（通信与信息系统专业论文）嵌入文件系统的汽车行驶记录仪监控软件的研究.pdf

摘要 摘要* 汽车行驶记录仪( 以下简称记录仪) 已成为提高交通安全管理技术水平，遏 制交通事故上升的有效手段。最先进的3 g 型记录仪集成了多种先进的信息技 术，包括电子传感、嵌入式系统丌发、全球定位信息技术( g p s ) 、移动数据存 储技术以及无线通信技术等，全面收集、存储车辆行驶过程中速度、制动操作等 关键状态数据，为驾驶员驾驶行为的监督，预防交通事故的发生，意外事故的调 查分析等提供了详实科学的数据依据。国内外实践证明，记录仪的使用令交通事 故的发生率下降了5 0 左右，产生了良好的经济和社会效益。目前国家交通管理 部门、地方政府已经制订相应的政策，强制营运车辆安装合格的记录仪。应用记 录仪进行交通安全管理是火势所趋。 国产记录仪技术是在自发性研究的基础上发展而来的，技术相对落后，功能 单一，以数据存储功能为主；缺乏有效数据管理机制，而数据安全性和抗意外的 健壮性等不足，与国外3 g 型记录仪技术存明显的技术差距。随着国外产品对我 国国家标准的适应，国产记录仪将面临很大的技术竞争压力。 本论文以当今先进的3 g 型记录仪为目标，剖析其技术核心一嵌入文件系 统的记录仪监控系统，为开发国产3 g 型记录仪打下技术基础。 本文主要介绍了以下工作成果： 实现“c o s 实时操作系统的移植。根据a r m 体系结构特点，我们对肛c o s 实时操作系统内核中与处理器相关的代码进行修改，令肛c o s 得以在a r m 内核 的处理器运作，成为记录仪监控系统任务调度和控制的基础。详见第三章。 在数据管理机制方面，我们设计了主次缓存的管理机制，用于协调易失性缓 存与非易失性缓存之间的管理，有效地解决实时车辆状态数据的完整性问题；扇 区组综合映射算法，克服传统嵌入式存储管理在实时管理方面存在的不足，提高 存储管理的性能；浮动存储机制则有效地屏蔽了底层物理存储管理，并均衡了物 理存储区的使用，延长存储器使用寿命，提高数据存储的可靠性；结合使用f a t 技术与日志技术，实现数据的文件化管理，提高数据管理效率，并确保意外断电 后数据操作的可靠恢复，提高系统的健壮性；详见第四章。 在g p r s 无线通信方面，通过自适应算法大大改善了无线通信通信过程中存 在的数据丢失问题，提高数据通信的可靠性，令控制中心对记录仪的实时监控得以 实现。详见第五章。 通过对本课题的研究，开发了一个具备文件系统数据管理能力和无线通信能 力的记录仪监控系统，为国产3 g 型记录仪的研发工作做出了一点贡献。 关键词汽车行驶记录仪；嵌入式操作系统；文件系统；f l a s h ：f r a m 广东省科技火炬计划项目( 2 0 0 2 0 1 0 1 0 1 0 6 ) ；珠海市科技重大攻关项目( p 0 2 0 0 3 2 0 0 1 0 ) 资助 i 华南理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t v c h i c l et r a v e l i n gd a t ar e c o r d e r ( h e r e i n a f t e r ，w ec a l l e di tr e c o r df o rs h o r t ) h a sb e c o m eae f f e c t i v ew a yt o p r o m o t et h et e c h n o l o g yo ft r a f f i cm a n a g e m e n t ， p r e v e n t i n g t h en u m b e ro ft h et r a f f i ca c c i d e n tr i s i n g t h e3 gr e c o r d e ri st h e m o s ta d v a n c e dr e c o r d e r t o d a y i t i n c l u d e sd i f f e r e n t t e c h n o l o g i e s ，s u c h a s e l e c t r o n i ct r a n s d u c e r ，e m b e d d e ds y s t e md e v e l o p m e n t ，m o b i l es t o r a g e ，w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n ，e t c t h ep r a c t i s ep r o v e st h a tt h ea p p l i c a t i o no fr e c o r d e rm a k e t h er a t eo fa c c i d e n th a p p e n i n gd o w nb y5 0 t h eg o v e r n m e n tm a k e so u tt h e c o r r e s p o n d i n gp o l i c yt oo b l i g e t h ev e h i c l ef o rb u s i n e s st of i xt h