基于LPC2104型CPU的汽車行使記錄儀分析

引言

隨著汽車擁有量的增加，發(fā)生交通事故的概率也隨之增加，發(fā)生事故后用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行分析、判斷、維修有一定的困難。這樣，就給人們提出了一個(gè)問(wèn)題，怎樣及時(shí)、準(zhǔn)備地分析故障的存在，客觀地分析事故的責(zé)任。由此聯(lián)系到飛機(jī)上裝的“黑匣子”，一旦飛機(jī)失事，“黑匣子”里的資料是判斷失事原因的重要依據(jù)。因?yàn)樗脑靸r(jià)高、技術(shù)復(fù)雜，在普通汽車上使用有一定的難。本文介紹一種價(jià)格低，功能較齊全且能擴(kuò)展的汽車行駛記錄儀。 本記錄儀采用帶ARM7內(nèi)核的LPC2104型CPU作為主控機(jī)，大容量閃速存儲(chǔ)器作為存儲(chǔ)載體，帶有精確的時(shí)鐘電路，利用高精度A/D轉(zhuǎn)換器采集汽車傳感器轉(zhuǎn)換的模擬量，并直接記錄汽車信號(hào)燈等的各種開關(guān)量。同時(shí)利用串口實(shí)現(xiàn)與微機(jī)的數(shù)據(jù)通信，把汽車行駛記錄低度的信息以二進(jìn)制文件的形式存儲(chǔ)到硬盤上。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的總體框架如圖1所示。帶ARM7內(nèi)核的LPC2104型CPU是汽車行駛記錄儀的核心，整個(gè)系統(tǒng)由信息采集模塊、信息處理及存儲(chǔ)模塊和串口通信模塊組成。 LPC2104是Philips公司生產(chǎn)的一款支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的ARM7TDMI-S CPU，內(nèi)部集成有與片內(nèi)存儲(chǔ)器控制器接口的ARM7局部總線、與中斷控制器接口的AMBA高性能總線(AHB)和連接片內(nèi)外設(shè)功能的VLSI外設(shè)總線(VPB，ARM，AMBA總線的兼容超大規(guī)模集成電路)，并嵌入了128KB高速Flash存儲(chǔ)器。LPC2104將ARM7TDMI-S配置為小端(Iittle-endian)字節(jié)順序，具有封裝小、功耗低、多個(gè)32位定時(shí)器、多種總線接口及多達(dá)9個(gè)外部中斷等優(yōu)點(diǎn)，非常適合作為汽車行駛記錄儀的主控CPU。同時(shí)，LPC2104還具有128位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)，從而使得32位代碼能夠在最大時(shí)鐘頻率下運(yùn)行。 2 信息采集模塊設(shè)計(jì) 汽車行駛記錄儀要求實(shí)時(shí)記錄車輛行駛的各種狀態(tài)信息，因此本系統(tǒng)將信息采集模塊分為開關(guān)量數(shù)據(jù)采集模塊、模擬量數(shù)據(jù)采集模塊、時(shí)鐘數(shù)據(jù)采集模塊。

