shè)計本次設(shè)計中的簡易行車記錄儀是一個自動監(jiān)控系統(tǒng)，隨著汽車的運行而自行啟動，當(dāng)系統(tǒng)上電時，汽車行駛記錄儀初始化并進行自檢，自檢成功后，進入正常工作模式。汽車行駛記錄儀的初始化過程在主程序中的表達是完成各個組件的初始化工作，具體包括延時函數(shù)的初始化，定時器中斷的初始化，串口初始化，內(nèi)存池初始化，攝像頭初始化，SD卡的初始化和掛載等。車輛在行駛的過程中，攝像頭會不間斷的進行數(shù)據(jù)的采集，從而監(jiān)控車輛行駛過程中的狀況，系統(tǒng)的主程序會通過定時器中斷對攝像頭收集的圖像信息數(shù)據(jù)進行定時的保存。主程序在每一次循環(huán)的時候，都會查詢攝像頭采集的數(shù)據(jù)，假設(shè)查詢不到攝像頭所采集的數(shù)據(jù)，那么說明攝像頭有可能在不正常的工作，那么主程序會調(diào)用相應(yīng)的效勞子程序進程程序的復(fù)位。每一次循環(huán)的最后還要查詢各個中斷的標(biāo)識位，如果沒有那個終端處理函數(shù)就緒，那么進入下一次的循環(huán)。如果有某一個中斷處理函數(shù)標(biāo)志為就緒，那么主程序調(diào)用相應(yīng)的效勞子程序。如果多個中斷處理標(biāo)志為就緒，就按優(yōu)先級上下順序的處理各個終端。主程序還要將處理完的數(shù)據(jù)按照特定的數(shù)據(jù)包格式存儲到SD卡中，以便將來調(diào)用查看。下列圖4.2為主程序的流程圖。圖4.2主程序流程圖4.2子程序設(shè)計這里主要介紹數(shù)據(jù)存儲的子程序的設(shè)計。STM32內(nèi)置控制傳輸?shù)膮f(xié)議處理器，簡化常用的控制傳輸。內(nèi)置FAT文件系統(tǒng)管理固件，能支持容量高達8GB的SD卡。提供文件管理和讀寫功能：可以很方便的利用內(nèi)置固件實現(xiàn)翻開、新建或刪除文件的功能或者以字節(jié)為最小單位或者以扇區(qū)為單位對多級子目錄下的文件進行讀寫。記錄儀作為USB主機，主要的功能是往SD卡中存入所采集的數(shù)據(jù)信息，為了高效的利用SD卡得存儲空間，也為了上位機更方便的讀取數(shù)據(jù)，采用CSV作為存儲數(shù)據(jù)的文件格式。CSV是〔逗號分隔值〕的英文縮寫，是純文本文件,可以用EXCEL開啟。由于已經(jīng)有了基于CH376內(nèi)置固件庫的底層硬件驅(qū)動子程序，所以可以直接利用提供的程序?qū)崿F(xiàn)記錄儀對SD卡的數(shù)據(jù)寫操作。初始化，進行任何一項文件操作之前的必要步驟：首先，CMD_SET_USB_MODE命令，設(shè)置為主機模式;其次，等待SD卡已連接的中斷；最后，CMD_DISK_MOUNT命令，初始化SD卡嘗試五次后仍未就緒時放棄；初始化完成后就可以對SD卡進行以下操作：首先，設(shè)置新文件的文件名并創(chuàng)立新文件；其次，往已創(chuàng)立的文件中寫一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，查詢待寫入字節(jié)數(shù)是否為零，假設(shè)否那么返回繼續(xù)寫下一個字節(jié)；最后，寫完所有數(shù)據(jù)后關(guān)閉文件并更新文件的長度。數(shù)據(jù)存儲子程序的流程圖如下：圖4.3子程序流程圖5調(diào)試與測試經(jīng)過初步的分析和設(shè)計完成后，在做硬件設(shè)計和軟件設(shè)計的過程過，調(diào)試時穿插進行的，應(yīng)該系統(tǒng)的調(diào)試中，軟件和硬件的分不開的。在后面的調(diào)試中，我們會發(fā)現(xiàn)，許多的硬件故障時在調(diào)試軟件的時候才慢慢的發(fā)現(xiàn)的，如果我們先排除掉系統(tǒng)中一些較為明確的硬件故障，然后再對其進行然間測試，這樣就可以調(diào)高測試的效率，減少測試的時間，使測試的可靠性更加好。在我們進行系統(tǒng)調(diào)試的時候，我們要先對各個模塊進行調(diào)試，防止系統(tǒng)調(diào)試的時候，因為模塊故障而無法繼續(xù)調(diào)試下去。