張 戟， 彭 勇

(同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心，上海201804)

0 引言

汽車行駛記錄儀是一種用來對汽車行駛過程中的有關(guān)狀態(tài)信息進(jìn)行記錄、存儲并通過接口完成數(shù)據(jù)輸出的數(shù)字式電子裝置［1］，其記錄的汽車狀態(tài)數(shù)據(jù)對交通事故的分析具有重要的意義.但目前的汽車行駛記錄儀使用都是有線的方式，通過USB線或串口線將記錄下的數(shù)據(jù)上傳到PC供相應(yīng)的軟件做數(shù)據(jù)分析.這種方式在道路上操作起來很不方便，因此很有必要設(shè)計一款能支持無線上傳數(shù)據(jù)功能并能快速完成數(shù)據(jù)分析的汽車行駛記錄儀系統(tǒng).

藍(lán)牙技術(shù)是一種成熟的支持設(shè)備短距離通信的無線電技術(shù)，目前大多數(shù)的手持設(shè)備(手機和平板)都帶有藍(lán)牙模塊.本文將藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用到汽車行駛記錄儀上，通過藍(lán)牙接口，記錄儀將數(shù)據(jù)上傳到帶藍(lán)牙接口的手持設(shè)備上.相應(yīng)的在手持設(shè)備上開發(fā)一款記錄儀的數(shù)據(jù)分析應(yīng)用，通過該應(yīng)用就能方便、快速的完成數(shù)據(jù)分析工作，并能夠?qū)⑾鄳?yīng)的數(shù)據(jù)通過3G網(wǎng)絡(luò)再上傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器上作為備份.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

根據(jù)記錄儀國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19056－2003的要求［2］，本文設(shè)計了一種基于飛思卡爾MC9S12XS128MAL芯片的支持藍(lán)牙上傳功能的汽車行駛記錄儀系統(tǒng).系統(tǒng)的整體方案框圖如圖1所示.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控制器模塊

主控制器負(fù)責(zé)處理系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集、存儲、顯示、打印、通信輸出等功能.本文采用的是飛思卡爾公司生產(chǎn)的16位芯片MC9S12XS128.MC9S12XS12是Freescale公司推出的S12XS系列單片機中的一款增強型16位單片機，S12XS系列單片機是在S12XE系列基礎(chǔ)上去掉XGate協(xié)處理器的單片機，該系列單片機采用 CPU12X V2內(nèi)核，可運行在40MHz總線頻率上［3］.

2.2 電源模塊

本系統(tǒng)對電源的需求有:時鐘模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊以及藍(lán)牙模塊等需要3.3V電源;CPU、CAN收發(fā)器、顯示模塊等需要5V電源;同時各種芯片的最大輸入電流不盡相同，所以要求系統(tǒng)電源必須要有較寬的輸入范圍和較大輸出電流.因此，本系統(tǒng)選用LM7805－5.0和 LM1117－3.3為電源芯片，將汽車的電瓶直流電源轉(zhuǎn)化成系統(tǒng)電路正常工作所需要的+5.0V和+3.3V兩種直流電壓.

2.3 時鐘模塊

行駛記錄儀需要記錄的狀態(tài)信息包含對應(yīng)的時間信息.其對計時精度要求較高，同時也要求在斷電的情況下能夠繼續(xù)計時.為此，需要使用外部實時時鐘并搭配電池使用為系統(tǒng)提供實時可靠的時鐘.

圖1 汽車行駛記錄儀系統(tǒng)整體方案框圖

圖2 系統(tǒng)主流程圖

本文選用的時鐘芯片為PHILIPS公司生產(chǎn)的PCF8563，該芯片具有低功耗，高精度的特點.芯片的電壓使用范圍為1.0～5.5V，通過一個紐扣電池即可為其供電，同時芯片內(nèi)部有低電壓檢查電路，可以為使用者提供電池更換的提示信息.

2.4 數(shù)據(jù)采集模塊

記錄所采集的數(shù)據(jù)主要包括模擬量和開關(guān)量數(shù)據(jù).本文的模擬量數(shù)據(jù)采集直接利用MC9S12XS128現(xiàn)有的A/D轉(zhuǎn)換器.該轉(zhuǎn)換器的測量范圍可通過VRH和VRL引腳來配置，本文選用的范圍為0～5V，轉(zhuǎn)換精度選用10位.開關(guān)量信號的采集選用光耦合器件P181做隔離，隔離后接主控芯片的IO接口，通過查詢的方式進(jìn)行采集.

