【正文】 遏止疲勞駕駛、車輛超速等嚴(yán)重交通違章、約束駕駛?cè)藛T的不良駕駛行為、預(yù)防道路交通事故、保障車輛行駛安全、提高營(yíng)運(yùn)管理水平等諸多方面發(fā)揮 著 重要的作用。在我國(guó)很多城市都可以進(jìn)行 汽車行駛記錄儀 的自主研發(fā)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。 汽車行駛記錄儀 將會(huì)有很大的應(yīng)用范圍和發(fā)展前景。 5s 以內(nèi)。其中速度的記錄單位為km／ h，測(cè)量范圍為 O～ 220 km／ h，測(cè)量分辨率為 l km／ h。這些詳細(xì)的數(shù)據(jù)將作為事故疑點(diǎn)數(shù)據(jù)，為查明事故原因提供第一手資料：當(dāng)車速傳感器輸出的脈沖信號(hào)超過 5脈沖／ s并持續(xù) 5s以上時(shí)，則認(rèn)為車輛處于行駛狀態(tài)，否則為停止?fàn)顟B(tài)。 5km／ h。 PC 機(jī)的數(shù)據(jù)庫(kù)軟件的設(shè)計(jì)：接受記錄儀存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)管理和數(shù)據(jù)處理。 主機(jī)由微處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、顯示器、操作鍵、打印機(jī)和數(shù)據(jù)通信接口等裝置組成。主機(jī)實(shí)現(xiàn)國(guó)標(biāo)規(guī)定的車輛行駛速度、時(shí)間、里程等信息的 記錄、存儲(chǔ)、顯 示、打印、數(shù)據(jù)通信接口輸出數(shù)據(jù)功能。 第 1 章 緒論 3 數(shù)據(jù)分析軟件應(yīng)全部使用中文界面，并具有一定兼容性，能在通用的中文操作系統(tǒng)中安裝使用。 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)和特點(diǎn) 針對(duì)國(guó)內(nèi)目前的情況，在充分理解國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：學(xué)習(xí)和借鑒國(guó)內(nèi)外車載電子領(lǐng)域已有的成熟經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了汽車行駛記錄儀的電路系統(tǒng)。其中 USB電路是重點(diǎn)，涉及了通信協(xié)議和文件協(xié)議 ，需要仔細(xì)應(yīng)對(duì)； (5)協(xié)調(diào)好其它系統(tǒng)相關(guān)電路，如電源、時(shí)鐘等電路，保證系統(tǒng)在各部分電路共同作用下正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)功能； (6)保證系統(tǒng)的抗干擾性，在硬件及軟件上都要采取一定的 抗干擾措施； (7)編寫系統(tǒng)各部分配套軟件，包括時(shí)鐘的設(shè)定和讀耿、信號(hào)的采集、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)格式的存儲(chǔ)等程序。它不僅擁有事故分析功能，還能在駕駛員超速行駛時(shí)發(fā)出超速報(bào)警聲以提醒駕駛員減速行駛，并詳細(xì)記錄車輛每次的起動(dòng)時(shí)聞、行駛里程、行駛時(shí)問、最高車速以及每次最高車速的持續(xù)時(shí)間 ，方便管理部門根據(jù)所記錄的有關(guān)數(shù)據(jù)對(duì)車輛進(jìn)行有效的管理 ，將會(huì)有很大的發(fā)展前景和應(yīng)用空間。 2．作為記錄汽車行駛狀態(tài)的專門設(shè)備，應(yīng)具有性能穩(wěn)定，抗干擾強(qiáng)，記錄準(zhǔn)確抗振性強(qiáng)的特點(diǎn)。 4．軟件設(shè)計(jì)應(yīng)直觀，界面友好， 容 錯(cuò)性強(qiáng)，雙機(jī)通訊時(shí)應(yīng)有數(shù)據(jù)校驗(yàn)。記錄儀必須具備以下幾方面的 性能： 1．電源電壓適應(yīng)性 在按表 1． 1給出的電源電壓波動(dòng)范圍進(jìn)行電壓適應(yīng)性試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)后記錄儀 數(shù)據(jù)記錄、顯示、打印輸出、數(shù)據(jù)通信等各項(xiàng)功能均應(yīng)正常。 O． 1 24 24 18～ 32 28177。 54 2．耐電源極性反接性能 在表 1． 1規(guī)定的標(biāo)稱電源電壓極性反接試驗(yàn)下，記錄儀應(yīng)能承受 1分鐘的極性 反接試驗(yàn)，除熔斷器外 (允許更換燒壞的熔斷器 )不應(yīng)有其他電氣故障。 