陳艷海

湖北汽車工業(yè)學(xué)院電信學(xué)院,湖北十堰 442002

基于Arm-Linux的汽車行駛記錄儀的設(shè)計(jì)

陳艷海

湖北汽車工業(yè)學(xué)院電信學(xué)院,湖北十堰 442002

本文介紹了一種基于嵌入式系統(tǒng)的汽車行駛記錄儀。該系統(tǒng)采用Arm9微處理器，系統(tǒng)使用嵌入式Linux操作系統(tǒng)作為底層軟件平臺(tái)，并選擇PCA82C250CAN總線收發(fā)器實(shí)現(xiàn)到總線的物理接口。該記錄儀具有記錄數(shù)據(jù)面廣、信息存儲(chǔ)容量大、移植擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，具有良好的應(yīng)用前景。

嵌入式系統(tǒng);汽車行駛記錄儀;CAN總線

Embedded System;Vehicle Traveling Data Recorder ; CAN-bus

汽車行駛記錄儀，是對(duì)車輛行駛速度、里程、時(shí)間以及有關(guān)車輛行駛的其他狀態(tài)信息進(jìn)行存儲(chǔ)、記錄并可通過(guò)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出的電子記錄裝置[1]；它能夠?yàn)榻煌ㄊ鹿侍峁┦掳l(fā)過(guò)程的可靠數(shù)據(jù)，用于正確分析事故的責(zé)任；能提高管理部門(mén)的業(yè)務(wù)水平和質(zhì)量，為管理部門(mén)提供可靠、有效的處理手段，規(guī)范駕駛員行為，遏制超速行駛和疲勞駕駛等違章現(xiàn)象，使人員和車輛有安全的行駛環(huán)境。汽車行駛記錄儀不僅在美國(guó)及歐盟等地大量使用，近幾年在中國(guó)也開(kāi)始應(yīng)用，收到了良好的效果。統(tǒng)計(jì)資料表明，汽車行駛記錄儀的有效使用，可以使交通事故率降低37% ～52% ，大大減少了財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡，產(chǎn)生了顯著的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

本文介紹的基于Arm-Linux的汽車記錄儀，是為具備CAN總線的汽車開(kāi)發(fā)的，預(yù)留出C A N節(jié)點(diǎn)的接口，使之可以通過(guò)C A N總線收集汽車行駛狀態(tài)信息，增強(qiáng)汽車行駛記錄儀的擴(kuò)展性。若出現(xiàn)故障，可以盡快地檢測(cè)出相關(guān)狀態(tài)，便于檢修。該汽車行駛記錄儀集數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、故障監(jiān)測(cè)、語(yǔ)音報(bào)警等功能，同時(shí)可以靈活地進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)充，具有廣泛的經(jīng)濟(jì)效益和應(yīng)用前景。

1.Arm-Linux 嵌入式系統(tǒng)概述

最近幾年，嵌入式技術(shù)得到了飛速發(fā)展。嵌入式產(chǎn)品層出不窮，以其特有的體積小、功耗低、處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在通訊、工控、網(wǎng)絡(luò)、電子、醫(yī)療、電子等領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越顯著的作用。簡(jiǎn)單地說(shuō)，嵌入式系統(tǒng)集成了系統(tǒng)應(yīng)用軟件與硬件，具有軟件代碼短、響應(yīng)速度快、高度自動(dòng)化等特點(diǎn)，特別適合于要求多任務(wù)和實(shí)時(shí)的體系。嵌入式系統(tǒng)是將先進(jìn)的半導(dǎo)體技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物。

嵌入式系統(tǒng)的硬件部分包括處理器、存儲(chǔ)器、I／0端口圖形控制器和外設(shè)器件等。嵌入式系統(tǒng)不同于一般的計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，是因?yàn)樗痪邆湎裼脖P(pán)那樣大容量的存儲(chǔ)介質(zhì)，而使用EPROM、EEPROM或閃存作為存儲(chǔ)介質(zhì)。

