多功能汽車(chē)行駛狀態(tài)記錄儀的設計

       隨著(zhù)飛機飛行數據記錄儀在空運管理方面的成功運用，汽車(chē)行駛狀態(tài)記錄儀已陸續在許多國家和地區大量使用。早在1990年以前，歐共體就通過(guò)了在汽車(chē)上安裝行駛狀態(tài)記錄儀的立法，并具體規定了商用車(chē)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)成員國在十年內給在用的900萬(wàn)輛商用車(chē)安裝這一裝置。美國、日本、馬來(lái)西亞及香港等國家和地區也相繼廣泛使用了汽車(chē)行駛狀態(tài)記錄儀。統計資料表明，汽車(chē)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產(chǎn)損失，產(chǎn)生了顯著(zhù)的社會(huì )效益和經(jīng)濟效益�？梢�(jiàn)，準確記錄運行過(guò)程，對事故防患于未然是極為重要的。

　　該汽車(chē)行駛狀態(tài)記錄儀在發(fā)生交通事故時(shí)，能客觀(guān)、全面地記錄交通事故發(fā)生時(shí)車(chē)輛行駛的各種狀態(tài)和司機的操作行為，為交通事故分析提供真實(shí)、有效、科學(xué)的有關(guān)車(chē)輛行駛的原始數據，并可提供事故分析功能，幫助有關(guān)部門(mén)快速確定事故原因，以保障事故雙方(或幾方)的合法權益；在正常營(yíng)運中，又是管理部門(mén)加強監督和管理的強有力工具，幫助管理人員全面了解汽車(chē)的運行情況；在車(chē)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、準確的科學(xué)依據。汽車(chē)行駛狀態(tài)記錄儀的推廣，將在遏止疲勞駕駛、車(chē)輛超速等嚴重交通違章、約束駕駛人員駕駛行為、預防道路交通事故、保障車(chē)輛行駛安全、提高營(yíng)運管理水平等諸多方面發(fā)揮重要作用。

       1 系統組成及主要功能

　　汽車(chē)行駛狀態(tài)記錄系統主要由汽車(chē)行駛狀態(tài)記錄儀、手持讀碼器和管理計算機組成。記錄儀安裝于汽車(chē)上，實(shí)時(shí)監測并記錄車(chē)輛的行駛數據；手持讀碼器由掌上電腦和應用軟件組成，用于控制和操作記錄儀的運行及通過(guò)RS232 串行口對記錄儀進(jìn)行數據讀��；管理計算機用于對原始記錄數據進(jìn)行統計、報表、存儲及查詢(xún)。

　　記錄儀是整個(gè)系統的核心，其主要功能如下：

      (1)可實(shí)時(shí)監測并記錄汽車(chē)行駛的各種狀態(tài)信息如時(shí)間、車(chē)速、怠速、超速、里程、車(chē)門(mén)開(kāi)關(guān)、剎車(chē)狀態(tài)、方向燈狀態(tài)、近遠光燈、引擎轉速、引擎異常、機油壓力、溫度等。
      (2)運行數據存儲在大容量串行Flash存儲器中，即使掉電，數據也不丟失。
      (3)具有超時(shí)(疲勞)報警及記錄功能，從而有效遏制司機疲勞行車(chē)，保證長(cháng)途運輸行車(chē)的安全。
      (4)分級超速報警功能。用戶(hù)可按需求設置三級限速，當車(chē)輛超速時(shí)，會(huì )接不同限速分級聲光報警，從而有效遏制超速行車(chē)，保證行車(chē)安全。
      (5)車(chē)牌號、車(chē)型號、限速值等數據可方便地通過(guò)手持讀碼器在線(xiàn)寫(xiě)入或修改。
      (6)備有GPS接口，可方便地擴展GPS對時(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算機通信的標準RS232接口。
      (8)管理軟件可統計分析任何時(shí)段的行車(chē)速度、行駛里程、停車(chē)次數、停車(chē)時(shí)間、超速次數、超速時(shí)間以及收、發(fā)車(chē)時(shí)問(wèn)等，提供給管理人員關(guān)心的各種數據。