學(xué)會排除，是設(shè)計成功的一大因素。5.1硬件的調(diào)試本次設(shè)計的調(diào)試分為下面幾個局部：〔1〕邏輯錯誤調(diào)試成品模塊的邏輯錯誤是由于在設(shè)計過程中，模塊的排布安裝等問題造成的，這類錯誤包含：連接錯線、短路、開路，信號不同幾種，其中這個短路時最常見的錯誤?！?〕器件調(diào)試元器件在使用的過程中也可能會失效，其中原因可能是本身元器件壞掉了或者是由于組裝元器件的時候元器件失效了。例如某些電容、二極管的極限錯誤等?！?〕可靠性調(diào)試對于這樣的一種系統(tǒng)，引起系統(tǒng)不可靠的因素會有很多，很多時候，接觸不良，內(nèi)部干擾，外部干擾，電源過大，器件的負(fù)載太大等等，另外，走線和布局不合理有時候也導(dǎo)致出現(xiàn)在各種問題?！?〕電源故障如果這系統(tǒng)中出現(xiàn)電源故障，那么可能是通電后，造成了器件的損壞。電源的故障包括下面幾個方面，有時候因為電壓值不符合設(shè)定的要求，有時候是電源的插座和引線借口不對，電源的功率缺乏，負(fù)載能力很差。在本次調(diào)試系統(tǒng)的時候，我們要用運用萬用表和反正模擬器，根據(jù)硬件電路圖我已經(jīng)設(shè)計好的裝配圖檢查好各個線路的正確性，并確定好各個元器件的型號，參數(shù)，規(guī)格是否正確。還要注意在焊接電路板的時候，布局布線等方面，防止電路出現(xiàn)極性錯誤或者短路，還要重點的檢查擴張的系統(tǒng)是否存在相互之間的短路，或者有其他的信號之間短路。由于本次的整個電路板都是手工焊制，可能會出現(xiàn)虛焊短接等可能，需要特別注意這一方面。5.2軟件調(diào)試在本系統(tǒng)中，硬件電路采用了集成芯片設(shè)計。每一個集成芯片都有相應(yīng)的控制方法，即工作時序。在應(yīng)用每一個芯片的時候，都要認(rèn)真閱讀它的數(shù)據(jù)手冊，再了解它的參數(shù)和性能。該系統(tǒng)除含有傳感器模塊外，還含有液晶顯示模塊，模塊比擬多，可以分別用子函數(shù)來實現(xiàn)各模塊的初始化和工作。〔1〕按鍵局部軟件調(diào)試本設(shè)計的按鍵局部軟件設(shè)計過程中，采用軟件消抖和按鍵釋放判斷，很好的解決了這個問題?！?〕調(diào)試子程序在調(diào)試主程序前，必然要調(diào)用子程序，所以也要確保子程序沒有錯誤，才不會對主程序有影響?！?〕調(diào)試主程序主程序運行后，觀察串口助手顯示局部是否接收到數(shù)據(jù)，它顯示的數(shù)據(jù)是否會變化。假設(shè)運行結(jié)果不正確，首先分析可引起相關(guān)故障的原因，再通過調(diào)試排除。例如：假設(shè)定時/計數(shù)器的初始化出錯，那么時鐘將不能工作；假設(shè)定時/計數(shù)器中斷效勞子程序出錯，那么其顯示數(shù)據(jù)的變化規(guī)律將不正常?！?〕調(diào)試總結(jié)剛開始調(diào)試程序的時候，由于STM32單片機的定時器功能涉及到存放器的設(shè)置，由于比擬少接觸到這方面的知識，所以一開始的時候也是調(diào)試了很屢次，也沒有什么頭緒。但后來經(jīng)過同學(xué)的指導(dǎo)，認(rèn)真查看了STM32的芯片資料說明書之后，根據(jù)里面的詳細(xì)的介紹，再三調(diào)試，終于能夠正常使用定時器功能。在調(diào)試傳感器模塊程序時，由于沒有認(rèn)真查看時序電路圖，總是顯示錯誤，進過反復(fù)調(diào)試還是找不到問題的所在，最后在網(wǎng)上查找資料，比照了一些人寫過的程序之后，進過修改，其功能還是調(diào)試好了。5.3系統(tǒng)實現(xiàn)本次設(shè)計中設(shè)計了一款基于STM32的汽車行駛記錄儀，主要采用STM32F103單片機為主控單元，以O(shè)V7670攝像頭模塊為圖像采集模塊，以SD卡位數(shù)據(jù)存儲模塊?？刂葡到y(tǒng)以一定的間隔收集攝像頭模塊采集到的圖像數(shù)據(jù)，并進行存儲，實現(xiàn)實時的圖像收集；通過將SD卡插入電腦端即可對系統(tǒng)實時拍攝并存儲的圖像信息進行查看。