基于uClinux嵌入式系統(tǒng)的汽車黑匣子的設(shè)計(jì)

摘要 本文介紹了建立在以32位三星的S3C44B0X微處理器為核心的嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)上的汽車黑匣子的設(shè)計(jì)和開發(fā)。本系統(tǒng)主要解決的問題是：1.關(guān)于汽車行駛狀態(tài)信號(hào)數(shù)據(jù)的采集和處理。2.USB接口的設(shè)計(jì)，使黑匣子中記錄的數(shù)據(jù)能夠通過USB接口與PC或者PDA進(jìn)行通信。最后經(jīng)過系統(tǒng)集成，本系統(tǒng)可以很好的運(yùn)行。另外在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還采用了嵌入式操作系統(tǒng)uClinux，并對(duì)其移植過程做了一定的研究。 
關(guān)鍵詞  S3C44B0X嵌入式處理器； uClinux操作系統(tǒng)； USB接口； 汽車黑匣子

汽車黑匣子就是汽車行駛記錄儀，它是用來記錄汽車在行駛中的狀態(tài)。隨著黑匣子在飛機(jī)上的成功運(yùn)用，越來越多的國家也在汽車上運(yùn)用這種技術(shù)。早在1990年以前歐共體就通過了在汽車上安裝黑匣子的立法，要求歐共體的15個(gè)成員國在10年內(nèi)給使用中的900萬輛商用車中安裝這個(gè)裝置。美國、日本、香港及馬來西亞等國家和地區(qū)也相繼廣泛使用汽車黑匣子^[1]。從使用的效果來看，汽車黑匣子不但可以在事故放生后準(zhǔn)確的反映當(dāng)時(shí)汽車的狀態(tài)同時(shí)也在預(yù)防汽車事故方面取的了顯著的效果。在2004年10月1日，我國推出了新的《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》（GB7428-2004）,明確要求用于公路運(yùn)營的載客汽車、重型載貨汽車、半掛車應(yīng)當(dāng)安裝、使用符合國家標(biāo)準(zhǔn)的汽車行駛記錄儀。

目前國內(nèi)生產(chǎn)汽車黑匣子的有60多家通過國標(biāo)檢測(cè)的企業(yè)，其中2/3是貼牌生產(chǎn)，或代理銷售其它企業(yè)產(chǎn)品；真正有技術(shù)、有資金、有生產(chǎn)線的企業(yè)只有18家左右，其中比較著名的是四川大科星、北京偉航、惠州銳神等。但其汽車黑匣子多是運(yùn)用8位或16位單片機(jī)作為處理器，采用匯編語言，運(yùn)用程序也比較單一。雖然也有公司研制出了第二代汽車黑匣子，功能也比較多但其還是沒有運(yùn)用操作系統(tǒng)到上面，所以在擴(kuò)展性和穩(wěn)定性上面還是有缺陷。在國外,俄羅斯最新研制出來的汽車黑匣子可以當(dāng)事故發(fā)生后，車輛空間運(yùn)動(dòng)物理量變化將被“黑匣子”記錄得一清二楚，從而幫助人們分析事故怎樣發(fā)生，汽車以后可以怎樣改進(jìn)。在嵌入式系統(tǒng)方面，歐洲的ICE已經(jīng)成功的把嵌入式系統(tǒng)運(yùn)用到了汽車黑匣子上。

1   系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

1.1 需求分析

根據(jù)國家最新出臺(tái)的汽車行駛記錄儀的標(biāo)準(zhǔn)：要求汽車行駛記錄儀能夠?qū)?shí)時(shí)時(shí)鐘、日期及駕駛時(shí)間的采集、記錄、儲(chǔ)存，車輛行駛速度、里程的測(cè)量、記錄、儲(chǔ)存等，對(duì)于事故疑點(diǎn)數(shù)據(jù)，記錄儀應(yīng)以不大于0.2秒的時(shí)間間隔持續(xù)記錄并儲(chǔ)存停車前20秒實(shí)時(shí)時(shí)間對(duì)應(yīng)的車輛行駛速度值及車輛制動(dòng)狀態(tài)信號(hào)^[2]。

