汽车行驶状态记录仪的研究论文正文

1、 本 科 毕 业 设 计 第 52 页 共 53 页1 绪论1.1 课题的意义 汽车作为现代社会的一种重要的交通工具，越来越显示出强大的生命力。随着国民经济、公路运输业的蓬勃发展，汽车的需求量在不断地增长，可随之而来的却是交通事故的频繁发生。据统计我国是道路交通事故死亡人数最高的国家，连续数年一直居世界第一位，近20年来，由于交通事故造成的死亡人数己达到108万人。从公安部了解到，2004年全国共发生一次死亡10人以上群死群伤特大道路交通事故55起，造成852人死亡、877人受伤。与上年相比上升幅度较大，事故起数上升34.1，死亡人数上升32.1，受伤人数上升54.7。从全球看每一分钟就有一个

2、人死于汽车交通事故，1982以来全球总共有大约3000万人死于交通事故中。如何采取有效措施预防道路交通事故的发生，特别是提供一些事故发生前的有效数据给汽车制造商使其制造出更安全的汽车来减少交通事故放生和最大限度地减低交通事故中对人的伤害，同时提供一个电子眼来帮助交通部门提高事故处理的准确性、公正性及快速性，是一个值得研究的实际课题1。“汽车黑匣子”，又称汽车行驶记录仪，是安装在车辆上，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。它能完整、准确地记录汽车行驶状态下的有关情况，能将汽车行驶轨迹完整地记录下来，并通过专用软件在微

3、机上再现。目前的汽车黑匣子虽然在可靠性、体积方面取得了较大的改善，但不具有图像存储的功能;它所存储的汽车信息，对于各种起因的突发事件不能有效、准确地提供可分析和处理的科学依据。一般来说，该产品体积只有香烟盒般大小，能防潮、防水、防腐和耐高温。它除了具有传统的黑匣子所拥有的事故分析功能外，还能在汽车驾驶员超速行驶时发出超速报警声，以提醒驾驶员减速行驶，并详细记录车辆每次的起动时间、行驶里程、行驶时问、最高车速以及每次最高车速的持续时间，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。黑匣子还可以设置反劫防盗功能。装上该产品后，除了车主和车主委托的人外，其他人即使有了车钥匙也无法起动汽车

4、!即使拆除黑匣子也仍然无法起动汽车，从而在传统防盗器的基础上又有了新的技术突破。1.2 国内外发展状况随着微电子与计算机技术的发展，汽车黑匣子的功能已经远远超过单纯事故记录的功能，从发展的趋势来看，汽车黑匣子势必将与汽车其它电子系统(如GPS定位、通讯、报警、测重、测温、故障诊断等)相结合，向大容量 模块化系统化、数据无线传输和数据集成处理的方向发展。最终使它成为确保现代道路交通运输安全和高效物流动态营运管理的不可或缺的记录处理、显示和数据传送的综合装置，也必将成为智能交通系统(ITS)的重要组成部分。汽车“黑匣子”问世于70年代后朗，开始用于记录汽车行驶的速度和距离；从90年代开始，美国和欧

5、洲的制造厂商们纷纷组织人力开发研制汽车行驶状态记录器。开发汽车黑匣子的目的是实时循环纪录碰撞过程中的制动踏板，汽车减速度，空气囊引爆，以及安全带锁紧等信号，以判断驾驶员是否踏紧急制动、是否系安全带，汽车的空气囊是否引爆，引爆时刻是否合适，安全带的锁紧机构是否失效，从而可以客观地、科学地划分汽车厂商和驾乘人员的事故责任。我国从80年代后期开始，在少数地区也曾试用过由国内一些科研机构及企业自主研制的数字式记录仪。国内外的使用情况表明，记录仪为国家行政管理部门提供了有效的执法工具、为道路运输企业提供了管理工具、为驾驶员提供了其驾驶活动的反馈信息，其使用对保障道路交通安全起到了直接的作用。目前，国内汽

6、车黑匣子仅停留在作车速记录仪的低水平上，且尚无实时检测、记录车辆纵向平和横向运动加(减)速度的产品，也无达到新标准关于存储数据量和数据通讯要求的产品，因此，此类产品市场潜力还是比较大的。目前，我国生产汽车黑匣子的企业有10余家，产品数十种，经过国家有关权威部门检测合格后，汽车黑匣子开始在全国各省市推广使用。它对提高车队的营运效率利降低事故率等方面起到了显著的效果，受到物流运输、汽车租赁、企事业车队、保险公司和交通管理部门的欢迎。日本计划于2015年前投入500亿美圆用于发展全国的ITS系统，美国以及德国等欧洲国家在ITS领域的投入也都有相当大的规模，我国的ITS系统尚属起步阶段，但北京、上海、

7、武汉和广州等大城市都已经把ITS的建设提到议事日程上来， 对城市未来的ITS进行了构想， 并有了发展规划。这一趋势，必然为汽车黑匣子的发展与应用提供广阔的空间。目前，在美国、欧洲已经出现了不少适合各种不同运输专业管理需要的汽车黑匣子。例如美国DCT公司专为HAVI公司开发的汽车驾驶记录仪就兼有油耗记录和停车卸货量的记录。汽车驾驶记录仪还可以同目前国际上流行的专用近距离无线通讯技术(BLUE TOOTH蓝牙) 和电子标签(ELECTRONICTAG)以及智能射频识别技术(RFID)相结合，将记录的数据快速、实时地传送到有关部门。总之，汽车黑匣子的全面性、包容性和适应性是实现汽车电子综合化集成化的