除此之外，可以通過串口工具實時監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸過程，使得抽象的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)調(diào)用變的更加形象、具體。具體硬件實物圖如下列圖5.1。圖5.1系統(tǒng)實物圖6結(jié)論本學(xué)位論文介紹了汽車行駛記錄儀的軟硬件設(shè)計和調(diào)試工作。本次設(shè)計中設(shè)計了一款基于STM32的汽車行駛記錄儀，主要采用STM32F103單片機為主控單元，以O(shè)V7670攝像頭模塊為圖像采集模塊，以SD卡位數(shù)據(jù)存儲模塊?？刂葡到y(tǒng)以一定的間隔收集攝像頭模塊采集到的圖像數(shù)據(jù)，并進行存儲，實現(xiàn)實時的圖像收集；通過將SD卡插入電腦端即可對系統(tǒng)實時拍攝并存儲的圖像信息進行查看。除此之外，可以通過串口工具實時監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸過程，使得抽象的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)調(diào)用變的更加形象、具體。本設(shè)計中的行車記錄儀在以下方面具有優(yōu)點：1.電源模塊采用LM1117-3芯片可以適應(yīng)寬范圍的電壓波動，使記錄儀可以適合目前市場上的各種車輛。2.增加實時攝像頭圖像采集模塊，可以對車輛前方的狀況進行實時勘測，一旦發(fā)生事故可以對事故情況做記錄。3.大容量多媒體卡SD卡的使用，可以長時間的保存行駛數(shù)據(jù)，對長時間執(zhí)行任務(wù)而無法采集數(shù)據(jù)的車輛，這是必要的。而且SD卡相對于Flash芯片，在使用壽命到期的時候更容易更換。雖然本設(shè)計中的汽車行駛記錄儀系統(tǒng)有低本錢，實時記錄的功能，但是沒有提供導(dǎo)航效勞，也沒有GPS定位模塊和顯示模塊。所以記錄儀還可以有從以下方面進行改良和完善：增加GPS導(dǎo)航功能，使得記錄儀不僅能夠記錄行車狀況，也可以給駕駛?cè)藛T提供導(dǎo)航信息。增加GPS定位效勞，這樣在車輛管理中心可以實時的檢測車輛的位置。增加顯示模塊，增加記錄儀和駕駛車輛的交互，并實時顯示拍攝的畫面。致謝光陰似箭，四年的大學(xué)生活很快就要結(jié)束了，而經(jīng)歷半年時間的畢業(yè)論文也終于完稿了。在這期間我得到了許多人的幫助，在此向他們表示衷心的感謝。首先，我要感謝我的導(dǎo)師謝老師，謝老師有儒者風(fēng)范，平易近人，為人謙和。在論文的選題、開題、前期的文獻資料收集、后期的實物制作、論文寫作階段，謝老師都給我極大的幫助和鼓勵。在完成畢業(yè)課題的過程中，每當(dāng)我遇到困難時，謝老師總會抽出時間來指導(dǎo)我。而在論文寫作的過程中更是字字句句把關(guān)，提出了許多的考前須知和修改意見，使我在研究和寫作的過程中不至于迷失方向。她對科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度將影響我的一生，她對我的關(guān)心和教誨我銘感于心。借此時機，我謹(jǐn)向謝老師致以深深的謝意。其次，我要感謝XX學(xué)院電子通信工程學(xué)院的所有老師，正是因為他們的幫助和教導(dǎo)，我才能在這幾年的學(xué)習(xí)生活中迅速提高的自己；我還要感謝我的諸位同學(xué)和師兄弟們，在學(xué)習(xí)上我們互相幫助，生活上我們互相鼓勵，能在這一樣一個集體中度過這四年時光是我極大的榮幸。另外感謝我的父母多年來支持與鼓勵，沒有他們我不能堅持到現(xiàn)在。最后，我要感謝參加評審和辯論的各位老師，你們的意見和建議，讓我明白自己身上存在的缺乏與努力的方向。衷心的感謝各位老師！參考文獻[1]鄭飛龍.汽車行駛狀態(tài)記錄儀的研究與實現(xiàn)[D].北京:首都師范大學(xué),2007.[2]陸文昌.汽車行駛記錄儀的現(xiàn)狀與開展趨勢[M].汽車電器,2005(5):1~2.[3]任衛(wèi)華.汽車行駛記錄儀的研制[D].南京:南京航空航天大學(xué),2005.[4]彭李明,連迅.多功能汽車行駛記錄儀的系統(tǒng)設(shè)計[J].