2.5 通信模塊

本文所設(shè)計的記錄儀包含RS232、CAN和藍(lán)牙三個通信接口.其中RS232為打印接口，外接打印機即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)打印功能;CAN為預(yù)留通信接口，可以用來獲取汽車的狀態(tài)數(shù)據(jù);藍(lán)牙接口用來上傳采集到的數(shù)據(jù)到提供藍(lán)牙接口的手持設(shè)備.

RS－232的接口芯片采用 MAX232，MAX232芯片是常用的RS－232C與TTL電平轉(zhuǎn)換器，它的內(nèi)部有電壓倍增電路和轉(zhuǎn)換電路，一個芯片可連接2對收發(fā)信號.

圖3 啟動狀態(tài)下的工作流程圖

CAN通信接口選用TJA1043作為總線收發(fā)器.TJA1043是恩智浦半導(dǎo)體公司推出的一款高速CAN總線收發(fā)器，它在電磁兼容和靜電放電性能上有不錯的表現(xiàn).

藍(lán)牙接口選用廣州匯承信息科技有限公司的HC－06－S模塊［4］.HC －06－S為藍(lán)牙串口從機模塊，該模塊的工作電壓為3.3V，采用的是CSR BC04藍(lán)牙芯片技術(shù).將其上的串口引腳與主控芯片的串口相連，操作主控芯片的串口便能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線收發(fā).

圖4 行駛狀態(tài)下的工作流程圖

2.6 人機接口模塊

人機接口模塊主要包含按鍵電路、液晶顯示和IC卡駕駛員身份識別模塊.

按鍵電路用來響應(yīng)用戶的操作，本文設(shè)置了4個按鍵，分別為上、下、菜單和確認(rèn)按鍵.

本文選用YM12864R模塊作為液晶顯示，YM12864R是128*64的漢字圖形點陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，其內(nèi)置中文字庫，使用簡單方便［5］.

本文選擇接觸式IC卡方式識別駕駛員身份，接觸式IC卡存儲量大，讀寫機構(gòu)造價便宜，維護(hù)方便.具體使用的是西門子公司生產(chǎn)的 SLE4442，SLE4442是具有可編程安全代碼存儲器(PSC)和寫保護(hù)功能的智能型IC卡.具有256－byte EEPROM，足夠保存駕駛員的身份信息.其只有在3－byte安全代碼比較正確后才能寫入數(shù)據(jù)，能有效的保證數(shù)據(jù)的安全性.

2.7 數(shù)據(jù)存儲模塊

本文選擇鐵電存儲器FM1808作為實時存儲，SD卡作為歷史數(shù)據(jù)存儲.

圖5 剛停駛狀態(tài)下的工作流程圖

行駛記錄儀要求能以不大于200ms的時間間隔連續(xù)記錄并存儲停車前20s實時時間對應(yīng)的車輛狀態(tài)，記錄次數(shù)不少于10次，這就要求能夠快速存儲并且具有非易失性的存儲器.鐵電存儲器就兼有RAM的快速寫入和ROM的非易失性.FM1808包含32k－byte的內(nèi)存空間，能夠很好的滿足實時數(shù)據(jù)的存儲要求.

SD卡(Secure Digital Memory Card)是一種為滿足安全性、容量、性能和使用環(huán)境等各方面的需求而設(shè)計的一種新型存儲器件，SD卡允許在兩種模式下工作，即SD模式和SPI模式，本系統(tǒng)采用SPI模式.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)主流程

記錄儀上電后，開始運行系統(tǒng)的主流程.主程序流程圖如圖2所示.首先對系統(tǒng)硬件進(jìn)行初始化，然后進(jìn)行系統(tǒng)自檢，自檢后的結(jié)果將在顯示器上有相應(yīng)的顯示.自檢通過后進(jìn)入時鐘低電壓檢測，如果檢測時鐘低電壓，會在顯示器有相應(yīng)的提示并進(jìn)入時鐘重置界面.當(dāng)上述流程完成后，將開啟定時中斷，然后讀取汽車當(dāng)前狀態(tài)，并根據(jù)當(dāng)前狀態(tài)執(zhí)行相應(yīng)的操作.

圖6 停駛狀態(tài)下的工作流程圖

3.2 系統(tǒng)子流程

本文將汽車所處的狀態(tài)分為四種，分別為start(啟動)、moving(行駛)、stop(剛停駛)和 still(停駛)狀態(tài).接下來將介紹不同的狀態(tài)下對應(yīng)的處理流程.