嵌入式系統(tǒng)的軟件部分，包括系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件。為了提高執(zhí)行速度和系統(tǒng)可靠性，嵌入式系統(tǒng)中的軟件一般都固化在單片機(jī)本身或存儲(chǔ)器芯片中，而不是存貯于磁盤(pán)等介質(zhì)中。

2、系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

汽車行駛記錄儀由Samsun g公司的S3C2410處理器作為車載微處理器、擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、CAN收發(fā)器、IC卡接口、液晶顯示模塊、USB接口及RS232接口電路等組成[2]。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

本設(shè)計(jì)選用的微處理器芯片是S3C2410，它是Samsung半導(dǎo)體公司推出的，為手持設(shè)備和一般類型的應(yīng)用提供了低價(jià)格、低功耗、高性能的微控制器。其內(nèi)核基于ARM920T,帶有MMU功能，采用0.18μm工藝，其主頻可達(dá)203MHz,適合于成本和功耗敏感的需求[2]。

在系統(tǒng)的CAN總線接口電路中，進(jìn)行總線數(shù)據(jù)傳輸芯片采用了p h i l i p s公司的PCA82C250。為了加強(qiáng)CAN 總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力，接口電路中P87C591的TXDC和RXDC并不是直接與82C250的RXD和TXD相連，而是通過(guò)高速光電耦合器6N167與82C250相連。這樣就可以較好地實(shí)現(xiàn)了總線上的各個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)間的電器隔離。接口的硬件電路如圖2。

圖2 CAN接口電路

汽車行駛記錄儀的核心功能是完成汽車在行駛過(guò)程中的各狀態(tài)參數(shù)能夠及時(shí)可靠的存儲(chǔ)保護(hù)。記錄儀中的數(shù)據(jù)包括以下兩部分，一部分為汽車歷史數(shù)據(jù)(存放汽車和司機(jī)的行駛狀況)，另一部分為汽車實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)(包括汽車發(fā)生事故前后的數(shù)據(jù))。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)對(duì)存儲(chǔ)器的要求比較高，不但要求速度快、可靠性高，而且要求掉電后數(shù)據(jù)不能丟失、存儲(chǔ)器能夠進(jìn)行多次擦寫(xiě)。FRAM既有SRAM的速度和擦寫(xiě)次數(shù)，又有EEPROM和Flash的特點(diǎn)，掉電后數(shù)據(jù)可以保存，同時(shí)多功能的FRAM具有電源管理功能，所以選用用FRAM能符合本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[3]。

本系統(tǒng)采用的是并行閃速存儲(chǔ)器AT45D081和高性能的鐵電存儲(chǔ)器FM24C024相配合的工作方式。系統(tǒng)中鐵電存儲(chǔ)器FM24C024作為系統(tǒng)的臨時(shí)緩沖區(qū)，M C U將采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存放其中，這樣即使系統(tǒng)突然掉電，采集到的數(shù)據(jù)也不會(huì)丟失。然后由MCU控制將FM24C024中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)批量轉(zhuǎn)移到存儲(chǔ)器AT45D081中保存起來(lái)。系統(tǒng)就可以利用鐵電存儲(chǔ)器FM24V024的特性將數(shù)據(jù)很好的保護(hù)起來(lái)。具體硬件電路如圖3。

圖3 擴(kuò)展存儲(chǔ)器接口電路

3、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)主要包括：Bootloader、操作系統(tǒng)(內(nèi)核)、文件系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)程序和應(yīng)用程序。Bootloader是系統(tǒng)的啟動(dòng)引導(dǎo)程序；操作系統(tǒng)管理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的全部硬件資源，軟件資源、數(shù)據(jù)資源、控制程序運(yùn)行、改善人機(jī)界面、為其他應(yīng)用軟件提供支持；驅(qū)動(dòng)程序是指系統(tǒng)對(duì)LCD、鍵盤(pán)、CAN總線控制器等外設(shè)的控制程序，用來(lái)完成對(duì)外設(shè)的初始化，并提供一些簡(jiǎn)單的接口函數(shù)來(lái)控制外設(shè)；應(yīng)用程序是指為了完成汽車行駛記錄儀的功能而被開(kāi)發(fā)運(yùn)行于操作系統(tǒng)之上的計(jì)算機(jī)程序[4]。