8、核心， 并必将成为未来ITS系统的重要组成部分。 2 系统的硬件设计2.1 系统的总体设计方案目前，已经有各式各样的汽车行驶记录仪产品出现在市场上，其功能差别也大相径庭，有的功能简单，有的则包括了很多国家标准规定外的附加功能，如GPS、语音通信、图像拍摄、指纹识别等等。但是记录仪的使用仍然处在研发推广阶段，适合此阶段的记录仪产品应该具有以下特点：具有国家规定的各项功能，成本低，数据安全性高。而在技术上，记录仪产品可分为两种，一种是基于嵌入式操作系统的；另一种是基于单片机的。基于嵌入式操作系统的记录仪产品可以实现比较多的功能，智能性也好，但开发周期和成本较高。而基于单片机的产品不仅成本较低而且开

9、发周期较短，虽然功能上不十分丰富，但比较合适现阶段的使用，因此本文设计了基于单片机的汽车行驶记录仪系统2。根据国标对记录仪的功能要求，记录仪应有如下功能：1）自检功能2）实时时间及驾驶时间的采集、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）数据通信功能基于以上功能的要求，本文设计的汽车行驶记录仪系统包含两部分：一部分是安装在车辆上的主机，是对车辆行驶速度、时间、里程以及车辆运行的其他状态信息进行记录的主体，主要记录车辆连续行驶状态和违章数据；另一部分是上位机后台数据管理和分析软件，是面向运输公司管理人员的软件平

10、台，可帮助运输公司对车队、车辆和驾驶员进行信息化管理，负责对记录仪主机采集到的数据进行统计分析和图像化显示。系统的两个部分通过RS232串行口通信实现数据交换。本系统需采集的数据主要为：8路开关量信号、车速脉冲信号和实时时钟数据。其中8路开关量信号包括：刹车、喇叭、左右灯、大灯、点火开关、1号和2号门、报警器等；实时时钟包括：年、月、日、时、分、秒。当发生超速、疲劳驾驶等违章情况时，处理器将读取实时时间，与车速和各开关量一起处理和保存，以供日后打印输出或上位机分析数据使用。2.2 主处理器的选择本着简化结构、提高可靠性、减少体积易于安装、减少成本、经济实用等原则，本汽车黑匣子的微处理器采用AT

11、MEL公司生产的8位单片机AT89C51系类中的8031芯片。8031内部包含1个8位CPU、128B RAM，21个特殊功能寄存器（SFR）、4个8位并行I/O口、1个全双工串行口，2个16位定时器/计数器，单片内无程序存储器，需外扩EPROM芯片。此类单片机应用广泛，价格相对较低，发展也比较成熟，是黑匣子低端的首选。其最小系统电路图如2-1所示3。图2-1 8031最小系统2.3 电源电路器件选择由于汽车电瓶一般为+12V，并且由于汽车电瓶给系统供电时电压极不稳定，再加上强大的电磁(如给气缸打火电压有极大变化)干扰了各芯片，使之不能稳定地提供+5V的电压，因此考虑电源电压波动。采用输入范围

12、宽的DC-DC将输入的车载电压转换成5V直流电源，提供给内部电路。在本设计中采用了DC-DC转换芯片MC34063。MC34063是MOTOROLA推出的一款高性能、外围电路简单的DC-DC转换芯片。可组成降压式、升压式或电压反转式开关电源。其输入电压范围为340V，工作电流典型值为2.5mA，内部开关管电流1.5A，输出电压可设定或连续可调，工作频率由外部电容确定，最高100KHz，内部有精确为2%的1.25V基准电压源，并有输出电流限制电路。由于单片机的供电电压是DC5V，因此相应的电路图2-2所示。图2-2 电压转换电路由于MC34063在降压式电路中的输出电压特性如式2-1。 （2-1

13、）（，在图中分别是、）因而在设计过程中，只需调整和的大小，就可以设定输出电压的大小。在本设计中，5V稳压部分取，。2.4 系统时钟模块设计为了记录行车的时间，使行驶记录仪能够实时记录汽车行驶状态，采用专门的时钟模块提供时间信号，本系统选用DS12887时钟电路。DS12887是跨越2000年的日历时钟芯片，在该芯片中用4位数字来表示年度，采用24引脚双列直插式封装。该芯片的晶体振荡器、振荡电路、充电电路和可充电锂电池等一起封装在芯片的上方，组成1个加厚的集成电路模块。电路通电时，充电电路自动对电池充电。充足一次电可供芯片时钟运行半年之久，正常工作时可保持时钟数据10年内不会丢失。此外，DS12