2.1 開關(guān)量數(shù)據(jù)采集模塊 該模塊利用74LS165型并行輸入8位移位寄存器擴(kuò)展16位并行輸入口，其硬件電路如圖2所示。其中利用LPC2104的3根I/O口線擴(kuò)展為16位的輸入口線，圖中由2片74LS165串接擴(kuò)展16位的輸入線，CLK為時(shí)鐘脈沖輸入端，D0-D7為并行輸入端，前級(jí)的數(shù)據(jù)輸出端QH與后級(jí)的信號(hào)輸入端 SIN相連，S/L為低電平時(shí)，允許并行置入數(shù)據(jù)，S/L為高電平時(shí)允許串行移位。這樣左右方向燈、前車燈、開門信號(hào)、剎車燈信號(hào)等16路開關(guān)量經(jīng)過(guò)光電耦合器隔離后并行輸入到2片74LS165中，再經(jīng)74LS165轉(zhuǎn)換后，串行輸出給LPC2104進(jìn)行處理。 2.2 模擬量數(shù)據(jù)采集模塊 在進(jìn)行模擬數(shù)據(jù)采集時(shí)，水溫、水位等8路傳感器采集的信號(hào)先經(jīng)過(guò)模擬信號(hào)調(diào)理環(huán)節(jié)，將其整定在A/D轉(zhuǎn)換器參考電壓Vref決定的滿量程輸入電壓信號(hào)以內(nèi)，然后經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。該模塊采用美國(guó)德州儀器公司推出的TLC0838型8路8位逐次逼近型模、數(shù)轉(zhuǎn)換器，采樣頻率為100kHz，與外部通信采用SPI總線接口。LPC2104通過(guò)其內(nèi)嵌的SPI總線接口與TLC0838進(jìn)行通信，其硬件電路如圖3所示。其中SCK為SPI主機(jī)輸入或從機(jī)輸入的時(shí)鐘，MOSI為SPI主機(jī)到從機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，MISO為SPI從機(jī)到主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸，SSEL為SPI從機(jī)選擇。

汽車速度的測(cè)量是通過(guò)計(jì)數(shù)速度傳感器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)實(shí)現(xiàn)的。本系統(tǒng)利用AT89C2051型單片機(jī)來(lái)計(jì)數(shù)速度脈沖信號(hào)。該單片機(jī)可設(shè)定一個(gè)守量器來(lái)計(jì)數(shù)速度脈沖信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換成汽車的實(shí)際量程。同時(shí)根據(jù)行程和時(shí)間可計(jì)算汽車的速度，并通過(guò)串口UART0將數(shù)據(jù)傳送給LPC2104。 2.3 時(shí)鐘數(shù)據(jù)采集模塊 為了記錄行車的時(shí)間，使行駛記錄儀能夠?qū)崟r(shí)記錄汽車狀態(tài)，采用專門的時(shí)鐘模塊提供時(shí)間信號(hào)，本系統(tǒng)選用DS12887時(shí)鐘電路。DS12887是跨越 2000年的時(shí)鐘電路，采用4位數(shù)表示年度的日歷系統(tǒng)。電路的晶體振蕩器、振蕩電路、充電電路和可充電鋰電池等一起封裝在芯片的止方，組成一個(gè)加厚的集成電路模塊。DS12887能夠自動(dòng)存取并更新當(dāng)前的時(shí)間，LPC2104可通過(guò)讀DS12887的內(nèi)部時(shí)標(biāo)寄存器得到當(dāng)前的時(shí)間和日歷，也可通過(guò)選擇二進(jìn) 進(jìn)碼或BCD碼初始化電路的10個(gè)時(shí)標(biāo)寄存器。 3 信息處理及存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì) 由于Flash的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)適宜是固態(tài)存儲(chǔ)，EPROM的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)適宜于動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)，因此，本系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際需要，有用Flash固態(tài)存儲(chǔ)和EPROM動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)相結(jié)合的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和記憶，即用Flash固態(tài)存儲(chǔ)采集的汽車狀態(tài)數(shù)據(jù)，用EPROM動(dòng)態(tài)存儲(chǔ)Flash最新存儲(chǔ)的扇區(qū)號(hào)和存儲(chǔ)地址。閃速存儲(chǔ)器選用美信公司生產(chǎn)的MX29F800BTC型，EPROM選用MICroChip公司的24C32型，同時(shí)利用LPC2104內(nèi)嵌的I2C總線接口與 24C32進(jìn)行通信。 本系統(tǒng)工作時(shí)，首先由LPC2104主控CPU從24C32中讀取Flash最近存儲(chǔ)的扇區(qū)號(hào)和存儲(chǔ)地址，然后以此地址為參照，以這個(gè)地址的一個(gè)地址值為 Flash的起點(diǎn)地址，以這個(gè)地址的下一個(gè)地址值為Flash的起點(diǎn)地址，按順序進(jìn)行存儲(chǔ)。Flash需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)有16路開關(guān)量信息、8路模擬量信息有及時(shí)鐘信息。本系統(tǒng)利用二字節(jié)(共16位)存儲(chǔ)16路開關(guān)量信息，利用8個(gè)字節(jié)的存儲(chǔ)空間存儲(chǔ)8路模擬量信息。為了節(jié)省存儲(chǔ)空間，系統(tǒng)并非每次存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)時(shí)都存儲(chǔ)時(shí)間標(biāo)志。由于數(shù)據(jù)采集以固定的秒間隔來(lái)進(jìn)行，因此，系統(tǒng)只是在剛開始運(yùn)行時(shí)和每個(gè)扇區(qū)的起始位置采集并存儲(chǔ)時(shí)鐘信號(hào)作為時(shí)間標(biāo)記，而后面數(shù)據(jù)的采集時(shí)間則以這些時(shí)間標(biāo)記為參照。

