多功能汽車行駛狀態(tài)記錄儀的設(shè)計(jì)

隨著飛機(jī)飛行數(shù)據(jù)記錄儀在空運(yùn)管理方面的成功運(yùn)用，汽車行駛狀態(tài)記錄儀已陸續(xù)在許多國(guó)家和地區(qū)大量使用。早在1990年以前，歐共體就通過了在汽車上安裝行駛狀態(tài)記錄儀的立法，并具體規(guī)定了商用車必須安裝行駛狀態(tài)記錄儀。這一立法要求其歐洲的15個(gè)成員國(guó)在十年內(nèi)給在用的900萬輛商用車安裝這一裝置。美國(guó)、日本、馬來西亞及香港等國(guó)家和地區(qū)也相繼廣泛使用了汽車行駛狀態(tài)記錄儀。統(tǒng)計(jì)資料表明，汽車行駛狀態(tài)記錄儀的使用，使交通事故率降低了 37％~52％，大大減少了人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，產(chǎn)生了顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益?？梢?，準(zhǔn)確記錄運(yùn)行過程，對(duì)事故防患于未然是極為重要的。

　　該汽車行駛狀態(tài)記錄儀在發(fā)生交通事故時(shí)，能客觀、全面地記錄交通事故發(fā)生時(shí)車輛行駛的各種狀態(tài)和司機(jī)的操作行為，為交通事故分析提供真實(shí)、有效、科學(xué)的有關(guān)車輛行駛的原始數(shù)據(jù)，并可提供事故分析功能，幫助有關(guān)部門快速確定事故原因，以保障事故雙方(或幾方)的合法權(quán)益；在正常營(yíng)運(yùn)中，又是管理部門加強(qiáng)監(jiān)督和管理的強(qiáng)有力工具，幫助管理人員全面了解汽車的運(yùn)行情況；在車輛發(fā)生故障時(shí)，它又可提供故障診斷功能，為維修人員判斷故障提供可靠、準(zhǔn)確的科學(xué)依據(jù)。汽車行駛狀態(tài)記錄儀的推廣，將在遏止疲勞駕駛、車輛超速等嚴(yán)重交通違章、約束駕駛?cè)藛T駕駛行為、預(yù)防道路交通事故、保障車輛行駛安全、提高營(yíng)運(yùn)管理水平等諸多方面發(fā)揮重要作用。

　　1 系統(tǒng)組成及主要功能

　　汽車行駛狀態(tài)記錄系統(tǒng)主要由汽車行駛狀態(tài)記錄儀、手持讀碼器和管理計(jì)算機(jī)組成。記錄儀安裝于汽車上，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄車輛的行駛數(shù)據(jù)；手持讀碼器由掌上電腦和應(yīng)用軟件組成，用于控制和操作記錄儀的運(yùn)行及通過RS232 串行口對(duì)記錄儀進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取；管理計(jì)算機(jī)用于對(duì)原始記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、報(bào)表、存儲(chǔ)及查詢。