14、887能够自动存取并更新当前的时间，单片机可通过读DS12887的内部时标寄存器得到当前的时间和日历，也可通过选择二进制码或BCD码初始化电路的10个时标寄存器。DS12887内部有A、B、C、D四个寄存器，主要功能如下：寄存器A的主要功能有提供时间更新标志，确定在何时读出正确的时间，提供分频控制功能，可选择输出的方波频率以及周期中断频率。寄存器B的主要功能是初始化设置，初始化时必需将相关位置1，才能初始化时间和日历字节，对相关位进行设置，可使系统具有周期中断、闹钟中断、更新结束中断功能，可控方波的输出，可控制时间的显示模块，并可自动执行夏令时制。寄存器C的主要功能是提供中断请求、周期中断、闹

15、铃中断以及更新结束中断标志，以提供CPU查询。寄存器D的主要功能是提供有效RAM和时间标志。该标志位出厂前由DALLAS公司置状态1.这一位不可写，应该读出为1。如果出现0，表明内部电池耗尽。 DS12887采用数据与地址总线复用，选择INTEL模式与8031总线连接。AS是DS12887的地址使能端口，它与8031的ALE相连实现数据与地址总线复用。其各引脚接口电路如2-3所示4。图2-3 系统时钟引脚接口电路2.5 看门狗电路的设计考虑到单片机处于实际工作时电池和其他干扰造成单片机的不稳定，引起程序乱飞，可能会使程序陷入死循环。指令冗余和软件陷阱技术不能使失控的程序摆脱死循环的困境，这时系

16、统将完全瘫痪。如果操作人员在场，可按下人工复位按钮，强制系统复位。但操作人员不可能一直监视着系统，即使监视着系统，也往往是在引起不良后果之后才进行人工复位。故采用硬件MAX813L看门狗电路，可以实现不用人来监视，就能使系统摆脱死循环，重新执行正常的程序。“看门狗”技术是使用一个计数器来不断计数，监视程序循环运行。若发现时间超过已知的循环设定时间，则认为系统陷入了死循环，这时计数器溢出，然后强迫系统复位，在复位入口0000H处安排一段出错处理程序，使系统运行进入正轨。另外，在单片机系统运行时，有可能会发生电源掉电的意外情况，一些重要的数据可能丢失。这时要求系统应首先检测到电源的变化，然后通过切

17、换电路把备用电池接入系统，以保护RAM中的数据不丢失。MAX813L的接口电路如2-5所示。图2-5 MAX813L的接口电路当电源电压降至4.65V以下，即产生复位。该器件能提供多种功能。在上电、掉电期间及在电压降低的情况下可产生一个复位信号。此外，MAX813L带有一个1.6秒的看门狗定时器。WDI是看门狗输入，它控制内部看门狗定时器。端保持高电平或低电平达1.6秒可使内部定时器完成计数，并将变为低电平。将悬空或连接一个高阻抗三态缓冲器将禁止看门狗功能。内部看门狗定时器清零的条件有三种：发生复位；处于三态；或检测到一个上升沿或下降沿。是看门狗输出。当内部看门狗定时器超时1.6秒时，拉至低电

18、平，并直到看门狗被清零才变为高电平。此外，当Vcc低于复位门限时，保持低电平。没有最小脉冲宽度，只要Vcc超过复位门限，就变为高电平而没有延迟。RESET是高电平有效的复位输出。MAX813L只有一个RESET输出。复位信号用来按已知状态启动，一旦处于未知状态，就将系统复位。MAX813L仅有一个高电平有效的复位输出。当Vcc小于1.2伏时，RESET保证为低电平。在上电期间，RESET保持低电平直到电源电压升至复位门限以上。在超过此门限后，RESET为高电平大约200ms。在掉电期间，当Vcc降至复位门限以下时，RESET变为低电平，并在Vcc大于1.2V时保证低于0.4V。在Vcc降至复位

19、门限电压以下时，即处于降压的情况下，RESET变为低电平。如果在已开始的复位脉冲期间电压下降，则该脉冲至少再持续140ms。将连至可使看门狗超时产生复位。当需要高电平有效的复位时，应该使用MAX813L。MAX813L内的看门狗定时器监控的工作。如果在1.6秒内未检测到其工作，内部定时器将使看门狗输出处于低电平状态。将保持低电平直到在检测到的工作。如果将WDI悬空或连接到一个三态电路，看门狗的功能则被禁止，即被清零且不计数。如果产生复位信号，看门狗定时器也会被禁止。当复位信号无效且输入检测到短至50ns的高电平或低电平跳变时，看门狗定时器将开始1.6秒的计数。端的跳变会复位看门狗定时器并启动一

20、次新的计数周期。一旦电源电压Vcc将至复位门限以下，WDO也将变为低电平并保持该状态。只要Vcc升至该门限以上，就变为高电平。对于不存在小脉冲宽度，因为它是对于复位输出而言的。如果悬空，将有必要作为一个低功耗输出指示器5。2.6 数据储存系统硬件设计黑匣子模块中使用传感器采集数据并将数据存储起来，而8031不能满足要求，故要扩展存储器。所以外扩了1片62128数据存储器，该存储器以其存储电路以双稳态触发器为基础，状态稳定，只要不掉电，信息就不会丢失。优点是不需刷新，缺点是集成度低。和1片27128程序存储器，该存储器能够重复擦写所以被广泛应用。这种存储器利用编程器写入后，信息可长久保持，因此可