系統(tǒng)存儲(chǔ)的軟件流程如圖4所示。在本系統(tǒng)重裝上電運(yùn)行時(shí)，需要記錄開始采集的時(shí)間信息。由于系統(tǒng)電源是由汽車電源提供的，所以開始采集的時(shí)間也就是汽車啟動(dòng)的時(shí)間，以此作為汽車開始行駛的時(shí)間標(biāo)記。在程序運(yùn)行中，由主程序設(shè)定一個(gè)汽車啟動(dòng)標(biāo)志，在第一次寫數(shù)據(jù)之前汽車啟動(dòng)標(biāo)志有效，然后首先判斷當(dāng)前存儲(chǔ)地址是否有某個(gè)扇區(qū)的首地址，如果是，則根據(jù)寫扇區(qū)的要求在第七個(gè)字節(jié)開始處存儲(chǔ)當(dāng)前的時(shí)鐘信號(hào)，否則，在當(dāng)前存儲(chǔ)地址處開始用10個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)當(dāng)前的時(shí)鐘信號(hào)，記錄汽車開始運(yùn)行的起始時(shí)間，然后清除汽車啟動(dòng)標(biāo)志。扇區(qū)開始地址處記錄的時(shí)間信息是否是汽車開始運(yùn)行的起始時(shí)間，可根據(jù)前一個(gè)扇區(qū)記錄的時(shí)間信息進(jìn)行判斷。若前后兩個(gè)扇區(qū)記錄的數(shù)據(jù)是連續(xù)的，則后一個(gè)扇區(qū)頭記錄的時(shí)間信息不是表示汽車開始運(yùn)行的起始時(shí)間，否則情況相反。 4 串口通信模塊設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)可以通過(guò)串口隨時(shí)讀取行駛記錄儀存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。行駛記錄儀與計(jì)算機(jī)之間的串口通信遵循RS232協(xié)議。串行通信時(shí)，LPC2104依次將Flash中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)讀出并經(jīng)UART0串口發(fā)出，然后經(jīng)過(guò)MAX232電平轉(zhuǎn)換器送給計(jì)算機(jī)，再由計(jì)算機(jī)通過(guò)串口接收該數(shù)據(jù)。 圖5 5

結(jié)束語(yǔ)

汽車行駛記錄儀利用微機(jī)通過(guò)串口接收汽車行駛的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理;利用Visual C++ 6.0作為開發(fā)工具，編寫微機(jī)數(shù)據(jù)分析處理程序，模擬顯示汽車運(yùn)行時(shí)的狀態(tài);利用圖形顯示各分量的波形，如前向燈開關(guān)情況、左右方向燈開關(guān)情況、開門信息、剎車信號(hào)、水溫變化情況(范圍為0℃"100℃)等。將該行駛記錄儀安裝在汽車上進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果也較理想，能夠滿足設(shè)計(jì)要求。其測(cè)試結(jié)果如圖5所示。