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管理计算机用于对原始记录数据进行统计、报表、存储及查询。
记录仪是整个系统的核心,其主要功能如下:
(1)可实时监测并记录汽车行驶的各种状态信息如时间、车速、怠速、超速、里程、车门开关、刹车状态、方向灯状态、近远光灯、引擎转速、引擎异常、机油压力、温度等。
(2)运行数据存储在大容量串行Flash存储器中,即使掉电,数据也不丢失。
(3)具有超时(疲劳)报警及记录功能,从而有效遏制司机疲劳行车,确保长途运输行车的安全。
(4)分级超速报警功能。
用户可按需求设置三级限速,当车辆超速时,会接不同限速分级声光报警,从而有效遏制超速行车,确保行车安全。
(5)车牌号、车型号、限速值等数据可方便地通过手持读码器在线写入或修改。
(6)备有GPS接口,可方便地扩展GPS对时、通信、定位、信息服务等功能。
(7)具有和手持读码器和管理计算机通信的标准RS232接口。
(8)管理软件可统计分析所有时段的行车速度、行驶里程、停车次数、停车时间、超速次数、超速时间及收、发车时问等,提供给管理人员关心的各种数据。
2记录仪硬件设计
根据记录仪功能需求和工作特点.在设计时主要从运行可靠性、记录数据准确性及数据存储容量三方面考虑。
记录仪结构框图如图1所示,主要包括单片机及其外围电路、电压量、电阻量、脉冲量及开关量采样电路、实时时钟电路、数据存储电路、声光报警电路、RS232通信接口电路及各种车用传感器等。
2.1单片机
采用Cygnal公司生产的C8051F005单片机作为控制核心。
在该记录仪中,PCA定时器阵列完成V/F变换脉冲计数;
2个电压比较器实现蓄电池过压、欠压检测;
利用片内温度传感器实现温度检测;
I/0口实现开关量检测;
SPI接口控制ISD4004一16芯片完成语音报警、实时时钟芯片MAX6902时钟的读写及数据存储芯片AT45DB081B的读写;
片内RS232口将记录数据上传到上位机。
由此可见,采用C8051F005单片机单个芯片即可完成系统的控制和检测,大大简化了系统硬件设计,显著降低了系统成本。
2.2传感器选择
汽车内传感器的工作环境十分恶劣,因此对传感器的需求也十分严格。
这些传感器必须要经受住从一40℃~+150℃的温度变化,而且需求精度高、可靠性好、反应快、抗干扰和抗振动能力强,才能准确地实时检测汽车运行的有关状态,并将这些状态转换成电信号供给单片机处理。
2.3信号检测
汽车传感器输出信号一般为电压、电阻、脉冲信号及开关量等,下面分别介绍这些信号的检测方法。
2.3.1电压信号
为了提高抗干扰能力和检测精度,先将电压信号经信号调理电路变换为0~5V的标准信号,再经V/F变换转换为脉冲量,经光耦隔离后通过C8051F005单片机的PCA阵列计数处理。
V/F转换器的应用电路如图2所示,其中,将有源时钟振荡器输出的3MHz脉冲信号经74HC393四分频后作为AD652的外部时钟源。
2.32电阻信号
电阻信号先经惠斯通电桥转换为0~5V的标准信号,再经V/F变换转换为脉冲量,经光耦隔离,最后通过C8051F005单片机的PCA阵列计数处理。
2.3.3脉冲信号
经光耦隔离后的脉冲信号直接通过C8051F005单片机的PCA阵列计数处理。
2.3.4开关信号
开关量采集原理图如图3所示。
当刹车和转向灯等工作状态发生改动时,其辅助接点将接通YX回路的+12V电源,此时光耦导通,其输出状态发生改动,在单片机定时中断服务程式内通过I/O口读取该状态即可,其动作分辨率可达lms。
2.4语音报警
当系统有超速行驶报警时,高亮度红色LED发光管闪亮,同时启动语音报警功能,发出“超速行驶,请注意”的警告语音。
该记录仪采用了单片语音录放电路ISD4004-16作为放音芯片。
ISD4004-16芯片工作电压为3.3V,单片录放时间为16分钟,最多可分2400段,音质好,适用于移动电话及其他便携式电子产品中。
芯片采用CMOS技术,内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存储阵列。
芯片设计是基于所有操作必须由单片机控制,操作命令可通过串行通信接口SPI送入;