　　記錄儀是整個(gè)系統(tǒng)的核心，其主要功能如下：

(1)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄汽車行駛的各種狀態(tài)信息如時(shí)間、車速、怠速、超速、里程、車門開關(guān)、剎車狀態(tài)、方向燈狀態(tài)、近遠(yuǎn)光燈、引擎轉(zhuǎn)速、引擎異常、機(jī)油壓力、溫度等。
(2)運(yùn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在大容量串行Flash存儲(chǔ)器中，即使掉電，數(shù)據(jù)也不丟失。
(3)具有超時(shí)(疲勞)報(bào)警及記錄功能，從而有效遏制司機(jī)疲勞行車，保證長(zhǎng)途運(yùn)輸行車的安全。
(4)分級(jí)超速報(bào)警功能。用戶可按需求設(shè)置三級(jí)限速，當(dāng)車輛超速時(shí)，會(huì)接不同限速分級(jí)聲光報(bào)警，從而有效遏制超速行車，保證行車安全。
(5)車牌號(hào)、車型號(hào)、限速值等數(shù)據(jù)可方便地通過手持讀碼器在線寫入或修改。
(6)備有GPS接口，可方便地?cái)U(kuò)展GPS對(duì)時(shí)、通信、定位、信息服務(wù)等功能。
(7)具有與手持讀碼器和管理計(jì)算機(jī)通信的標(biāo)準(zhǔn)RS232接口。
(8)管理軟件可統(tǒng)計(jì)分析任何時(shí)段的行車速度、行駛里程、停車次數(shù)、停車時(shí)間、超速次數(shù)、超速時(shí)間以及收、發(fā)車時(shí)問等，提供給管理人員關(guān)心的各種數(shù)據(jù)。

　　2 記錄儀硬件設(shè)計(jì)

　　根據(jù)記錄儀功能要求和工作特點(diǎn)．在設(shè)計(jì)時(shí)主要從運(yùn)行可靠性、記錄數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量三方面考慮。記錄儀結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要包括單片機(jī)及其外圍電路、電壓量、電阻量、脈沖量及開關(guān)量采樣電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路、聲光報(bào)警電路、RS232通信接口電路及各種車用傳感器等。

2．1 單片機(jī)

　　采用Cygnal公司生產(chǎn)的C8051F005單片機(jī)作為控制核心。在該記錄儀中，PCA定時(shí)器陣列完成V/F變換脈沖計(jì)數(shù)；2個(gè)電壓比較器實(shí)現(xiàn)蓄電池過壓、欠壓檢測(cè)；利用片內(nèi)溫度傳感器實(shí)現(xiàn)溫度檢測(cè)；I／0口實(shí)現(xiàn)開關(guān)量檢測(cè)；SPI接口控制ISD4004一16芯片完成語音報(bào)警、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片 MAX6902時(shí)鐘的讀寫以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片AT45DB081B的讀寫；片內(nèi)RS232口將記錄數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)。由此可見，采用C8051F005單片機(jī)單個(gè)芯片即可完成系統(tǒng)的控制和檢測(cè)，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)，顯著降低了系統(tǒng)成本。

　　2.2 傳感器選擇

　　汽車內(nèi)傳感器的工作環(huán)境十分惡劣，因此對(duì)傳感器的要求也十分嚴(yán)格。這些傳感器必須要經(jīng)受住從一40℃~+150℃的溫度變化，而且要求精度高、可靠性好、反應(yīng)快、抗干擾和抗振動(dòng)能力強(qiáng)，才能準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)檢測(cè)汽車運(yùn)行的有關(guān)狀態(tài)，并將這些狀態(tài)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)供給單片機(jī)處理。

　　2．3 信號(hào)檢測(cè)

　　汽車傳感器輸出信號(hào)一般為電壓、電阻、脈沖信號(hào)及開關(guān)量等，下面分別介紹這些信號(hào)的檢測(cè)方法。

　　2．3．1 電壓信號(hào)

　　為了提高抗干擾能力和檢測(cè)精度，先將電壓信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路變換為0～5V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，再經(jīng)V/F變換轉(zhuǎn)換為脈沖量，經(jīng)光耦隔離后通過C8051F005單片機(jī)的PCA陣列計(jì)數(shù)處理。V／F轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用電路如圖2所示，其中，將有源時(shí)鐘振蕩器輸出的3MHz脈沖信號(hào)經(jīng)74HC393四分頻后作為AD652的外部時(shí)鐘源。

2．3 2 電阻信號(hào)

　　電阻信號(hào)先經(jīng)惠斯通電橋轉(zhuǎn)換為0~5V的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，再經(jīng)V／F變換轉(zhuǎn)換為脈沖量，經(jīng)光耦隔離，最后通過C8051F005單片機(jī)的PCA陣列計(jì)數(shù)處理。