es t a n d a r d i z e d r e c o r d e r a p p l y i n gr e c o r d e ri n t r a f f i cm a n a g e m e n ti st h em a i nt r e n da l lo v e r t h ew o r l dn o w t h eh o m e p r o d u c e dr e c o r d e ri sd e v e l o p e db yt h ec o m p a n i e si ns p o n t a n e i t y c o m p a r i n gw i t ht h ef o r e i g n3 gr e c o r d e r ，t h et e c h n o l o g yo ft h eh o m e p r o d u c e d r e c o r d e ri s b e h i n d h a n d ，t h ef u n c t i o n i s s i m p l e ，s h o r t f o rt h em e c h a n i s mt o m a n a g et h ed a t a ，n o ts t r o n ge n o u g ht or e s i s tt ot h ed a m a g ei na c c i d e n t t h eg a p i so b v i o u s o n c et h ef o r e i g nr e c o r d e r sa d a p tt ot h en e ws t a n d a r df o rr e c o r d e ri n o u rc o u n t r y ，t h eh o m e p r o d u c e dr e c o r d e ri sf a c e dt h eh e a v yp r e s s u r ef r o mt h e c o m p e t i t i o nw i t ht h ef o r e i g n o n e s w ed os o m er e s e a r c ho nt h em o n i t o rs y s t e mw i t he m b e d d e df i l es y s t e mi n r e c o r d e r ，w h i c hi st h ec o r eo ft h et e c h n o l o g yo ft h e3 gr e c o r d e r ，i no r d e rt o f o u n dt h eb a s et o d e v e l o pt h eh o m e p r o d u c e d3 gr e c o r d e r t h i s d i s s e r t a t i o n w i l li n t r o d u c et h ef o l l o w i n gf r u i t ： t r a n s p l a n t t h e i c i o s r e a lt i m e o p e r a t i o ns y s t e m a c c o r d i n g t ot h e f e a t u r eo fa r m p r o c e s s o rs t r u c t u r e ，w em o d i f i e dt h es o u r c ec o d eo ft h e c o s c o r e ，t om a k ei tw o r kw e l lo nt h ea r mp r o c e s s o r d e t a i l sa r ei nc h a p t e r3 “ i nd a t a s t o r a g em a n a g e m e n t ，w ed e s i g np r i m a r y a n d s e c o n d a r y c a c h e m a n a g e m e n t t oh a r m o n i z et h ew o r kb e t w e e nt h ev o l a t i l e m e m o r ya n d t h e n o n v o l a t i l em e m o r y ，s o l v i n gt h ep r o b l e mt ok e e pt h ei n t e g r a t i o no ft h er e a lt i m e t r a v e l i n g d a t a s e c t o r g r o u pc o l l i g a t em a p p i n ga l g o r i t h m i st os h i e l dt h e p h y s i c a ls t o r a g em a n a g e m e n td e t a i l s a n dp r o m o t et h ee f f i c i e n c yo fs t o r a g eo f t h er e a lt