同时采用多电平直接模拟量存储技术,每个采样值直接存储在片内的闪烁存储器中,因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声,避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声”;
采样频率为4.0kHz,片内信息存于闪烁存储器中,可在断电情况下保存100年(典型值),反复录音10万次。
在该记录仪中,将语音报警内容分为64段,在放音时可进行自由组合。
2.5实时时钟
为了能准确记录数据的采样时间,该记录仪采用了具有SPI接口的串行时钟芯片MAX6902。
MAX6902可工作在+2V~+5.5V的宽电源范围内,封装为SOT23-8,片内具有31BSRAM,具有体积小、外围电路简单、运行稳定性好、精度高、功耗低等好处,可满足记录仪对时间的需求。
2.6数据存储
由于要记录的数据量比较大,因此记录仪需求具有掉电记忆的大容量存储器。
通过比较采用了ATMEL公司生产的Flash存储器AT45DB081B。
AT5DB081B为串行接口;
采用SPI接口的0~3方式和C8051F005单片机进行通信,几乎无需外接元器件,集成度高,数据存储量大,数据掉电保存;
工作电压为3.3V,工作电流为4mA(待机状态下仅为2μA);
其主存共4096页,每页264B,总容量为1056KB(约合8Mb),存放在主存中的数据掉电不丢失。
除了主存以外,AT45DB081B更有2个容量为264B的数据缓存,缓存能用作主存和外部进行数据交换时的缓冲区域,也能暂存一些临时数据,缓存读写方便迅速,但掉电数据会丢失。
AT45DB081B数据读写采用串行方式,读写速度快,从页到缓存的传输时间为80μs左右,并且兼容CMOS和TTL电平的输入、输出。
ISD4004-16、MAX6902、AT45DB081B和C8051F005单片机的接口原理图如图4所示。
2.7防拆卸设计
为了防止记录仪被非法拆开,系统采取了防拆卸设计。
正常状态下一弹簧将一按键开关压下,该开关闭合;
当记录仪外壳被拆开时,弹簧弹起,按键开关断开。
通过单片机的I/O口定时读取该开关的状态及记录开关状态的变化并报警。
3软件设计
系统软件主要完成两方面的功能:
(1)实现汽车行驶状态的实时检测和记录,检测到故障时声光报警。
(2)将记录数据通过RS232口上传到上位机,以便进行日常管理和事故诊断。
软件的设计完全按照结构化的程式设计方案,将整个程式按照功能分为若干个程式模块,以方便调试和检查。
采用KeilC51语言编程。
本设计中的软件在KeilμVision2V2.05集成环境中编辑、编译、连接、调试后,直接通过JTAG接口将程式下载到C8051F005单片机中(ISP)。
程式主要包括:
主程式、模拟量采集程式、开关量采集程式、脉冲量采集程式、数据存储程式、时钟处理程式、故障处理程式、语音报警程式及串口通信程式等。
4系统可靠性设计
作为汽车行驶状态记录仪,由于汽车内的工作环境十分恶劣。
因此怎么确保系统的稳定性和可靠性至关重要。
尽管系统硬件经过了精心设计,如多层印制板、可靠的元器件选择、输入输出的光耦隔离、电源输入和输出滤波器的采用、硬件看门狗等,起到了非常强的抗干扰作用;
不过由于记录仪的工作环境是比较复杂的.要确保系统的绝对可靠运行,上述措施还是不够的,还需要从软件设计上进行通盘考虑,以增强系统的综合抗干扰能力。
系统遇见干扰的直接结果是程式跑飞。
在软件设计中.主要从软件的模块化设计和事件驱动方式、指令冗余和软件陷阱、软件重要变量的多重拷贝、软件的可重入设计和数字滤波等方面进行了考虑,以增强系统的综合抗干扰能力。
实践证实这些措施都取得了较好的效果。
该记录仪严格遵循汽车电子产品的需求,充分考虑了车内环境(如电磁干扰、振动、温度、湿度等),在电路原理设计、电子元器件选择、结构设计、接插件选择等各个步骤上均严格按照相应的电子设备标准,并已通过各项环境测试。
自投入运行以来,取得了良好的效果,完万能满足汽车行驶数据实时记录的需要。
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1.
