使用雙處理器的汽車行駛記錄儀設(shè)計

肖振隆，王貴錦，李家祥

(1.清華大學(xué) 電子工程系，北京 100084；2.廈門雅迅網(wǎng)絡(luò)股份有限公司)

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使用雙處理器的汽車行駛記錄儀設(shè)計

肖振隆1,2，王貴錦1，李家祥2

(1.清華大學(xué) 電子工程系，北京 100084；2.廈門雅迅網(wǎng)絡(luò)股份有限公司)

隨著車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，為了提高客戶的體驗度及車貸功能安全，各個車廠爭相推出帶有各自特色的車載終端。由于功能的不斷堆加，傳統(tǒng)的單處理器設(shè)計方案已不再滿足于現(xiàn)有車廠對設(shè)備的要求。隨著功能越來越多，單處理器容易產(chǎn)生業(yè)務(wù)相互干擾，效率、實時性差等問題。針對于此，本設(shè)計在基于傳統(tǒng)單處理器行駛記錄儀基礎(chǔ)上,采用雙處理器方式進行設(shè)計，加快數(shù)據(jù)處理，提高系統(tǒng)的擴展空間，保證網(wǎng)絡(luò)通信的實時性和并發(fā)性。

行駛記錄儀；Cortex-M3；GPS/BDS；CAN總線

引 言

汽車行駛記錄儀主要是記錄和存儲汽車行駛過程中的各種狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過車輛相關(guān)狀態(tài)信息的記錄并分析，可以較精確地掌握車輛相關(guān)時刻的狀態(tài)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)在事故分析鑒定中發(fā)揮著重要的作用，通過數(shù)據(jù)的監(jiān)控，能夠有效地約束駕駛?cè)藛T的不良駕駛行為，預(yù)防道路交通事故，保障車輛的行駛安全，提高營運管理水平[1]。同時，隨著車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，車廠在滿足于公安部標準[2]和交通部標準[3]的同時，增加了各自特色的發(fā)動機控制功能，用于確保車貸安全及增加車輛的安全性及可靠性。因此隨著數(shù)據(jù)信息采集量的加大、數(shù)據(jù)類型的增多，對于行駛記錄儀的數(shù)據(jù)處理能力有著較高要求。

本文設(shè)計實現(xiàn)基于手機模塊(支持二次開發(fā)的手機模塊)與MCU組合的雙處理器的汽車行駛記錄儀。本設(shè)計采用負載均衡設(shè)計思路，采用雙處理器方式，數(shù)據(jù)采用雙重備份方式，確保產(chǎn)品相關(guān)數(shù)據(jù)穩(wěn)定性；將車聯(lián)網(wǎng)相關(guān)業(yè)務(wù)放置到手機模塊上處理，將車身相關(guān)的業(yè)務(wù)放置在MCU中處理，將汽車信號以及位置信息遠程控制等任務(wù)均衡設(shè)計，確保在設(shè)備異常的情況下不影響整車CAN節(jié)點，確保整車行駛安全。

1 系統(tǒng)整體方案設(shè)計

本設(shè)計中為確保產(chǎn)品相關(guān)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性及增加數(shù)據(jù)的處理，整個系統(tǒng)分為三個部分：電源模塊、手機模塊及MCU模塊。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

其中,電源模塊主要將汽車電瓶提供的12 V或者24 V轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需的電壓電平，供整機正常工作。在電源模塊設(shè)計中，考慮到車輛點火會出現(xiàn)瞬態(tài)電壓，在設(shè)計上增加抑制瞬態(tài)電壓的功能。手機模塊處理車聯(lián)網(wǎng)相關(guān)業(yè)務(wù)，如獲取定位模塊采集的位置信息、處理音視頻信息、與營運平臺進行交互等業(yè)務(wù)。MCU模塊處理相關(guān)車身業(yè)務(wù)，主要通過CAN總線進行發(fā)動機相關(guān)數(shù)據(jù)采集，傳輸平臺下發(fā)相關(guān)指令，以及通過開關(guān)量檢測及模擬量檢測采集車輛相關(guān)硬線信號，如車輛脈沖、轉(zhuǎn)向燈信號等；同時Cortex-M3模塊也執(zhí)行人機交互功能，實現(xiàn)顯示、操作、打印及數(shù)據(jù)導(dǎo)出等功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 處理器的選擇

