基于單片機(jī)的汽車行駛智能記錄儀研發(fā)

杜曉輝

摘 要：設(shè)計(jì)了一款基于單片機(jī)的行駛記錄儀，該行車記錄儀采用S3C2440單片機(jī)作為控制器，主要由主控CPU、GPS、CMOS攝像頭、存儲(chǔ)模塊、觸摸顯示屏、傳感器等模塊構(gòu)成，基于S3C2440的工作原理詳細(xì)設(shè)計(jì)了行駛記錄儀的硬件電路和主要功能模塊，可實(shí)時(shí)高效的采集車輛的狀態(tài)及GPS定位信息，使行車記錄儀功能的自動(dòng)化與智能化水平得到有效提升，可對(duì)運(yùn)行于不同路況下的汽車狀態(tài)進(jìn)行全程同步記錄和監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：行車記錄儀;單片機(jī);GPS;攝像頭;串口通信;Access

中圖分類號(hào)：TP 368.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-757X（2020）11-0137-03

Abstract：This paper designs a driving recorder based on a single-chip microcomputer. The driving recorder uses an S3C2440 single-chip microcomputer as a controller， and is mainly composed of main control CPU， GPS， CMOS camera， storage module， touch screen， sensor and other modules. The working principle of the design of the hardware circuit and main functional modules of the driving recorder is introduced in detail. The device can collect the status of the vehicle and GPS positioning information in real time and efficiently， so that the level of automation and intelligence of the driving recorder function is effectively improved. Car status can be recorded and monitored at all time under road conditions.

Key words：driving recorder;microcontroller;GPS;camera;serial communication;Access

0?引言

不斷提高的物質(zhì)生活水平促使人們對(duì)汽車的需求量持續(xù)增加，汽車已成為出行中不可缺少的交通工具，在帶來(lái)極大便利的同時(shí)由道路上不斷增加的車流量密度導(dǎo)致的交通擁堵問題日益突出，為交通安全帶來(lái)較大的挑戰(zhàn)，交通事故時(shí)有發(fā)生，為人們的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)不同程度的威脅，并且在發(fā)生交通事故后需對(duì)事故糾紛進(jìn)行協(xié)調(diào)，尤其是在一些特殊路況或較偏辟的地方發(fā)生的交通事故因沒有監(jiān)控設(shè)備覆蓋到而極大的增加了警方的判斷與協(xié)調(diào)能力。初始小巧輕便且易于安裝到車輛上的汽車行駛記錄儀不斷發(fā)展和完善起來(lái)，專門為汽車內(nèi)部構(gòu)造設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同路況下汽車運(yùn)行狀態(tài)的全程同步記錄與監(jiān)視功能，記錄相關(guān)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，可幫助司機(jī)和交通部門實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛，為判斷交通事故原因提供科學(xué)有效的證據(jù)。據(jù)此對(duì)運(yùn)行車輛實(shí)施科學(xué)高效的管理和調(diào)度，為安全行駛提供了保障[1]。

1?基于單片機(jī)的汽車行駛記錄儀設(shè)計(jì)

1.1?工作原理

科學(xué)有效的行車記錄儀已成為現(xiàn)代汽車的重要構(gòu)成，本文設(shè)計(jì)的可借助接口實(shí)現(xiàn)的汽車行駛記錄儀主要負(fù)責(zé)記錄和存儲(chǔ)包括行駛速度、時(shí)間、里程等在內(nèi)的車輛行駛狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際車輛運(yùn)行狀況真實(shí)準(zhǔn)確的反映，約束駕駛員的包括超速、疲勞駕駛等在內(nèi)的不良駕駛行為（發(fā)現(xiàn)后會(huì)及時(shí)發(fā)出警報(bào)信息），記錄車輛的狀態(tài)參量可供發(fā)生交通事故后的鑒定過程使用。本文所設(shè)計(jì)的汽車行駛記錄儀電子裝置能夠準(zhǔn)確記錄駕駛員操縱行為、行駛速度、方向、位置等信息（采用數(shù)字、圖像、音視頻的形式），該汽車行駛記錄儀具有體積小、安裝便利、功能更全面的優(yōu)勢(shì)，可有效記錄車輛緊急制動(dòng)、碰撞時(shí)的信息。該行車記錄儀主要由觸摸屏（采用LCD顯示屏）、圖像采集與解碼、SD存儲(chǔ)卡、語(yǔ)音等部分構(gòu)成，其總體功能架構(gòu)框圖，如圖1所示。