　　2．3．3 脈沖信號(hào)

　　經(jīng)光耦隔離后的脈沖信號(hào)直接通過C8051F005單片機(jī)的PCA陣列計(jì)數(shù)處理。

　　2．3．4 開關(guān)信號(hào)

　　開關(guān)量采集原理圖如圖3所示。當(dāng)剎車和轉(zhuǎn)向燈等工作狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)，其輔助接點(diǎn)將接通YX回路的+12V電源，此時(shí)光耦導(dǎo)通，其輸出狀態(tài)發(fā)生改變，在單片機(jī)定時(shí)中斷服務(wù)程序內(nèi)通過I／O口讀取該狀態(tài)即可，其動(dòng)作分辨率可達(dá)lms。

2．4 語音報(bào)警

　　當(dāng)系統(tǒng)有超速行駛報(bào)警時(shí)，高亮度紅色LED發(fā)光管閃亮，同時(shí)啟動(dòng)語音報(bào)警功能，發(fā)出“超速行駛，請(qǐng)注意”的警告語音。

　　該記錄儀采用了單片語音錄放電路ISD4004-16作為放音芯片。ISD4004-16芯片工作電壓為3.3V，單片錄放時(shí)間為16分鐘，最多可分 2400段，音質(zhì)好，適用于移動(dòng)電話及其他便攜式電子產(chǎn)品中。芯片采用CMOS技術(shù)，內(nèi)含振蕩器、防混淆濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動(dòng)靜噪及高密度多電平閃爍存儲(chǔ)陣列。芯片設(shè)計(jì)是基于所有操作必須由單片機(jī)控制，操作命令可通過串行通信接口SPI送入；同時(shí)采用多電平直接模擬量存儲(chǔ)技術(shù)，每個(gè)采樣值直接存儲(chǔ)在片內(nèi)的閃爍存儲(chǔ)器中，因此能夠非常真實(shí)、自然地再現(xiàn)語音、音樂、音調(diào)和效果聲，避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和“金屬聲 ”；采樣頻率為4.0kHz，片內(nèi)信息存于閃爍存儲(chǔ)器中，可在斷電情況下保存100年(典型值)，反復(fù)錄音10萬次。

　　在該記錄儀中，將語音報(bào)警內(nèi)容分為64段，在放音時(shí)可進(jìn)行自由組合。

　　2．5 實(shí)時(shí)時(shí)鐘

　　為了能準(zhǔn)確記錄數(shù)據(jù)的采樣時(shí)間，該記錄儀采用了具有SPI接口的串行時(shí)鐘芯片MAX6902。MAX6902可工作在+2V~+5.5V的寬電源范圍內(nèi)，封裝為SOT23-8，片內(nèi)具有31B SRAM，具有體積小、外圍電路簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定性好、精度高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，可滿足記錄儀對(duì)時(shí)間的要求。

　　2．6 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

　　由于要記錄的數(shù)據(jù)量比較大，因此記錄儀要求具有掉電記憶的大容量存儲(chǔ)器。通過比較采用了ATMEL公司生產(chǎn)的Flash存儲(chǔ)器AT45DB081B。 AT5DB081B為串行接口；采用SPI接口的0~3方式與C8051F005單片機(jī)進(jìn)行通信，幾乎無需外接元器件，集成度高，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)量大，數(shù)據(jù)掉電保存；工作電壓為3.3V，工作電流為4mA(待機(jī)狀態(tài)下僅為2μA)；其主存共4096頁，每頁264B，總?cè)萘繛?056KB(約合8Mb)，存放在主存中的數(shù)據(jù)掉電不丟失。除了主存以外，AT45DB081B還有2個(gè)容量為264B的數(shù)據(jù)緩存，緩存可以用作主存與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時(shí)的緩沖區(qū)域，也可以暫存一些臨時(shí)數(shù)據(jù)，緩存讀寫方便迅速，但掉電數(shù)據(jù)會(huì)丟失。AT45DB081B數(shù)據(jù)讀寫采用串行方式，讀寫速度快，從頁到緩存的傳輸時(shí)間為80μs左右，并且兼容CMOS和TTL電平的輸入、輸出。