       2 記錄儀硬件設計

　　根據記錄儀功能要求和工作特點(diǎn)．在設計時(shí)主要從運行可靠性、記錄數據準確性及數據存儲容量三方面考慮。記錄儀結構框圖如圖1所示，主要包括單片機及其外圍電路、電壓量、電阻量、脈沖量及開(kāi)關(guān)量采樣電路、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路、數據存儲電路、聲光報警電路、RS232通信接口電路及各種車(chē)用傳感器等。

      2．1 單片機

      采用Cygnal公司生產(chǎn)的C8051F005單片機作為控制核心。在該記錄儀中，PCA定時(shí)器陣列完成V/F變換脈沖計數；2個(gè)電壓比較器實(shí)現蓄電池過(guò)壓、欠壓檢測；利用片內溫度傳感器實(shí)現溫度檢測；I／0口實(shí)現開(kāi)關(guān)量檢測；SPI接口控制ISD4004一16芯片完成語(yǔ)音報警、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片 MAX6902時(shí)鐘的讀寫(xiě)以及數據存儲芯片AT45DB081B的讀寫(xiě)；片內RS232口將記錄數據上傳到上位機。由此可見(jiàn)，采用C8051F005單片機單個(gè)芯片即可完成系統的控制和檢測，大大簡(jiǎn)化了系統硬件設計，顯著(zhù)降低了系統成本。

       2.2 傳感器選擇

　　汽車(chē)內傳感器的工作環(huán)境十分惡劣，因此對傳感器的要求也十分嚴格。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、反應快、抗干擾和抗振動(dòng)能力強，才能準確地實(shí)時(shí)檢測汽車(chē)運行的有關(guān)狀態(tài)，并將這些狀態(tài)轉換成電信號供給單片機處理。

　　2．3 信號檢測

　　汽車(chē)傳感器輸出信號一般為電壓、電阻、脈沖信號及開(kāi)關(guān)量等，下面分別介紹這些信號的檢測方法。

　　2．3．1 電壓信號

　　為了提高抗干擾能力和檢測精度，先將電壓信號經(jīng)信號調理電路變換為0～5V的標準信號，再經(jīng)V/F變換轉換為脈沖量，經(jīng)光耦隔離后通過(guò)C8051F005單片機的PCA陣列計數處理。V／F轉換器的應用電路如圖2所示，其中，將有源時(shí)鐘振蕩器輸出的3MHz脈沖信號經(jīng)74HC393四分頻后作為AD652的外部時(shí)鐘源。

       2．3 2 電阻信號

　　電阻信號先經(jīng)惠斯通電橋轉換為0~5V的標準信號，再經(jīng)V／F變換轉換為脈沖量，經(jīng)光耦隔離，最后通過(guò)C8051F005單片機的PCA陣列計數處理。

　　2．3．3 脈沖信號

　　經(jīng)光耦隔離后的脈沖信號直接通過(guò)C8051F005單片機的PCA陣列計數處理。

　　2．3．4 開(kāi)關(guān)信號

　　開(kāi)關(guān)量采集原理圖如圖3所示。當剎車(chē)和轉向燈等工作狀態(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)光耦導通，其輸出狀態(tài)發(fā)生改變，在單片機定時(shí)中斷服務(wù)程序內通過(guò)I／O口讀取該狀態(tài)即可，其動(dòng)作分辨率可達lms。

        2．4 語(yǔ)音報警

　　當系統有超速行駛報警時(shí)，高亮度紅色LED發(fā)光管閃亮，同時(shí)啟動(dòng)語(yǔ)音報警功能，發(fā)出“超速行駛，請注意”的警告語(yǔ)音。

　　該記錄儀采用了單片語(yǔ)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(huà)及其他便攜式電子產(chǎn)品中。芯片采用CMOS技術(shù)，內含振蕩器、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陣列。芯片設計是基于所有操作必須由單片機控制，操作命令可通過(guò)串行通信接口SPI送入；同時(shí)采用多電平直接模擬量存儲技術(shù)，每個(gè)采樣值直接存儲在片內的閃爍存儲器中，因此能夠非常真實(shí)、自然地再現語(yǔ)音、音樂(lè )、音調和效果聲，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，片內信息存于閃爍存儲器中，可在斷電情況下保存100年(典型值)，反復錄音10萬(wàn)次。在該記錄儀中，將語(yǔ)音報警內容分為64段，在放音時(shí)可進(jìn)行自由組合。

