【正文】 基于單片機(jī)的汽車行駛狀態(tài)記錄儀系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)1 緒論 隨著交通的迅速發(fā)展，汽車已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)的一種重要的交通工具。道路交通事故頻繁發(fā)生，群死群傷的惡性交通事故屢屢發(fā)生。據(jù)有關(guān)部門統(tǒng)計(jì)，2005年上半年，全國(guó)共發(fā)生道路交通事故228657起，造成46012人死亡、236483人受傷，[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)資料顯示，汽車駕駛員的超速行駛、違章?lián)尩?、疲勞駕駛、疏忽大意是導(dǎo)致交通事故的主要原因，占交通事故數(shù)量的80％以上。哪里有交通警察在場(chǎng)，哪里的交通事故就極少發(fā)生。如果給每輛汽車安裝上“電子警察，有效地監(jiān)督駕駛?cè)藛T的駕駛行為，必能預(yù)防或減交通事故的發(fā)生；在發(fā)生交通事故后，“電子警察”也能給我們提供數(shù)據(jù)和資料，提高事故處理的效率和準(zhǔn)確性[]。汽車行駛記錄儀對(duì)預(yù)防駕駛員疲勞駕駛、約束駕駛員違章、分析鑒定事故、提高交警的執(zhí)法水平和運(yùn)輸管理水平、保障車輛運(yùn)行安全等具有重要的實(shí)際作用及意義。統(tǒng)計(jì)資料表明，汽車黑匣子的使用，使交通事故率降低37％～52％，大大減少了人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，產(chǎn)生了顯著的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[4]。1934年，德國(guó)發(fā)明了世界上第一臺(tái)紙盤式行駛記錄儀，至今已有75年的歷史。它可以將曲線畫在圓形的記錄紙上。由于技術(shù)的發(fā)展，紙盤式記錄儀現(xiàn)在應(yīng)用少。20世紀(jì)70年代后期，歐洲率先推出了機(jī)模擬式駕駛記錄儀。進(jìn)入九十年代，科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展，計(jì)算機(jī)日益普及，美國(guó)和德國(guó)又開(kāi)發(fā)了數(shù)字式汽車事故記錄儀。20世紀(jì)90年代，美國(guó)、歐共體相繼推出性能優(yōu)良的電子式記錄儀，并得到美國(guó)國(guó)家運(yùn)輸安全委員會(huì)的支持，敦促在其轎車和卡車上安裝這種儀器。主管交通安全的國(guó)家安全委員會(huì)(NTSB)也一直在致力于推廣汽車黑匣子的工作。NTSB正式要求各汽車生產(chǎn)廠家安裝汽車黑匣子，通用、福特等汽車公司隨即紛紛行動(dòng)。據(jù)報(bào)道，僅通用一家公司就為600萬(wàn)輛出廠車安裝了黑匣子[]。2003年日本汽車研究所開(kāi)發(fā)小組研制出一種能記錄在交通事故發(fā)生時(shí)駕駛數(shù)據(jù)的汽車“黑匣子。“黑匣子”安裝在司機(jī)座位下面，能夠記錄速度、方向盤角度、剎車板及油門踩放的情況。當(dāng)急剎車或急轉(zhuǎn)彎使汽車達(dá)到一定的速度時(shí)，便判斷為“事故”，事故發(fā)生前55秒和后5秒問(wèn)的各種數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄到磁盤中。另有一個(gè)如后視鏡一樣的照相機(jī)，自動(dòng)收錄事故發(fā)生前10秒和后5秒間從駕駛座上能看到的場(chǎng)面。在一年半的試驗(yàn)期間，在實(shí)際發(fā)生的38起交通事故中，黑匣子都正確地顯示了何時(shí)踩剎車等情況[7]。這種“黑匣子數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在磁盤中，車輛行駛中可能顛簸，磁盤抗震能力較差。隨著半導(dǎo)體技術(shù)和集成電路的發(fā)展，容量大體積小的存儲(chǔ)芯片層出不窮，而且相對(duì)磁盤來(lái)說(shuō)，存儲(chǔ)芯片具有抗震性能，更適合車輛的行駛環(huán)境，在車輛行駛記錄裝置上得到了廣泛應(yīng)用。視頻功能對(duì)存儲(chǔ)空間要求較高，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，成本較高。記錄儀最早是在1984年國(guó)內(nèi)某大學(xué)研發(fā)了汽車行車記錄儀，由于技術(shù)不太成熟，沒(méi)有投入實(shí)際生產(chǎn)。