基于CAN的汽車行駛記錄儀的設(shè)計(jì)

李勉

(廣東水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510635)

0 引言

汽車行駛記錄儀，俗稱汽車黑匣子，是對(duì)車輛行駛速度、時(shí)間、里程以及有關(guān)車輛行駛的其他狀態(tài)信息進(jìn)行記錄、存儲(chǔ)并可通過接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出的數(shù)字式電子記錄裝置。它能夠準(zhǔn)確記錄汽車在行駛過程中的各項(xiàng)狀態(tài)信息，能為事故分析提供精確的關(guān)鍵數(shù)據(jù)［1］。它能夠遏制超速行駛和疲勞駕駛等交通違章，提高駕駛員的責(zé)任心。統(tǒng)計(jì)資料表明:汽車行駛記錄儀的使用，使交通事故率降低了37%～52%，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［2］。作者設(shè)計(jì)一種基于CAN的汽車行駛記錄儀。

1 系統(tǒng)總體方案

1.1 系統(tǒng)基本功能

該系統(tǒng)需要具備以下功能:

(1)自檢功能。通電后會(huì)對(duì)系統(tǒng)各部件及接口進(jìn)行檢測(cè)，自檢通過后“嘀的”一聲響提示用戶記錄儀開始正常工作;

(2)車輛行駛狀態(tài)信息記錄功能。記錄儀保存最近10次停車前20 s的車輛行駛狀態(tài)信息;

(3)聲音報(bào)警及記錄功能。當(dāng)汽車超過設(shè)置的超速值或連續(xù)行車超過設(shè)置的時(shí)間值時(shí)，會(huì)立刻報(bào)警提醒，并記錄下來;

(4)數(shù)據(jù)通訊功能。可通過USB或串口采集記錄儀數(shù)據(jù)、設(shè)置參數(shù)、管理車輛信息。

(5)顯示功能。通過LCD顯示平均車速記錄、超時(shí)駕駛記錄、超速記錄及車輛的狀態(tài)信息。

1.2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)上面的需求，設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的總體框圖。系統(tǒng)主要由信息采集、信息傳輸、信息處理、LCD顯示以及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)組成，如圖1所示。把采集的信息經(jīng)過CAN總線傳輸?shù)街骺刂破髦校骺刂破鞲鶕?jù)信息狀態(tài)作出相應(yīng)處理，并把信息保存于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。當(dāng)需要分析數(shù)據(jù)時(shí)，連接該系統(tǒng)的串口或USB來獲取采集的信息。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制器

控制器的選擇既要滿足設(shè)計(jì)所要求的控制功能，也要擁有相對(duì)豐富的資源。信息處理的控制器選擇Motorola公司的16位單片機(jī)MC68HC912D60A，具有60 KB的FLASH、1 KB的EEPROM、2 KB的RAM、USBHost功能、多達(dá)48個(gè)GPIO引腳、SPI、CAN接口等功能。信息采集的控制器選擇ATMEL公司的8位單片機(jī)Atmega8，具有高性能、低功耗、先進(jìn)的RISC結(jié)構(gòu)、8 KB的 FLASH、512字節(jié)的 EEPROM、1 KB的 RAM、SPI、6通道AD等功能。

2.2 速度信息的采集

車速測(cè)量的工作原理是:根據(jù)變速箱第二軸驅(qū)動(dòng)的渦輪軸轉(zhuǎn)盤每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，霍爾轉(zhuǎn)速傳感器就輸出一個(gè)脈沖信號(hào)，在指定時(shí)間收集到脈沖信號(hào)的數(shù)目，再經(jīng)過特定處理換算成速度。在時(shí)間t(h)里，霍爾轉(zhuǎn)速傳感器產(chǎn)生脈沖的數(shù)目為N，車速里程表的速比為1∶M(也就是說，當(dāng)汽車以1 km/h速度行駛時(shí)，霍爾傳感器每小時(shí)產(chǎn)生脈沖數(shù)為M)。可得在時(shí)間t里，汽車的行駛里程為D=N/M(km);

車速為v=D/t=N/(M×t)(km/h);

該系統(tǒng)選用HK16霍爾轉(zhuǎn)速傳感器。它是一種新型的轉(zhuǎn)速傳感器，感應(yīng)對(duì)象為磁鋼。由于安裝使用方便、通用性好，已被廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。Atmega8利用霍爾傳感器測(cè)量汽車的速度與里程，通過CAN總線傳給MC68HC912D60A進(jìn)行信息處理。

2.3 胎壓信息的采集

胎壓測(cè)量的工作原理是:將傳感器置于輪胎氣門嘴上，不同的氣壓對(duì)應(yīng)著不同的電壓值，通過采集傳感器的輸出電壓，間接測(cè)量氣壓值。該系統(tǒng)選用GE公司的NPX-C01780傳感器。它集成了硅壓力傳感器、加速度傳感器、溫度傳感器、電壓傳感器和低功耗8位RISC處理器以及一個(gè)低頻喚醒功能，具有極佳的輪胎介質(zhì)兼容性，可監(jiān)測(cè)450/700/900/1400 kPa多種壓力范圍，并可定制量程，滿足了系統(tǒng)各方面的性能要求。NPX-C01780通過無線發(fā)射模塊MC33493將采集的電氣值傳輸?shù)浇邮斩?。接收端是Atmega8通過無線接收模塊MC33594接收電壓值，再通過CAN總線傳給MC68HC912D60A進(jìn)行信息處理。