第 2 章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 5 3．耐電源過電壓性能 在表 1． 1規(guī)定的過電壓下，記錄儀應(yīng)能承受 1分鐘的電源過電壓試驗(yàn)。 4．?dāng)嚯姳Ｗo(hù)性能 記錄儀斷電，自動(dòng)進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，斷電前存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)至少經(jīng)過 15天不丟失。但因?yàn)楸疚乃兄频? 記錄儀所記錄的數(shù)據(jù)在國(guó)標(biāo)的基礎(chǔ)上有所擴(kuò)充，相應(yīng)地，數(shù)據(jù)分析軟件的性能 也必須進(jìn)行擴(kuò)充。 2．?dāng)?shù)據(jù)分析軟件應(yīng)具有原始數(shù)據(jù)讀取、查詢、統(tǒng)計(jì)、圖表生成、參數(shù)設(shè)置、 操作權(quán)限管理籌功能。 (2)一般行駛速度記錄 曲線圖 內(nèi)容及記錄格式應(yīng)符合前述對(duì)一般行駛速度記錄的要求，其橫坐標(biāo)為實(shí)時(shí) 時(shí)間及日期，縱坐標(biāo)為與實(shí)時(shí)時(shí)間對(duì)應(yīng)的車輛行駛速度值，藍(lán)線圖上同時(shí)還應(yīng) 包含車牌號(hào)碼、車牌分類、駕駛證號(hào)碼等內(nèi)容。 (4)數(shù)據(jù)列表 列表應(yīng)包含如下內(nèi)容：符合記錄間隔時(shí)間要求的實(shí)時(shí)時(shí)間及日期、實(shí)時(shí)時(shí) 間所對(duì)應(yīng)的車輛行駛速度、開關(guān)量狀態(tài) 信息 、車牌號(hào)碼和駕駛 人員信息 。本系統(tǒng)是一個(gè)車載系統(tǒng)，需要微控制器有很強(qiáng)的抗干擾能力，而且 要求微控制器內(nèi)部有看門狗定時(shí)器，以便在程序走飛時(shí)能自動(dòng)復(fù)位。 有以下方案可供選擇： 方案 1： 微控制器選用 AT89C51，其外圍接口電路簡(jiǎn)單，成本低，而且它經(jīng)過多年的發(fā)展，技術(shù)也相當(dāng)?shù)某墒臁? 方案 2：選用基于 CPLD／ FPGA 的控制系統(tǒng)，可以將整個(gè)系統(tǒng)固化在芯片內(nèi)，從而使系統(tǒng)由電路板級(jí)轉(zhuǎn)化為芯片級(jí)，使系統(tǒng)的集成化大大提高。但其價(jià)格昂貴，使成本成倍提高。它具有的高速度、低工作電壓、低功耗、強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)能力、低價(jià)格等特點(diǎn)。它內(nèi)部具有通過軟件設(shè)定即可獨(dú)立運(yùn)行的 RC 振蕩計(jì)時(shí)器 (監(jiān)視定時(shí)器 WDT)， WDT 超時(shí)將使單片機(jī)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，這樣可以避免程序走飛。 PICl6F73 的特點(diǎn)： (1)八位定時(shí)器／計(jì)數(shù)器 TMRO，帶八位預(yù)分頻器。 (3)有 12路捕捉輸入／比較輸出／ PWM輸出 (CCP)。 (5)并行口操作。 (7)同步通訊 SCI／ USART 操作。 系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)方案選擇 方案 1：采用線性集成穩(wěn)壓器，優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單，常用，易于實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)是效率低 (30％～ 60％ )，散熱器面積大，用作輸出電壓平滑濾波的電容器及其電容值也很大。 基于以上的比較，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中采用由 DC— DC直流變換器 組 成的小型開關(guān)電源為整個(gè)系統(tǒng)供電。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 單片機(jī) 數(shù)據(jù)通訊 狀態(tài)指示 鍵盤顯示 開關(guān)量信息及接口電路 速度檢測(cè)及接口電路 實(shí)時(shí)時(shí)鐘 單片機(jī) 開關(guān)電源 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) 河北 聯(lián)合大學(xué)電氣工程學(xué)院 8 第 3 章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括速度信號(hào)、開關(guān)信號(hào)、電源設(shè)計(jì)及溫控電路。