1994年，記錄儀在我國(guó)市場(chǎng)上蓬勃發(fā)展，出現(xiàn)了近百家記錄儀生產(chǎn)企業(yè)[8]。2002年我國(guó)公安部根據(jù)2001年底公安部、交通部、國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局下發(fā)的《關(guān)于加強(qiáng)公路客運(yùn)交通安全管理的通告》和2002年公安部、國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局制定的《2002年預(yù)防道路交通事故工作方案》的要求，著手制定《汽車行駛記錄儀》的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)?！镀囆旭傆涗泝x》GB／T 19056．2003標(biāo)準(zhǔn)于2003年4月15日發(fā)布，2003年9月1日實(shí)施[9]。廣州市二汽公司率先試用NC．7000系列數(shù)字式行車記錄儀。2004年5月北京巴士旅游分公司的150輛旅游車上都已經(jīng)安裝了記錄儀[10]。目前市面上的汽車行駛狀態(tài)記錄儀主要有以下類型：★ 記錄式記錄儀記錄式記錄儀的主要特點(diǎn)是模擬航空記錄儀的工作方式，記錄車輛的實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)并保存，為交通肇事的評(píng)判提供佐證。但是，記錄數(shù)據(jù)一般只作為交通事故的事后技術(shù)參考，不能作為評(píng)判的直接依據(jù)。該記錄儀以一個(gè)合適的間隔采集、存儲(chǔ)車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門位置、車燈、制動(dòng)等指標(biāo)。、5min等幾種。同時(shí)可以記錄車輛停車前20120s間隔的密集數(shù)據(jù)，為事故疑點(diǎn)分析提供幫助。為了擴(kuò)展使用范圍，有些型號(hào)的產(chǎn)品還附加有超速和超時(shí)駕駛報(bào)警功能。功能上實(shí)現(xiàn)了“實(shí)現(xiàn)預(yù)警”，延伸了傳統(tǒng)記錄儀“事后決斷”的特點(diǎn)?！?管理式記錄儀管理式記錄儀在使用應(yīng)用上與記錄式有所不同，它是記錄式記錄儀的升級(jí)，是為滿足車輛營(yíng)運(yùn)管理要求而設(shè)計(jì)的，主要的應(yīng)用是基于加強(qiáng)車隊(duì)營(yíng)運(yùn)管理。管理式記錄儀主要由車載記錄系統(tǒng)和管理系統(tǒng)組成，車載記錄部分完成相當(dāng)于記錄式記錄儀的工作，將記錄數(shù)據(jù)傳遞給管理系統(tǒng)進(jìn)行高級(jí)處理。因此可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)記錄儀的統(tǒng)一管理，為車隊(duì)調(diào)度提供便利。數(shù)據(jù)的傳遞一般有計(jì)算機(jī)串口、存儲(chǔ)卡、專用讀取設(shè)備等幾種方式。管理式記錄儀一般是以記錄式為基礎(chǔ)與GPS和GIS技術(shù)結(jié)合。因此所獲取的信息更加豐富，除了基本的車速、里程、節(jié)氣門位置、制動(dòng)等信號(hào)外，還有車輛實(shí)時(shí)的地理位置、海拔高度等地理信息，使車輛在平面上，甚至空間上的管理成為可能。因此，該類型記錄儀應(yīng)該屬于交通管理設(shè)備，也正是由于這種原因，它正在成為行車記錄儀的主流產(chǎn)品[11]。記錄儀的使用場(chǎng)合主要有以下幾個(gè)方面：★ 交通執(zhí)法管理記錄儀可以記錄汽車停車前20120s的密集狀態(tài)數(shù)據(jù)（事故疑點(diǎn)數(shù)據(jù)）。這些數(shù)據(jù)在事故調(diào)查中具有重要作用。管理系統(tǒng)可以利用疑點(diǎn)數(shù)據(jù)仿真再現(xiàn)事故的發(fā)生過(guò)程，幫助交通管理部門準(zhǔn)確、科學(xué)地執(zhí)法。此外，管理人員還可以通過(guò)查看記錄數(shù)據(jù)來(lái)判別駕駛員是否違章駕駛，為嚴(yán)格執(zhí)法提供科學(xué)依據(jù)。★ 公共交通管理在公共交通管理中，記錄儀可以為管理部門提供行車信息服務(wù)，管理部門可以及時(shí)地掌握公交車的行駛狀態(tài)和地理位置。因而，行車記錄儀既起到了公共交通行業(yè)服務(wù)監(jiān)督的作用，又方便了車隊(duì)的管理和調(diào)度?！?