车辆运行工况记录装置及数据分析系统研究详细论述

目录第一章绪论111我国道路交通事故现状及原因112课题的提出3第二章系统结构分析与设计621系统功能分析622系统结构设计7第三章硬件设计1331系统电源设计1332车速测量1533看门狗、单片机复位、电源故障监控电路1734实时时钟电路1935大容量存储器的扩展2336主板设计28第四章程序设计3241PC机和单片机串行通信程序设计3242信息输出4043上位机软件设计44第五章试验与数据处理4651试验方案设计4652数据处理51第六章结论与建议5661结论5662建议56参考文献58致谢61第一章绪论11我国道路交通事故现状及其原因111我国道路交通事故现状交通运输是国民经济的基础产业，是我们国家现代化建设的战略重点之一。公路运输是交通运输的重要组成部分，是当今世界上各种运输方式中最广泛、最活跃、最富有潜力的运输方式。随着社会经济向更高层次发展，公路运输以其机动、灵活、适应性强而越来越受到重视，其地位和作用也越来越重要。然而，汽车给人类带来文明与进步的同时，也给人类带来了环境污染和交通事故等危害，特别是交通事故的危害给人们的生活蒙上了一层阴影，已经成为当今世界的一大公害。汽车时代的到来，使道路交通事故在人类安全事故中所占的比例越来越大，统计资料表明，全球道路交通事故的总数约占安全事故的90左右，造成的伤亡人数占所有安全事故伤亡人数的80以上。在非正常死亡之中，道路交通事故已成为名副其实的“第一杀手”。近年来，我国道路交通发展迅猛，汽车保有量迅速增加，如表11所示。道路的发展，机动车量的增加，极大地促进了国民经济的增长，而道路、安全设施及管理都未能跟上，使得道路交通事故日趋严重，表12为1995年2001年全国道路交通事故起数、死亡人数及万车死亡率情况。我国汽车保有量逐年增长情况表1195年96年97年98年99年00年01年汽车保有量（万辆）1050118512561334147416101885我国交通事故情况表1295年96年97年98年99年00年01年起数（万）27228830346413617755死亡人数（万）717473788494103万车死亡率2252011751731545156152由此可见，我国道路交通事故数量及死亡人数仍呈逐年上升趋势，且上升的幅度逐年加大，这种趋势在今后的几年中仍将持续。纵观世界各发达国家的道路交通事故发展变化趋势，虽然各国人口、社会制度、道路交通状况、交通法规等不尽相同，但总的经历过程却十分相似，随着各国经济的发展，道路交通事故到六、七十年代达到最高峰。随后由于这些国家在道路设施、交通法规、安全教育及汽车的主被动安全性等方面采取了积极有效的措施，使道路交通事故得到了有效的遏制，在八、九十年代基本处于稳定状况，他们的经验是值得我国借鉴的。112我国交通事故主要原因概略分析长期以来，大多数交通科研工作者将主要的注意力集中于解决道路基础设施的建设和改造，交通安全方面的研究相对较少。近年来，随着城市经济的高速发展，一方面道路建设有了长足的进步，道路等级、平均车速有了普遍提高。另一方面，交通供需矛盾仍然突出，而且，随着车速提高、交通量增长，道路交通事故（特别是重特大事故）每年呈上升趋势，这种状况已日益引起有关部门的重视。针对道路等级低、交通混行严重、机动车安全性能差等特点，如何深层次分析事故，提高道路的安全设计和安全管理，遏制道路交通事故大幅度上升的势头，成为目前最为紧迫、重要的问题。国内道路交通的特点是混合交通大量存在，造成我国交通事故偏多的原因主要集中在以下几个方面1、交通参与者所有交通参与者的素质，对交通安全影响极大，他们包括驾驶员、行人、骑自行车者等等。其中，驾驶员是最重要的因素，其素质的高低直接影响着自身和其他交通参与者的安全。根据我国交通事故统计情况看，由驾驶员直接责任造成的交通事故约占7080。在这些事故中，由于驾驶员疏忽大意、采取措施不当、不按照规定行驶、违章超车、违章超速、带病行车、酒后驾车、疲劳驾驶为违章重点。驾驶员的违章行为非常普遍，而且往往是一种动态行为，预防和治理难度很大。因此，提高驾驶员的素质，切实加强驾驶员行车的动态监控是预防和减少交通事故的关键所在。2、运行车辆车辆的技术状况和使用性能与交通安全有着密切的关系。此外，车辆的舒适性、操纵机构的适应性和轻便性、驾驶室的视野、灯光、喇叭等信号和车辆的安全防护设施也直接影响着交通安全。尽管新车和在用车每年都要经过公安交通管理机关分别进行初次检验和年度检验，但带病行驶的车辆依然有增无减。特别是一些个体车辆长期失修，不按规定里程进行维修，致使车辆技术状况严重下降，加之行业管理部门执法不严，只重经济效益，忽视社会效益，导致这种现象屡屡发生，个体车辆事故骤升。因此，实时记录车辆运行工况，加强在用车辆的工况分析，能够及时、及早发现车辆的病情，同时发出警报，可以有效的防治因为车辆因素导致交通事故的发生。3、交通运输法规交通运输法规是依据宪法的有关精神，由国家权力机构制定的强制性的行政命令和规章制度，是通行城乡道路的一切车辆、行人的行为准则，也是交通安全管理人员管理交通的法律依据。然而，我国的交通运输法规还很不完善，就交通事故处理方面而言，法规过于原则，不详细，执行操作难度大，很大程度造成了执法人员的随意性。