基于ARM汽車行駛記錄儀關(guān)鍵模塊硬件設(shè)計(jì)

1 概述

在開發(fā)汽車行駛記錄儀過程中，因?yàn)槠囓嚊r比較復(fù)雜，干擾源比較多，記錄儀記錄汽車各種狀態(tài)復(fù)雜、有效時(shí)間要求長，而且有些客戶要求在國標(biāo)功能的基礎(chǔ)上擴(kuò)展功能。因此整個(gè)系統(tǒng)硬件資源需求火，外掛接口多，普通單片機(jī)很難滿足要求，而LPC2294是基于ARM內(nèi)核32位處理器，外圍接口豐富，很好的滿足了系統(tǒng)要求。

2 基于ARM內(nèi)核LPC2294

ARM是Advanced RISC Machine的縮寫，是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，該企業(yè)設(shè)計(jì)了大量性能高、廉價(jià)、功耗低的RISC處理器，適用于多種領(lǐng)域：嵌入式控制、消費(fèi)電子、移動(dòng)電子、汽車電子等。

LPC2294是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)防真和跟蹤的16／32位ARM7TDI-S CPU的微控制器，并帶有256K字節(jié)高速片內(nèi)FLASH存儲(chǔ)器、16K片內(nèi)RAM、片內(nèi)128位寬度存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)、高速IIC、兩路SPI、4路CAN、兩路URAT等接口和多達(dá)112的GPIO等資源，他們很好的滿足了汽車行駛記錄儀對系統(tǒng)硬件資源的需求。

3 系統(tǒng)硬件選型及總體設(shè)計(jì)

汽車行駛記錄儀是汽車行駛狀態(tài)記錄的儀器，其硬件必須滿足汽車復(fù)雜工況：

(1) 電源電壓適應(yīng)性：9～36V，耐電壓過壓保護(hù)及抗反接性能；

(2) 抗電磁輻射、靜電干擾以及汽車點(diǎn)火干擾；

(3) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)容量為360小時(shí)有效數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)時(shí)間為15年有效；

(4) 具有USB HOST功能；

(5) 溫度等級(jí)為工作-20°～+75°，存儲(chǔ)溫度-40°～+85°。

考慮到汽車復(fù)雜工況以及記錄儀擴(kuò)展特性，CPU必須至少為工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，由于有USB HOST結(jié)構(gòu)和至少兩路CAN接口功能，F(xiàn)LASH和RAM得足夠大，這樣系統(tǒng)資源才夠用，另外考慮到以后高端機(jī)配置GPS和GPRS功能，綜合以上因素，CPU選擇LPC2294，擴(kuò)展RAM；目前市場上的USB DEVICE芯片比較多，而HOST要少一些，對于USB HOST芯片的選擇，其在硬件上必須比較容易和ARM機(jī)型相連接，在軟件上開發(fā)難度不能太大，考慮到USB傳輸速度，這樣HLS811就不如ISP1160了。對于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)體，必須滿足存儲(chǔ)時(shí)間為15年有效，而且存儲(chǔ)容量為至少360小時(shí)有效數(shù)據(jù)；普通數(shù)據(jù)FLASH擦寫次數(shù)為100萬次，不能滿足記錄儀中頻繁擦寫數(shù)據(jù)的要求，而鐵電擦寫次數(shù)為無限次，但大容量鐵電價(jià)格很高，綜合這兩點(diǎn)，存儲(chǔ)體采用小容量鐵電和FLASH結(jié)合，這樣既滿足記錄儀要求又有單項(xiàng)比較低的成本。對于CAN接口功能，由于LPC2294內(nèi)部有CAN控制器，故只需外掛CAN收發(fā)器即可，收發(fā)器選擇TJA105。