長(zhǎng)途運(yùn)輸管理在長(zhǎng)途運(yùn)輸過(guò)程中，交通事故的發(fā)生大多由于駕駛員的疲勞駕駛和路途生疏引起的。記錄儀通過(guò)對(duì)駕駛員進(jìn)行超時(shí)和超速駕駛報(bào)警，來(lái)提醒駕駛員注意安全。另一方面，管理中心向記錄儀及時(shí)發(fā)送GSM信息，使駕駛員及時(shí)了解路況信息，也可以及時(shí)避免事故。★ 特殊運(yùn)輸管理 特殊運(yùn)輸包括重要人物、物資的運(yùn)輸以及危險(xiǎn)品運(yùn)輸。管理部門為了實(shí)時(shí)掌握相關(guān)的運(yùn)輸狀況，就要不斷地監(jiān)測(cè)記錄儀的記錄數(shù)據(jù)，不斷了解運(yùn)輸車輛的狀態(tài)和位置。因此，記錄儀可以有效地保證特殊運(yùn)輸?shù)陌踩c可靠性[11]。 分析系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能可知，需要設(shè)計(jì)的功能模塊應(yīng)包括數(shù)據(jù)采集、控制、鍵盤輸入、液晶顯示、日歷時(shí)鐘、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等，對(duì)于這些功能，選用51單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)是合適的，采集、控制、鍵盤以及“屏顯”都屬于51單片機(jī)的典型應(yīng)用范疇。毫無(wú)疑問(wèn)，對(duì)于汽車行駛狀態(tài)記錄儀系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，獲取行駛狀態(tài)信息是所有工作的前提。系統(tǒng)的首要任務(wù)是采集汽車的行駛狀態(tài)信息，包括速度、里程、超速度及時(shí)間、停車次數(shù)及時(shí)間等，這里最重要的是速度，其它信息可由計(jì)算機(jī)分析得出。信息采集的方法和汽車上的速度表實(shí)現(xiàn)的方法類似，汽車行駛過(guò)程中輪子每轉(zhuǎn)一周會(huì)通過(guò)內(nèi)部的霍爾傳感器送給系統(tǒng)一對(duì)差分信號(hào)，系統(tǒng)通過(guò)信號(hào)采集模塊獲得一個(gè)對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)，通過(guò)對(duì)脈沖的基計(jì)數(shù)及已知的輪子的直徑信息計(jì)算出汽車的運(yùn)行的速度。然后根據(jù)速度和計(jì)時(shí)信息可以算出車子的里程，速度超出設(shè)定的門限值便認(rèn)為是超速度行駛，記下此時(shí)通過(guò)日歷模塊顯示的超速度發(fā)生時(shí)間；從速度大于零到速度等于零是一次停車，記下此時(shí)通過(guò)日歷模塊顯示的時(shí)間。經(jīng)過(guò)這些處理就可以得到較為全面的行駛狀態(tài)信息了[12]。在獲取行駛狀態(tài)信息后，系統(tǒng)需要對(duì)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)的處理、顯示、存儲(chǔ)，存儲(chǔ)后的信息可以用來(lái)進(jìn)行分析。信號(hào)采集模塊：將汽車內(nèi)部霍爾傳感器傳過(guò)來(lái)的一對(duì)差分信號(hào)經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)淖儞Q變成一個(gè)脈沖信號(hào)提供給單片機(jī)系統(tǒng)，這其中需要用光耦模塊進(jìn)行隔離，來(lái)避免強(qiáng)脈沖信號(hào)對(duì)電路板的干擾。信息存儲(chǔ)模塊：?jiǎn)纹瑱C(jī)系統(tǒng)將采集到的信息經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)倪\(yùn)算處理后存儲(chǔ)到IC卡芯片中，IC卡中的信息可以長(zhǎng)時(shí)間地保存，可以用讀卡設(shè)備讀出其中的信息然后進(jìn)行分析。由于IC卡芯片存取的速度有限，引入數(shù)據(jù)擴(kuò)展芯片作為緩存。鍵盤輸入和液晶顯示是常用的單片機(jī)輸入輸出模塊，為用戶提供友好方便的人際操作界面，用戶可以輸入特定的信息，也可以看到實(shí)時(shí)的速度、里程及時(shí)間等信息，可以做出實(shí)時(shí)判斷[12]。