i m e d a t a ，m a k i n gu p t h ew e a k n e s so ft h et r a d i t i o n a l s t o r a g e m a n a g e m e n t f l o a t i n gs t o r a g ea l g o r i t h mi sd e s i g n e dt oa v e r a g et h eu s e dt i m e s o fd i f f e r e n tp h y s i c a lm e m o r ya r e a ，p r o l o n g i n gt h el i f eo ft h ew h o l em e m o r y d e t a i l sa r ei nc h a p t e r4 “ i nd a t a l o g i cm a n a g e m e n t ，w ec o l l i g a t e t h ef a tt e c h n o l o g ya n d l o g t e c h n o l o g y t o i m p l e m e n tt om a n a g e m e n tt h ed a t ab yf i l e ，a n dm a k es u r et h e r e l i a b i l i t yt ob ea b l et or e c o v e rt h eo p e r a t i o na f t e rl o s tt h ep o w e ri na c c i d e n t i t p r o m o t e s t h e e f f i c i e n c y o fd a t a m a n a g e m e n ta n dt h eh a l e n e s s o ft h es y s t e m d e t a i l sa r ei nc h a p t e r4 ”，t o o i nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n ，w ea p p l yt h eg p r st e c h n o l o g y ，a n ds o l v et h e p r o b l e m t ot h el o s to f d a t a d u r i n g t h ec o m m u n i c a t i o nb yt h e s e l f a d a p t i o n a l g o r i t h m ，i m p r o v i n gt h er e l i a b i l i t y i nt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n d e t a i l sa r e i nc h a p t e r5 “ b yt h er e s e a r c h ，w ed e v e l o pam o n i t o rs y s t e mw i t hf i l es y s t e ma n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n ，a n dm a k es o m ec o n t r i b u t i o nt ot h ew o r kt od e v e l o pt h eh o m e p r o d u c e d3 0 r e c o r d e r k e y w o r d s v e h i c l et r a v e l i n gd a t ar e c o r d e r ，e m b e d d e do p e r a t i o ns y s t e m ， f i l es y s t e m ，f l a s h ，f r a m l l l 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导f 独立进 行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作 品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：多孔穿鸯，日期：2 。忏，月f 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位沦文的规 定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：多“冬碴、日期：5 2 。y 年6 月坪日 锄张：榔汐飙忤6 月【饵 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 我国交通安全管理的严峻形势 我国当前的交通运输安全形势十分严峻。近年来随着我国国民经济的快 速发展，道路交通事故呈上升趋势，尤其是长途客运车辆的重、特大道路交 通事故频发，给国家和人民生命财产带来了巨大损失。