界面顯示及用戶觸摸響應(yīng)功能通過結(jié)合運(yùn)用Qt開發(fā)、C++實(shí)現(xiàn)，通過LINUX對(duì)LCD顯示屏進(jìn)行操作（訪問dev下fb0的節(jié)點(diǎn)），屏幕信息（包括長(zhǎng)、寬、顏色深度）使用ioctl函數(shù)獲取，通過CMOS攝像頭的使用完成圖像采集（攝像頭訪問路徑為open/dev/camera），為提高CPU的識(shí)別質(zhì)量和效率，圖像采用二進(jìn)制數(shù)編碼，攝像頭的圖片可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行截?。ㄆ溟L(zhǎng)、寬、顏色深度使用ioctl函數(shù)獲?。?，完成圖片格式轉(zhuǎn)換后（565格式到888格式）將其壓縮為JPEP圖像，可按需設(shè)置包括圖像寬、高、色彩通道數(shù)在內(nèi)的壓縮參數(shù)，錄制圖片的數(shù)量較多時(shí)可編碼為視頻文件，在用戶空間中完成frambuffer地址的映射（通過mmap完成），即可在frambuffer地址對(duì)圖片數(shù)據(jù)信息進(jìn)行拷貝和顯示。語(yǔ)音編解碼功能通過結(jié)合使用UDA1341（音頻編解碼器芯片）和FM1182語(yǔ)音處理芯片實(shí)現(xiàn)，通過UDA1341模擬語(yǔ)音信號(hào)，采樣頻率設(shè)置為9 kHz，可時(shí)噪聲抑制和回波消除功能得以有效實(shí)現(xiàn)。錄像錄音文件均存儲(chǔ)到8～32 GB容量的SD卡中，可有效滿足長(zhǎng)時(shí)間錄制需求[2]。

1.2?主要模塊功能

（1） 開關(guān)量模塊，兼容12 V和24 V兩種車型，該記錄儀采集汽車狀態(tài)信息時(shí)涉及到的開關(guān)量主要有8個(gè)（包括剎車、開/關(guān)門、左/右轉(zhuǎn)向、遠(yuǎn)/近光燈、喇叭等，具體通過采集正極信號(hào)獲取開關(guān)量信息（高電平有效），具有光電隔離和過壓保護(hù)（60 V）功能。（2） 速度模塊，針對(duì)電子式車速表、機(jī)械式車速表分別采用不同的速度采集信號(hào)連接線，電子式測(cè)速表信號(hào)輸出端連接記錄儀的速度信號(hào)線，機(jī)械式需安裝速度傳感器（5 V供電，輸出為脈沖信號(hào)）。（3） 油箱檢測(cè)模塊，使用油耗（壓力或浮力）傳感器實(shí)現(xiàn)，5 V供電，輸出0～5 V模擬量（以檢測(cè)對(duì)象為依據(jù)），具備較高的檢測(cè)精度。（4） 單片機(jī)（一種集成在電路芯片，使用超大規(guī)模集成電路技術(shù)形成一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)）系統(tǒng)設(shè)計(jì)，選用S3C2440單片機(jī)作為微處理器，單片機(jī)包含中央處理器CPU、多種電路（包括A/D轉(zhuǎn)換器、顯示驅(qū)動(dòng)、脈寬調(diào)制等）、中斷系統(tǒng)、定時(shí)器（計(jì)時(shí)器）、RAM和ROM（隨機(jī)存儲(chǔ)器和只讀存儲(chǔ)器）、豐富的I/O口等。（5） 采用NEO-5M完成GPS模塊的設(shè)計(jì)，GPS監(jiān)控功能需基于GPS終端、傳輸網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控平臺(tái)共同實(shí)現(xiàn)，采用UART協(xié)議與S3C2440通訊，利用GPS監(jiān)控實(shí)現(xiàn)了跟蹤定位（24小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛的位置、行駛方向與速度）、車輛遠(yuǎn)程控制（如斷油斷電、鎖車等）、實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛油耗變化情況（可比對(duì)歷史數(shù)據(jù)對(duì)加油量、油量的正常與非正常消耗等現(xiàn)象進(jìn)行直觀反映）等功能，可應(yīng)用到車輛調(diào)度監(jiān)控領(lǐng)域[3]。