因此，如何尽量减少人为的干扰，做到既快速又准确地处理交通事故，尽量减少交通阻塞的时间，同时又能够客观公正的处理交通事故，是具有很大的现实意义。12课题的提出121课题研究背景我国是一个道路交通事故高发生率国家，因之造成了人民生命财产的巨大损失。例如，2001年全国发生交通事故755万多起，造成103万多人死亡，近545万人受伤，财产经济损失达309亿元。因此，加强道路交通安全管理，保障道路交通畅通，减少交通事故，具有广泛的社会效益和经济效益。本课题致力于预防、减少交通事故，同时为快速、准确地处理交通事故提供科学依据。以下这些问题是本课题研究的出发点1）资料统计表明，在各种道路交通事故中，驾驶员责任事故所占比例最大。如何有效防止驾驶员违章，减少道路交通事故，是本课题要考虑的首要问题。2）每年我国发生交通事故几十万起，原有的事故处理方式已经越来越不适应社会的发展，尤其是在一些重点道路上，更是希望尽早恢复通车。因此，如何能够快速高效、客观公正地处理交通事故是社会的迫切需求。3）物流业的蓬勃发展已经成为我国国民经济新的增长点，物流业强大的配送车队越来越需要加强对车辆运行的监控，适时安排保养维护，合理配置车辆资源，从而提高经济效益。因此，如何实时跟踪车辆运行，获知运行状况，是运输管理部所关心的问题。4）事故数据对事故分析起着至关重要的作用，目前许多地方的事故数据采集具有很大的随意性，因此，事故数据的准确性和全面性难以保障，不便于向事故档案科学化管理方面转化。同时，分析工作的依据来源于统计数据，数据的不准确，分析结果偏差就大。因此，提供一组客观准确的事故数据不仅仅是事故处理人员的需要，也是决策部门的要求。122国内外研究状况汽车运行工况记录仪在欧洲很早就装车运行了。德国比较成熟的第二代产品“意外资料记录仪”在九十年代初开始在德国、奥地利、荷兰的车辆上安装使用。随后，美国把“黑匣子”列入生命保障系统，在全国大力推广使用和安装“黑匣子”。最新资料显示，日本汽车研究所最近研制出的“黑匣子”，不仅能够记录车辆事故发生的各种数据，而且它还能自动收入事故发生前10秒和后5秒之间从驾驶室看到的画面。我国汽车运行工况记录仪研究基本与世界同步。早在1988年，汽车“黑匣子”的研究就被国家计委、物价局、税务局、中国工商银行等部门列入国家级重大新产品试产计划，1994年，由中国航空工业第六一一研究所研制并推广应用的“CXJ车辆行驶记录系统”，通过了由国家技术监督局组织的科技成果鉴定，并在深圳、上海、广州、南宁等地试行装车，取得了一定的社会效益。尤其是近几年，有关汽车运行工况记录仪问题的研究在我国方兴未艾，很多公司和科研院所都投入了大量的人力物力进行研究开发，相继又有多种产品问世。实践证明，汽车运行工况记录仪能有效提高车辆行驶安全状况，然而，由于技术等诸多方面的原因，汽车运行工况记录仪的安装率在我国还很低。目前市场上产品质量良莠不齐，价格居高不下，我国也没有相关法规要求运行车辆必须安装该装置，这些情况都限制了汽车运行工况记录仪的进一步推广使用。123课题研究内容不同用户对交通事故的分析有着不同层面的要求，需要解决的问题也各不相同，所采用的分析方法也有差异。对于交通事故分析而言，不同的分析任务，需要相应的资料数据。本课题基于道路交通事故的预防和处理，保留了汽车运行工况记录仪的部分功能，同时又加强了与事故预防和处理有关的功能，完善了事故分析软件系统，研制开发了“车辆运行工况记录装置及数据分析系统”。为了公正地处理交通事故，客观的复原事故过程。“车辆运行工况记录装置及数据分析系统”能够记录汽车运行过程中的有关重要信息，尤其是事故发生前后的运行工况，从而保证了事故数据的客观准确。并且这种设备能够及时向司机发出安全提示、让司机及时纠正错误或危险的行车状态，避免交通事故发生。数据分析系统可以方便的提取所需数据，用于事故分析。基于以上论述，本文提出了“车辆运行工况记录装置及数据分析系统”的经济技术指标，要求如下1）整套系统价格成本在200元左右；2）保存一个星期左右的最新行车记录；3）车辆启动时，记录仪开始记录信息，停车时，则停止记录；4）超过预设车速时，能够及时给驾驶员安全提示；5）能够实时显示车辆运行速度；6）断电后数据能够永久保存；7）行车记录能随时读取出来，送到PC机进行数据统计分析。按照以上经济技术要求，本课题的主要研究内容如下1）车况信息采集装置。车况信息主要指行车速度、制动状态以及其他一些对车辆工况分析有用的信息。车况信息采集装置就是用来对这些有用信息进行采集的。2）大容量的数据存储装置。系统不仅有信息采集的功能，而且还要求把这些信息保存下来。大量的采集数据要占据很大的存储空间，如何有效地组织和读写这些数据是本系统要研究的一个重要问题。3）语音安全提示装置。为有效的预防交通事故的发生，系统设置了语音安全提示功能，在车速超过预设报警值时，系统产生语音安全提示。4）速度显示装置。车速是车辆运行的重要参数，系统采用数码管显示车速。5）上位机软件。在停车状态，可以用上位机软件提取下位机采集的数据，并对这些数据进行相应的处理。