概述
汽车行驶记录仪,又称“汽车黑匣子”,是对车辆行驶速度、时间、里程以及有关车辆行驶的其他状态信息进行记录、存储并可通过接口实现数据输出的数字式电子记录装置[1]。
多功能汽车行驶记录仪可详细记录车辆每次的起动时间、行驶里程、行驶时间、最高车速以及每次最高车速的持续时间,在汽车驾驶员超速行驶时发出超速报警声,储存停车前20秒的车辆信息,并且可以使用USB移动磁盘采集数据,具有GSM/GPRS远程数据传输、GPS定位等功能。
同时可以建立监控中心,管理多个终端,方便交通管理部门根据所记录的有关数据对车辆进行有效的管理,大大地提高了驾驶员的安全责任心,从而可大幅度地降低事故的发生。
为了使车辆的排放、舒适性、稳定性、动力性和制动性等技术性指标达到一定的要求,CAN总线已发展成为汽车电子系统的主流总线。
目前,我国的轿车已具有一定的电子控制和网络功能。
2006年,北京地区大客车的排放也要满足欧Ⅲ标准,并且已制定了基于CAN总线通信协议的SAEJ1939作为载货车和大客车的通讯标准[2]。
基于CAN总线的多功能汽车行驶记录仪,就是根据这种发展趋势,为有CAN总线的汽车而开发的,预留出CAN节点的接口,使其可以通过CAN总线采集数据,增强了多功能汽车行驶记录仪的扩展性。
一旦出现故障,可以尽快的检测出问题,便于检修。
2.
CAN总线技术
CAN-bus(ControllerAreaNetwork)即控制器局域网,是德国BOSCH公司在80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信总线,是国际上应用最广泛的现场总线之一。
它可靠性高、性能价格比高、适应性好。
国外众多的汽车,如奔驰、宝马、大众、沃尔沃、雷诺及帕里奥汽车都采用了CAN总线技术[3]。
CAN通信协议主要描述了设备之间的信息传递方式。
通信接口集成了CAN协议物理层和数据链路层功能,可对通信数据进行帧处理。
为在汽车这一特殊环境中的应用,提供了保证[3,4]:
(1)数据通信的可靠性
CAN总线每帧信息都有CRC校验及其他检错措施,具有极好的检错效果,并且CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能,以使总线上其他节点的操作不受影响。
(2)数据通信的实时性
CAN总线的通信速率可达1Mbps,在报文标识符上,CAN上的节点分成不同的优先级,优先级高的数据享有占用总线的优先权,优先权高的数据最多可在134ms内得到传输。
(3)数据通信的灵活性
CAN总线是一种多主总线结构,各个节点之间相互独立,总线上任何一个节点均可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息。
面向数据块的通信方式,每帧数据量为8字节,通信介质为双绞线、同轴电缆或者光纤。
由于CAN通信协议仅包括物理层和数据链路层说明,并未对应用层的功能和实现进行定义,因此,用户既可以采用国际CAN总线用户及制造商协会或其他一些组织制定的开放式高层协议,也可以在工程种灵活的实现自己的应用层。
载货车和大客车的通讯标准SAEJ1939则将汽车应用层进行具体实施,统一定义了整套的地址编码系统,这样不同厂家的控制器(ECU)可以接入同一网络系统,实现数据共享,从而减少了电子系统的线束,减少了冗余的传感器,降低了造价,提高了系统的通用性和可靠性,同时改善了系统的灵活性[5]。
3.