据统计，中国1 9 9 4 年 交通事故为2 5 3 5 万次，死亡5 6 4 万人，受伤1 4 8 8 万人，直接经济损失 达1 3 3 4 亿元。1 9 9 9 年，我国道路交通死亡人数为8 3 5 万人；2 0 0 0 年，死 亡9 3 9 万人，比上年增长1 2 ；2 0 0 1 年，死亡又增长了13 ，达1 0 5 9 万 人，受伤已达5 0 万人，直接经济损失达3 0 多亿元。近2 0 多年来，由于交 通事故造成的死亡人数已高达1 0 8 万人，相当于一个中等城市人口的总量 o 交通事故造成的损失与发达国家有明显差距。1 9 9 9 年，我国的万车死亡 率为1 5 4 ，而同期，美国的力- 车死亡率是2 ，法国是2 5 ，日本是1 3 ，韩 国是8 2 。我国的万车死亡率大大高于西方发达国家及某些发展中国 家。1 9 9 7 年，日本全国拥有汽车高达7 1 2 2 万余辆，但当年事故死亡人数不 足1 万人；而我国同年拥有汽车仅1 2 1 9 万余辆，当年事故死亡人数比日本高 出7 3 倍。2 0 0 0 年事故死亡人数为日本9 1 倍。当前交通安全管理技术 相对落后是导致交通事故居高不下的重要原因。 1 1 2 汽车行驶记录仪是现代交通管理的必然趋势 早在2 0 世纪7 0 年代，发达国家就开始将i t 技术应用在交通安全管理 上，开发使用行驶记录仪( 以下简称记录仪) 等高科技产品提升管理水平， 取得了良好效果。由于记录仪成效显著，发达国家均通过立法加以推广。欧 盟在第3 8 2 5 8 5 号法规关于公路运输车辆的记录设备中规定：“记录设 备应在欧盟成员国使用的客货运输车辆上安装和使用。”这一立法在1 0 年 内，要求欧洲1 5 个成员国的9 0 0 万辆卡车和轿车安装这一装景【3 】。迅速在发 达国家中普及。日本的法律规定，运输单位必须配备一名专职安全管理人 员，安全管理人员通过定期采集和分析行驶记录仪的各种数据，可以完整、 准确地判定每辆车在每一时刻的运行状况，以此加强企业的安全生产管理。 学习国外先进经验，提高交通安全管理技术已经成为我国当务之急。国 家“十五”计划中将智能交通建设作为重点发展的内容。而作为其中的重 点内容之一，汽车行驶记录仪应用的推广已经在部分省市中通过行政立法开 华南理工大学硕士学位论文 展。公安部、交通部、国家安全生产监督管理局于2 0 0 1 年底联合下发了关 于加强公路客运交通安全管理的通告，公告要求：长途客运车辆应当逐步 安装、使用符合国家有关标准的行车记录仪。同时，为了在全国范围内继续 深入丌展预防和减少道路交通事故工作，公安部、国家安全生产监督管理局 制定了( 2 0 0 2 年预防道路交通事故工作方案( 以下简称工作方案) 。 工作方案中明确规定对疲劳驾驶、车辆超速等8 项违章行为进行集中整 治。在这种情况下，尽快制定记录仪国家标准对规范我国记录仪产品的产生 和使用、落实两部一局的通告要求、保障道路交通安全具有重要意义。 记录仪的推广在我国产生了十分积极的影响，交通事故损失大大降低。 2 0 0 1 年四川运输行业百万车公里事故次数、受伤人数、死亡人数和经济损失 大幅度低于省厅下达的控制指标，交通运输企业发生死亡1 0 人以上的特大事 故仅一例，为省政府下达控制目标的1 0 。湖北省使用汽车行驶记录仪，交 通事故率降低了3 7 5 2 ，大大减少了人员伤亡和财产损失【3 】。 由此可见，记录仪大大地提高了交通安全管理技术，其推广应用有效压 制了交通事故的发生，产生了明显的社会效益与经济效益，是未来交通安全 管理必由之路。 1 1 3 汽车行驶记录仪的特点 国标g b t 1 9 0 5 5 2 0 0 3 ( 以下简称国标) 对汽车行驶记录仪进行了定 义：“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”。 记录仪基本的作用【2 1 ： 1 提高驾驶员的安全行车意识，规范驾驶员的驾驶行为，遏止疲劳驾 驶、超速等交通违章现象，促使车辆安全行驶，保障群众及乘客的生命安 全： 2 为交通事故分析提供事发过程的真实客观数据，实现事故再现，f 确认 定事故责任。 3 为车主、交通、公安、保险、统计等部门提供规范化的管理手段，实 现数据社会共享，有利于统计部门增加数据采集的效率和准确性； 4 有利于交管部门提高车辆的管理水平，为交通管理部门的车辆检验 ( 如年检) 提供了更全面的参考数据，使交管部门的车辆检验工作更加客 观、科学；可以高效地对车辆进行合理调度，从而降低其运营成本； 5 有利于运输企业实现对公司员工的绩效考核，建立高效的竞争机制， 提高公司的经济效益； 2 第一章绪论 6 通过改变内部员工驾驶的不良习惯，减少轮胎、刹车片等耗件的损 耗，降低车辆运行、维修成本； 7 有利于运输企业加强车辆设备，实现基于网络的维护与诊断功能，提供 及时的维护保养指导，减少系统维修成本，保护车辆设备投资； 总之，记录仪可作为考核驾驶员规范驾驶操作的重要监督手段，帮助提 高驾驶员的安全责任感，遏制疲劳驾驶、车辆超速等严重交通违章，约束驾 驶人员的不良驾驶行为，预防道路交通事故保障车辆行驶安全，大幅度降低 交通事故率，大大减少重特大安全事故次数和死伤人数，减少财产损失，更 好地保障乘车安全，提高运营效率和科技管理效能，并促进公路交通事业向 安全、科学、高效的现代化管理体系方向发展，社会效益显著。 