第二章系统结构分析与设计21系统功能分析我国交通事故的频频发生，使得以下几个问题显得更加突出普遍存在的驾驶员动态违章，隐晦不明的车辆运行工况，欠效率、欠公正的事故处理过程。汽车运行工况记录装置的出现，为解决这些问题找到了一条有效途径。汽车运行工况记录装置又称汽车“黑匣子”，是将飞机黑匣子的设计思想应用于汽车。它是一种由微电脑控制的数字式、全自动、智能化的随车检测装置。它集机械、电子、计算机、信息技术于一体。适用于预防事故、监察违例、科学管理、并为事故的分析提供客观、公正、科学的依据。汽车运行工况记录装置是机动车交通管理、预防交通事故和事故处理的现代化工具，它在道路交通管理中的作用主要表现在以下几个方面1、有利于预防事故的发生众所周知，驾驶员超速行车、疲劳驾驶是造成交通事故的重要原因之一。针对这种情况，汽车运行工况记录装置能够自动、连续、真实地记录几十小时内驾驶员的行驶速度和连续行车情况，相当于在车上长期配备了一名交通警察，对驾驶员的安全行车情况进行全面的、长期不间断的适时监控，并可以利用这些数据建立驾驶员安全行车档案，为驾驶员的考核、评比、奖罚提供科学依据。也有利于培养驾驶员开安全车、中速车的良好习惯，从而可以有效的预防司机的疲劳驾驶。除此以外，汽车运行工况记录装置还有语音安全提示功能，当行驶车辆超过预设速度时，汽车运行工况记录装置便会发出语音安全提示，督促司机采取减速措施，预防事故发生。因此，汽车运行工况记录装置可以有效的纠正驾驶员超速违章，并且从很大程度上杜绝了驾驶员的疲劳驾驶，达到了减少违章和预防事故的目的。2、有利于加强机动车的管理汽车运行工况记录装置为车辆的检测维护提供了科学依据。国外对汽车和发动机已经采取视情维护制度，即把定期维护、修理改为依据车况实际需要进行检查、维护和保养。汽车运行工况记录装置记录的异常数据为开展视情维护提供了重要的信息。即汽车哪里不正常就修到哪里，做到有的放矢，而不会不分好坏，一概修理。这样，即节省了人力，且省去了维修费，还提高了车辆使用率，以获得更大的经济效益。同时，汽车运行工况记录装置还为车主单位科学管理和使用车队提供了有效手段。汽车运行工况记录装置能实时监控车辆运行状况，可以连续统计一段时间内出车时刻、收车时刻、行车时间。方便车主和车队掌握车辆的使用情况，以加强车辆的使用管理，合理配置资源，提高经济效益。3、为处理交通事故提供科学依据随着社会经济的迅速发展，人们出行次数和汽车保有量的急剧增加，在有限的道路上造成城市交通的严重拥挤。交通事故数量逐年上升，我国每年交通事故死亡人数已超过10万，处理事故几十万起，如何准确、及时、快速地处理交通事故已成为交通警察的一项迫切任务。机动车的运行往往是司机的“独立王国”，一旦发生交通事故，往往是各执一词，如果找不到有力的旁证材料，就会更加莫衷一是，传统的事故处理方法就显得费时费力。目前，我国的交通事故处理，一般采用的方法是首先人工判断制动车轮胎印、量测刹车距离和收集各种有关数据（如拖痕长度、散落物位置等），拍摄现场照片，访问目击证人；然后根据人体伤痕部位或车的破损情况，来判断车辆与人或物相撞的情况；最后对这些资料做分析，分清驾驶员与被害者的责任大小。事故处理是一项政策性和技术性很强的工作，我国交通事故处理方面的法制还不健全，同时也缺乏完整的理论研究，致使事故处理人员没有统一的原则，各自形成单一的事故处理方法和标准，存在着欠准确、低效率的现象，容易受到事故处理人员的主观因素影响，影响处理过程的公正性。汽车运行工况记录装置能够记录车辆事故发生的时间、事故发生前后的速度、减速制动情况及其他驾驶状况，从而可以为交通事故的处理提供定量、准确的数据。该数据用于配合交通事故的现场勘查取证，用科学的、定量的数据公正客观地判断事故原因和责任，可以极大的提高交通民警的工作效率；同时也能有效地降低和防止事故发生，保障交通法规的贯彻执行，有利于交通安全和保障驾驶人员的合法权益。22系统结构设计221系统结构根据第一章提出的经济技术指标，同时全面考虑系统的功能要求，本文提出了系统的结构方案，如图21所示，系统主要由信息采集、控制、信息输出、存储电路、数据处理系统、实时时钟电路、看门狗和电源监控电路等单元组成。车速传感器控制单元信息输出单元信息采集单元声音报警开关量信号光电隔离数据处理系统存储电路看门狗、电源监控电路实时时钟电路指示灯报警速度显示图21系统结构图222系统组成单元概述1、信息采集单元信息采集单元是系统的前向通道，由车速传感器、开关量采集和光电隔离电路组成，用来采集自车的运行工况和速度信息。1）车速传感器电路。车速传感器采用集成开关型霍尔传感器，它能够把车轮转速转换为霍尔电压输出，此输出为脉冲信号，能够直接输入单片机I/O口，被单片机处理。图22为车速传感器使用原理示意图，车速传感器输出与车速成比例的脉冲信号至单片机I/O口。R5V接I/O口图22车速传感器与单片机接口电路2）开关量信号接口电路。本系统采用了汽车接口电路如刹车、车灯、发动机转速等。这些开关量信号直接与各个开关接线端联接，接口电路如图23所示。由于汽车各种开关状态初始电平不定，因此接口必须满足高低电平的输入要求，图23所示电路输入端输入高电平时，R1、R2组成分压电路，把输入信号分压后，再经过光电隔离模块，输至单片机接口，D2为保护稳压二极管，C1为滤波电容，如输入低电平时由于D1的作用使得单片机接口下拉为低电平。