當(dāng)汽車處于啟動狀態(tài)，記錄儀所執(zhí)行的工作流程如圖3所示.主要包括駕駛員身份認(rèn)證、記錄分區(qū)狀態(tài)數(shù)據(jù)讀取和內(nèi)存使用地址設(shè)置以及疲勞駕駛數(shù)據(jù)更新等工作.

當(dāng)汽車處于行駛狀態(tài)，記錄儀所做的主要工作是數(shù)據(jù)記錄，包括實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的記錄.其中每一個tick為200ms.Tick、second和min的狀態(tài)標(biāo)記在定時中斷中更新.具體流程如圖4所示.

當(dāng)汽車處于剛停駛狀態(tài)，記錄儀所做的主要工作是疲勞駕駛判斷及其數(shù)據(jù)的記錄，如圖5所示.

當(dāng)汽車處于停駛狀態(tài)時，記錄儀所做的工作是將本次駕駛的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到SD卡中，接下來響應(yīng)按鍵操作，并查詢手持設(shè)備端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)上傳請求，執(zhí)行上傳服務(wù).在空閑狀態(tài)時監(jiān)控汽車是否又開始啟動以完成狀態(tài)轉(zhuǎn)移.具體流程如圖6所示.

4 藍(lán)牙數(shù)據(jù)上傳功能的實現(xiàn)方法

本文通過藍(lán)牙通信接口將數(shù)據(jù)上傳至手持設(shè)備，在藍(lán)牙數(shù)據(jù)的傳輸過程中，記錄儀作為從機，手持設(shè)備端作為主機，首先手持設(shè)備查找到記錄儀上的藍(lán)牙設(shè)備，完成配對工作.然后手持設(shè)備端軟件向記錄儀發(fā)送一個數(shù)據(jù)傳輸請求，記錄儀端在查詢到發(fā)送過來的請求后，如果準(zhǔn)備好開始數(shù)據(jù)傳輸過程，將向主機發(fā)送應(yīng)答，并更新液晶顯示，這樣雙方建立起了傳輸通道.接下來雙方通過Xmodem文件傳輸協(xié)議開始數(shù)據(jù)的傳輸［6］.

Xmodem協(xié)議支持128字節(jié)和1K的數(shù)據(jù)包，本文選用128字節(jié)的數(shù)據(jù)包.Xmodem協(xié)議支持累計和校驗和CRC兩種校驗方式，本文選擇CRC校驗方式.Xmodem協(xié)議傳輸由接收程序和發(fā)送程序完成.先由接受端發(fā)送協(xié)商字符，協(xié)商校驗方式，協(xié)商通過之后發(fā)送端就開始發(fā)送數(shù)據(jù)包，接受程序接收到完整的一個數(shù)據(jù)包后按照協(xié)商的方式對數(shù)據(jù)包進(jìn)行校驗.校驗通過之后發(fā)送確認(rèn)字符，請求下一個數(shù)據(jù)包的發(fā)送，然后發(fā)動程序繼續(xù)發(fā)送下一個包;如果校驗失敗，則發(fā)送否認(rèn)字符，請求重發(fā)，發(fā)送程序?qū)⒅匕l(fā)此包.數(shù)據(jù)包的重發(fā)次數(shù)是有限制的，本文支持10次重發(fā)，當(dāng)超過10次數(shù)據(jù)包錯誤，將結(jié)束本次傳輸，并在接受雙方給出相應(yīng)的錯誤提示.

手持設(shè)備端在接受到完整的數(shù)據(jù)后，可以開始對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并可以通過3G網(wǎng)絡(luò)或者Wifi將數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程服務(wù)器中作為備份.

5 總結(jié)

本文根據(jù)行駛記錄儀的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19056－2003，并應(yīng)用藍(lán)牙技術(shù)，設(shè)計了一種基于飛思卡爾MC9S12XS128MAL芯片的支持藍(lán)牙上傳功能的汽車行駛記錄儀.該記錄儀能有效完成記錄儀所需的功能，同時能夠使數(shù)據(jù)上傳工作更加方便快捷、提高數(shù)據(jù)分析處理的效率，可以得到更多的應(yīng)用.

［1］王恩立.汽車行駛記錄儀的推廣與應(yīng)用［J］.中國計量，2010，(6):123－124.

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

［3］Freescale，Inc.MC9S12XS256Device User Guide Rev.1.03，2008.

［4］廣州匯承信息科技有限公司，HC－06模塊規(guī)格書Rev2.0，2006.

［5］合肥金創(chuàng)電子科技有限公司，YM12864R圖形點陣液晶顯示模塊使用手冊，2008.

［6］SUNPLUS，用UART做文件傳輸(采用 Xmodem協(xié)議)V1.1－ Dec8，2005.