系统总体结构设计
多功能汽车行驶记录仪主要由CPU、数据存储器、CAN控制器/收发器、电源转换模块、GPS模块、GSM/GPRS模块、IC卡接口、开关量输入、USB接口及光电隔离电路等组成。
系统总体结构图见图1:
各部分采集数据后,通过CAN总线与记录仪通信,最终由记录仪完成数据的存储。
由于采用了现场总线方式,实际布线非常简洁,只需要一条双芯电缆即可,扩展非常方便。
多功能汽车行驶记录仪通过USB接口可以完成数据的导出,由管理分析软件完成数据的分析显示。
3.1
CAN接口设计
CAN接口模块,主要用于记录仪与总线间的数据采集。
总线上的CAN节点模块采集各种数据,传输到总线上,记录仪通过其内部的CAN接口模块,获得各种模拟量信号及脉冲频率信号。
CAN总线传输数据结构图见图2。
这种采集数据的方式,具有很好的扩展性和可移植性。
对于一些相对固定且常用的参数,如:
车速,发动机转速,传感器模拟量输入等,可以直接设计成一个CAN节点模块,挂在总线上,适用于各种车型;
对于其他不常用参数,可以根据需要进行扩展,做成活动的CAN节点,如:
温度传感器,可以增设到CAN节点模块中,测出车内各座位的温度场分布。
同时对于活动CAN节点,也可以设计成通用的模块,根据不同的车型和需要,改变CPU中的软件部分,即可得到想要的各种数据。
图1系统总体结构图
图2
CAN总线传输数据结构图
记录仪内部的CAN接口模块由看门狗、CAN控制器、CAN收发器、RS232、开关信号输入等部分组成。
CAN接口模块图见图3。
(1)CAN控制器
选用Philips的SJA1000,它是一种独立控制器,用于移动目标和一般工业环境中的区域网络控制CAN。
其中SJA1000的PeliCAN这种工作模式支持具有很多新特性的CAN2.0B协议。
(2)CAN驱动器
选用PCA82C250,也即CAN协议控制器和物理总线的接口。
此器件对总线提供差动发送能力,对CAN控制器提供差动接收能力,它主要是为汽车中高速通讯(高达1Mbps)应用而设计,完全符合“ISO11898”标准,具有限流电路和热保护功能。
CANH、CANL两条线可防止在汽车环境下可能发生的电气瞬变现象。
图3
CAN接口模块图
3.2
CPU与存储器
记录仪接收总线上的数据,汇总后进行数据的存储,并可根据事先确定的警戒值进行语音报警提示。
核心是数据的准确可靠存储。
这里CPU选择台湾华邦公司生产的8位单片机W77E58,与MCS51系列单片机具有相同内核,功能更加强大,可多次编程,在相同主频下,速度是89S52的3-4倍。
它内部集成了32KB的可重复编程的FlashROM、256字节的片内存储器、1KB用于MOVX指令访问的SRAM、可编程看门狗定时器、三个16位定时器、二个增强型的全双工串行口、片内RC震荡器、双16位数据指针等诸多功能。
多功能汽车行驶记录仪对存储器的要求很高,要对大量的数据进行存储,需要外扩数据存储器。
它所记录的数据包括两部分:
一为停车前的疑点数据,存放停车前20秒的数据,用于分析事故发生的原因和事故的责任;
二为历史记录,存放汽车整个行驶过程中的数据,用于考核驾驶员和汽车的运行状况。
在存储模块中,采用了铁电存储器(FRAM)与DATAFLASH并用的方式。
FRAM是美国Ramtron公司的核心技术,具有随机存取记忆体(RAM)和非易失性存储的特性,掉电后数据能保存10年。
它可擦写次数多,5V供电的FRAM的擦写次数为100亿次,低电压的FRAM的擦写次数为1亿亿次。
速度快,功耗低,可以用于停车前20秒的数据存储。