为了增强系统的抗干扰性、减小误差，对信号都用光耦加以隔离，如图24所示。光电隔离R1D1D2R2C1图23开关接口电路5VVIN输入脉冲VOUT光耦合R2R1图24光电隔离原理图2、信息输出单元1）语音安全提示电路。当行驶车辆超过预设速度时，汽车运行工况记录装置便会发出语音安全提示，督促司机采取减速措施。语音安全提示电路见第四章第二节论述。2）速度显示电路。车速传感器安装在变速器输出软轴上，如图25所示。车辆运行时，速度时刻在变化，为了直观显示当前行车速度，本系统采用数码管显示车速。当在某段发光二极管上施加一定的正向电压时，该段笔划即亮，不加电压则暗，为了保护各段LED不被损坏，一般需加限流电阻。速度显示电路设计见第四章第二节。图25车速传感器示意图3、实时时钟电路运行工况记录装置要求系统能够实时记录汽车的运行状况，采用单片机内部的定时器，通过软件编程，可以得到时钟信息。但是该方法不仅编程复杂，而且由于车辆本身的干扰和电源等一些问题，可能导致单片机系统频繁复位，从而极大的影响定时器的计数准确性。因此，设计专门的实时时钟电路是很有必要的，实时时钟电路的选用和设计见第三章第四节。4、看门狗、单片机复位、电源监控电路本系统工作环境恶劣，单片机系统在工作时，由于种种干扰因素的影响，有可能出现死机现象导致单片机系统无法正常工作，为了克服这种现象，本系统需外加看门狗电路。几乎所有单片机都需要复位电路，使得单片机上电能够可靠复位，在下电时能防治程序乱飞导致EEPROM中的数据被修改，因此，本系统也需要高质量、高可靠性的复位电路。此外，有些单片机系统要求能够在掉电瞬间把重要的数据保存下来，因掉电的发生往往是很随机的，因而此类单片机系统需要电源监控电路，在掉电刚发生时能告知单片机。掉电瞬间的数据对于事故分析而言是非常重要的，因此，本系统还需要电源监控电路。看门狗、单片机复位、电源监控电路的设计与实现见第三章第三节。5、大容量数据存储器电路MCS51有32根I/O口线，分成4个端口。P0口作为一般I/O口线或作为地址/数据总线使用,P1口和P2口作为通用端口使用,是一种准双向口,其中P2口在系统连接外部存储器时可用于输出高8位地址。因此,MCS51单片机芯片外扩展数据存储器时，使用地址总线16根，故具有64KB的存储器地址空间。这64KB的内存单元地址为0000HFFFFH。本系统要求数据存储器容量远大于64KB，因此必须进行外部RAM的扩展。本系统具体做法是把单片机P1端口作为地址总线输出口使用，使得地址线由16根增加到19根，从而使地址空间由64KB扩展为512KB，具体使用情况见第三章第五节。6、控制单元本系统选用了MCS51系列单片微型机AT89C51为控制单元，MSC51片内总体结构如图26所示。XATL2B数据存储器P0口P2口程序存储器特殊功能寄存器P1口串行口定时/计数器中断系统P3口微处理器（运算部件）控制部件XATL1PSENALARSET8888图26MSC51片内总体结构简化框图7、数据处理软件系统数据处理软件系统主要功能是用来接收下位机采集的数据，并对这些数据进行统计分析，以便于用于事故分析和处理。系统不仅提供了曲线和图表等直观形式从宏观上把握车辆运行情况，而且也提供了数据查询等手段从各个细节部分考察车辆的运行情况。第三章硬件设计31系统电源设计311控制电源概况本系统是在移动车辆上使用，系统设计首先要考虑系统供电问题，因此，如何在无市电且发电机尚未发电情况下确保系统的正常工作，是本系统电源设计的关键所在。这就要求电源电路必须在无外部交流电源情况下，向控制装置提供符合要求的工作电源。控制电源一般采用以下几种方式1、以柴油发电机组启动蓄电池为电源，经线性稳压电路稳压至所需工作电压（通常为5V）。此方式电路简单、成本低，曾得到广泛应用。但由于降压幅度大，而使得稳压电路功耗大、体积庞大。2、另设独立的蓄电池组经稳压作为控制电源，此方式简单可靠。但由于蓄电池寿命短等原因，给用户使用、维护带来诸多不便，实际应用不多。3、采用UPS经ADDC变换，作为控制电源。此方式可靠性高，但成本高，而且UPS的蓄电池寿命较短（通常45年），因而也很少被采用。4、以发电机启动蓄电池为电源，经开关稳压至所需工作电压（常为5V）。此方式稳压电路工作处于开关状态，功耗低、体积小、适应电压范围大。缺点是电路复杂，生产制造难度大。近几年来随着集成电路技术的发展，单片开关稳压芯片的出现，外部电路趋于简单，其应用逐渐增多。由上述分析可见，采用开关稳压电路应是车载发电机控制系统电源电路的优选方案。一般车用蓄电池电压为12V，而以AT89C51单片机组成的应用系统其电源电压VCC要求在5V1范围内，且车载设备使用环境恶劣，干扰因素较多。因此，要使单片机系统可靠工作，必须设计一套抗干扰能力强的供电电路。312车载发电机控制系统电源特点1、输入电源电压变化大12V的电源系统，电压则可能在75V14V变化。而且在发电机运行期间，若蓄电池回路意外脱开，充电机电压峰值可达到45V。