2?硬件電路設(shè)計(jì)

2.1?S3C2440工作原理

集成度較高的單片機(jī)S3C2440（基于ARM9的架構(gòu)，CPU內(nèi)核強(qiáng)大）包含豐富的內(nèi)部資源，分為3部分的時(shí)鐘總線分別經(jīng)外部晶振和鎖相環(huán)的增大處理后為CPU工作，基于高級(jí)精簡(jiǎn)指令（32位）的CPU的內(nèi)存有高數(shù)緩存區(qū)，具有較快的運(yùn)行速度，S3C2440包含支持多主機(jī)的IIC總線接口、外部請(qǐng)求引腳、PLL片上時(shí)鐘發(fā)生器、2通道SPI、3通道UART（64字節(jié)發(fā)送與接收FIFO）、4通道DMA、8通道10位ADC、24通道外部中斷源、IIS總線音頻編碼器接口、觸摸屏接口、USB設(shè)備、常用PWM定時(shí)器、捕獲攝像頭接口（最大像素輸入為2 048×2 048）和130個(gè)通用I/O口[3]。

2.2?NAND FALSH 電路

NAND FALSH電路特性為：（1）在啟動(dòng)引導(dǎo)后的復(fù)位期間，向Steppingstone（4 Kbyte字節(jié)）傳送引導(dǎo)代碼并在其中執(zhí)行引導(dǎo)代碼;（2）包含支持256、512、1 k、2 kbyte頁(yè)的存儲(chǔ)器接口和8/16位的存儲(chǔ)器接口總線;（3）生成用于檢測(cè)和指示的硬件ECC實(shí)現(xiàn)軟件糾錯(cuò)功能;（4）可按照字節(jié)、半字、字訪問SteppingStone接口（支持大/小端模式），如表1所示。

為電路引腳功能說(shuō)明。NOR Flash 包含執(zhí)行功能無(wú)需在系統(tǒng)內(nèi)存中拷貝代碼，可直接運(yùn)行于Flash應(yīng)用程序上，NOR自主boot，在SDROM中通過copy_proc_beg完成RORW的分別復(fù)制，并清BSS、作中斷安裝;NOR加載已在內(nèi)存中的boot 代碼，將RW數(shù)據(jù)采用copy_proc_beg進(jìn)行修正后并清BSS、作中斷安裝，跳到主函數(shù)[4]。

2.3?音頻輸入與輸出電路

進(jìn)入到工作模式的音頻編解碼器芯片UDA1341需提供可選擇系統(tǒng)頻率的外部時(shí)鐘，且時(shí)鐘需鎖定數(shù)字接口信號(hào)頻率，由兩個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器（具備較高的分辨率，均包含兩個(gè)通道）構(gòu)成音頻編解碼器芯片的模擬端口，模數(shù)轉(zhuǎn)換器的每個(gè)通道均包含一個(gè)增益放大器（PGA，可編程），通過遵循 IIS 協(xié)議通信格式的L3接口控制增益級(jí)（有0或6dB可供選擇），可根據(jù)實(shí)際需要通過配置寄存器設(shè)置增益倍數(shù)，可采用地址和傳輸兩種操作模式（通過 L3協(xié)議實(shí)現(xiàn)），地址模式的數(shù)據(jù)通過L3 總線傳輸（能夠雙向傳輸）后完成相應(yīng)設(shè)備的選擇。 UDA1341 接收到模擬信號(hào)后對(duì)編碼聲音進(jìn)行處理與控制（包括對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波和采樣，通過配置寄存器完成）[5]。