1 1 g 记录仪技术国内外概况 从目前国际记录仪产品来看，技术已经非常成熟。像美国的z e p c o 公 司、挪威的t d s 公司等都具备多年的技术开发和项目实施能力，产品的价位 高，日本于2 0 0 1 年研制出了具备数据记录和图像处理的机动车行驶记录仪， 每台售价在将万元人民币以上，售后服务等方面也不太适应我国现阶段的基 本国情。而且其功能是根据国外应用环境设计的，不适应最近所颁布的国标 的功能要求，这为国产记录仪发展创造了广阔的空间。 国际上对记录仪产品的划分主要是根据记录仪监控系统所提供的功能全 面性、技术先进性而进行划分的。记录仪可以分为单一型、事故型、管理 型、综合管理型和3 g 型p 1 ： 1 单一型，这种主要记录车辆行驶过程中的某一项参数。例如速度监 控器或者电子限速器等，技术简单，成本低，已逐步淘汰。 2 事故型，记录模式是以飞行黑匣子为参照蓝本，以记录事故发生时 的车辆状态为主。主要特征是记录停车前短时间内的数据，一般为一分钟到 几小时之间，并不是连续全程记录模式。还可记录行车过程中车辆运行的方 向变化和驾驶人员的操作行为，以便在出现事故时，能够在一段时间内的信 息来分析判断事故的原因和责任方。 3 管理型是事故型结合简单的计算机管理系统。其功能除了具备事故型 记录仪的主要事故分析功能外，还增加了简单的计算机管理系统，用于运营 单位的司机、车辆、车队以及实现运营单位的运营数据的自动化和网络化基 本管理。目前国内外市场上出现的记录仪大部分是属于这一类的产品。 4 综合管理型是以综合管理为主要目地两开发的新一代汽车行驶记录 仪。主要特征是多通道数据采集处理，全程连续记录，大容量存储卡和强大 的综合管理软件系统，实现资源共享。适用于中大型企业十几台车乃至上千 3 华南理工大学硕十学位论文 台车的综合管理需求。但是这种汽车行驶记录仪属于事后分析型，需在事后 才能下载数据，再根据数据或图形进行分析处理，属于静态分析方式，为此 人们又在其基础上开发了新一代产品，可以称之为3 g 型汽车行驶记录仪。 5 3 g 型汽车行驶记录仪( 以下简称3 g 型记录仪) ，综合了全球定位 系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，简称g p s ) 技术、地理信息系统 ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，简称g i s ) 技术和各种无线通信网络技 术于一体。这些通信网络包括g s m 移动通信公共网、g p r s ( g e n e r a lp a c k e t r a d i os e r v i c e ) 分组交换通讯系统技术、c d m a 码分多址( c o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) 技术等。我们把这一类记录仪产品都称为3 g 型汽车行驶记 录仪【5 】。整个3 g 型系统分为控制中心和车载部分。控制中心设有电子地理 信息系统、g s m 或g p r s 移动通信系统、以及计算机网络和呼叫中心。车载 部分有记录仪、g p s 卫星定位天线、g p s 卫星定位接收机、移动通信接收天 线、移动通信接收机、l c d 显示操作屏及传声咪头等。这样，控制中心就能 实时分析车辆行驶状态，实现了记录仪功能从事后分析向实时分析的提升， 更好地发挥避免交通事故发生的能力。这是国外产品所达到的技术水平，也 是记录仪技术未来发展的主要趋势。 目前国产记录仪技术层面处于从管理型向综合管理型发展的阶段，还没 出现3 g 型的产品，主要依靠符合国家标准等地缘优势竞争，技术明显落后 于国外产品一个档次。而且目前我国作为基础最为庞大的移动通信运营国， g p r s ，c d m a l x 等先进的无线通信手段已经成熟并逐步投入商业应用，为 3 g 型记录仪的发展奠定的稳固的基础。随着w t o 的深化，国外产品和国内 产品的竞争必然逐渐体现在技术层次的竞争。如果我们不把握时机，尽快提 升国产记录仪产品的监控系统技术，发展记录仪3 g 技术，当国外厂商充分 研究透彻我国的新标准，以成熟的、符合我国标准的3 g 型记录仪产品打入 市场，国产记录仪目前具有的优势不再明显，将难以和国外产品展开有力竞 争。因此，我们将研究3 g 型记录仪的监控系统软件作为本论文的重点。 1 2 本文研究的意义与主要研究内容 严格意义上来讲，记录仪系统是一个包括车载的记录仪终端和控制中心 的数据分析软件两部分的体系。本论文的研究集中在记录仪终端监控系统的 技术上。 本课题目的是：以a r m 处理器为核心，应用嵌入式操作系统，开发记 录仪专用的文件管理系统。并结合g p s 定位技术、传感器技术、g p r s 通信 技术及g u i 界面技术等多项技术，研发具有3 g 型记录仪雏形智能化汽车行 驶记录仪。 4 第一章绪论 研究的意义： 1 提高记录仪监控系统实际应用中的可靠性，管理的系统性，有助于更 科学、准确地进行事故分析。 2 为记录仪监控多功能的拓展打下基础，更好地发挥全方位车辆监控功 能。 3 提高国产记录仪的技术含量，推出符合国家标准要求的产品，对抗国 外产品的竞争，满足巨大的市场需求。 