2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求如下：★ 能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并記錄汽車行駛的各種狀態(tài)信息，包括速度、里程、超速度及時(shí)間、停車次數(shù)及時(shí)間等重要數(shù)據(jù)；★ 能記錄駕駛員信息、汽車信息、發(fā)車時(shí)間、到站時(shí)間、發(fā)車站和終點(diǎn)站等信息；★ 具有汽車超速報(bào)警的功能。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB T190562003《汽車行駛記錄儀》[1]的要求，汽車行駛記錄儀應(yīng)該滿足如下幾個(gè)方面的要求。（1）電氣性能要求：由于汽車的供電系統(tǒng)通常為蓄電池，隨著汽車行駛狀態(tài)的不同，汽車放電機(jī)的輸出電壓會(huì)有較大的波動(dòng)；另外隨著蓄電池使用年限和工作狀態(tài)等的不同，其輸出電壓往往有一定波動(dòng)，從而影響到整個(gè)汽車的供電電壓。因此，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB_T190562003要求記錄儀能夠在一定的電壓波動(dòng)范圍內(nèi)正常工作[13]。電源電壓的波動(dòng)范圍如表21所示。表21 電氣性能試驗(yàn)參數(shù) 單位：伏特標(biāo)稱電源電壓電源電壓波動(dòng)范圍極性反接試驗(yàn)電壓過(guò)電壓值129～1614（）242418～3228（）363627～4842（）54 （2）數(shù)據(jù)安全性：記錄儀應(yīng)防止數(shù)據(jù)被更改或刪除，應(yīng)從記錄儀硬件和數(shù)據(jù)分析軟件系統(tǒng)兩個(gè)方面來(lái)實(shí)現(xiàn)：★ 硬件上，應(yīng)在記錄儀主機(jī)上或其它適當(dāng)?shù)牡胤讲扇】煽堪踩胧?如鉛封)防止數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器等重要器件被更換；★ 記錄僅主機(jī)內(nèi)車輛行駛速度、里程、駕駛時(shí)間等原始數(shù)據(jù)不能通過(guò)外部設(shè)備進(jìn)行任何改寫或刪除操作；★ 分析軟件對(duì)車輛識(shí)別號(hào)、車牌號(hào)碼、車牌分類、車輛特征系數(shù)、駕駛員代碼、駕駛證號(hào)碼等重要參數(shù)，一般情況下只能讀，不能更改或刪除。在記錄儀初始化調(diào)試、校準(zhǔn)、維修或其他特殊情況下需對(duì)上述重要參數(shù)進(jìn)行設(shè)置操作時(shí)，需經(jīng)操作授權(quán)[13]。（3）氣候環(huán)境適應(yīng)性：記錄儀在承受各項(xiàng)氣候環(huán)境試驗(yàn)后，應(yīng)無(wú)任何電氣故障，機(jī)殼、插接器等不應(yīng)有嚴(yán)重變形：其記錄功能、顯示功能、打印功能等應(yīng)保持正常；試驗(yàn)前存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不應(yīng)丟失或改變。（4）機(jī)械環(huán)境適應(yīng)性：記錄儀在承受各項(xiàng)機(jī)械環(huán)境試驗(yàn)后，應(yīng)無(wú)永久性結(jié)構(gòu)變形；零部件應(yīng)無(wú)損壞：應(yīng)無(wú)電氣故障，緊固部件應(yīng)無(wú)松脫現(xiàn)象，插頭、通信接口等接插件不應(yīng)有脫落或接觸不良現(xiàn)象；其記錄功能、顯示功能、打印功能等應(yīng)保持正常；試驗(yàn)前存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)不應(yīng)丟失。[13]主板：包括有中央處理器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片、數(shù)據(jù)通信接口、插接件及電源單元等；主板主要處理汽車行駛數(shù)據(jù)的采集、記錄和長(zhǎng)期存儲(chǔ)，同時(shí)主板為整個(gè)記錄儀提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘、電源檢測(cè)和對(duì)外通信(串口)等功能，是整個(gè)系統(tǒng)的核心。主板以AT89C51作為中央處理器。整個(gè)記錄儀采用并行總線的工作方式進(jìn)行連接。