21、作为只读存储器。当其内容需要变更时，可利用擦抹器（由紫外线灯照射）将其擦除，各单位内容复原为FFH，再根据需要，利用EPROM编程器编程，因此这种芯片可反复使用。2.7 通讯口设计2.7.1 RS232通讯口设计由于TTL电平和RS232电平互不兼容，所以两者对接时，必须进行电平转换。单片机的电平采取的是TTL电平(O0.2为逻辑“0”，25V为逻辑“1”)，RS232标准规定逻辑“O”为+5+15V之间，逻辑“l”为-5-15V之间。MAXIM公司的MAX200-MAX211/MAX213，MAX232/MAX233，MAX3222/MAX3223系列接收/发送在RS232通信接口中日益得到

22、广泛应用，他们具有功耗低，工作电源由单电源的，也有多电源的，波特率高达120KPS，外接电容0.1可选，具有多种封装形式，接收器输出为三态TTL/CMOS等优越性，MAX232CPE为双组RS232接收发送器，工作电源为+5V, 的电容，其市场价格低，主要由三部分组成：电压倍增器，RS232发送器，RS接收器。RS232发送器的输入TTL/CMOS电平，当MAX232CPE地工作电压为+5V，而RS232接收端负载位，发送器输出电压为±8V左右。MAX232CPE由两个发送器，如只用其中一个发送器，另一发送器的输入，输出端可以悬空由图可见，发送器内置400上拉电阻，当输入端悬空时，被

23、上拉至VCC，经反向器，输出端为低电平，上拉电阻耗电为，所以悬空时的功耗很低。RS232接收器输入RS232电平，输出TTL/CMOS电平，不使用的接收器输入，输出端可以悬空，其输入端内置下拉电阻，当输入端悬空时被下拉至地，经反向器输出端为高电平，如图2-6所示。图2-6 RS232电平转换电路串行口数据通信主要有两个技术问题。一个是数据传送，另一个是数据转换。数据传送主要解决传送中的标准、格式及工作方式等问题；而数据转换是指数据的串并行转换。因为在计算机中使用的数据都是并行数据，因此在发送端，要把并行数据转换成为串行数据；而在接收端，却要把接到的串行数据转换为并行数据。数据转换有串行接口电路

24、实现，这种电路也称之为通用异步接收发生器（UART）。从理论上说，一个UART应包括发送器电路、接收器和控制电路等内容。在单片机芯片中，UART以集成在其中，作为其组成部分，构成一个串行口。在本系统中，以工作方式2进行串行数据通信，其波特率为9600。计数初值的计算公式如式2-2。 （2-2）其中smod为PCON寄存器最高位的值，其值为1或0。其通讯接口设计如图2-7所示。图2-7 通讯口接口电路双机通信协议控制字 FD：数据采集系统与数据存储系统通讯正常或接收数据正确确认控制字。 FC：数据采集系统传输的数据位速度数据。 FB：数据采集系统传输的数据位日期数据。 FA：数据采集系统传输的数

25、据位时间数据。 F9：数据采集系统传输的数据位里程数据。2.7.2 USB口设计CH375是一个USB总线通用接口电路，支持HOST主机方式和SLAVE设备方式。CH375内部集成了PLL倍频器、主从USB接口SIE、数据缓冲区、被动并行接口、异步串型接口、命令解释器、控制传输的协议处理器、通用的固件程序等。在本地端，CH375具有8位数据总线和读、写、片选控制线及中断输出，可以方便地挂接到单片机、DSP、MCU等控制器的系统总线上。CH375的USB主机方式支持各种常用的USB全速设备，外部单片机、DSP、MCU可以通过CH375按照相应的USB协议与USB设备通信6。CH375的特点如下：

26、（1）全速USB-HOST主机接口符合USB1.1，支持动态切换主机与设备方式，外围元器件只需要1个晶体和2个电容；（2）主机端点输入和输出缓冲区各有64字节，支持常用的12Mb/s全速USB设备；（3）支持USB设备的控制传输、批量传输、中断传输；（4）自动检测USB设备的连接和断开，提供设备连接和断开的通知；（5）内置控制传输的协议处理器，简化常用的控制传输；（6）并行接口包含8位数据总线，4线控制：读选通、写选通、片选输入和中断输出；（7）串行接口包括串行输入、串行输出和中断输出，支持通信波特率的动态调整；（8）支持5V电源电压和3.3V电源电压。2.8 速度信号检测模块及其实现速度信号

27、检测模块的原理是：汽车行驶过程中，车轮旋转经过传感器，单位时间内输出一定量的脉冲，传感器输出地脉冲通过放大电路放大整形，然后送至单片机T1口计数，得到的脉冲数经过速度计算的公式计算后得到汽车行驶速度。汽车变速器输出的速度信号时时间上连续的数字信号，为了便于处理、存储，将这些时间上连续的数字信号转换为时间上等间距的数字信号。系统采用霍尔传感器将速度信号转换为脉冲信号，霍尔式传感器是利用霍尔元件制成的，霍尔元件是一种磁传感器。用它可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔元件以霍尔效应为其工作基础。霍尔元件具有许多优点，它具有结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便、功耗小、频率