整個(gè)系統(tǒng)關(guān)鍵模塊總體設(shè)計(jì)由LPC2294、FLASH、鐵電存儲(chǔ)體、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、電源管理、CAN接口、LCD驅(qū)動(dòng)及其他單片機(jī)接口電路組成，功能框圖如圖1所示。汽車行駛記錄儀工作時(shí)，由LPC2294通過前端接口電路采集汽車行駛狀態(tài)的各種信息：包括車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、各種車輛開關(guān)信號(hào)等。汽車行駛記錄儀以實(shí)時(shí)時(shí)鐘為基準(zhǔn)，把車輛信息按類別分別存入鐵電存儲(chǔ)體和FLASH存儲(chǔ)體。需要從汽車行駛記錄儀中獲取汽車記錄狀態(tài)信息時(shí)，用戶插入U(xiǎn)盤，LPC2294自動(dòng)識(shí)別U盤并加載驅(qū)動(dòng)程序，當(dāng)完成設(shè)備枚舉和Bulk Only傳輸協(xié)議后，單片機(jī)就可以把汽車行駛記錄儀中記錄的狀態(tài)信息以文件的形式傳輸?shù)経盤，當(dāng)然，記錄儀可以通過兩路CAN接口和車上其他帶有CAN接口的電子裝置進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，也可以配制兩路CAN接口為高速CAN和低速CAN的交換機(jī)。本文重點(diǎn)介紹電源模塊、USB HOST模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、CAN模塊的硬件設(shè)計(jì)。

4 電源模塊硬件設(shè)計(jì)

隨著汽車的發(fā)展，汽車上的電子設(shè)備越來越多，使車內(nèi)的電磁環(huán)境日益復(fù)雜。在這比較復(fù)雜的環(huán)境中，電源性能的好壞直接影響到電子設(shè)備的可靠性。汽車電器產(chǎn)生電磁騷擾的最根本原因，就是在其工作過程中產(chǎn)生的di／dt。例如閃光繼電器、雨刮器電機(jī)、空調(diào)、點(diǎn)火系統(tǒng)等工作時(shí)，他們產(chǎn)生的交變電流形成了干擾源。電源模塊設(shè)計(jì)就是要在這些干擾源下能正常工作。電源模塊設(shè)計(jì)原理圖如圖2所示。

在電源輸入處，由VDl(IN4007)防止反接，這樣即使在電源接反的情況下，電子設(shè)備也不會(huì)被損壞；VD2(A36A)為瞬態(tài)抑制二極管，其能吸收高壓脈沖電壓，防止汽車在大功率器件工作時(shí)產(chǎn)生的高壓脈沖對電子設(shè)備的損壞；L1和L2是低電感磁條，能有效的損耗騷擾成分的能量，能很好改善電源性能；F1和F2為自復(fù)位二級(jí)管，防止電子設(shè)備內(nèi)有器件被損壞時(shí)，電源短路造成對其他器件的損壞。N2(7812)提供12V電壓滿足前端輸入接口采集電路的需要，同時(shí)給N1(7808)提供輸入，N1提供8v電壓，滿足里程輸出以及速度輸出需要，N3(LM-2576-5.0)提供5V輸出，最大輸出電流為3A，滿足記錄儀帶打印機(jī)的需要。N4(WBD505)為DC-DC，其隔離汽車和電子設(shè)備電源，使設(shè)備電源穩(wěn)定可靠。N5(SPX1113) 提供3.3V電壓，供LPC2294和存儲(chǔ)體的需要，N6前端的8550為控制N6的輸入，N6給Ic卡供電，需要電源可控。

5 USB HOST模塊硬件設(shè)計(jì)

在汽車行駛記錄儀USB HOST模塊中，ARM內(nèi)核芯片采用LPC2294，USB HOST接口芯片采用ISP1160。

USBHOST接口原理圖如圖3所示，ISP1160提供16位并口總線數(shù)據(jù)協(xié)議，和控制線CS、RD、WR、INT以及A0，利用ARM讀寫信號(hào)線RD、WR、以及控制線A0、INT就能把ISP1160和LPC2294連接起來。其中 16根數(shù)據(jù)線在控制線的控制下與LPC2294進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。因?yàn)閁SB HOST包含有USB設(shè)備枚舉協(xié)議、Bulk Only傳輸協(xié)議以及FAT文件結(jié)構(gòu)，LPC2294內(nèi)部RAM資源不夠，系統(tǒng)擴(kuò)展了256KSRAM。ISP1160占有0x82000002和0x82000000兩個(gè)地址。另外，USB總線的電氣特性要求在USB收發(fā)器之前必須串接22Ω～44Ω電阻。