2、电源电路技术指标应达到以下要求，方可满足控制系统的要求1）输入电压范围75V30V；2）输出电压5V1，1A；3）允许最大输入电压40V；4）允许最小输入电压75V；5）输出电压5V1，1A。313电源电路设计开关电源是进行交流/直流（AC/DC）、直流/直流（DC/DC）、直流/交流（DC/AC）功率变换的电源。一般的开关电源组成框图如图31所示，其核心部分是DC/DC变换器。PWM驱动器比较放大DC/变换器VOVI图31开关电源组成框图本设计采用MAXIM公司的MAX726步降型脉宽调制（PWM）开关稳压集成芯片组成该稳压电路，主稳压电路将启动蓄电池电压降压后，输出5V的稳定电压，电源电路设计原理图如图32所示。VSW4FB1VIN5VC2GND3MAX726C4001C101C701C5470/16VC6470/16VC3220/50VC24700/50VVD1IN5401R322KR227KR127KVDZ2IN4734AVDZ1MUR8100L1100UH/1ARP1200VCGNDVC0VVCCGND5V1A图32电源电路设计原理图MAX726主要技术参数如表31所示。该芯片内部集成了100KHZ震荡器、221V基准电压、误差放大器、脉宽调制控制逻辑、输出电流限制电路和功率开关三极管。电源由VIN输入，经开关三极管控制后，由VSW输出100KHZ，脉宽可控的脉冲。当三极管导通时，电源由VSW输出，经电感器L向滤波电容器C5、C6和负载供电；当三极管关断时,电感器经续流二极管继续向负载供电。输出电压经电阻分压后，由FB输入到误差放大器的负输入端，误差放大器的正输入端为221V基准电压。当输出电压升高时，FB电压也随之升高，误差放大器输出电压VC降低，控制PWM逻辑降低脉冲占空比，从而降低输出电压；反之亦然，从而使输出电压稳定。在VC端外加RC补偿网络,可使电路工作稳定。当输出电流超过约26A时，PWM逻辑将关断三极管，以保护稳压电路。MAX726主要技术参数表31序号项目条件参数单位12345678最大输入电压最大输出电流最小输入电压启动电压输入电压范围开关接通压降开关频率电压调整率IL05ATJ25所有工作温度范围内，空载到满载45273358401210010VAVVVVKHZ发电机启动蓄电池使用一段时间后，内阻变大、电压恢复时间变长，将造成在启动瞬间电压严重跌落。对此，在电源输入端设置隔离二极管VD1和蓄能电容器C2，这样在蓄电池电压跌落的瞬间，由C1维持供电，从而保证稳压电源工作正常。在电源回路，启动蓄电池的高频交流阻抗和连接导线的分布电感会使脉动电流的上升沿时间增长，故需设置低交流阻抗（ESR）的高频电容器作为旁路电容（C3），向MAX726提供需100KHZ的脉动电流，保证MAX726稳定工作。在电源输出回路，输出滤波电路由滤波电感器L和滤波电容器C5、C6组成。续流二极管VDZ1在MAX726开关关断期间提供L的续流回路。通过合理选择R2、R3、RP1的值，使输出电压能方便精确地调整到5V。32车速测量321车用传感器的特点1、适应性强、耐恶劣环境汽车活动范围大，环境条件差别极大，既有南北极的极严寒地区，也有象赤道地区的酷热气候，因此，要求传感器具有极强的适应性。汽车可能工作在极度恶劣的气候条件下，有时尘土弥漫，有时风雨交加，所以传感器应具有很好的密封性，耐潮湿、抗腐蚀能力强。2、抗干扰能力强传感器除了能够适应外界恶劣环境之外，也要能够抵抗来自发动机内部的各种干扰。传感器都安装在发动机舱中，除了能够承受发动机工作时的高温、高压、燃烧废气腐蚀之外，还要求有良好的抗震性能，抵抗发动机工作时的强烈震动，另外，发动机工作时会产生电磁波，因此要求传感器具有抗干扰能力。3、稳定性和可靠性高汽车的各种零部件要求能长时间运行，并且勿须更换和调整仍能满足规定的技术指标，因此，传感器必须具有高稳定性和高可靠性。4、价格低廉，适应大批量生产这要求传感器的一致性好，不需要复杂调整，适合自动化生产。322本系统车速传感器的选用本系统车速传感器选用集成开关型霍尔传感器，传感器每旋转一周，产生一个脉冲信号。驱动轴的转动，经过减速器、变速器之后，最后到达输出软轴，其传动关系如图33所示。传感器脉冲输出软轴主减速器变速器驱动轴I1I2图33车速传感器传动简图将传感器输出的脉冲信号传给单片机，单片机的CPU通过下式便可计算出当前车速（式2TIRNV21车1）式中V车当前车速；R轮胎半径；N时间T内的脉冲数；I1主减速器的减速比；I2变速比；T计数时间。323车速测量及应注意的问题车速测量是本系统的核心部分之一，车速经过传感器的转换，成为输出脉冲，可以直接输入单片机。单片机处理脉冲信号一般有两种方法测量周期法和测量频率法，测量周期法对低频测量的效果较为明显。因本系统属于低频测量，所以采用了测量周期法，以获得较高的测量精度。车速测量的精确与否，将直接影响到本系统的实用性、可靠性。如何减少车速测量误差，以下几个方面是考虑的重点1、由式（21）可知，车轮的速度V车与车轮半径R成正比，而R受到车胎气饱程度的影响。计算时，R是对应于车胎在气饱情况下的半径。如果车胎气不饱时，R值减小，会对测量产生误差。因此，车轮半径R是产生测量误差的主要因素。2、同样在式（21）中，轮的速度V与N成正比，而N与开关型霍尔集成传感器输出脉冲频率成正比。