一種GPS功能汽車行駛記錄儀的實現(xiàn)-設計應用

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汽車行駛記錄儀是能夠記錄和再現(xiàn)汽車行駛狀態(tài)的一種數(shù)字式電子記錄裝置，它可以全程記錄汽車的行駛數(shù)據(jù)，并通過對所記錄的行駛信息數(shù)據(jù)的分析，對車輛的行駛狀況予以的掌控。汽車行駛記錄儀可有效預防駕駛員的違章駕駛，降低車輛的交通事故。早在20世紀70年代，歐共體就開始全面強制使用機電模擬式汽車行駛記錄儀并使得交通事故率降低了30%-50%.90年代以來，美國、日本、馬來西亞、新加坡等國家也紛紛制定汽車行駛記錄儀的法規(guī)。

本系統(tǒng)根據(jù)汽車行駛記錄儀的國家標準和運營客戶的實際需求，在不增加汽車行駛記錄儀系統(tǒng)軟硬件資源的基礎上，增加了GPS模塊和CAN模塊功能，使汽車行駛記錄儀具有記錄GPS數(shù)據(jù)信息的功能；利用管理軟件GIS軌跡回放功能實現(xiàn)運營車輛運營路線監(jiān)督；CAN接口功能與發(fā)動機動力總線相連接，實現(xiàn)實時油耗測量。本系統(tǒng)的實現(xiàn)，為商用車運營公司監(jiān)控運營車輛提供了一種有效手段，可實現(xiàn)運營車輛安全監(jiān)督和運營管理的有機結合。

1系統(tǒng)方案設計

整個系統(tǒng)設計方案結合汽車行駛記錄儀、GPS模塊、CAN模塊等系統(tǒng)和功能，采用一個ARM7內核的MCU實現(xiàn)。

圖1為基于ARM帶GPS功能汽車行駛記錄儀系統(tǒng)的結構框圖。

MCU采用NXP公司ARM系列的LPC2362芯片，它是以ARM7為內核且外圍資源豐富的產(chǎn)品，適用于要求高性能和低功耗結合的嵌入式應用中。其中USBHOST和隔離RTC功能很好地滿足了汽車行駛記錄儀的設計需求，增加GPS和CAN模塊不需要增加系統(tǒng)軟硬件資源，有很好的性價比。

2系統(tǒng)硬件設計

系統(tǒng)硬件設計在滿足記錄儀功能的基礎上增加了GPS、CAN功能，電源設計采用主輸入電源不隔離，采用EMI處理，其他與車輛關聯(lián)的輸入輸出接口采用光電隔離的方法，滿足汽車行駛記錄儀電磁兼容性和產(chǎn)品成本有較好的性價比，使產(chǎn)品既滿足國家標準的要求，又有很好的成本優(yōu)勢。電源EMI處理和電源設計結構如圖2所示。

信號采集和輸出模塊是基于ARM帶GPS功能汽車行駛記錄儀系統(tǒng)和車輛信息交互模塊，信息量包括車速、發(fā)動機速度、10路開關量信號、里程和報警。在信號采集設計時，以運算放大器為采集單元，用比較器工作原理和方法實現(xiàn)采集。這樣既保證了輸入阻抗高，不影響車輛上其他電子設備，又使比較器通過匹配不同電阻獲得不同的比較電壓，滿足不同車型不同信號的電平匹配，輸出采用光電耦合來實現(xiàn)。

鍵盤采用4個按鍵，結合LCD顯示模塊，用中文菜單實現(xiàn)人機接口操作，LCD采用超低溫的12232點陣，滿足汽車復雜工況環(huán)境要求。

ISP采用UART0實現(xiàn)，由于有硬件看門狗和低功耗功能，在ISP時，利用跳線屏蔽硬件看門狗和借用系統(tǒng)電源給UART0收發(fā)器供電，實現(xiàn)在線ISP功能。

本系統(tǒng)設計一種硬件組合載體和軟件數(shù)據(jù)儲存方式，利用小容量鐵電數(shù)億次擦寫次數(shù)儲存擦寫頻率高的數(shù)據(jù)和作為數(shù)據(jù)緩存，利用大容量DATAFLASH作為數(shù)據(jù)的終儲存體，這樣既滿足了系統(tǒng)需求，又降低了系統(tǒng)成本。系統(tǒng)儲存功能框圖如圖3所示。

系統(tǒng)和管理軟件有大量數(shù)據(jù)交換，為了方便用戶設置和上載下位機數(shù)據(jù)，系統(tǒng)設計了接觸智能卡模塊與下位機進行數(shù)據(jù)交換。針對有大容量數(shù)據(jù)和小容量數(shù)據(jù)的特性，從性價比出發(fā)，智能卡模塊采用2種卡作為數(shù)據(jù)交換媒介，一種是128B的24C01卡，采用IIC數(shù)據(jù)總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換；另一種是4MB的AT45DB041卡，采用SPI實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。既能實現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換功能，又能節(jié)約系統(tǒng)成本。智能卡設有電源管理模塊，結構框圖如圖4.