28、高（可达1MHz）、耐振动、不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀等特点。2.8.1 霍尔转速传感器结构与原理霍尔转速传感器是利用霍尔元件制成的，利用霍尔效应原理工作的：一个金属或半导体薄片置于磁场中，磁场垂直于薄片，当薄片通以电流Ie时，在薄片的两侧面上就会产生一个微量的霍尔电压UH，如果改变磁场上的强度，霍尔电压的大小亦随之改变，当磁场消失时，霍尔电压变为零。霍尔转速传感器结构原理实际上是利用霍尔开关测转速。待测物上粘贴一对或多对小磁钢，小磁钢愈多分辨率愈高。霍尔开关固定在小磁钢附近。待测物体以角速度旋转时，每当一个小磁钢转过霍尔开关集成电路，霍尔开关便产生一个相应的脉冲。检测出单位时间

29、的脉冲数，即可测定待测物的转速。2.8.2 霍尔转速传感器主要技术指标其主要技术指标如下：测量范围010000rmin输出波形：矩形脉冲波供电电压：DC524V响应频率：50l00KHZ工作距离：35mm每转脉冲数：与磁钢数量一致输出信号幅值：高电平接近供电电源，低电平0.5V工作温度：-20+80外形尺寸：M16Xl或Ml2Xl2.8.3 速度测量原理本系统选用霍尔传感器将速度信号转换为电信号，考虑到传感器的体积要小，便于安装，误差要尽量减小等要求，采用车轮旋转一周，速度传感器要输出若干个脉冲的方法，具体采用在变速器上安装8个小磁钢相应的输出8个脉冲的方法。车轮旋转一周速度传感器输出的脉冲个

30、数为n，则脉冲个数如式2-3。n =8 （2-3）设02秒内计数器测得的脉冲数为f，则车轮旋转圈数N如式2-4。N=f/n （2-4）设车轮半径为R，则在0.2秒钟内汽车行驶的距离如式2-5。 （2-5）则1秒钟内汽车行驶的距离L1如式2-6。Ll=5L （2-6）这样就可以得到最终的速度计算公式V如式2-7。 （2-7）2.8.4 由THS118型霍尔元件组成的速度测量电路在系统中，采用了THS118型霍尔元件作为速度测量部分的速度传感器，THS118的特征如下：（1）超小4引脚封装（2）良好的温度特性（3）温度工作范围大（-55125）（4）输出电压线性良好图2-8是采用THS118的转速

31、检测电路，磁转子M旋转地同时，使霍尔元件H的磁极（N,S）产生变化，从而检测转子的转速。图中a，b为输入端，c，d为输出端。从霍尔元件结构上看，输出端包含共模电压Vc，电压Vc对霍尔电压没有关系，使用时此电压必须除去，本系统中采用差动输入的运算放大器来忽略此电压。霍尔元件的输出端接到差动放大器的输入端，因此，c点电压等于d点电压时，运放无输出，c点电压大于d点电压时，有差动信号输入，这时，运放输出端有较大的输出电压。THS118输出的波形为矩形波。图2-8 THS118转速检测电路Vo的计算公式如式2-8。 （2-8）式中，为THS118的输出电压，由于THS118的输出电压是当c点电压等于d

32、点电压时，输出电压0V，c点电压大于d点电压或小于d点电压时，输出电压为55140mV，由式2-8可知放大电路的增益为100÷3=33.3，这样可以得到Vo电压为04.7V。这样的点评输至单片机的T1计数口能满足需要7,8。2.9 开关信号的获取及接口电路开关信号的获取是将8个并行的仅有“0”、“1”两个状态的信号通过并行芯片进行并行和串行的转换，转换后的串行信号送给单片机处理。开关信号主要包括刹车、喇叭、左右灯、大灯、气压、1号和2号门、报警器等。为了获取稳定的开关量，减少误差，提高系统的抗干扰性，系统中可以采用具有置位和清零的D触发器，这样可以消除因外界干扰而引起触发器的误动作。

33、该模块利用74LS165型并行输入8位移位寄存器作为输入口，其硬件电路如图2-9所示利用单片机的3根I/O口线扩展为8位的输入口线，图2-9中74LS165作为8位的输入线，CLK为时钟脉冲输入端，D0D7为并行输入端，在系统中就是8位开关量。S/L为低电平时，允许并行置入数据，S/L为高电平时允许串行移位。这样刹车、喇叭、左右灯、大灯、气压、1号和2号门、报警器等8路开关量经过D触发器后并行输入到74LS165，再经74LS165转换后，串行输入给单片机进行处理。图2-9 开关信号电路接口开关信号主要包括刹车、喇叭、左右灯、大灯、气压、1号和2号门、报警器等共8路信号。开关量采集模块电路如图