DATAFLASH选用Atmel公司生产的AT45DB041,它具有4Mbit的Flash的存储单元,可以存储26000条记录,由于采用SPI串行模式进行操作,可以很方便的与CPU进行通讯。
在存储模块中,它用
来存储历史数据。
不同的芯片,增加的主存储器的容量不同,如AT45D081、AT45D161、AT45D321的容量分别为8M、16M、32Mbits。
3.4
通信接口
根据GB/T19056—2003的国家标准,标准型记录仪应至少配置两种标准接口:
(1)USB(通用串行总线)标准接口;
(2)标准RS232D型9针接口。
通过RS232串行口直接进行数据传输比较容易实现、普及广泛、可靠性高。
芯片选用MAX232,它是一种双组驱动器/接收器,片内含有一个电容性电压发生器,可以在单5V供电时提供EIA/TIA-232-E电平。
用USB标准接口传输数据,U盘体积小,容量大,便于携带,读取数据方便。
采用CYPRESS公司生产的USB-HOST接口芯片SL811作为USB接口芯片。
该芯片支持USB1.1协议,价格低,性能突出,可靠性高,可以理想地用于多种外设。
它内部有256字节的RAM数据缓冲器,可以用来控制寄存器和数据缓存器。
高速模式下支持12Mbps,低速模式下支持1.5Mbps。
对于大多数厂家生产的USB移动磁盘(如朗科优盘、爱国者优盘等)都可以成功存取。
4.
软件设计
多功能汽车行驶记录仪的软件设计分为系统软件和管理软件两部分。
系统软件的主要功能是对记录仪各个模块以及特殊寄存器进行初始化,巡回检测各个开关状态量和模拟量[6]。
如记录仪设置模块初始化,包括记录间隔、报警速度阈值、车牌照等等,存储器初始化,GPS/GSM模块初始化等。
它主要通过KeilC对单片机编程,实现上述功能。
管理软件是多功能汽车行驶记录仪配套的管理软件,通过全球卫星定位系统(GPS)和地理信息系统(GIS)实现对车辆的全程跟踪,将车辆的各种违章事件都直观的反映出来,便于处理。
它是建立在MicrosoftWindows的基础上,以Mapinfo公司的地图二次开发控件MAPX为GIS软件开发平台,可以使用VB,VC等多种语言,进行开发[7]。
管理软件具有数据智能分析功能。
对记录仪记下的大量数据进行筛选、初步评价,给出智能报告。
该数据分析功能可以分析以下数据:
1、疑点数据;
2、车辆行驶速度及里程数据(日期,时间,速度,里程);
3、连续驾驶时间数据(起始日期,起始时刻,结束日期,结束时刻,驾驶证号码);
4、车辆识别代号、车辆特征系数、车牌号码、车牌分类;
5、驾驶员代码、驾驶证证号。
为了提高分析数据的效率,可以分三类分析:
1、超速(起始日期,起始时间,结束日期,结束时间);
2、里程(起始日期,起始时间,结束日期,结束时间,行驶里程);
3、疲劳驾驶(起始日期,起始时间,结束日期,结束时间)。
超速是根据数据库内有记录的相应路段所对应的超速值来查询内存中1h内的超速数据;
里程能提供30d内的任意时段的行驶里程;
疲劳驾驶则是表示两个日历天内的疲劳驾驶数据。
5.
结论
本文详细介绍了一种基于CAN总线的多功能汽车行驶记录仪,对CPU的选择、CAN接口模块、存储器、通信模块、内部软件以及管理中心的建设做了深入的分析和说明。
在标准汽车行驶记录仪的基础上,增加了USB移动磁盘采集数据,GSM/GPRS远程数据传输等功能,并与CAN总线技术相结合,增强了可扩展性。
本多功能汽车行驶记录仪,已经开发成功,并且做了相应的实验,工作稳定性好、具有抗干扰的性能,使用效果良好。
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