1.2  系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用的主要的硬件是：32位三星的S3C44B0X處理器、信號(hào)處理電路、RS232型標(biāo)準(zhǔn)接口和USB1.1標(biāo)準(zhǔn)接口、4M Flash、8M SDRAM、4K FRAM、操作鍵盤和擴(kuò)展接口。操作系統(tǒng)用的是uClinux操作系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖一。

1.3 結(jié)構(gòu)描述

1、32位三星的S3C44B0X處理器，其內(nèi)置有RTC（實(shí)時(shí)時(shí)間芯片）可以實(shí)現(xiàn)北京時(shí)間的日期和時(shí)鐘，該日期和時(shí)鐘被用于為記錄儀實(shí)現(xiàn)所有功能（記錄、存儲(chǔ)、輸出等）標(biāo)注日期和時(shí)鐘，同時(shí)其強(qiáng)大的其它功能為本系統(tǒng)應(yīng)用和以后的升級(jí)或擴(kuò)展提供很好的支持。2、信號(hào)處理電路處理汽車黑匣子采集的信號(hào)，使其滿足我們系統(tǒng)的要求。3、本系統(tǒng)配置了RS232型標(biāo)準(zhǔn)接口和USB1.1標(biāo)準(zhǔn)接口，采用USB接口來完成數(shù)據(jù)從汽車黑匣子到計(jì)算機(jī)間的通信，使數(shù)據(jù)間的通信更加的方便和迅速。4、主要是的存儲(chǔ)單元是4M的Flash用來存儲(chǔ)uClinux操作系統(tǒng)和記錄的數(shù)據(jù)，8M的SDRAM和一塊4K的FRAM。當(dāng)汽車運(yùn)行時(shí)記錄儀以0.2s的時(shí)間間隔持續(xù)記錄并儲(chǔ)存停車前20s實(shí)時(shí)時(shí)間對(duì)應(yīng)的車輛行駛速度以及包過制動(dòng)的8個(gè)信號(hào)量進(jìn)行記錄，并且把其存儲(chǔ)在FRAM存儲(chǔ)器中。這些數(shù)據(jù)將作為事故疑點(diǎn)數(shù)據(jù)。同時(shí)記錄儀將以0.5min的間隔時(shí)間從FRAM中進(jìn)行采樣，把采樣的結(jié)果存進(jìn)Flash存儲(chǔ)器中。5、軟件方面采用uClinux操作系統(tǒng)，可以更好的滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性和運(yùn)用程序的多樣性。

2   關(guān)鍵技術(shù)  

2.1 信號(hào)數(shù)據(jù)的采集和處理

為了降低成本達(dá)到可實(shí)用性，本系統(tǒng)采用的信號(hào)都是從汽車上的各個(gè)傳感器上直接采取。主要采集的信號(hào)有車速信號(hào)、制動(dòng)信號(hào)和各個(gè)燈光的信號(hào)。

2.1.1       車速信號(hào)的采集和處理

本系統(tǒng)車速信號(hào)的采集是汽車上的ABS輪速傳感器上的信號(hào)。目前ABS傳感器輪速傳感器廣泛采用的是變磁阻式的電磁傳感器，通過研究發(fā)現(xiàn)ABS傳感器發(fā)出的信號(hào)是正弦波信號(hào)，并且信號(hào)的頻率和汽車的速度成正比關(guān)系，因此我們需要把信號(hào)的頻率轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓值，然后再送入A/D轉(zhuǎn)換器。但同時(shí)又由于汽車在行駛的時(shí)候?qū)BS傳感器發(fā)出的信號(hào)有非常大的干擾，所以需要在信號(hào)進(jìn)行頻壓轉(zhuǎn)換前對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。

信號(hào)的處理過程為(1)通過限幅電路。由于車輪的轉(zhuǎn)速越快，正弦波信號(hào)的幅值越大。所以通過兩個(gè)穩(wěn)壓二極管將信號(hào)的幅值限制到正負(fù)5幅以內(nèi)。(2)通過濾波電路。由于汽車在運(yùn)行的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生很大的高頻干擾信號(hào)，因此采用二階帶反饋的有源濾波器，去除高頻干擾信號(hào)。(3)通過整形電路，把正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)。(4)最后通過頻壓轉(zhuǎn)換電路。轉(zhuǎn)換過程如圖二所示。