2.4?時(shí)鐘模塊和存儲(chǔ)模塊

該汽車行駛記錄儀在關(guān)閉電源時(shí)，包含備用電池的實(shí)時(shí)時(shí)鐘（RTC）可連續(xù)工作以確保數(shù)據(jù)不丟失，獨(dú)立電源引腳（RTCVDD）的RTC向CPU發(fā)送BCD碼值數(shù)據(jù)（包含8位數(shù)據(jù)，通過讀寫寄存器的操作完成），由CPU分解和讀取這些數(shù)據(jù)中的時(shí)間信息（包括年、月、日、星期、時(shí)、分和秒），RTC單元可執(zhí)行鬧鐘功能（包括鬧鐘中斷、從掉電模式喚醒），由RTC中的晶體振蕩電路（位于外圍電路中）提供一個(gè)更準(zhǔn)確的時(shí)鐘源可使實(shí)時(shí)時(shí)鐘的準(zhǔn)確性得到顯著提升。為有效提高傳輸速率對(duì)于數(shù)據(jù)線上的信息通過串行時(shí)鐘線實(shí)現(xiàn)了采樣和移位的同步處理，并且可根據(jù)實(shí)際需要通過對(duì)寄存器（SDIPRE）相應(yīng)位進(jìn)行設(shè)置實(shí)現(xiàn)對(duì)傳輸頻率的控制。編程SDI模塊的主要操作步驟包括：先完成滿足需求的時(shí)鐘和中斷使能的配制（通過設(shè)置SDICON實(shí)現(xiàn)），再將寄存器配制設(shè)置為適當(dāng)值，初始化各個(gè)SDCLK時(shí)鐘周期，分別在SDIDTimer和SDIBSize中寫入數(shù)據(jù)超時(shí)時(shí)間和寫塊大小，然后確定塊方式、啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸（設(shè)置SDIDatCon），在數(shù)據(jù)寄存器中寫入Tx數(shù)據(jù)（Tx FIFO包括TFDET可用置位、TFHalf一半置位、TFEmpty空位），從數(shù)據(jù)寄存器讀取Rx數(shù)據(jù)（Rx FIFO包括RFDET可用置位、RFFull滿位、RFHalf一半置位、RFLast最后數(shù)據(jù)就緒置位）[6]。

3?主要功能模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1?音視頻播放

該模塊支持片上PGA的低噪聲和高輸入阻抗，具有較佳的噪聲處理性能和穩(wěn)定的線性，通過配置寄存器調(diào)節(jié)增益倍數(shù)實(shí)現(xiàn)噪聲的有效抑制，采用支持多種設(shè)備的V4L2，V4L2包含 3 種接口：（1） 視頻采集接口，具有萬(wàn)能的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，對(duì)攝像頭種類不做限制，基本不需要改變驅(qū)動(dòng)程序即可滿足行駛記錄儀的圖片與視頻采集功能需求;（2） 視頻輸出接口，可驅(qū)動(dòng)包括其他視頻圖像設(shè)備在內(nèi)的外部設(shè)備，并能夠向以電視信號(hào)格式作為輸出的設(shè)備自動(dòng)轉(zhuǎn)換和配置;（3） 直接傳輸視頻接口，主要負(fù)責(zé)完成所采集視頻信號(hào)（使用視頻采集設(shè)備完成）在相應(yīng)輸出設(shè)備上的直接輸出（ead與write），可直接訪問內(nèi)存并采用映射方式完成傳輸過程。