當(dāng)CS、RD有效時(shí)，如果A0為高，這是讀當(dāng)前地址或寄存器數(shù)據(jù)，如果A0為低，則讀當(dāng)前地址或寄存器地址。當(dāng)CS、WR有效時(shí)，如果A0為高，這是寫當(dāng)前地址或寄存器數(shù)據(jù)，如果A0為底，則寫地址或寄存器地址。

USB HOST識(shí)別設(shè)備過程如下：當(dāng)連接上USBDEVICE后，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷。LPC2294接收到中斷后，進(jìn)入枚舉過程。從USB設(shè)備插入接口開始到客戶驅(qū)動(dòng)程序能夠使用該設(shè)備還有一些工作要做，這一段可以稱作設(shè)備識(shí)別過程，也稱枚舉過程。枚舉過程是任何USB設(shè)備使用前必經(jīng)的過程，USB HOST端在使用前需要知道這是一個(gè)慢速設(shè)備還是一個(gè)全速?zèng)]備，需要知道這個(gè)設(shè)備的一些特性和能力，以便載入相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。

當(dāng)USB HOST配置完USB設(shè)備后，通過描述符提供的信息，識(shí)別出Bulk Only的MassStorage設(shè)備，然后進(jìn)入Bulk_Only傳輸方式，在此方式下，USB與設(shè)備之間的所有數(shù)據(jù)均通過Bulk In和Bulk Out來傳輸，不再通過控制端點(diǎn)傳輸任何的數(shù)據(jù)。在這種傳輸方式下，有三種數(shù)據(jù)類犁在USB和設(shè)備之間傳輸，CBW、CSW和普通數(shù)據(jù)。CBW(CommandBlock Wrapper，即命令塊分組)是從USB HOST發(fā)送到設(shè)備的命令，命令的格式遵從接口中的bInterfaceSubClass所指定的命令塊，這里為SCSI傳輸命令集。USB設(shè)備需要將SCSI命令從CBW 中提取出來，執(zhí)行相應(yīng)的命令，完成以后向HOST發(fā)出反映當(dāng)前命令執(zhí)行狀態(tài)CSW(Command StatusWrapper)， HOST根據(jù)CSW來決定是否繼續(xù)傳送下一個(gè)CBW或數(shù)據(jù)。USB HOST要求USB設(shè)備執(zhí)行的命令可能為發(fā)送數(shù)據(jù)，則此時(shí)需要將特定的數(shù)據(jù)傳送山去，傳送完畢后發(fā)出CSW，使USB HOST進(jìn)行下一步操作。

6 存儲(chǔ)模塊硬件設(shè)計(jì)

汽車行駛記錄儀是在汽車行駛過程中，對汽車各種狀態(tài)進(jìn)行記錄的電子裝置，各種狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是汽車行駛記錄儀的重要部分，因此，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)很關(guān)鍵。汽車行駛過程中狀態(tài)在記錄中可分為兩種，一種為頻率更新很高的數(shù)據(jù)，此部分?jǐn)?shù)據(jù)不適合用普通FLASH來存儲(chǔ)，因?yàn)槠胀‵LASH擦寫次數(shù)不夠，存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的壽命有限，此部分?jǐn)?shù)據(jù)適合用FRAM來存儲(chǔ)，F(xiàn)RAM有數(shù)億次擦寫時(shí)間。另一部分?jǐn)?shù)據(jù)采用普通FLASH來存儲(chǔ)，因?yàn)橄鄬RAM，普通的FLASH性價(jià)比要好得多。這樣結(jié)合普通FLASH和FRAM來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，既滿足了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)擦寫次數(shù)要求，而且有比較低的成本。硬件原理圖如圖4所示。