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要 采集并傳輸?shù)男畔閯x車、喇叭、左右燈、大燈、氣壓、 1 號(hào)和 2 號(hào)門 、 報(bào)站器、速度等信號(hào)。 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成框圖如圖 ，主要完成如下各項(xiàng)任務(wù)： 1．實(shí)時(shí)采集速度。 3．實(shí)時(shí)采集剎車、喇叭、左右燈、大燈、氣壓等使用情況。 5．實(shí)時(shí)地記錄實(shí)時(shí)時(shí)間。系統(tǒng)采用磁電式傳感器將速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，霍爾式傳感器是利用霍爾元件制成的，霍爾元件是一種磁傳感器?；魻栐曰魻栃?yīng)為其工作基礎(chǔ)。 速度測(cè)試原理 本系統(tǒng)選用磁電式傳感器將速度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，考慮到傳感器的體積要小，便于安裝，誤 差要盡量減小等要求，我們采用車輪旋轉(zhuǎn)一周速度傳感器要輸出若干個(gè)脈沖的方法，具體采用速度傳感器旋轉(zhuǎn)一周輸出三個(gè)脈沖的方法。由此得出校正后的速度公式 Vj為： Vj=M 3600L1 最終的速度計(jì)算公式 Vl為： Vl=M 3600 4 2π Rf／ (3R／ r) (3． 3) 速度的測(cè)量方法 速度的測(cè)量方法有光電法、磁電法等。磁電法測(cè)速不但不怕污染，而且器件的壽命長(zhǎng)，對(duì)外界環(huán)境要求低，電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，體積小，易于將磁電式傳感器與外圍器件封裝在一起，使得速度傳感器的體積大為減小。 1． 霍爾集成傳感器 霍爾集成傳感器是利用 硅集成電路工藝將霍爾元件與測(cè)量電路集成在一起，便成了霍爾集成傳感器，它實(shí)現(xiàn)了材料、元件、電路三位一體。線性型霍爾傳感器輸出的是模擬量，而開關(guān)型霍爾傳感器輸出的是數(shù)字量。其電路原理線路圖如圖 。 v v4構(gòu)成施密特觸發(fā)器 (射 極耦合雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路 )，將差分放大輸出整形為矩形脈沖，并利用整形中的回差進(jìn)，一步提高抗干擾能力。由于霍爾開關(guān)為集電極開路輸出，因此正常工作時(shí)必須在引腳“ 3”與“ 4”之間或“ 2”與“ 4”之間接上負(fù)載電阻，兩個(gè)集電極輸出端也可以并聯(lián)使用，此時(shí)輸出電流能 力增加一倍。 為防止電源線干擾，引腳“ 1”與“ 4”之間可加接一個(gè) uF～ uF的吸收電容。 本系統(tǒng)采用的是開關(guān)型霍爾傳感器，其內(nèi)部框圖如圖 所示。之后， B再增加，仍保持導(dǎo)通態(tài)。時(shí)，輸出管截止，輸出高電平?；夭畹拇嬖谑归_關(guān)電路的抗干擾能力增強(qiáng)。 圖 為 開關(guān)型霍爾傳感器的輸出特性 2． 霍爾傳感器的選擇 由于霍爾集成式傳感器具有可靠性高、體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，因此，在速度傳感器中我們選用開關(guān)型霍爾集成式傳感器。在本系統(tǒng)中我們選用了 UGS一 3040T霍爾集成式傳感器。 環(huán)境溫度對(duì)工作 點(diǎn)和釋放點(diǎn)的影響的特性曲線如圖 所示。 圖 UGS 一 3040T 的輸出特性曲線 第 3 章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 13 3. 速度傳感器 1． 速度傳感器的原理 速度傳感器是由霍爾集成式傳感器、一個(gè)磁屏蔽葉輪、一個(gè)永久磁鐵或磁極組成。磁屏蔽葉輪的窗口開和閉遮斷磁場(chǎng)，導(dǎo)致霍爾集成式傳感像開關(guān)一樣接通和關(guān)斷。 圖 圖 圖 2． 電路實(shí)現(xiàn) 速度傳感器的電路原理圖如圖 48所示，由于 UGS一 3040T為集電極開路輸出，因此集電極需加上拉電阻 R1。整個(gè)電路采用車載 12V電源供電，為配合速度信號(hào)處理電路，采用穩(wěn)壓管 D1將信號(hào)限制在 0～ 5V之問，便于單片機(jī)連接。由速度傳感器采集到的速度信號(hào)經(jīng)過穩(wěn)壓管 z1使信號(hào)幅度限制在 0～ 5V之問，然后送入射隨器、遲滯比較器，通過遲滯比較器的回差電壓，消除了外界信號(hào)的干擾。 