2.4 溫度信息的采集

溫度測(cè)量主要是測(cè)車內(nèi)的溫度和蓄電池的溫度。該系統(tǒng)選用單總線數(shù)字溫度傳感器DS18B20，其測(cè)量范圍是－55～125℃，默認(rèn)轉(zhuǎn)換精度是9位二進(jìn)制數(shù)，對(duì)應(yīng)精度為0.5℃。一條總線上可以同時(shí)掛載多個(gè)DS18B20，靠?jī)?nèi)部的全球唯一標(biāo)識(shí)的64位序列號(hào)來區(qū)分。Atmega8利用DS18B20測(cè)量各點(diǎn)的溫度值，通過CAN總線傳給MC68HC912D60A進(jìn)行信息處理。

2.5 電流信息的采集

電流測(cè)量是電流輸入到電流傳感器轉(zhuǎn)換成電壓，再送往Atmega8的AD引腳進(jìn)行采集，最后將電壓值再換算成電流值。該系統(tǒng)采用電流傳感器DHKY3-100A，能測(cè)量?jī)山M電流。Atmega8將電流值通過CAN總線傳給MC68HC912D60A進(jìn)行信息處理。

2.6 開關(guān)量信息的采集

該系統(tǒng)的開關(guān)量包括:車門、車燈、剎車、擋位、安全帶以及安全氣囊等狀態(tài)。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，開關(guān)信號(hào)經(jīng)過光耦隔離后直接連接到MC68HC912D60A。系統(tǒng)每隔0.2 s對(duì)開關(guān)量進(jìn)行一次采集。

2.7 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的設(shè)計(jì)

根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定，記錄儀應(yīng)能以不大于0.2 s的時(shí)間間隔持續(xù)記錄并存儲(chǔ)停車前20 s實(shí)時(shí)時(shí)間對(duì)應(yīng)的車輛行駛速度及車輛制動(dòng)狀態(tài)信號(hào)，記錄次數(shù)至少為10次［2］。需要存儲(chǔ)的實(shí)時(shí)行駛數(shù)據(jù)包含以下信息:索引，1個(gè)字節(jié);日期和時(shí)間，6個(gè)字節(jié);駕駛員代碼，2個(gè)字節(jié);速度，1個(gè)字節(jié);胎壓，1個(gè)字節(jié);溫度，2個(gè)字節(jié);電流，2個(gè)字節(jié);開關(guān)量信號(hào)共占2個(gè)字節(jié)。每0.2 s采集一次速度、胎壓、溫度、電流以及開關(guān)量信號(hào)，則1秒記錄的實(shí)時(shí)行駛數(shù)據(jù)幀占用空間為1+6+2+(1+1+2+2+2)×5=49字節(jié)。每次停車前20 s記錄的數(shù)據(jù)占用空間為49×20=980字節(jié)。10次停車的數(shù)據(jù)占用空間為980×10=9800字節(jié)=9.57 KB。本系統(tǒng)選用二線制串行EEPROM芯片AT24C16。其容量為16 KB，具有輸入引腳經(jīng)施密特觸發(fā)器濾波抑制噪聲、高可靠性、1000000次讀寫次數(shù)、數(shù)據(jù)保存100年等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于低電壓及低功耗的工商業(yè)領(lǐng)域。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序的設(shè)計(jì)

圖2是系統(tǒng)主程序的流程圖。系統(tǒng)初始化包括信息處理節(jié)點(diǎn)以及各個(gè)信息采集節(jié)點(diǎn)的硬件初始化，如果有節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，立即進(jìn)行報(bào)警。系統(tǒng)自檢通過后，每0.2 s采集汽車的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù);如果有節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障就立即報(bào)警;如果正常獲得數(shù)據(jù)，就傳輸給信息處理節(jié)點(diǎn);先判斷有沒有超速并作相應(yīng)處理，再保存實(shí)時(shí)數(shù)據(jù);把相關(guān)信息顯示在LCD上。

3.2 信息采集節(jié)點(diǎn)軟件的設(shè)計(jì)

信息采集包括速度、胎壓、溫度以及電流，采用相同的流程圖，如圖3。CAN總線采用的是多主傳輸方式，只需要使用兩根物理傳輸線就可以在整個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，任何CAN節(jié)點(diǎn)都可以進(jìn)行信息的發(fā)送和接受［3－4］?？刂破鰽tmega8首先對(duì)傳感器、CAN控制器和CAN收發(fā)器進(jìn)行初始化;如果硬件出問題，就報(bào)警并重新初始化設(shè)置;在硬件正常的情況下，等待信息處理節(jié)點(diǎn)傳輸過來的采集命令，然后采集信息并傳輸回去。

4 結(jié)束語

該系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集到顯示存儲(chǔ)的功能，利用CAN總線的技術(shù)特性，減少了系統(tǒng)的線束，解決了眾多節(jié)點(diǎn)之間的通信問題，可動(dòng)態(tài)增加或刪除節(jié)點(diǎn)，適用于不同型號(hào)的汽車［5］。實(shí)踐應(yīng)用表明:系統(tǒng)在汽車上運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)通信狀況良好，抗干擾能力強(qiáng)，出錯(cuò)率極低。

【1】王保華，楊正才．基于ARM及CAN總線的汽車行駛記錄儀的開發(fā)［J］．儀表技術(shù)與傳感器，2009(4):27－28．

【2】中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局．GB/T 19056-2003汽車行駛記錄儀［S］．北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2003．

【3】袁淑娟，陳仁文．CAN總線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用［J］．江南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2005，4(3):235 －239．

【4】徐華．DSP內(nèi)嵌式CAN控制器的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］．湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2002，12(3):10 －12．

【5】史久根，張培仁，陳真勇．CAN現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)［M］．北京:國(guó)防工業(yè)大學(xué)出版社，2004．