要想减小测量误差，提高分辨率，必须增加传感器上的永久磁铁的个数。3、在运行试验中，发现速度数字显示跳动较大。检查分析数据文件发现是脉冲信号现场干扰所致。因考虑到叠加在系统被测模拟输入信号上的噪声干扰及窜入计算机系统的干扰，导致测量误差较大。又这些噪声频谱往往很宽，且具有随机性，采用硬件防干扰措施只能抑制某个频率段的干扰，仍有一些干扰会侵入系统，故采取软件防干扰措施是必要的。本系统采用防脉冲干扰平均值滤波法，通过数字滤波技术剔除虚假信号，求取真值。33看门狗、单片机复位和电源故障监控电路设计由第二章分析可知，系统需配有看门狗电路以防止因干扰而无法正常工作，还需要有可靠的系统复位功能及电源监控功能。MAXIM公司推出的MAX813L芯片能满足这些要求。331MAX813L性能特点MAX813L芯片如图34所示。MAX813L是具有监控电路的微处理芯片，主要有以下4个功能1）具有独立的看门狗计时器，如果看门狗在16S内无变化，就会产生看门狗输出；2）掉电或者电源电压低于125V时，产生掉电输出；3）上电能自动产生200MS宽的复位脉冲；4）具有人工复位功能，当人工复位端输入低电平时，产生复位信号输出。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE9APR2003SHEETOFFILEDDDBDRAWNBYMRVCCWDIRESETGNDPF1WDOPFOMAX813L12348765图34MAX813L芯片引脚图332MAX813L与AT89C51的接口电路MAX813L与AT89C51连接的电路原理图如图35所示，该电路实现了看门狗、电源故障监控及复位功能。MAX813L的手动复位端与端相MRWDO连，一旦程序跑飞，输出就由高电平变成低电平，并且保持140MS以上，WDO这样就触发了端，引起MAX813L复位，使看门狗定时器清零、RST引脚MR输出高电平，该电平至少能保持200MS。电路图中，MAX813L的复位端RST与单片机的复位端RST相连，便可引起单片机系统复位。MAX813L的复位信号维持200MS结束后，单片机脱离复位状态，重新恢复正常的运行。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE2APR2003SHEETOFFILEDDDBDRAWNYEA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10AT89C51MRVCCWDIRESETGNDPF1WDOPFOMAX813LR1R2VCCO12348765图35MAX813L与AT89C51连接电路原理图除此以外，该电路还具有上电使单片机自动复位功能，之后便自动监视电源故障（掉电、电压降低等）。若电源故障引起单片机复位，则在复位状态，单片机不接受任何指令，直至电源电压恢复正常，这样，可以有效防止因电源电压较低时单片机产生错误的动作。电源故障输入PFI通过一个电阻分压器检测未稳压的直流电源。当PFI低于125V时，电源故障输出脚变低，可引PFO起AT89C51中断，进行电源故障处理，或将重要数据保存下来。把分压器接到未稳压的直流电源是为了更早地对电源故障报警。333程序设计要求1、主程序设计在主程序中，必须把中断优先权限设置为最高，特别是系统中还要有1INT其他中断时，更应如此，才能保证电源故障时CPU及时响应。中断优先级设置可通过中断优先级寄存器IP实现，把PX1（IP2）置为1即可。通过设置中断允许寄存器IE的总允许位EA（即IE7）置为1及外部中断1中断允许位EX1（IE2）置1，开放中断。触发方式有两种一种是电平触发，另一INT种是跳变触发。前者中断撤除时必须外加辅助电路，否则中断不能正常执行；对于第二种方式，当出现下跳沿时，硬件自动置中断标志IE1为1，CPUI响应中断后又自动撤除中断即硬件清IE1。根据本系统种MAX813L引脚的特点，必须选用跳变触发方式。触发方式由定时器控制寄存器TCON中PFO的IT1位（即TCON2）来选择，把IT1置1即可实现跳变触发。2、中断服务程序设计好中断服务程序至关重要，的中断矢量为0013H,它有8个单元。1INT当程序短（不超过8个字节）时，可把中断服务程序放在此处；若中断程序长，可在此存放一条转移指令，转到处理程序中，处理程序先保存重要数据到存储器中。34实时时钟电路本系统采用了单独的硬件计时芯片给系统提供时钟信号，我们选用了美国MOTOROLA公司研制的实时时钟接口芯片MC146818，如图36所示。该芯片为多功能日历时钟芯片，它不仅可以为微机系统提供实时日历时钟，还可以提供50字节RAM供用户使用。123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE9APR2003SHEETOFFILEDDDBDRAWNYNCOSC1OSC2AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7VSSVDDSQWPSCKOUTCKFSIRQRESETDSNCR/WCEAS242322212019181715141316123456781011129MC146818图36MC146818芯片引脚图341MC146818性能特点MC146818芯片是CMOS实时时钟/日历芯片，它可以产生秒、分、时、星期、日、月及年等七个时标。