圖 為 速度信號(hào)的接口電路 圖 開關(guān)信號(hào)主要包括剎車、喇叭、左右燈、大燈、氣壓、 1號(hào)和 2號(hào)門、報(bào)站器等信號(hào)。為了獲取穩(wěn)定的開關(guān)量，減少誤差，提高系統(tǒng)的抗干擾性，采用具有置位和清位的觸發(fā)器，這樣可以消除因外界干擾而引起觸發(fā)器的誤動(dòng)作。 表 CD402l引腳功能表 引腳 名稱 引腳功能 1 1 15 D D D D D0、 D D D6 并行輸入端 12 Q Q Q6 串行輸出端 9 P／ S 并／串 選擇 10 CLOCK 時(shí)鐘 11 Ds/SIN 串行數(shù)據(jù)輸入 8 Vss 電源地 1 6 VDD 電源 圖 河北 聯(lián)合大學(xué)電氣工程學(xué)院 16 實(shí)現(xiàn)電路 開關(guān)信號(hào)的實(shí)現(xiàn)電路原理圖如圖 。圖中 K K K KIO為開關(guān)門信號(hào)輸入，系統(tǒng)采用具有清零、置位的 D觸發(fā)器，當(dāng) 1號(hào)門 K7或 2號(hào)門 K9打開時(shí)， D觸發(fā)器 U2A或 U2B的 s端為高電平，使觸發(fā)器輸出為高電平；當(dāng) 1號(hào)門 K8或 2號(hào)門 KIO關(guān)閉時(shí)， D觸發(fā)器 U2A或 U2B的 R端為高電平，使觸發(fā)器輸出為低電平。采用 D觸發(fā)器可以有效地消除外界尖峰脈沖信號(hào)的干擾。 其余的開關(guān)信號(hào)直接送入 CD4021。 第 3 章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 17 圖 開關(guān)信號(hào)接口電路 系統(tǒng)采用雙路電源供電，為提高電源的效率、增加電源的可靠性和減小電源的體積，我們采用 DC— DC集成芯片 MC34063構(gòu)成的降壓式直流變換器 (開關(guān)電源的一種 )為整個(gè)系統(tǒng)供電。 DC— DC變換器的種類繁多，分類方式也各不相同。而單端直流變換器又可分為正激式和反激式；雙端直流變換器又可分為推挽式、半橋式和全橋式。按所采用的功率器件分， 有晶體管直流變換器、功率場(chǎng)效應(yīng)管直流變換器及晶閘管直流變換器等。當(dāng)負(fù)載對(duì)直流電源的穩(wěn)定度要求較高時(shí)，為了獲得穩(wěn)定的輸出電壓，通常需要在直流變換器后面或前面再加入另外的穩(wěn)壓電路，如圖 (a)、 (b所示。為了提高效率可采用如圖 (c)所示的既能完成直流電壓變換，又兼有穩(wěn)壓功能的控制式直流變換器，事實(shí)上它就是通常所說的 開關(guān)穩(wěn)壓電源的一種形式控制式直流變換器按其控制方式的不同，可分為脈沖寬度調(diào)制 (PWM)型；脈沖頻率調(diào)制 (PFM)型、混合調(diào)制型 (即脈寬和脈頻同時(shí)改變 )等三種類型，其中尤以脈寬調(diào)制型最為盛行。、負(fù)載電阻 R。 圖 降壓式直流變換器電路原理圖 圖 降壓式直流變換器電路原理圖設(shè)其輸入端電源的直流電壓為 U，而輸出端負(fù)載的直流電壓為 u。電路的工作狀態(tài)由脈沖信號(hào) u。在工作過程中，當(dāng)加于 BG基河北 聯(lián)合大學(xué)電氣工程學(xué)院 20 極的控制脈沖為正向電壓時(shí)， BG飽和導(dǎo)通，其集電極電流通過儲(chǔ)能電感 L向負(fù)載 R。充電。充電的過程中， L內(nèi)的電流逐漸增加，磁場(chǎng)能量也逐漸增加， L兩端產(chǎn)生出一個(gè)左正右負(fù)的自感電勢(shì)。經(jīng)過 T。經(jīng)過時(shí)間 T。 3．降壓式直流變換器輸入與輸出電壓之間的關(guān)系 當(dāng)控制信號(hào)使 BG導(dǎo)通時(shí)，電感 L中的電流從最小值 ILV線性增加到最大值 ILP； 圖 降壓式直流變換電路的有關(guān)波形 當(dāng)控制信號(hào)使 B(；截止時(shí)，電感 L中的電流又從最大值 I。假設(shè) BG具有理想的開關(guān)特性，其正向飽和壓降可以忽略，由圖 4． 14及相關(guān)波形可知： (1)BG導(dǎo)通期間，電感 L兩端的電壓為： 第 3 章 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 21 UL=LDtDil =UiUo 由此可以得出： iL= tdtLUoUiLUoUi ?? ?? +ILV 式中，起始值 ILV是 BG導(dǎo)通前流過 L的電流。為 BG截止前流過 L的電流。與 Ui關(guān)系式 將 (1)式代入 (2)式，并解出 U。與 U，的關(guān)系式為 : Uo= offononTTT? Ton 由 (3)可知，輸出電壓 Uo與占空比 q成正比，所以通過改變占空比 q可以控制 Uo的大小。調(diào)整占空比的方