4 为大幅降低我国交通安全事故作出贡献，社会效益巨大。 主要研究内容包括： 1 研发以嵌入式实时操作系统为核心的终端监控系统，通过科学的任务 调度管理，实现车辆行驶记录仪多任务处理能力。 2 研发记录仪专用文件系统，对数据进行统一管理，通过适当的地址映 射算法、存储均衡算法以及相应的管理机制，降低对存储区的物理损耗，提 高记录仪数据的可靠性、完整性和抗意外的健壮性。 3 建立铁电随机存储器( f r a m ) 与大容量闪存( f l a s h ) 配合的存储 体系，同时实现关键数据的实时非易失性保存与大量永久保存。 4 通过有效的无线通信手段实现记录仪与控制中心的实时数据交流。 1 3 本文结构安排 本文的结构如下： 第一章绪论，介绍本论文研究的背景、目的和意义； 第二章介绍记录仪监控系统总体设计，以及相关的技术方案。 第三、四、五章重点介绍监控软件的设计。第三章介绍i xc o s 操作系统 的移植原理以及相关的程序实现；第四章介绍记录仪文件系统的设计，其中 的算法和管理机制研究与实现是本文工作的重点；第五章对通信服务程序， 尤其是g p r s 无线通信的控制软件设计进行了介绍。 5 华南理工大学硕士学位论文 第二章嵌入式汽车行驶记录仪监控系统体系设计 2 1 记录仪监控系统的需求分析 2 1 1 国家标准对记录仪监控系统的要求 国家已经将推广汽车行驶记录仪作为提高交通安全管理技术的重要环节。在 方政府丌始立法强制安装汽车行驶记录仪的同时，国家质量技术监督局制订了第 一份记录仪方面的国标，并于2 0 0 3 年9 月1 日开始实旋。因此，我们设计的记 录仪必须遵循这一标准，基本功能必须符合国家标准的要求。 国标规定记录仪监控系统应具有如下功能： 1 自检功能。 2 实时时间、日期以及驾驶时间的采集、记录、存储功能； 3 车辆行驶速度的测量、记录、存储功能： 4 车辆行驶里程的测量、记录、存储功能； 5 驾驶员身份记录功能： 6 数据显示； 7 操作功能； 8 数据通信功能； 9 意外断电的保护性能。 2 1 2 需求分析总结 综合对国标和实际应用的要求，我们对新一代记录仪需求分析如下： 1 应用新的存储技术，实现瞬时采样数据快速记录并长期保存的能力；由 于需要长期保存的瞬时采样数据不多( 根据标准，这类数据就是停车前2 0 s 以内 0 2 s 问隔的速度和制动采样数据，以b c d 码存储，在1 k b 以下) ，因此存储容 量不要求很大，存储的时间是关键。 2 必须具备很强的抗突发性系统工作中断事件能力，保证系统正常恢复， 数据操作恢复，数据完整性和一致性，并采取措施提高存储数据的可靠性。 3 建立适用于记录仪应用环境的专用文件系统，管理记录仪所存储的大量 数据，均衡存储器物理存储区的使用，在有效管理数据和延长存储器使用寿命的 同时，尽量减少所占用的资源。 4 需要引入实时操作系统，实现多任务下关键任务调度的实时性。尽量提 高数据存储效率。 5 具备先进的通信传输手段； 6 第二章嵌入式汽车行驶记录仪监控系统体系设计 我们的设计目标，是以3 g 汽车行驶记录仪的基本功能为基础，建立以嵌入 式操作系统为核心，具备文件系统对数据进行统一管理以及移动实时通信功能的 新一代记录仪监控系统，提高我国国产记录仪监控技术水平。其中，记录仪文件 系统的设计以及通信软件的设计是本文的重点。这将大大提高记录仪数据管理能 力，将进一步提升记录仪保障交通安全的能力，也是3 g 型记录仪的一大特点。 2 2 监控系统体系结构设计 记录仪监控系统的设计属于种嵌入式系统设计。嵌入式系统是指由微处理 器芯片实现的小型专门化的数字信号处理系统，主要由嵌入式处理器、相关支撑 硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是集软硬件于一体的可独立工 作的“器件”m ，。最大的特点是嵌入式系统的设计是有针对性的，不存在类似微 机系统那样的通用嵌入式系统。这样嵌入式系统就能尽可能减少占用的资源，提 高资源效率。记录仪作为一种车载终端，很明显具备了嵌入式系统的特性。 其根据需求分析，我们设计的汽车行驶记录仪整体架构如图2 一l 所示； 记录仪 显示操作键盘l l 状态数据竹j 操作信息 中央监控模块数据存储器 车辆电子 ( a r m 处理器)c ： ( f r a m 与f l a s h )设备接f _ | 半翟笞忿f 1 i 。 。佰。、侍命令【t ，卜载数榭 通信模块 ( 串口、u s b 、g p r s 等) 了i 通信机 图2 - 1 汽车行驶记录仪整体架构 f i g 2 - l s l a n a c t u r eo f v e h i c l e t r a v e l i n gd a t a r e c o r d e r 中央监控系统就是我们研发的核心。我们将在其上建立嵌入式的实时操作系 统和文件系统，作为系统管理的核心。并开发相应的数据处理模块，外围器件驱 动接口等软件，使中央控制模块与外围的采样、存储、通信、显示等设备协调一 致地运作，保证记录仪工作的实时、可靠和稳定。 车辆电子设备模块主要负责车辆行驶数据的实时采样，将采样的速度、制动 以及发动机状况等模拟量转化成数字量后，通过接口送入监控模块处理。 