可以通过编程读取和修改这些时标，也可以编程产生定时间隔中断。采用硬时钟/日历，可以不占用单片机的定时器资源，减轻软件设计量。MC146818芯片内部有10个时标器存器，4个状态寄存器和50字节静态RAM可供用户使用。其地址分配如图37所示。秒秒报警分分报警时时报警星期日期月份年寄存器C寄存器D寄存器A寄存器B01346300DE3F0123456789101230AB0CD06708902304501图37MC146818片内寄存器和RAM地址分配CPU通过读时标寄存器得到时间和日历，也可以通过编程设置其初值。这10个时标是秒、秒报警、分、分报警、时、时报警、星期、日、月、年，地址为00H09H。10个时标可以选择二进制或BCD码表示。片内50BYTERAM，可供用户在系统掉电时保存数据，地址为0EH3FH。片内4个状态/控制寄存器A、B、C、D用来控制和指示芯片的工作状态，其内容可读可写。地址为0AH0DH。1）寄存器A。主要用于选择时钟频率，中断周期和SQW输出频率。寄存器A的格式如表32所示。寄存器A表32D7D6D5D4D3D2D1D0UIPDV2DV1DV0RS3RS2RS1RS0UIP更新周期标志。UIP1时，芯片正处于或将开始更新周期，此期间不允许读写时标器存器。DV2，DV1，DV0选择时钟频率。2）寄存器B。主要用于设置MC146818的工作状态，如表33所示。寄存器B表33D7D6D5D4D3D2D1D0SETPIEAIEUIESQWEDM24/12DSEPIE、AIE、UIE分别为周期中断、报警中断、更新周期结束中断允许位。各位分别为1时，允许发相应的中断。SETSET0时芯片正常工作，每秒更新一次时标寄存器，此段时间为更新周期；SET1时，芯片停止工作，此期间可编程时标寄存器。SQWE方波输出允许。DM时标用BCD或者二进制数表示选择，DM1选择二进制；DM0选择BCD码。24/1224小时制或12小时制选择。24/12为1时选24小时制；24/12为0时选择带上、下午的12小时制。DSEDSE1表示需要正常时制与夏令时转换；DSE0不需要转换。3）寄存器C。中断标志位寄存器，如表34所示。寄存器C表34D7D6D5D4D3D2D1D0IRQFPFAFUF0000IRQF片内中断请求标志。IRQFPFAFAFAIEUFUIE。当IRQF1时，引脚变低，芯片中断请求有效。IRQPF、AF、UF这三位分别为周期中断、报警中断、更新周期结束中断各标志位。4）寄存器D。只有一个标志位VRT（D7），其他位均为保留位。VRT片内RAM与寄存器数据有效标志位。读寄存器D，可使VRT自动置位1。之后片内寄存器、时标寄存器和50字节RAM数据有效，才可供系统使用。342MC146818与AT89C51的接口电路123456ABCD654321DCBATITLENUMBERREVISIONSIZEBDATE2APR2003SHEETOFFILEDDDBDRAWNYEA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10AT89C51A1B2C3G16G2A4G2B5Y015Y114Y213Y312Y411Y510Y69Y77UMC74F138VCCNCOSC1OSC2AD0AD1AD2AD3AD4AD5AD6AD7VSSVDDSQWPSCKOUTCKFSIRQRESETDSNCR/WCEAS24232221201918171514131612345678101112932768KHZ20P470K220M10PMC146818100K50PVCC图38MC146818与AT89C51的接口电路原理图MC146818与AT89C51的接口电路如图38所示，片选信号由译码电路产生，所以片内寄存器和RAM地址分配如下秒、秒报警、分、分报警、时、时报警、星期、日、月、年时标寄存器地址顺序为5FC0H、5FC1H、5FC2H、5FC3H、5FC4H、5FC5H、5FC6H、5FC7H、5FC8H、5FC9H。4个状态/控制寄存器地址为5FCAH、5FCBH、5FCCH、5FCDH。50字节RAM地址为5FCEH5FFFH。343程序设计要求时标置初值的要遵循如下步骤1）芯片停止工作，寄存器B的SET位置为1；2）时标寄存器置初值；3）读寄存器C，以消除已有的中断标志；4）读寄存器D的VRT，使片内寄存器和RAM数据有效；5）读寄存器B的SET位清“0”，启动MC146818开始工作。35大容量存储器的扩展351系统数据分析根据实际要求，本系统需要存储的数据主要有行车速度、行车时间（日、时、分、秒）、制动状态。为了在有限的存储空间保存尽量多的数据，压缩数据是很必要的。1）行车时间压缩。每天零点更新一次新的日期（年/月/日），车停后再次启动更新一次日期（年/月/日），每分钟记录一次时间（时/分）。