圖二

2.1.2   制動(dòng)信號(hào)和各個(gè)燈光信號(hào)的采集和處理

    汽車上的制動(dòng)和燈光信號(hào)的采集都是直接通過汽車上的制動(dòng)電路或者燈光電路采集而得，其輸出都是一個(gè)電壓為12V的地躍信號(hào)，因此我們通過一個(gè)光電隔離器來實(shí)現(xiàn)抗干擾和穩(wěn)壓。

2.2 USB接口的設(shè)計(jì)

USB即通用串行總線（Universal serial bus）,是一種快速、靈活的總線接口。與其它通信接口比較，USB接口最突出的特點(diǎn)是易于使用和傳輸?shù)乃俾士臁Ｋ訳SB接口被越來越多的系統(tǒng)所采用。為了實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)本項(xiàng)目通過USB接口把汽車黑匣子記錄存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)或者PDA上，我們把整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)成個(gè)U盤來考慮，這樣就可以方便、快速的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。

USB組織按設(shè)備的不同屬性，定義了一系列設(shè)備類及設(shè)備次類。將這些相同屬性的設(shè)備組合在一起的優(yōu)點(diǎn)是，可以同時(shí)發(fā)展該類以PC主機(jī)為主的驅(qū)動(dòng)程序。目前USB中定義了以下類：Audio、Communication、Display、Human Interface、Mass storage、Image、Printer、Power、PC Legacy、Physical interface。因?yàn)槲覀冞@個(gè)項(xiàng)目需要做的是把整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)成一個(gè)U盤來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，所以需要我們遵循Mass storage協(xié)議。同時(shí)Microsoft Windows 中提供對(duì)Mass storage協(xié)議的支持，因此USB 移動(dòng)設(shè)備只需要遵循Mass storage協(xié)議來組織數(shù)據(jù)和處理命令，即可以實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。同時(shí)在Flash的存儲(chǔ)單元組織形式中采用FAT16 文件系統(tǒng)，這樣，就可以直接在Windows 的瀏覽器中通過可移動(dòng)磁盤來交換數(shù)據(jù)。

USB 組織現(xiàn)在定義了Mass Storage 協(xié)議傳輸?shù)膬蓚€(gè)規(guī)范，即：1. USB Mass Storage Class Control/Bulk/Interrupt (CBI) Transport 2. USB Mass Storage Class Bulk-Only Transport。但是CBI不能用于高速設(shè)備，所以在我們的這個(gè)系統(tǒng)中選用第二種傳輸方式Mass Storage Class Bulk-Only。

在這種傳輸模式下，需要注意接口描述符中的一些值的設(shè)定。把bInterfaceClass的值設(shè)為08，代表本設(shè)備為Mass storage Class。把bInterfaceSubClass的值設(shè)為06，這樣表明USB設(shè)備在傳輸中遵循SCSI協(xié)議。這是因?yàn)楹Ａ看鎯?chǔ)設(shè)備（General Mass Storage Device）是隨機(jī)存取、基于塊／扇區(qū)存儲(chǔ)的設(shè)備。它只能存儲(chǔ)和取回來自CPU 的數(shù)據(jù)。這種設(shè)備的接口遵循SCSI－2 標(biāo)準(zhǔn)的直接存取存儲(chǔ)設(shè)備（Direct Access Storage Device）協(xié)議。bInterfaceProtocol的值設(shè)為50，即USB設(shè)備為Bulk-Only Transport傳輸模式。

當(dāng)設(shè)備插入到USB 后，USB 即對(duì)設(shè)備進(jìn)行搜索，并要求設(shè)備提供相應(yīng)的描述符。在USB Host 得到上述描述符后，即完成了設(shè)備的配置，識(shí)別出為Bulk－Only 的Mass Storage 設(shè)備，然后即進(jìn)入Bulk－Only 傳輸方式。在這種傳輸方式下，有三種類型的數(shù)據(jù)在USB 和設(shè)備之間傳送，CBW、CSW 和普通數(shù)據(jù)。CBW（Command Block Wrapper，即命令塊包）是從USB       Host 發(fā)送到設(shè)備的命令，命令格式遵從接口中的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)的CSW（Command Status Wrapper），Host 根據(jù)CSW 來決定是否繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)CBW 或是數(shù)據(jù)。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)需要將特定數(shù)據(jù)傳送出去，完畢后發(fā)出CSW，以使Host 進(jìn)行下一步的操作。USB 設(shè)備所執(zhí)行的操作可用圖三所示。