FRAM(FM24C16)采用I2C接口和LPC2294相連，I2C總線通過兩根線——串仃數(shù)據(jù)(SDA)和串行時(shí)鐘(SCL)線連接到總線上的任何一個(gè)器件，每個(gè)器件都有一個(gè)唯一的地址，而且都可以作為一個(gè)發(fā)送器或接收器。此外，器件在執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)也可以看作是主機(jī)或從機(jī)，I2C是一個(gè)多主機(jī)總線，SDA和SCL都是雙線路，連接到總線的器件的輸出級(jí)必須是漏極開路或集電極開路，都通過一個(gè)電流源或上拉電阻連接到正的電源電壓。當(dāng)總線空閑時(shí)，這兩條線路都足高電平。FLASH(AT45DB041)采用 SPI接口和LPC2294相連接，SPI是一個(gè)雙全工的串行接口，三線同步的數(shù)據(jù)傳輸形式。在一定的數(shù)據(jù)傳輸過程中，接口上只能有一個(gè)主機(jī)和一個(gè)從機(jī)能夠通信。在一次傳輸過程中，主機(jī)總是向從機(jī)發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，而從機(jī)也總是向總機(jī)發(fā)送一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)。

7 CAN模塊硬件設(shè)計(jì)

CAN-bus(Controller Area Network)即控制器局域網(wǎng)，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。起先，CAN-bus被設(shè)計(jì)作為汽車環(huán)境中的微控制器通訊，在車載各電子控制裝置ECU之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。比如：發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)、變速箱控制器、儀表裝備、電子主干系統(tǒng)中，均嵌入CAN控制裝置。

對于CAN在汽車上的應(yīng)用，具有很多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或者是國際標(biāo)準(zhǔn)，比如國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(InternationalOrganization for Standardization) 的 ISO11992、ISO11783以及汽車工程協(xié)會(huì)(Society of AutomotiveEngineers)的SAE J1939。CAN總線已經(jīng)作為汽車的一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備列入汽車的整體設(shè)計(jì)中。CAN模塊原理圖的電路圖如圖5所示。

圖5 CAN模塊原理圖的電路圖為LPC2294的兩路CAN接口設(shè)計(jì)硬件原理圖。圖中，TD1、RD1、TD2、RD2為LPC2294的兩路CAN控制器的接口引腳，6N137為高速光電隔離器件，TJA1050為CAN收發(fā)器。在CAN總線上的電容和二極管是對應(yīng)的物理層電路保護(hù)收發(fā)器電路。此外，節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，采用分離終端電路。將產(chǎn)品設(shè)計(jì)為分離終端的形式，這樣，在汽車原型或ECU EMC的評估過程中，可以使CAN總線實(shí)現(xiàn)要求更高的抗干擾／幅射性能。采用DC-DC模塊與高速光電隔離器件，可以抑制電磁干擾，保護(hù)系統(tǒng)電路不受網(wǎng)絡(luò)影響。另外在設(shè)計(jì)電路中，增加保護(hù)電路是必要的，收發(fā)器板應(yīng)盡可能放在接近PCB邊沿連接器的位置。邊沿連接器和收發(fā)器之間不允許有其他EC。CAN H／L或Tx／Rx電路不應(yīng)穿越總線或跳線。

8 結(jié)束語

在基于ARM LPC2294汽車行駛記錄儀中通過關(guān)鍵模塊硬件設(shè)計(jì)，很好實(shí)現(xiàn)了汽車行駛記錄儀標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展功能，是汽車行駛記錄中技術(shù)含量比較高的產(chǎn)品。

在產(chǎn)品的送檢、認(rèn)證和使用過程中，相關(guān)模塊的硬件設(shè)計(jì)技術(shù)性能和產(chǎn)品指標(biāo)都達(dá)到了產(chǎn)品設(shè)計(jì)和技術(shù)要求，這為產(chǎn)品提供了很好的高端技術(shù)含量，使汽車行駛記錄儀的要求，此項(xiàng)產(chǎn)品具有很好的市場競爭力。