7 华南理上大学硕士学位论文 存储器模块是记录仪功能体现的重要载体，主要负责车辆运行过程的实时数 据、历史数据等意外分析所需的关键数据，以及设定整个系统运作模式的部分关 键数据的存储。 显示模块主要负责将能反映汽车行驶状态的部分信息反馈给驾驶者，使其了 解目前车辆运行的状态。 通信模块主要负责上载数据与接收下传命令的通信功能。上载是指记录仪把 特定数据信息按约定的格式发送给外部设备，而下传则指外部设备把特定数据信 息按约定格式发送给记录仪。通信模块为记录仪与数据分析软件建立了交流的通 道。 工作流程描述如下： 车辆电子设备接口与实际的车载电子设备相连接。车辆电子设备包括数字测 速仪表、制动传感器等。车辆电子设备得到的信息就是车辆行驶的状态信息。 中央监控模块是监控软件的载体，实时控制其他模块协调工作；按需要处理 车辆行驶状态信息；关键数据在文件系统的管理下，将送入存储器进行长期保 存。当需要进行简单分析或者数据上载到微机的数据分析平台时，再从存储器读 取。 中央监控模块根据国标要求，将必要的车辆状态信息通过显示接口，在显示 屏上反馈给驾驶员。 通信机( 包括数据分析平台等) 与中央监控模块通过通信模块进行数据通 信。国标规定，每次数据通信都必须由通信机发起。通信机下传控制命令到记录 仪，记录仪通信模块负责接收，并通过相应的接口送入中央监控模块。 中央监控模块对接收到的命令进行解析，根据命令内容，从存储器中读取相 应的数据，然后按照国标规定的通信协议进行数据块封装。封装好的数据块通过 通信模块上载到通信机，完成一次通信过程。 本论文主要集中于中央控制模块、存储模块和通信模块的研究。因此，下面 将这三个模块的硬件技术方案和软件技术方案进行介绍。 2 3 系统硬件技术方案 2 3 1a r m 处理器 巾央监控模块的硬件我们采用a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e s ) 处理器内 核的芯片实现【2 l 】。a r m 处理器内部有3 7 个寄存器。其中r 1 3 通常用作堆栈指 针。堆栈寻址是隐含的，堆栈指针所指定的存储单元就是堆栈的栈顶，堆栈寻址 通常有两种方式向上生长和向下生长。a r m 处理器有a r m 和t h u m b 两种指令 集，分别支持3 2 位和1 6 位指令运算。每种指令集都有丰富的指令可以对堆栈进 行操作。堆栈指针指向最后压入堆栈的有效数据，称为满堆栈( f u l ls t a c k ) ；堆 8 第二章嵌入式汽车行驶记录仪监控系统体系设计 栈指针指向下一个数据项放入的空位置，称为空堆栈( e m p t ys t a c k ) 。根据堆栈 的生长方向不同，可以生成4 种类型的堆栈，即满递增、空递增、满递减、空递 减。我们所使用的a r ms d t ( a r ms o f t w a r ed e v e l o p m e n tk i t ) 开发系统内含 的编译器，同样也支持内嵌汇编。a r m 如此丰富的资源，有利于i x c o s 实时操 作系统在处理器h 的移植，发挥实时多任务调度控制的功能。 2 。3 2 铁电与闪存联合存储架构 记录仪的存储器部分必须用非易失性存储技术实现。非易失性存储技术是指 失电后存储器件上的数据仍然能保存相当长的一段时间的存储技术( 一般在一年 以上) 。 我们的方案是采用铁电( f r a m ) 存储器与闪存( f l a s h ) 存储器的联合存储 架构，即数据分别存放在f r a m 和f l a s h 中，目的是让两种不同的存储技术通过 优势互补，同时满足记录仪在数据存储方面对实时性和存储容量的要求。 f l a s h 存储技术有以下优点 6 8 1 ：体积小、容量大，目前可以达到上百m b ； 断电数据不丢失，数据可以保存i o n l 0 0 年，是记录仪理想的大容量存储设备。 但f l a s h 必须按页( p a g e ) 写入，而且每页一旦写过，即使该页还没写满，也不 能再写。必须要将该页擦除后才能重新写入m 。一般每页容量是5 1 2 b y t e 。若用 来保存少量的瞬时数据，空间浪费很严重。而且f l a s h 的刷写次数仅为1 0 0 万次 左右。而且若以0 2 s 次的频率对f l a s h 进行刷写，连续工作不到三天相应的存储 区就要损坏。因此f l a s h 不适宜长期在频繁刷写的环境中工作，不能胜任记录仪 实时数据记录的要求。它将用于存放大量的记录仪历史数据 1 a l 。 f r a m 则恰恰相反。f r a m 同样具有非易失性的特点，存储的数据断电可保 持1 0 年。数据2 0 0 n s 访问时间和3 4 0 n s 非易失性写入周期，远比f l a s h 快( 每页 的写入速度是2 0 0 u s ) ，写数据无延时，实时性能非常好【1 0 ，1 1 。它还有极其优越 的疲劳极限，读写次数1 0 0 亿次以上，以o 2 s 的速率刷写，也要超过6 3 年才会 损坏。无疑是实时性强，刷写频繁的记录仪实时数据记录的理想存储手段。只是 目前该技术的存储容量很小，最大不超过6 4 k 位。因此，f r a m 适宜存放记录仪 实时采集的数据【1 1 】。 