目前汽車行駛記錄儀終端廠大都采用單處理器解決方案，迫于市場成本壓力，作為主要硬件成本之一的處理器勢必不能占用過高成本，所以趨向于選取性價比較高的處理器。隨著車廠功能的增加，單處理器既負責(zé)通信網(wǎng)絡(luò)AT指令交互，又負責(zé)與車身交互業(yè)務(wù)處理，其同一時間只能優(yōu)先處理一類業(yè)務(wù)，而犧牲另一類業(yè)務(wù)的實時性。例如在響應(yīng)CAN中斷時必然無法響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)，在響應(yīng)網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)(AT指令交互，串口中斷)時，必然無法響應(yīng)CAN中斷，業(yè)務(wù)之間相互干擾，效率、實時性差。

隨著通信技術(shù)的發(fā)展和市場的不斷變化，越來越多的用戶認識到OpenCPU(支持二次開發(fā)的CPU方案)解決方案的優(yōu)勢，特別是它低成本、高可靠性的現(xiàn)實優(yōu)勢，備受行業(yè)用戶的青睞。MTK的OpenCPU解決方案，可以簡化客戶對無線應(yīng)用的開發(fā)流程，精簡硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計，從而降低產(chǎn)品成本。

本設(shè)計采用“手機模塊(OpenCPU)+MCU”的雙處理器的方式進行設(shè)計，與車身交互相關(guān)的業(yè)務(wù)，由輔助處理器來進行負載分擔(dān)，可以快速響應(yīng)硬件中斷而不影響車聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)通信，既保證了硬件中斷響應(yīng)的實時性，又保證了網(wǎng)絡(luò)通信的實時性，并發(fā)性好。

本設(shè)計中手機模塊采用SIMCOM的SIM800V模塊，該模塊采用MTK平臺的MT6252A，時鐘頻率高達104 MHz，內(nèi)置128 MB的NOR Flash和32 MB的RAM。

MCU采用意法半導(dǎo)體(ST)公司基于ARM的Cortex-M3內(nèi)核架構(gòu)下的32位處理器STM32F105RCT6[4]，本芯片具有突出的處理器性能，低功耗及較高的性價比。該芯片主頻高達72 MHz；指令運行速度高達1.25 DMips/MHz(Dhrystone2.1)；256 KB內(nèi)置Flash存儲器，64 KB內(nèi)置SRAM存儲器；0等待周期的存儲器；單周期乘法和硬件除法；5路USART接口；2路的CAN總線通信接口；支持CAN2.0；2個I2C接口(SMBus/PMBus)；3個SPI同步串行接口(18 Mbps)；1個USB 2.0全速接口；2個16位ADC，1 μs轉(zhuǎn)換時間(16通道)；51個多功能雙向5V兼容的I/O口，所有I/O口可以映像到16個外部中斷；12通道DMA控制器；支持定時器、ADC、SPI、I2C和USART。

手機模塊與MCU之間采用UART串口進行通信交互，MCU將車身相關(guān)數(shù)據(jù)采集分析后傳輸給手機模塊，手機模塊通過無線網(wǎng)絡(luò)與平臺進行交互。

2.2 電源模塊設(shè)計

電源模塊的穩(wěn)定關(guān)系著整個系統(tǒng)的正常運行與穩(wěn)定工作，電源模塊的設(shè)計在整個設(shè)計中占有及其重要的部分。由于車輛中的電瓶同時給整個電氣系統(tǒng)供電，存在電壓不穩(wěn)及瞬間電干擾、電磁干擾等問題，為確保電源的抗干擾能力，在設(shè)計過程中增加抑制瞬態(tài)電壓的能力及EMC處理。

本系統(tǒng)包含電源類型為：汽車電瓶電源、濾波后的電源、5 V電源、4.2 V電源、3.3 V電源、GSM電源、GPS電源，備用電池也屬于該電源模塊的一部分。系統(tǒng)中的電源通過DC-DC轉(zhuǎn)換，有的通過LDO轉(zhuǎn)換，最終都通過開關(guān)控制提供給相關(guān)模塊工作。通過軟件可以根據(jù)需求關(guān)閉部分模塊，從而降低系統(tǒng)功耗。整個電源模塊電路框圖如圖2所示。