34、2-10所示9。图2-10 开关量采集电路图2-10给出的是一路开关信号的采集电路图，其它开关量信号的采集与此相同，这里不一一画出。开关信号经过光电隔离处理后直接输入到D触发器集的D0D7口。2.10 显示电路选择LED显示器时考虑到功耗要低，发光效率要高，同时体积要小，兼顾以上特点我们选用高亮度的LED显示器，这样可以避免汽车在白天行驶时，因光线太足而使得显示器上的字迹模糊不清。2.11 系统的抗干扰设计对于安装在车体中的记录仪主机，难免受到各种干扰的影响。干扰可以使电子元器件性能降级或失效，使单片机硬件工作失常；同时可能使采集的信号发生偏移或严重失真，导致测量误差，因此其抗干扰设计是系统设

35、计的重要内容之一。2.11.1 系统可能存在的干扰记录仪主机的干扰源主要来自内部和外部两个方面。内部干扰源有：1）信号线之间的串扰；2）相邻回路耦合造成的干扰；3）元器件布局不合理造成的干扰；4）寄生振荡等。外部干扰源主要有电磁干扰、电源波动造成的干扰以及环境干扰等。在本记录仪中主要表现为：1）空间干扰，即场干扰，通过电磁波辐射窜入系统。其中通过电场途径干扰的实质是电容耦合干扰，干扰信号通过导线或电路的分布电容进入系统；而通过电磁场途径干扰的实质是互感性耦合干扰，干扰信号通过导线或回路的互感耦合进入系统；2） 通道干扰，即通过与主机相连的前向通道、后向通道已经与其他主机的通道进入的干扰；3）

36、电源干扰，由于车载蓄电池与汽车交流发电机、起动机、点火线圈相连，不仅电压波动很大，而且含有尖峰脉冲，此外在汽车行驶中，由于现场环境比较恶劣所造成的电源噪声等。2.11.2 硬件抗干扰设计针对本系统可能存在的上述干扰，本文采取了以下硬件措施，尽量减少干扰。1） 通道干扰的隔离措施目前在单片机应用系统中，最广泛使用的是光电隔离技术，它能有效地抑制尖峰脉冲及各种噪声干扰，从而使通道的信噪比大大提高。这是由于发光二极管只是在通过一定的电流时才能发光，而干扰即使电压较高，由于没有足够的能量，不能使发光二极管发光，从而有效地隔离了干扰进一步传播。2） 印制电路板的抗干扰设计（1） 电源线与地线应尽量加粗，

37、所以未使用空间都设计成地线平面，以减少地线阻抗。数字系统的每条信号线应尽量靠近地线，以减少噪声干扰。（2） 信号走线尽量与电源、地线相一致，信号走线不要形成环路，以减少辐射或接收能力；也不要形成分支，以防止反射和产生谐波。（3） 按最短距离原则布线，尽量保证线迹阻抗的连续性，线迹不得直角转向，应采用45°线过渡。（4） 配置去耦电容，电源的输入端跨接10的电解电容。每个集成电路芯片旁都安置一个0.1陶瓷电容，电容的引线尽量短。3） 电源干扰的抑制微机系统的供电采用DC-DC变换模块，单独对系统进行供电，从而减少公共阻抗的互相耦合，大大提高了供电的可靠性。3 系统的软件设计3.1 系统

38、主程序设计系统主程序框图如图3-1所示，主控制模块首先对系统进行初始化操作，包括对时钟芯片，串行口，中断、定时器等接口芯片的设置，初始化完成后即进入主程序，主程序形成一个高速运行的循环，为了保证异常情况下导致的程序跑飞或卡死时能够得到及时的复位，在各个软件模块中设置了喂狗操作10,11。初始化是否已到1ms？是否已到50ms？是否已到200ms？通讯结束否？延时子程序数据采集子程序数据存储子程序通讯子程序开始YYYYNNNN图3-1 主控模块程序框图3.2 信号采集子程序设计3.2.1 信号采集子程序信号采集子程序主要完成的功能是对车速信号的采集，开关量的采集只需要定时读取8031的P1口的状

39、态即可，而时钟信号是与采集的车速信号和开关量信号所形成的数据一起形成各种记录，无需单独采集。车速信号的采集主要是通过外部中断INT1捕捉车速脉冲，而由定时器记录脉冲的输出间隔，从而计算出里程、车速等实时数据。INT1中断处理程序框图如图3-2所示。开 始NY中断现场保护计算车速脉冲的输出间隔计算车速计算里程中断现场恢复返 回判断车辆是否停车？图3-2 中断处理框图3.2.2 信号处理信号的处理主要是用已有的数据来判断汽车是否处在危险状态中或者发生了事故。由于本黑匣子系统为低成本型，本系统使用的器件较少，因而也只有有限的数据资源及用软件的方法来为事故判断服务。但如果轿车上装有安全气囊爆炸装置，那

40、么判断事故的发生将是十分的简单，因为一旦安全气囊爆炸，绝大多数情况就是发生事故。此时，为了判断事故的发生，只需判断安全气囊爆炸装置里的传感器是否发出了信号。因为安全气囊爆炸装置现已是一项很成熟的技术，其可靠性足以满足要求，而且利用安全气囊爆炸装置能大大减少黑匣子系统的复杂度和成本。由于以上事实的存在，本人在设计黑匣子系统的单片机程序时至少考虑了这两方面的情况。本人首先判断安全气囊爆炸装置发出的信号。这对于装有安全气囊爆炸装置的轿车有效。程序如下： ;主程序的其他部分MOV A,51H ;51H单元的第一位表示气囊爆炸信号ANL A,#01HJNZ D1 ;气囊爆炸LJMP D2D1:LJMP