2）行车记录压缩。每1秒记录一次行车记录，行车记录包括行车速度、刹车状态、时间（秒）。由于行车速度一般不超过250KM/H，因此用1BYTE表示；刹车状态是个开关量，表示有无刹车，用1BIT表示；时间秒（059）用6BIT表示。这样行车记录可压缩为2个BYTE了。行车时间和行车记录的记录格式如图39所示。MM11XX10YYDD日期年（BCD）码月（BCD）码日（BC）码HH10HMM时间时（BCD）码分（BCD）码D4D3D2D110/1D5MM行车记录秒（二进制）速度（二进制）D0标志刹车图39日期时间记录及行车记录格式可以看出，三条记录的长度均为2BYTE，其中日期记录的高三位为标志位，分钟记录的高两位为标志位，行车记录的最高位为标志位，以区分日期、分钟、行车记录，方便数据的操作。假设车辆平均每天运行16小时，每周工作七天，则共有403200条行车记录，6720条分钟记录，车辆的起停次数可以忽略不计，经过上述的数据压缩之后，每周的存储量大约为700K字节。352超过地址寻址范围的大容量数据存储器扩展技术本系统选用AT89C51，该芯片带有4KEEPROM，128字节RAM单元。4K的程序存储空间对于本系统足够用了。然而，根据上一节分析可知，数据存储空间远远不足。一个系统的寻址范围取决于CPU的地址位数，当地址总线为N位时，其最大的存储空间为2N个单元。MCS51系列单片机有着优越的性价比，因此，应用面宽，使用量也非常大，然而它只有16位地址线，最大能访问的存储空间为64K，显然，本系统要扩展数据存储空间。要扩展更大容量的存储器，原则上就需要更多的地址线，显然，每增加一根地址线就可以把存储容量扩大一倍。在已经极限使用地址总线的情况下，再扩大存储器容量就只有利用其他方式来扩展高位地址线，常用的有硬件扩展方法和软件扩展法两种方法。超过地址寻址范围的大容量数据存储器扩展技术常用的主要是硬件扩展方法。所谓硬件扩展方法，就是把需要扩展的大容量存储器分成N个存储体，使得每个存储体的容量不超过原地址的寻址范围2N，每个存储体内的存储单元可以用原来的地址总线驱动寻址，用其他输入输出口的信号对不同的存储体进行切换，这可以被称为存储体切换法，常用的有以下几种1）地址分时缓冲锁存输出法。利用锁存器对数据总线输出的数据进行分时缓冲锁存后作为存储体地址，该锁存器输出的数据可以做高位地址来用。对其地址的译码可以用线选法也可用译码器法来实现。2）地址线扩展法。MCS51单片机的地址总线是16位，最大可以寻址存储空间为64KB（21665536），由于采用哈佛结构，所以可以分别扩展64KB程序存储器和64KB数据存储器。要扩展超过64KB单元的存储空间，地址线扩展法有最常用的两种扩展形式，其一是，采用多片64KB存储单元的存储器，每片片内存储单元还是用原16位地址寻址，而每一片的片选信号就可以用存储体地址来切换。其二是，采用大于64KB存储单元的存储器，例如COMSFLASH28SF040芯片（512K8位），其高位址A18、A17、A16和片选相对低16位地址A15A0都可以用存储体地址控制。存储体地址一般可以用P1口（或不使用的P3口）的某几根I/O线做，其寻址译码方式可以采用线选，也可以采用译码器译码方式。若采用线选方式，特别要注意存储体地址需要有效互斥，在某一个时刻之能有一根地址线有效。为了简化电路，同时又能满足本系统的实际要求，并综合考虑系统价格成本等实际因素，选用了SST公司的4MB（512KB）产品28SF040，采用了地址线扩展法形式二,由于扩展的芯片较多，因此使用译码器译码法进行扩展。在本系统试验阶段，扩展了一片28SF040，使存储空间达到512KBYTE。如果需要，可以同时扩展6片28SF040，而不必更改硬件电路，使数据存储器空间达到3MBYTE。353存储器的选择与28SF040性能特点1、存储器选择存储器技术的发展非常迅速，新产品层出不穷，市场上存储器种类繁多，性能各异，表35是几种存储器性能比较。几种存储器性能比较表35存储器种类擦除方式字节写入时间数据保存时间EPROM紫外线光擦除几十豪秒掉电不丢EEPROM在线电擦除几十豪秒掉电不丢SRAM在线电擦除几十纳秒需后备电池FLASHMEMORY在线全片电擦除几十微秒掉电不丢SUPERMEMORY在线分页/全片电擦除几十微秒掉电不丢从表中看出，EPROM和EEPROM的写入速度很慢，SRAM的优点是可以高速写入，缺点是丢电即丢，因此常常需要后备电池以及电池管理电路，这就增加了硬件和成本而降低了可靠性。FLASHMEMORY掉电数据不丢，其写入时间也可以满足一般中速A/D变换要求，综合性能优于SRAM，但是价格较高。SUPERMEMORY的电性能与FLASHMEMORY相仿，但因制造工艺的改进和简化，大幅度降低了成本，因此价格较FLASHMEMORY便宜许多，有比较好的性能/价格比。2、28SF040性能特点SST公司的28SF040芯片有四种封装形式40脚TSOP、32脚TSOP、32脚PLCC以及32脚PDIP，图310是常用的32脚PDIP形式。28SF040是一个容量为512K8BIT，可块擦除字节编程的EEPROM，与现存的EPROM兼容，它非