圖2 電源模塊

2.3 手機模塊

手機模塊處理相關(guān)車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，主要通過定位模塊采集位置信息、處理音視頻信息，通過與營運平臺進行交互實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，其主要組成部分有手機模塊、定位模塊、音頻模塊及拍照模塊等。Open手機模塊結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 Open手機模塊結(jié)構(gòu)圖

各個組成模塊功能如下所示：

① 手機模塊：手機模塊集成了CPU、文件系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、TTS以及GSM/GPRS移動通信的功能，負責(zé)整個系統(tǒng)的功能運轉(zhuǎn)和集中控制。通信內(nèi)容主要有：上報采集數(shù)據(jù)、統(tǒng)計得到的數(shù)據(jù)，包括定位、車輛狀態(tài)、里程統(tǒng)計等數(shù)據(jù)；接收來自管理中心的指令，包括報警解除、中心號碼設(shè)置等。

② 定位模塊：本設(shè)計采用北斗雙模模塊設(shè)計，主要接收北斗、GPS信號。采用以北斗為主融合GPS的組合定位算法完成定位，提供車輛的速度、經(jīng)緯度位置、時間和方向信息，是實現(xiàn)車輛行駛軌跡監(jiān)管的核心模塊。

③ 音頻模塊：音頻模塊主要分為音頻采集及輸出。音頻采集通過麥克風(fēng)采集相關(guān)緊急狀態(tài)下的監(jiān)聽狀態(tài)及通話功能。音頻輸出通過TTS播報,同時進行相關(guān)語音通信及播報相關(guān)超速等報警信息。

④ 拍照模塊：本設(shè)計中的拍照模塊采用232串口攝像頭，通過攝像頭采集相關(guān)車輛的圖片信息，可以監(jiān)控緊急狀態(tài)下的車輛內(nèi)部及外部信息，為交通執(zhí)法提供現(xiàn)場依據(jù)，同時可根據(jù)具體需求安裝多路攝像頭。

2.4 MCU模塊

MCU模塊處理相關(guān)車身業(yè)務(wù)，主要通過CAN總線進行發(fā)動機相關(guān)數(shù)據(jù)采集，通過傳輸平臺下發(fā)相關(guān)指令，以及通過開關(guān)量檢測及模擬量檢測采集車輛相關(guān)硬線信號(如車輛脈沖、轉(zhuǎn)向燈信號等)。主要實現(xiàn)功能包括數(shù)據(jù)導(dǎo)出、碰撞檢測、打印機、車輛信息采集、CAN總線接口、駕駛員身份識別及人機交互等。其各個模塊功能如圖4所示。

圖4 MCU模塊結(jié)構(gòu)圖

① 數(shù)據(jù)導(dǎo)出：數(shù)據(jù)導(dǎo)出模塊分為DB9串口導(dǎo)出及USB接口導(dǎo)出，部分功能用于交通執(zhí)法過程中進行車輛駕駛信息讀取，有利于交通執(zhí)法。

② 碰撞檢測：該模塊可在車輛發(fā)生碰撞或者側(cè)翻時及時將事故信息上傳到中心，中心確認信息后能夠及時通報相關(guān)單位進行救援。

③ 打印機：打印“兩標”相關(guān)要求的相關(guān)車輛信息及行駛數(shù)據(jù)。

④ 車輛信號采集：車輛信息采集主要包括模擬信號、數(shù)字信號和開關(guān)量信號采集。其中模擬信號包括油量、水溫等；數(shù)字信號采集主要采集車上相關(guān)脈沖信號，如車速脈沖、轉(zhuǎn)速脈沖等；開關(guān)量信號采集主要對車輛相關(guān)開關(guān)進行采集，如制動、遠光燈、近光燈、轉(zhuǎn)向燈、喇叭、倒車等。

⑤ CAN總線接口：系統(tǒng)提供車輛信息的實時監(jiān)測診斷系統(tǒng)以及基本的車身控制，采用TJ1051T作為控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network,CAN)總線收發(fā)器，MCU通過CAN收發(fā)器采集車輛相關(guān)信息，傳送給GSM模塊，同時接收遠程或者本地控制指令,通過CAN總線實現(xiàn)相應(yīng)的車身控制。同時CAN總線接口也可用于車輛信息的監(jiān)測,包括CAN總線協(xié)議支持的所有數(shù)據(jù)，如胎壓、汽車電瓶、油耗、里程、剎車狀態(tài)等。

