支持藍(lán)牙上傳功能的汽車(chē)行駛記錄儀設(shè)計(jì)①

張 戟， 彭 勇

(同濟(jì)大學(xué)新能源汽車(chē)工程中心，上海201804)

0 引言

汽車(chē)行駛記錄儀是一種用來(lái)對(duì)汽車(chē)行駛過(guò)程中的有關(guān)狀態(tài)信息進(jìn)行記錄、存儲(chǔ)并通過(guò)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(chē)狀態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)交通事故的分析具有重要的意義.但目前的汽車(chē)行駛記錄儀使用都是有線的方式，通過(guò)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(lái)很不方便，因此很有必要設(shè)計(jì)一款能支持無(wú)線上傳數(shù)據(jù)功能并能快速完成數(shù)據(jù)分析的汽車(chē)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(wú)線電技術(shù)，目前大多數(shù)的手持設(shè)備(手機(jī)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(chē)行駛記錄儀上，通過(guò)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(kāi)發(fā)一款記錄儀的數(shù)據(jù)分析應(yīng)用，通過(guò)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(guò)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(jì)方案

根據(jù)記錄儀國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19056－2003的要求［2］，本文設(shè)計(jì)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(chē)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(jì)

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(chǔ)、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(jī)中的一款增強(qiáng)型16位單片機(jī)，S12XS系列單片機(jī)是在S12XE系列基礎(chǔ)上去掉XGate協(xié)處理器的單片機(jī)，該系列單片機(jī)采用 CPU12X V2內(nèi)核，可運(yùn)行在40MHz總線頻率上［3］.

2.2 電源模塊

本系統(tǒng)對(duì)電源的需求有:時(shí)鐘模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(shí)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(chē)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(shí)鐘模塊

行駛記錄儀需要記錄的狀態(tài)信息包含對(duì)應(yīng)的時(shí)間信息.其對(duì)計(jì)時(shí)精度要求較高，同時(shí)也要求在斷電的情況下能夠繼續(xù)計(jì)時(shí).為此，需要使用外部實(shí)時(shí)時(shí)鐘并搭配電池使用為系統(tǒng)提供實(shí)時(shí)可靠的時(shí)鐘.

圖1 汽車(chē)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(shí)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(diǎn).芯片的電壓使用范圍為1.0～5.5V，通過(guò)一個(gè)紐扣電池即可為其供電，同時(shí)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(kāi)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(cè)量范圍可通過(guò)VRH和VRL引腳來(lái)配置，本文選用的范圍為0～5V，轉(zhuǎn)換精度選用10位.開(kāi)關(guān)量信號(hào)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(guò)查詢的方式進(jìn)行采集.

2.5 通信模塊

本文所設(shè)計(jì)的記錄儀包含RS232、CAN和藍(lán)牙三個(gè)通信接口.其中RS232為打印接口，外接打印機(jī)即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)打印功能;CAN為預(yù)留通信接口，可以用來(lái)獲取汽車(chē)的狀態(tài)數(shù)據(jù);藍(lán)牙接口用來(lái)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(gè)芯片可連接2對(duì)收發(fā)信號(hào).

圖3 啟動(dòng)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(cuò)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(jī)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線收發(fā).

圖4 行駛狀態(tài)下的工作流程圖

2.6 人機(jī)接口模塊

人機(jī)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(shí)別模塊.

按鍵電路用來(lái)響應(yīng)用戶的操作，本文設(shè)置了4個(gè)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(diǎn)陣液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，其內(nèi)置中文字庫(kù)，使用簡(jiǎn)單方便［5］.

本文選擇接觸式IC卡方式識(shí)別駕駛員身份，接觸式IC卡存儲(chǔ)量大，讀寫(xiě)機(jī)構(gòu)造價(jià)便宜，維護(hù)方便.具體使用的是西門(mén)子公司生產(chǎn)的 SLE4442，SLE4442是具有可編程安全代碼存儲(chǔ)器(PSC)和寫(xiě)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(xiě)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(chǔ)模塊

本文選擇鐵電存儲(chǔ)器FM1808作為實(shí)時(shí)存儲(chǔ)，SD卡作為歷史數(shù)據(jù)存儲(chǔ).