　　2．5 實(shí)時(shí)時(shí)鐘

　　為了能準確記錄數據的采樣時(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，封裝為SOT23-8，片內具有31B SRAM，具有體積小、外圍電路簡(jiǎn)單、運行穩定性好、精度高、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，可滿(mǎn)足記錄儀對時(shí)間的要求。

　　2．6 數據存儲

　　由于要記錄的數據量比較大，因此記錄儀要求具有掉電記憶的大容量存儲器。通過(guò)比較采用了ATMEL公司生產(chǎn)的Flash存儲器AT45DB081B。 AT5DB081B為串行接口；采用SPI接口的0~3方式與C8051F005單片機進(jìn)行通信，幾乎無(wú)需外接元器件，集成度高，數據存儲量大，數據掉電保存；工作電壓為3.3V，工作電流為4mA(待機狀態(tài)下僅為2μA)；其主存共4096頁(yè)，每頁(yè)264B，總容量為1056KB(約合8Mb)，存放在主存中的數據掉電不丟失。除了主存以外，AT45DB081B還有2個(gè)容量為264B的數據緩存，緩存可以用作主存與外部進(jìn)行數據交換時(shí)的緩沖區域，也可以暫存一些臨時(shí)數據，緩存讀寫(xiě)方便迅速，但掉電數據會(huì )丟失。AT45DB081B數據讀寫(xiě)采用串行方式，讀寫(xiě)速度快，從頁(yè)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單片機的接口原理圖如圖4所示。

       2．7 防拆卸設計

　　為了防止記錄儀被非法拆開(kāi)，系統采取了防拆卸設計。正常狀態(tài)下一彈簧將一按鍵開(kāi)關(guān)壓下，該開(kāi)關(guān)閉合；當記錄儀外殼被拆開(kāi)時(shí)，彈簧彈起，按鍵開(kāi)關(guān)斷開(kāi)。通過(guò)單片機的I/O口定時(shí)讀取該開(kāi)關(guān)的狀態(tài)及記錄開(kāi)關(guān)狀態(tài)的變化并報警。

       3 軟件設計

　　系統軟件主要完成兩方面的功能：(1)實(shí)現汽車(chē)行駛狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測和記錄，檢測到故障時(shí)聲光報警。(2)將記錄數據通過(guò)RS232口上傳到上位機，以便進(jìn)行日常管理和事故診斷。

　　軟件的設計完全按照結構化的程序設計方案，將整個(gè)程序按照功能分為若干個(gè)程序模塊，以方便調試和檢查。采用Keil C51語(yǔ)言編程。本設計中的軟件在KeilμVision2 V2.05集成環(huán)境中編輯、編譯、連接、調試后，直接通過(guò)JTAG接口將程序下載到C8051F005單片機中(ISP)。程序主要包括：主程序、模擬量采集程序、開(kāi)關(guān)量采集程序、脈沖量采集程序、數據存儲程序、時(shí)鐘處理程序、故障處理程序、語(yǔ)音報警程序及串口通信程序等。

       4 系統可靠性設計

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

　　盡管系統硬件經(jīng)過(guò)了精心設計，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(mén)狗等，起到了很強的抗干擾作用；但是由于記錄儀的工作環(huán)境是比較復雜的．要保證系統的絕對可靠運行，上述措施還是不夠的，還需要從軟件設計上進(jìn)行通盤(pán)考慮，以增強系統的綜合抗干擾能力。

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

　　該記錄儀嚴格遵循汽車(chē)電子產(chǎn)品的要求，充分考慮了車(chē)內環(huán)境(如電磁干擾、振動(dòng)、溫度、濕度等)，在電路原理設計、電子元器件選擇、結構設計、接插件選擇等各個(gè)步驟上均嚴格按照相應的電子設備標準，并已通過(guò)各項環(huán)境測試。自投入運行以來(lái)，取得了良好的效果，完全能滿(mǎn)足汽車(chē)行駛數據實(shí)時(shí)記錄的需要。