播放音視頻模塊主要用于播放錄制的視頻和音頻，用戶通過觸摸屏完成相應(yīng)操作（包括播放、暫停、音量增/減、快進(jìn)快退等），實(shí)現(xiàn)對(duì)播放中音視頻的自由切換與播放、暫停繼續(xù)及音量控制等功能[7]。

3.2?圖片瀏覽和數(shù)據(jù)采集

主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)瀏覽行駛記錄儀采集到的視頻數(shù)據(jù)內(nèi)容、圖片（上一幅，下一幅），并可選擇顯示方式（包括特效顯示），在觸摸屏產(chǎn)生ADC中斷的情況下將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后經(jīng)換算實(shí)現(xiàn)像素點(diǎn)位置的確定。汽車行駛記錄儀的硬件方面數(shù)據(jù)量需通過設(shè)計(jì)軟件界面實(shí)現(xiàn)展示與操作，本文使用Access完成軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)，在簡(jiǎn)化軟件開發(fā)流程的同時(shí)使行車記錄儀的實(shí)時(shí)性和靈活性得到有效提高，數(shù)據(jù)采集與信息檢索主要包括8個(gè)信息開關(guān)量（剎車、開/關(guān)門、左/右轉(zhuǎn)向、遠(yuǎn)/近光燈、喇叭）、油箱耗油模擬量、速度模擬量，GPS的檢索信息包括地理位置、速度、相對(duì)位移度等，隨著行駛記錄儀的信息量不斷增加，采用OfficeAccess設(shè)計(jì)界面還能夠使數(shù)據(jù)庫(kù)連接問題得以有效解決，確保在新的數(shù)據(jù)覆蓋舊數(shù)據(jù)前完成數(shù)據(jù)保存[8]。

3.3?數(shù)據(jù)處理

為有效滿足汽車行駛記錄儀的功能需求，行駛記錄儀將采集的數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)（通過串口完成），并以txt文檔格式保存數(shù)據(jù)，串口連接及保存的txt文檔，如圖2所示。

選擇數(shù)據(jù)信息量的流程為：先完成數(shù)據(jù)源和總的數(shù)據(jù)表的建立（在Access中），對(duì)需要的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行確定，在此基礎(chǔ)上建立數(shù)據(jù)查詢條件，以查詢條件為依據(jù)完成信息量的檢索，并在終端界面呈現(xiàn)所查詢的數(shù)據(jù)結(jié)果。汽車行駛記錄儀的單片機(jī)基于NMEA-0183協(xié)議同GPS建立其實(shí)時(shí)高效的連接通訊過程，單片機(jī)采用串口通訊TTL電平同上位機(jī)進(jìn)行通信，記錄儀定時(shí)（每秒一次）上報(bào)數(shù)據(jù)[9]。

4?總結(jié)

本文主要通過使用S3C2440單片機(jī)完成了一種操作簡(jiǎn)單的嵌入式行駛記錄儀的設(shè)計(jì)，主要功能在于記錄汽車狀態(tài)量與定位，實(shí)現(xiàn)了全程錄像功能，該記錄儀具備信息采集（包括駕駛員信息、開關(guān)量和模擬量信號(hào)）、記錄、存儲(chǔ)、通信等功能，將采集到狀態(tài)信號(hào)后先存儲(chǔ)到鐵電存儲(chǔ)器中，再向上位機(jī)上傳數(shù)據(jù)信息（通過RS232串口完成）由其完成分析和處理過程，緊急情況下可自動(dòng)完成全方位拍照，和其他采集信息一同保存到SD 卡中，并可選擇是否錄音、在線觀看錄制的音視頻文件，儲(chǔ)存卡存滿時(shí)會(huì)自動(dòng)覆蓋之前錄制的數(shù)據(jù)。

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（收稿日期：2020.04.15）