電子測量技術(shù),2009,34(3):143~146.[5]王力爭.國內(nèi)外汽車行駛記錄儀應(yīng)用概況[J].[6]鄒益慧.基于GPS/GPRS汽車行駛記錄儀的研制[M].上海:上海交通大學(xué),2007.[7]趙偉章,馬新國.基于數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)芯片的新一代汽車行駛記錄儀[M].汽車電器，2008[8]萬宇.新型汽車行駛記錄儀的研制[D].南京:南京理工大學(xué),2006.[9]李昌滎.汽車行駛記錄儀及上位機數(shù)據(jù)分析軟件的開發(fā)[D].南京:南京理工大學(xué),2007.[10]姜乃馨.汽車行駛記錄儀與智能交通[M].《客車技術(shù)》,2006.[11]余輝.具有圖像記憶功能的汽車黑匣子的研究與設(shè)計[D].合肥：合肥工業(yè)大學(xué)，2006.[12]趙文浩.GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)中短消息通信技術(shù)研究[J].工業(yè)控制計算機,2002,15(2):22~26.[13]徐紹銓.GPS測量原理及應(yīng)用[M].武漢:武漢大學(xué)出版社,2001.56~58.[14]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB/T19056-2003汽車行駛記錄儀.北京：北京中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2003.[15]周英煥,王憲.基于嵌入式系統(tǒng)新型車輛行駛記錄儀的硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計[J].江南大學(xué)學(xué)報,2004〔1〕:33~35.[16]陳方舟,周業(yè)軍,孫欽.FRAM在CCS1011型汽車行駛記錄儀中的應(yīng)用[J].電子工程師,2004〔9〕:56~58.[17]王瀟,王憲,張鐵.基于嵌入式系統(tǒng)的新一代汽車行駛記錄儀[J].江南大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版,2003,2〔2〕:25~28.[18]王建.現(xiàn)代電子技術(shù)在車輛智能管理及數(shù)據(jù)傳輸控制中的應(yīng)用研究[D].北京:北京航空航天大學(xué),2003.[19]翟紅.設(shè)置最高限速用好記錄儀[J].中國道路運輸,2004,4〔11〕:33~36.[20]MotorolaLM2576Datasheet,2007.[21]LinearTechnology.LT1117Datasheet,1993.[22]崔玉祥.基于nRF24L01的礦用搜救器設(shè)計[D].北京:太原理工大學(xué)[23]蘇潔.汽車行駛記錄儀的應(yīng)用于監(jiān)督管理[J].中國勞動社會保障出版社,2006,5〔1〕.[24]王幸之,王雷,翟成.單片機應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù)[J].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1999,54~55.附錄主程序：intmain(void){ NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);//設(shè)置中斷優(yōu)先級分組為組2：2位搶占優(yōu)先級，2位響應(yīng)優(yōu)先級 delay_init();//延時函數(shù)初始化 uart_init(115200);//串口初始化為115200 LED_Init(); my_mem_init(SRAMIN);//初始化內(nèi)部內(nèi)存池 while(SD_Init());//檢測不到SD卡 exfuns_init();//為fatfs相關(guān)變量申請內(nèi)存 Camera_Init();//初始化攝像頭 f_mount(fs[0],"0:",1);//掛載SD