41、BREAKD2:NOP ;主程序的其他部分接着本人用软件来处理数据，并利用诸如刹车状态、加速度及车体角度等各种可以利用的数据来判断事故的是否发生。1) 首先判断车体倾角。如果车体倾角不小于90度时，判断车子翻，从而进入事故处理程序。以防有这样一种情况，车子已经翻了，车速必然为0，但发动机还转。MOV A,55H ;55H单元为车体倾角数据ANL A,#7FH ;取绝对值CLR CSUBB A,#90D ;判断车体倾角是否不小于90度CPLJC DONEXT1 ;没有翻车LJMP BREAK ;翻车2）接下来是判断加速度。分别说明如下：当加速度大于(负的)60(公里/小时)时，不管车子是否刹车，

42、肯定有撞车事件发生，因为正常刹车不可能达到这样的加速度；检查加速度是否大于60 ;接前面的判断MOV A,0F1H ;F1H为此时的车速CLR C ;F0H为上次的车速SUBB A,0F0H ;现在A是车的加速度了JNC DONEXT ;车速没有下降，不用再做相关判断CLR C；车速下降，进一步判断ANL A,#7FH ;取绝对值MOV R5,A ;把A的值存在R5中SUBB A,#60 ;计算加速度JC DONEXT ;加速度<60LJMP BREAK ;加速度>60，撞车事故发生DONEXT:NOP ;继续其他操作而加速度小于60时，要分别处理刹车和不刹车的状态。根据经验，如果

43、是不刹车，当加速度在60到20之间时，撞车事件必然发生，因为上坡的自然减速不可能达到那么大。检查加速度是否在20与60之间MOV A,R5 ;R5存有原来的加速度CLR C SUBB A,#20JC NATUAL ;加速度<20，转NAYUALNOPMOV A,51H ;51H的第二位为刹车信号ANL A,#02HJNZ BAK_YES1 ;加速度（20<a<60）+刹车LJMP BREAK ;加速度（20<a<60）+不刹车BAK_YES1:NOP或者，当加速度在60到30之间，既使刹车，但如果此前已是方向盘乱转，那么撞车事件也会发生，因为当加速度在60到30之

44、间时，当时车速必然相当高，如果在达到这么大的加速度前方向盘乱转，而且刹车时，必然会导致车子因车的惯性等原因而使车的方向不受司机的控制，而后来的加速度如此大，说明撞车事件发生了。加速度在30与60之间时，检查是否刹车并且方向盘乱转BODY:NOP MOV R7,#04H ;比较4次方向盘角度差 MOV R0,#0E0H ;R0，R1包括相邻两次方向盘的角度 MOV R1,#0E1HDIRECTION:CLR C MOV A,R0 MOV R2,A MOV A,R1 CLR C SUBB A,#7FH ;取绝对值 CLR C SUBB A,#20D ;方向盘角度差大于20度 JC NOT1 ;在此

45、4次比较中，有一次不符时退出比较YES1: NOP ;此次比较符合，比较下一次 INC R0INC R1 ;R0，R1指向下两次方向盘角度DJNZ R7,DIRECTIONMOV R0,0E1HMOV 0E0H,R0 ;把方向盘角度数据往后移一次MOV R0,0E2HMOV 0E1H,R0MOV R0,0E3HMOV 0E2H,R0MOV R0,0E4HMOV 0E3H,R0MOV 0E4H,#00HMOV A,R5CLR CSUBB A,#30JNC BREAK ;加速度（60>a>30）,刹车并且方向盘乱转NOT1: MOV R0,0E1H MOV 0E0H,R0 MOV R0

46、,0E2H MOV 0E1H,R0 MOV R0,0E3H MOV 0E2H,R0 MOV R0,0E4H MOV 0E3H,R0 MOV 0E4H,#00H最后是检查车是否停了。但不能只简单地靠车速为0来判断车是停了，因为有可能是车速为0但发动机还在转，即车只是暂时停而己。而一旦发动机转速为0，车必然停。检查是否车停 MOV R6,53H ;53H为发动机转速的高位 MOV R7,54H ;54H为发动机转速的低位 CJNE R6,#00H,NEXT33 CJNE R7,#00H,NEXT33 LJMP CAR_STOP ;发动机转速为0 NEXT33:NOP3.3 数据存储子程序设计采集的

47、信号经过处理后，送入62128数据存储器中予以保存。该芯片具有掉电数据不丢失的特性。通过PC机可以读取数据存储器和时钟芯片里的数据以及对时钟芯片里某些单元进行设置。汽车行驶记录仪内需存储的数据包括时钟、速度、事故疑点数据、超时驾驶记录、超速记录、每次统计数据、每分钟平均速度、前15天累计里程、前15分钟速度、本次累计里程和全部累计里程。这些数据通过设置指针的方式存储和传递，而指针是被保存在时钟芯片里的，本文设置的指针主要有：停车数据指针、超时数据指针、超速数据指针、统计数据指针、平均速度指针12。下面对数据的具体格式及其在62128中的存储单元介绍如下：1） 事故疑点数据车辆行驶记录仪应以不大