　　ISD4004-16、MAX6902、AT45DB081B與C8051F005單片機(jī)的接口原理圖如圖4所示。

2．7 防拆卸設(shè)計(jì)

　　為了防止記錄儀被非法拆開，系統(tǒng)采取了防拆卸設(shè)計(jì)。正常狀態(tài)下一彈簧將一按鍵開關(guān)壓下，該開關(guān)閉合；當(dāng)記錄儀外殼被拆開時(shí)，彈簧彈起，按鍵開關(guān)斷開。通過單片機(jī)的I/O口定時(shí)讀取該開關(guān)的狀態(tài)及記錄開關(guān)狀態(tài)的變化并報(bào)警。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件主要完成兩方面的功能：(1)實(shí)現(xiàn)汽車行駛狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)和記錄，檢測(cè)到故障時(shí)聲光報(bào)警。(2)將記錄數(shù)據(jù)通過RS232口上傳到上位機(jī)，以便進(jìn)行日常管理和事故診斷。

　　軟件的設(shè)計(jì)完全按照結(jié)構(gòu)化的程序設(shè)計(jì)方案，將整個(gè)程序按照功能分為若干個(gè)程序模塊，以方便調(diào)試和檢查。采用Keil C51語言編程。本設(shè)計(jì)中的軟件在KeilμVision2 V2.05集成環(huán)境中編輯、編譯、連接、調(diào)試后，直接通過JTAG接口將程序下載到C8051F005單片機(jī)中(ISP)。程序主要包括：主程序、模擬量采集程序、開關(guān)量采集程序、脈沖量采集程序、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)程序、時(shí)鐘處理程序、故障處理程序、語音報(bào)警程序及串口通信程序等。

4 系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)

　　作為汽車行駛狀態(tài)記錄儀，由于汽車內(nèi)的工作環(huán)境十分惡劣。因此如何保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性至關(guān)重要。

　　盡管系統(tǒng)硬件經(jīng)過了精心設(shè)計(jì)，如多層印制板、可靠的元器件選擇、輸入輸出的光耦隔離、電源輸入和輸出濾波器的采用、硬件看門狗等，起到了很強(qiáng)的抗干擾作用；但是由于記錄儀的工作環(huán)境是比較復(fù)雜的．要保證系統(tǒng)的絕對(duì)可靠運(yùn)行，上述措施還是不夠的，還需要從軟件設(shè)計(jì)上進(jìn)行通盤考慮，以增強(qiáng)系統(tǒng)的綜合抗干擾能力。

　　系統(tǒng)遇到干擾的直接結(jié)果是程序跑飛。在軟件設(shè)計(jì)中．主要從軟件的模塊化設(shè)計(jì)和事件驅(qū)動(dòng)方式、指令冗余和軟件陷阱、軟件重要變量的多重拷貝、軟件的可重入設(shè)計(jì)和數(shù)字濾波等方面進(jìn)行了考慮，以增強(qiáng)系統(tǒng)的綜合抗干擾能力。實(shí)踐證明這些措施都取得了較好的效果。

　　該記錄儀嚴(yán)格遵循汽車電子產(chǎn)品的要求，充分考慮了車內(nèi)環(huán)境(如電磁干擾、振動(dòng)、溫度、濕度等)，在電路原理設(shè)計(jì)、電子元器件選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、接插件選擇等各個(gè)步驟上均嚴(yán)格按照相應(yīng)的電子設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)，并已通過各項(xiàng)環(huán)境測(cè)試。自投入運(yùn)行以來，取得了良好的效果，完全能滿足汽車行駛數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄的需要。