在這里需要注意的是Flash的讀寫特點(diǎn)是其可隨機(jī)讀，但無法隨機(jī)寫。Flash在寫之前必須先擦除，而一擦又必須擦一個(gè)Block或者一個(gè)sector，因此在擦除某Block或sector 之前必須保存同一個(gè)Block或sector 中有關(guān)的數(shù)據(jù)。如果每收到一次數(shù)據(jù)就進(jìn)行一次擦、保存、寫的操作，系統(tǒng)任務(wù)將十分繁重，無法及時(shí)響應(yīng)USB Host 端的請(qǐng)求，因此這個(gè)需要通過設(shè)置一定大小的緩沖區(qū)來解決。

3   uClinux操作系統(tǒng)

在進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，對(duì)操作系統(tǒng)的選擇是至關(guān)重要的，對(duì)于系統(tǒng)需求不同需要運(yùn)用不同的操作系統(tǒng)。本系統(tǒng)考慮的主要是穩(wěn)定性和安全性，所以運(yùn)用uClinux操作系統(tǒng)。uClinux操作系統(tǒng)是基本上跟Linux操作系統(tǒng)是一樣的。(1)它是免許可證用費(fèi)同時(shí)具有很高的穩(wěn)定性、安全性和可裁剪性。(2)支持強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能，這個(gè)使我們的系統(tǒng)有更好的擴(kuò)展性，比如以后在上面實(shí)現(xiàn)GPRS等網(wǎng)絡(luò)功能(3)具有豐富的開放工具，提供C、C++、JAVA以及很多其它的開發(fā)工具,這個(gè)為我們的應(yīng)用程序的開發(fā)提供了很大方便。（4）具有大量的文檔可供我們參考。它們之間最大的不同是是uClinux是了為了滿足沒有MMU的處理器而特別設(shè)計(jì)的，即uClinux不能使用處理器的虛擬內(nèi)存管理技術(shù)而是采用的是實(shí)存儲(chǔ)器管理策略。

這里有主要的三個(gè)方面在移植的過程中是需要注意的。1、如果處理器的核不被uClinux支持，這就需要我們?cè)趗clinux/linux-2.4.x/arch/中增加一個(gè)新的體系結(jié)構(gòu)，這個(gè)工作量將是巨大的。但在我們的這個(gè)系統(tǒng)中ARM7TDMI體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)存在uclinux/linux-2.4.x/arch/armnommu/目錄中。2、在相同體系結(jié)構(gòu)目錄中找一個(gè)與你的處理器比較接近的處理器的配置文件進(jìn)行修改，使之適合你的處理器。如果沒有合適的就需要你自己寫，同樣這個(gè)工作量也是相當(dāng)大的。3、如果本系統(tǒng)的一些外圍設(shè)備電路不被uClinux所支持，需要自己編寫其的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

4   結(jié)束語

本汽車黑匣是建立在以32位三星的S3C44B0X微處理器為核心及uClinux操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)，可以更好的滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性和運(yùn)用程序的多樣性，因此可以更加完整、精確和多樣性的記錄下汽車的行駛狀態(tài)，為事故的分析提供準(zhǔn)確的依據(jù)，同時(shí)也對(duì)抑制交通事故起到很大的重要。另外在本系統(tǒng)中我們把整個(gè)系統(tǒng)做成U盤，這樣可以把記錄的數(shù)據(jù)方便、迅速的傳輸?shù)接?jì)算機(jī)或者PDA上。

參 考 文 獻(xiàn)
[1] 霍拉鮑等, 嵌入式UClinux : 硬件、軟件與接口, 電子工業(yè)出版社,2003
[2] GB/T 19056-2003, 汽車行駛記錄儀的規(guī)范性標(biāo)準(zhǔn)[S]
[3] Arpith Chacko Jacob, uClinux porting HOWTO, http://www.arpith.com/, 2004
[4] David A. Patterson and John L. Hennessy, Computer Organization and Design: The Hardware/Software Interface, second edition, San Francisco: Morgan Kaufmann, 1988