48、于0.2s的时间间隔持续记录并存储停车前20s对应实时时间的车辆行驶速度值，记录次数至少为10次，速度记录单元为km/h测量范围为0km/h240km/h,测量分辨率等于或优于1km/h。本车辆行驶记录仪记录了停车前20s内每间隔0.2s采集的一次汽车行驶速度和8个状态开关量。该组数据结构图如3-3所示。6字节1字符1字符时间日期期速度状态开关量速度状态开关量200字符206字符图3-3 事故疑点数据结构图图中各数据的格式如下：时间日期：XX XX XX XX XX XX 年 月 日 时 分 秒速 度：XX （单位：km/h）状态开关：xxxxxxxx (1字节)其中XX代表占用一个字节的存储

49、空间；x代表二进制的一位，0代表关，1代表开。日期和时间是指停车那一刻的日期和时间，日期时间后的第一组行驶数据是停车前1s的行驶信息，后面依次是停车前2s，3s，20s的行驶信息。2） 每分钟平均速度记录仪应该以不大于1min的时间间隔持续记录并储存车辆在最近240个小时内的行驶状态数据，即车辆在行驶过程中与实时时间相对应的每分钟间隔内的平均行驶速度值。数据结构图如图3-4所示。00H 00H 00H车辆启动时间速度速度00H图3-4 每分钟平均速度数据结构图每次记录以00H 00H 00H开始，00H结尾，车辆启动时间后每分钟记录一次平均速度数据。3） 每次统计数据记录仪应能持续记录车辆从指

50、定统计时间开始的累计行驶里程。车辆行驶里程的记录单位是km，行驶里程的测量范围是0km999999.9km，分辨率应等于或优于0.1km。数据结构图如图3-5所示。起动时间停车时间本次里程最高车速车门开启次数6字节6字节2字节1字节1字节16字节图3-5 每次统计数据结构图4） 超时驾驶记录记录仪能对驾驶员的每次超时驾驶，即疲劳驾驶行为作记录和统计，统计内容包括驾驶证证号、超时开始时间、超时结束时间等。数据结构图如图3-6所示。驾驶证证号超时开始时间超时结束时间18字节5字节5字节28字节图3-6 超时驾驶记录数据结构图5） 统计超速记录数据记录仪能对驾驶员的每次超速驾驶行为作记录和统计，统计

51、内容包括驾驶证证号、起超时间、持续时间和最高车速等。数据结构图如图3-7所示。驾驶证证号起超时间持续时间最高车速18字节5字节1字节1字节28字节图3-7 超速驾驶记录数据结构图3.4 里程和速度计算方法记录仪读取到原始数据后，根据脉冲量和车辆特征系数等能够计算出总累计行驶里程，最近2天的累计行驶里程、最近240小时内的累计行驶里程、每125毫秒的速度和每分钟的速度13。3.4.1 行驶里程记录仪采集的脉冲来自于速度传感器，该速度传感器每转产生8个脉冲，而车辆在每公里使速度传感器旋转地转数由车辆特征系数决定。记录仪根据所记录的脉冲数，可以得到车辆行驶的里程。1）总累计行驶里程总累计行驶里程的计

52、算公式为：。单位为：公里。其中：为总累计行驶里程 为总累计脉冲数 为车辆特征系数由于数据格式规定总累计行驶里程的数据单位为0.1公里，计算时可将总累计脉冲数放大10倍，再参与运算。这样，总累计行驶里程的计算公式便修改为：。单位为：0.1公里。2）M小时的累计行驶里程M小时的累计行驶里程，只须在上式中，用M小时的累计脉冲数取代，即可得到。M小时的累计行驶里程的计算公式为：。单位为：0.1公里。其中：为M小时的累计行驶里程 为M小时内的脉冲数 为车辆特征系数在此公式的基础上，分别用48小时和240小时的累计脉冲数代入该公式，即可得到最近2个日历天和240小时内的累计行驶里程数据。3.4.2 行驶速

53、度由脉冲数计算出行驶速度，只要先由脉冲数计算得到里程数，再除以时间即可得到速度。由于速度的单位是公里/小时，在计算不同时间间隔内的速度时，必须进行时间单位的换算。每125毫秒速度的计算公式为：。单位为：公里/小时。其中：为每125毫秒的行驶速度 为该125毫秒内的脉冲数 为车辆特征系数每分钟速度每分钟速度的计算公式为：。单位为：公里/小时。其中：为每分钟的行驶速度 为该分钟内的脉冲数 为车辆特性系数3.5 实时时钟驱动编程为使得记录仪具有实时时钟功能，需要编写对应与该时钟外设芯片的驱动程序，时钟部分在数据采集系统中的编程流程图如图3-8所示，显示器默认显示的是时钟信号。初始化DS12887初始化开中断查表读DS12887到缓存显示图3-8 时钟部分软件流程图3.5.1 时钟驱动程序需要有以下几个函数。1）时钟外设初始化函数ClockInitExtern void