汽車的狀態(tài)信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)整后，通過(guò)74LS373掛在數(shù)據(jù)總線上；利用單片機(jī)的INT0中斷對(duì)調(diào)整后的速度脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而獲得汽車行駛的速度和里程等信息。記錄儀使用FM1808芯片作為擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，使用Atmel公司的4M基于SPI總線訪問(wèn)的Data Flash AT45DB041作為海量存儲(chǔ)器。單片機(jī)采集到的汽車行駛數(shù)據(jù)首先存放在FM1808中，當(dāng)滿足一定條件的時(shí)候，將FM1808中的數(shù)據(jù)保存到Flash存儲(chǔ)器中，進(jìn)行長(zhǎng)期的存儲(chǔ)?！翱撮T狗”作為復(fù)位電路可以防止單片機(jī)發(fā)生死機(jī)；系統(tǒng)掉電部分提醒單片機(jī)對(duì)重要的行駛數(shù)據(jù)作保存和處理；實(shí)時(shí)時(shí)鐘采用；整個(gè)主機(jī)部分設(shè)計(jì)體現(xiàn)了高性價(jià)比和安全、可靠的設(shè)計(jì)思想。面板主要提供人際交互功能。包括指示燈（一個(gè)電源指示燈、兩個(gè)狀態(tài)指示燈），蜂鳴器，LCD（分辨率為128*64）和鍵盤（擁有16個(gè)按鍵）。 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本章將以汽車行駛狀態(tài)記錄儀為例，根據(jù)系統(tǒng)的功能和設(shè)計(jì)要求介紹系統(tǒng)的總體構(gòu)成框圖各部分硬件電路的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)主要芯片原理與應(yīng)用加以介紹。系統(tǒng)控制核心芯片選用AT89C51單片機(jī)；實(shí)時(shí)液晶顯示部分采用DM12864芯片；按鍵顯示部分采用ZLG7289芯片；實(shí)時(shí)時(shí)鐘部分采用DS1302日歷芯片；片外擴(kuò)展的數(shù)據(jù)緩存采用FM1808鐵質(zhì)存儲(chǔ)器； IC卡芯片AT45DB041用來(lái)存儲(chǔ)完整數(shù)據(jù)；用“看門狗”芯片MAX706監(jiān)視單片機(jī)的運(yùn)行情況；串口采用MAX232芯片。汽車行駛狀態(tài)記錄儀的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。以下將介紹單片機(jī)及各個(gè)部分的接口電路。圖31 汽車行駛狀態(tài)記錄儀總體結(jié)構(gòu)圖單片機(jī)是微控制器的典型代表，從20世紀(jì)70年代末出現(xiàn)到今天，雖然已經(jīng)過(guò)去了30年歷史，但是這種8位的電子器件目前在嵌入式設(shè)備中仍然有著極其廣泛的應(yīng)用。單片機(jī)芯片內(nèi)部集成ROM/EPROM、RAM、總線、總線邏輯、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、看門狗、I/O、串行口、脈沖調(diào)制輸出、A/D、D/A等各種必要功能和外設(shè)。因此，單片機(jī)只需要和適當(dāng)?shù)能浖跋嚓P(guān)的外設(shè)相結(jié)合，便可形成一個(gè)可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能的單片機(jī)控制系統(tǒng)。在汽車行駛狀態(tài)記錄儀中我們采用AT89C51單片機(jī)作為中央處理器。該CPU有4K字節(jié)Flash閃存，128字節(jié)內(nèi)部RAM，32個(gè)I/O口線，2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C51可降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停止CPU工作，但允許RAM、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作，掉電方式保存RAM的數(shù)據(jù)，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作指導(dǎo)下一個(gè)硬件復(fù)位[14]。、AT45DB041和AT89C51接口電路在本記錄儀中，采用MAXIM公司的MAX706芯片作為電源監(jiān)控和復(fù)位器件。MAX706能夠提供上電、掉電復(fù)位功能，獨(dú)立的“看門狗”保護(hù)功能，