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(shí)間間隔連續(xù)記錄并存儲(chǔ)停車(chē)前20s實(shí)時(shí)時(shí)間對(duì)應(yīng)的車(chē)輛狀態(tài)，記錄次數(shù)不少于10次，這就要求能夠快速存儲(chǔ)并且具有非易失性的存儲(chǔ)器.鐵電存儲(chǔ)器就兼有RAM的快速寫(xiě)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)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(jì)的一種新型存儲(chǔ)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(jì)

3.1 系統(tǒng)主流程

記錄儀上電后，開(kāi)始運(yùn)行系統(tǒng)的主流程.主程序流程圖如圖2所示.首先對(duì)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(guò)后進(jìn)入時(shí)鐘低電壓檢測(cè)，如果檢測(cè)時(shí)鐘低電壓，會(huì)在顯示器有相應(yīng)的提示并進(jìn)入時(shí)鐘重置界面.當(dāng)上述流程完成后，將開(kāi)啟定時(shí)中斷，然后讀取汽車(chē)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(chē)所處的狀態(tài)分為四種，分別為start(啟動(dòng))、moving(行駛)、stop(剛停駛)和 still(停駛)狀態(tài).接下來(lái)將介紹不同的狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的處理流程.

當(dāng)汽車(chē)處于啟動(dòng)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(chē)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)的記錄.其中每一個(gè)tick為200ms.Tick、second和min的狀態(tài)標(biāo)記在定時(shí)中斷中更新.具體流程如圖4所示.

當(dāng)汽車(chē)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(chē)處于停駛狀態(tài)時(shí)，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(lái)響應(yīng)按鍵操作，并查詢手持設(shè)備端發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)上傳請(qǐng)求，執(zhí)行上傳服務(wù).在空閑狀態(tài)時(shí)監(jiān)控汽車(chē)是否又開(kāi)始啟動(dòng)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(shí)現(xiàn)方法

本文通過(guò)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(guò)程中，記錄儀作為從機(jī)，手持設(shè)備端作為主機(jī)，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(duì)工作.然后手持設(shè)備端軟件向記錄儀發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)傳輸請(qǐng)求，記錄儀端在查詢到發(fā)送過(guò)來(lái)的請(qǐng)求后，如果準(zhǔn)備好開(kāi)始數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程，將向主機(jī)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(lái)雙方通過(guò)Xmodem文件傳輸協(xié)議開(kāi)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(jì)和校驗(yàn)和CRC兩種校驗(yàn)方式，本文選擇CRC校驗(yàn)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(yàn)方式，協(xié)商通過(guò)之后發(fā)送端就開(kāi)始發(fā)送數(shù)據(jù)包，接受程序接收到完整的一個(gè)數(shù)據(jù)包后按照協(xié)商的方式對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行校驗(yàn).校驗(yàn)通過(guò)之后發(fā)送確認(rèn)字符，請(qǐng)求下一個(gè)數(shù)據(jù)包的發(fā)送，然后發(fā)動(dòng)程序繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)包;如果校驗(yàn)失敗，則發(fā)送否認(rèn)字符，請(qǐng)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(guò)10次數(shù)據(jù)包錯(cuò)誤，將結(jié)束本次傳輸，并在接受雙方給出相應(yīng)的錯(cuò)誤提示.

手持設(shè)備端在接受到完整的數(shù)據(jù)后，可以開(kāi)始對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并可以通過(guò)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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 19056－2003，并應(yīng)用藍(lán)牙技術(shù)，設(shè)計(jì)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(chē)行駛記錄儀.該記錄儀能有效完成記錄儀所需的功能，同時(shí)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(chē)行駛記錄儀的推廣與應(yīng)用［J］.中國(guó)計(jì)量，2010，(6):123－124.

［2］GB/T 19056－2003，汽車(chē)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(shū)Rev2.0，2006.

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

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