系統(tǒng)采用TRIMBLE的GPS模塊實現(xiàn)GPS功能，TRIMBLE的GPS模塊有串口A和串口B2路信息輸出通道。串口A直接和MCU模塊串口2相連接，實現(xiàn)MCU模塊定位信息的接收；串口B通過SPX3232一路電平轉換芯片轉換成標準的RS232電平輸出，為系統(tǒng)留一路定位信息輸出。GPS模塊設計了主動天線和天線檢測電路，實現(xiàn)天線短路、正常、開路的檢測，電源管理模塊控制GPS模塊的電源。GPS功能框圖如圖5所示。

GPS是英文GlobalPositioningSystem（定位系統(tǒng)）的簡稱，而其中文簡稱為"球位系".GPS是20世紀70年代由美國陸?？杖娐?lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導航定位系統(tǒng).其主要目的是為陸、海、空三大領域提供實時、全天候和性的導航服務，并用于情報收集、核爆監(jiān)測和應急通訊等一些軍事目的，是美國獨霸戰(zhàn)略的重要組成

系統(tǒng)時鐘采用LPC2362獨立電源的RTC，采用車輛電源和備用電池供電，通過SP609實現(xiàn)電源自動切換。車輛電源正常時，采用車輛電源供電，否則，采用備用電池電源。電池電壓由LPC2362的A/D轉換后監(jiān)控，并給出電池電壓過低報警提示。另外，SP609帶有硬件看門狗功能，通過74HC01或門實現(xiàn)硬件看門狗和低功耗共存。當MCU模塊控制腳輸出為低時，74HC01輸出由SP609的RESET控制，實現(xiàn)硬件看門狗；當MCU模塊控制腳輸出為高時，74HC01輸出為高，MCU的RESET為高，實現(xiàn)低功耗MCU不復位。圖6是時鐘和硬件看門狗功能框圖。

CAN模塊功能由LPC2362帶的2路CAN實現(xiàn)，通過外加隔離收發(fā)器，實現(xiàn)CAN功能。其中，一路配置成低速CAN,連接車輛低速CAN總線；另一路配置成高速CAN,連接車輛高速CAN總線，通過CAN功能模塊系統(tǒng)既能獲得發(fā)動機信息，實現(xiàn)油耗監(jiān)控，又能實現(xiàn)車輛上低速CAN總線和高速CAN總線的數(shù)據(jù)交換。

CAN是控制器局域網(wǎng)絡（ControllerAreaNetwork,CAN）的簡稱，是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)了的，并終成為國際標準（ISO11898）。是國際上應用廣泛的現(xiàn)場總線之一。在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計算機控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標準總線，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機械車輛設計的J1939協(xié)議。

目前，大部分記錄儀系統(tǒng)設計有大容量傳輸協(xié)議，多采用單片機+USBHOST驅動芯片的模式。但這種設計方案有以下不足：成本過高，帶有USBHOST功能的芯片往往價格高，而且外圍擴展所需硬件資源多，一般需要擴展RAM來滿足復雜的USB協(xié)議和大容量傳輸協(xié)議，成本相對高；數(shù)據(jù)傳輸速率比較慢，選擇單片機的主頻一般不會超過20MHz,而通過外部總線系統(tǒng)和USBHOST接口芯片通信，數(shù)據(jù)交換效率更低。另外，外部擴展RAM也占用系統(tǒng)總線資源，擴展USBHOST和其他附屬硬件時，所占PCB面積大、走線復雜，使系統(tǒng)穩(wěn)定性降低，調試不方便。LPC2362自帶USBHOST功能，很好地解決這些不足，完全滿足USB2.0協(xié)議，支持全速傳輸，帶有DMA傳輸模式和電源管理模式，并有獨立的8KBSRAM,它還具有電源管理和過流檢測功能。結構框圖如圖7.

汽車行駛記錄儀具有打印功能，本設計采用外接商用打印機，電源采用開關電源LM2596,其有3A的電流輸出能力，接口采用UART0實現(xiàn)記錄儀數(shù)據(jù)打印。

3系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件采用模塊化設計，根據(jù)不同的功能模塊設計相應的軟件，這樣系統(tǒng)有很好的裁剪性。每個模塊軟件驅動分為底層驅動和接口應用，整個嵌入軟件采用前后臺系統(tǒng)實現(xiàn)[2],軟件流程如圖8所示。

根據(jù)國家相關法規(guī)標準，商用運營車輛需安裝汽車行駛記錄儀，以加強