⑥ 駕駛員身份識別：駕駛員身份識別主要用于人車的身份識別，在車輛啟動前通過IC卡讀取人車身份信息，上傳到中心管理平臺,同時記錄到存儲器中。

⑦ 人機交互：人機交互平臺，主要包括顯示模塊和按鍵模塊，實現(xiàn)人與設(shè)備的交互，如通信參數(shù)的設(shè)置、設(shè)備狀態(tài)的檢測等。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖5 Open手機模塊流程圖

本設(shè)計軟件采用分層工程設(shè)計模式?？傮w架構(gòu)上可分為3層：平臺層、抽象層/中間件和應(yīng)用層。分層設(shè)計大大降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，使得應(yīng)用層業(yè)務(wù)開發(fā)人員無需了解平臺特性，只需專注于應(yīng)用業(yè)務(wù)開發(fā)，而平臺開發(fā)人員無需關(guān)注應(yīng)用業(yè)務(wù)開發(fā)，只需關(guān)注中間件的實現(xiàn)，軟件的可靠性得以保證，既縮短了開發(fā)周期，且更換平臺與應(yīng)用業(yè)務(wù)無關(guān)，可以更快捷地完成平臺升級替代。Open手機模塊、MCV模塊流程圖如圖5、圖6所示。

圖6 MCU模塊流程圖

結(jié) 語

[1] 孫正席，裴東興，張瑜．基于Cortex-M3 的汽車行駛記錄儀設(shè)計[J]．計算機測量與控制，2012，20(4) : 1148-1151．

[2] 汽車行駛記錄儀國家標準.GB/T 19056-2012[S].

[3] 道路運輸車輛衛(wèi)星定位系統(tǒng)北斗兼容車載終端技術(shù)規(guī)范交通部標準.JT/T 794-2011[S].

[4] STMicroelectronics．STM32F105xx Reference Manual,2009．

[5] 項文炳，孫永榮，許睿，等．基于雙CPU的智能汽車行駛記錄儀[J]．工業(yè)控制計算機，2010，23(6):105- 107．

肖振隆、李家祥(助理工程師)，主要研究方向為汽車電子應(yīng)用領(lǐng)域；王貴錦(副教授)，主要研究方向為立體視覺、深度成像、多媒體處理、目標檢測及跟蹤、智能交互、智能監(jiān)控。

[3] 劉常清,黃文君,詹源.基于PowerPC的車載通信系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機工程,2012,38(7):207-209.

[4] 徐娟娟.STM32F103的汽車遠程防盜系統(tǒng)設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2012(11):66-69.

[5] 關(guān)麗敏,李思慧,李偉剛.STM32F107VC的嵌入式遠程監(jiān)控終端設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2014(6):72-75.

[6] 朱玉龍.汽車電子硬件設(shè)計[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011.

[7] 曾邵明,宮輝. μC/OS-III 在S12X架構(gòu)上的移植[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2013(4):78-81.

[8] 黃彬,徐海賢,龐慶.μC/OS-III 在STM32處理器上的移植[J].中國儀器儀表,2014(3):37-42.

[9] 陳立軍.車載通信系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計[J].計算機與網(wǎng)絡(luò),2007,11:42-43.

關(guān)曉菡(副教授)，主要研究方向為車聯(lián)網(wǎng)硬件系統(tǒng)設(shè)計、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用、電源技術(shù)；馬曉，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。

(責(zé)任編輯：楊迪娜 收稿日期：2016-08-17)

Vehicle Traveling Data Recorder Based on Dual-processor

Xiao Zhenlong1,2,Wang Guijin1,Li Jiaxiang2

(1.Department of Electronic Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China;2.Yaxon Network Co.,Ltd.)

With the continuous development of Internet of vehicles technology,in order to improve the customer experience and car loan function safety,each car factory is competing to launch the vehicle terminal with their own characteristics.As the function of the continuous heap,the traditional single processor design scheme is no longer satisfied with the existing car plant on the equipment requirements.As the functions are more and more,the single processor can easily generate the problems such as business of interference,efficiency,real-time and other issues.In view of this,based on the traditional single processor running recorder,the design uses dual-processor.The design can speed up the data processing and improve the system's extended space,ensure the real-time and concurrency of network communication.

vehicle traveling tata recoder;Cortex-M3;GPS/BDS;CAN bus

U463

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?迪娜

2016-06-13)