我们利用f r a m 与f l a s h 的联合存储架构，将实时数据先存放在f r a m 中，累积达到f l a s h 的一页容量后再放入f l a s h 中长期保存，这样就能充分利用 两者的优势，达到数据存储在实时性和数据量方面的要求。 2 3 3 通信模块硬件设计 通信模块包括有线和无线数据通信两部分，实现记录仪与外界设备的数据交 互。有线数据通信将用国标规定的r s 2 3 2 串口技术和u s b1 0 技术，通过直接连 线与微机分析平台高速交换数据。这两项技术已经十分成熟，不再赘述。 9 华南理工大学硕士学位论文 记录仪的无线通信技术是实现监控中心与记录仪保持实时的信息交互的重要 手段。我们采用了通片j 无线分组业务( g o b a lp a c k e tr a d i 0s e r v i c e ，g p r s ) 技术。g p r s 具有无线网络运营成熟、传输数据率高、脱网率低、兼容数据和语音 业务等多种优点，是无线实时监控的理想手段。具体技术详情可参见“第五章 通信软件模块的设计与实现”。 硬件实现我们采用了i t l d l 0 0 模块。i t m l 0 0 是s i m c o m 推出的g s m g p r s 三 频模块。该模块支持g s m 9 0 0 d c s l 8 0 0 p c s l 9 0 0 三频，为语音传输、短消息和 数掘业务提供无线接口；集成了t c p i p 协议栈，通过a t 指令集进行摔制，简化 了刀：发难度：无线数据传输速率最高可达1 4 ，4 0 0 k b i t s 。另外还具有体积小、 功耗低等特点，十分适合记录仪应用。 2 4 软件技术方案 2 4 1软件体系结构以及相互关系 软件体系是在中央监控模块上实现的软件系统，是本文研究的内容。主要通 过在嵌入式操作系统的基础上，外挂记录仪专用的文件系统、外围硬件驱动接口 软件、数据分析软件、通信服务软件等软件模块，实现记录仪的实时监控功能。 软件体系结构如图2 2 所示。 图2 2 软件体系结构 f i g 2 - 2s t r u c t u r eo fs o f t w a r es y s t e m 下面结合图2 2 ，介绍各软件模块之间的关系。 嵌入式操作系统是监控系统的运作的中心。它通过任务调度的方式，按照实 时需要，执行文件系统调用、通信服务等外挂软件模块，使记录仪数据存储、通 信、显示等功能得以实现。“第三章基于a r m 的uc o s 嵌入式操作系统移 植”将详细介绍嵌入式操作系统的移植。 记录仪文件系统是最为重要的外挂模块，它向操作系统提供一系列的数据管 理调用，令操作系统能将数据存储到存储介质中，并以文件的方式对数据进行逻 辑管理，大大提高数据管理的效率。文件系统的设计与整个监控系统的数据处理 密切相关，其中涉及存储管理算法、系统调用等多方面的设计，是本论文研究的 重点。“第四章专用嵌入式文件系统的设计”将详细介绍。 1 0 第二章嵌入式汽车行驶记录仪监控系统体系设计 通信服务、数据分析、数据采集控制和图形用户界面等模块是采集控制、通 信、显示等具体功能的软件实现，供操作系统调用。其中我们在通信服务模块针 对无线通信的特点，进行了比较深入的研究，提高记录仪无线通信的可靠性。 “第五章通信软件模块的设计与实现”将具体介绍。由于篇幅所限，其他模块 具体实现本文将不一一介绍。 2 4 2l ac 0 s 嵌入式操作系统 3 g 型记录仪需要处理数据采样、无线通信甚至小型地图显示等多种功能， 传统单片机技术是基于单任务顺序执行的模式。当处理的任务量大的时候，不可 避免产生等待延时。任务越多，等待延时越长，这是实时性极强的记录仪应用所 不能允许的。因此，我们必须在中央监控模块中建立多任务的实时操作系统。 多任务实时操作系统采用流水线作业的形式，以有先权等调度算法为基础， 通过合理的任务调度 1 5 1 ，使处理器一旦处于空闲状态就能处理新的任务，无须等 待旧任务完成，达到实时的效果。 微机上的操作系统是通用型的操作系统，其依赖于微机上丰富的资源得以有 效运作，不能应用于资源极其有限的移动设备。记录仪必须采用嵌入式操作系 统。嵌入式操作系统是针对专门应用而设计的操作系统，具有占用空间小、可裁 剪、效率高等优点。 在多种目前比较成熟的嵌入式操作系统中，我们选取i tc o s 作为我们的处 理器操作系统内核。原因在于【1 6 1 7 1 ：uc i o s 目前己广泛应用于多种工业控制的嵌 入式系统中，其可靠性得到了长期检验，满足记录仪对系统可靠性的要求；u c o s 内核是免费，我们可以自由使用其内核，选取适当的资源，调用自身开发 的软件包，包括驱动、文件系统等，建立自己的记录仪专用操作系统。这样将大 大减轻我们的开发成本；uc o s 对处理器要求很低，目前市场上主要的处理器 都能支持uc o s ，可移植性好。相比其他付费的嵌入式操作系统，uc o s 具有 适合我们科研院校开发的优点，也适用于记录仪的使用环境。因此我们选用u c o s 作为我们的操作系统。 2 4 3 记录仪专用文件系统 存储管理和数据逻辑管理的设计是记录仪专用文件系统设计的重点。存储管 理设计的关键是，根据记录仪实际应用情况，通过特定的算法，令系统对数据的 逻辑管理在