汽車行駛記錄儀的應(yīng)用軟件按照模塊化結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，整個(gè)程序包括系統(tǒng)自檢模塊、硬件初始化模塊、數(shù)據(jù)采集和信息處理模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、中斷處理模塊、通信模塊、顯示模塊和報(bào)警模塊組成，其軟件流程如圖4所示。

記錄儀工作狀態(tài)有兩種工作模式：通信模式和記錄模式。所謂的通信模式，就是在車輛停止時(shí)，通過(guò)系統(tǒng)接口和PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，數(shù)據(jù)通信包括上傳和下載。當(dāng)采用USB接口進(jìn)行通信時(shí)，系統(tǒng)可以利用記錄儀本身的小鍵盤(pán)選擇所需要進(jìn)行的操作；當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)RS232接口進(jìn)行通信時(shí)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂朴蒔C機(jī)完成，時(shí)間校準(zhǔn)等一些實(shí)時(shí)性比較強(qiáng)的工作可以在通信模式下完成.所謂記錄模式，就是在汽車運(yùn)行時(shí)，記錄儀周期性的采集車輛工作過(guò)程中的系統(tǒng)狀態(tài)和當(dāng)前駕駛員的行駛信息，如速度、駕車時(shí)間、超速記錄、疲勞駕駛時(shí)間、停車時(shí)間等信息，并提供疲勞駕駛和超速的語(yǔ)音報(bào)警功能以及日期、時(shí)間和車速的顯示功能，并將其采集的數(shù)據(jù)和當(dāng)前的日期、時(shí)間參數(shù)一起寫(xiě)入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中； PC機(jī)上的數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)駕駛員和車輛的信息進(jìn)行維護(hù)和管理，并對(duì)記錄儀的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析處理，提供各種條件的查詢功能。這樣可以完全掌握駕駛員和車輛的狀態(tài)信息，減少事故發(fā)生率。

圖4 應(yīng)用軟件模塊

4、小結(jié)

本文從硬件結(jié)構(gòu)和軟件設(shè)計(jì)上詳細(xì)介紹了一種基于Arm-Linux的汽車行駛記錄儀，對(duì)嵌入式芯片的選擇、C A N總線接口、存儲(chǔ)器的選擇及系統(tǒng)軟件做了深入而細(xì)致的分析。在標(biāo)準(zhǔn)汽車行駛記錄儀的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)增加了USB移動(dòng)磁盤(pán)采集數(shù)據(jù)的功能，并與CAN總線相結(jié)合，增強(qiáng)了可擴(kuò)展性。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有接線簡(jiǎn)單、使用方便、功能完善、性能可靠、控制靈活，可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，大大減少了人為干擾的誤差，減輕了交通管理者的勞動(dòng)強(qiáng)度，達(dá)到了實(shí)時(shí)化、規(guī)范化、科學(xué)化、精確化的系統(tǒng)管理實(shí)際要求。

[1]汽車行駛記錄儀的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[S].GB/T 19056-2003

[2]王田苗.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)例開(kāi)發(fā).清華大學(xué)出版社.2003，9-25

[3]張?jiān)迹铌J.行車記錄儀中數(shù)據(jù)存儲(chǔ)保護(hù)的實(shí)現(xiàn).微電子與計(jì)算機(jī).2004，（3）：85-87

[4]劉崢嶸，張智超，許振山，等.嵌入式Linux應(yīng)用開(kāi)發(fā)詳解.北京：機(jī)械工業(yè)出版社.2004，15-20

Design of the Vehicle Traveling Data Recorder Based on the Arm-Linux

Chen Yanhai
Dept.of Electrical Engineering ,Hubei Automotive Industries Institute,shiyan 442002,China

The paper introduces a system of the Vehicle Traveling Data Recorder based on embedded system. This system adopted advanced Arm9processor, used embedded Linux operation system as soft platform and chose PCA82C250as the transceiver for physical interface. This recorder has advantages of recording more kinds of data, having large capacity, and being easily transplanted, having a good application prospect.

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.13.050