基于单片机的汽车行驶状态记录仪本科毕业设计

基于单片机的汽车行驶状态记录仪本科毕业设计内容摘要：

符号功能介绍引脚符号功能介绍Dig0Dig7LED显示位驱动及键盘扫描线/RES复位输入端，低电平有效SegASegHLED显示段驱动及键盘扫描线OSC1连接晶体以产生内部时钟SDAI2C总线接口数据/地址线0SC2连接晶体以产生内部时钟SCLI2C总线接口始终线VCC电源正（）/INT中断输出端，低电平有效GND电源地 存储器模块根据国家标准规定，汽车行驶记录仪中的数据应该包括2个部分：汽车实时数据(存放汽车发生事故前后的20S时间内数据)；汽车历史数据(存放360h内汽车和司机的行驶状况)。 存储需求分析国标要求记录仪具备车辆行驶速度的测量、记录、存储功能。 车辆行驶速度数据主要由事故疑点数据和行驶状态数据两部分组成。 (1)事故疑点数据的存储需求、记录次数至少为10次。 速度记录单位为km/h，测量范围为0km/h~220km/h，测量分辨率等于或优于1km/h。 需要存储的实时数据至少应该包含以下信息:驾驶员代码，单独存储，十六进制，占用3个字节的存储空间。 时间(年、月、日、时、分、秒)，8421BCD码，占用6个字节。 速度，十六进制，占用1个字节。 车辆行驶状态数据，十六进制，占用1个字节。 考虑到时间仅能精确到秒，所以时间不需要每200ms记录一次，每5次(1秒)记录一次时间。 疑点数据的格式序号123合计项目名称时间速度车辆状态数据长度（字节）6151516根据疑点数据的逻辑格式，可以计算出每秒事故疑点数据占用16个字节存储空间。 20秒实时数据所需要的数据空间：2016=320(字节)(2)行驶状态数据的存储需求国标规定无论车辆在行驶状态还是停驶状态，记录仪均应能提供实时时间对应的车辆行驶速度信息。 记录仪应能以不大于1分钟的时间间隔持续记录并存储车辆在最近360小时内的行驶状态数据，该行驶状态数据为车辆在行驶过程中与实时时间相对应的每分钟间隔内的平均行驶速度。 速度的单位为km/h，测量范围为：0km/h220km/h，分辨率等于或优于1km/h。 需要存储的行驶数据包含以下几组信息：驾驶员代码，单独存储，十六进制，3字节。 时间(年、月、日、时、分)，8421BCD码，5字节；速度，十六进制，1字节；里程，8421BCD码，3字节。 从而可得每一分钟需要记录的历史数据为9字节。 本记录仪中，总共存储最近360小时内的行驶状态数据，因此需要的存储空间为：360609=194400(字节)=189．84375k(字节)。 另外，还要存储数据的索引、车辆特征系数(十六进制，3字节)、车辆识别代号VIN(ASII码，17字节)、车牌号码(ASII码，12字节)、车牌分类(ASII码，12字节)、驾驶员代码(十六进制，3字节)、机动车驾驶证号码(ASII码字符，18字节)、记录仪主机可识别的唯一性编号及初次安装同期(8421BCD码，5字节)、记录仪每一次下传的日期及时间8421BCD码，5字节)、每一次上载的日期和时间(8421BCD码，5字节)、每一次车辆特征系数的设定时间(8421BCD码，5字节)等信息。 预计总的数据量将会有200k字节。 存储方案选择为方便叙述，事故疑点数据、行驶状态数据分别采用实时数据和历史数据术语。 实时数据存放汽车发生事故前后的数据，主要用于分析事故发生的原因和事故的责任；历史数据存放汽车和司机的行驶状况，作为事故分析的参考依据和对汽车、司机的运行状况考核。 本记录仪需要存储的数据量较大，记录仪对存储的实时性和可靠性要求较高。 本文设计的记录仪实时数据存储在铁电存储器中，历史数据存储在数据闪存中。 将实时数据暂存起来，满一页时，再将实时数据传送到历史数据存储系统中，存满360h数据，然后将其重新覆盖。 (1)实时数据的存储记录仪不仅要有较大的存储空间，并且要求能够有较快的存取速度，掉电情况下能够对数据进行保存。 为了保证所有采集的数据能够及时的存储，仅使用Flash存储器是不行的，因为它的擦写速度比较慢，不能按字节进行擦写操作。 在记录仪掉电或单片机任务繁忙的情况下，会造成车辆行驶信息不能及时的存储。 因此，需要扩展一个快速的RAM器件作为数据缓存。 单片机可以将采集的数据及时保存在缓存中，在空闲周期内，将成页或成块的车辆行驶数据转存到Flash存储器中，充分保证记录仪的可靠性。 目前可满足实时数据存储方案的非易失性RAM主要有普通静态RAM加电池供电、内部带锂电的非易失性RAM和新型的非易失性FRAM铁电存储器三种实现方式。 第一种方案要考虑电池充放电电路、同时要保证电池电量可靠、安装稳定牢固等因素，使得系统复杂度增大、可靠性降低；第二种方案RAM价格昂贵，1K字节需要15元左右；第三种方案FRAM兼具RAM的快速写入特性和ROM的非易失性，没有电池产生的不良因素。 鉴于上述要求，本系统选用非易失性串行外围接口FRAM铁电存储器FM25L256，它具有以下显著特点：工作频率最高可达25MHz，存储空间为32K8bit；无限次的读写次数；快速SPI串行协议，读写数据无延时；掉电保护，且掉电数据可保持45年；先进的高可靠性铁电制造工艺，体积小、抗干扰性强；完善的软、硬件双重写保护；(2)历史数据的存储历史数据存储器的选择主要满足存储空间较大、存放数据安全、保存时间较长等特点即可。 嵌入式系统一般不使用硬盘或者软盘作为存储设备，大部分嵌入式系统使用FLASH存储器来存放数据和代码。 对于大容量的非易失性存储器，通常采用EEPROM或Flash型存储器，它们不仅可以在掉电的情况下不会丢失所保存的数据，并且可改写的次数也很大，价格低廉，其中Flash型器件的擦写速度更快，可擦写次数也比EEPROM高。 因此本记录仪中用Flash型存储器。 Flash存储器有并行接口方式、SPI接口方式和12C接口方式三种。 并行接口方式的Flash占用过多的单片机I/O引脚，本文设计的记录仪I/O资源紧张；12C接口的Flash只需要两个I/O引脚就可以实现访问但是其访问速度比较慢(400Kbps)；SPI总线接口的Flash，需要4个I/O引脚，其访问的速度可达20Mbps。 综上所述，FM25L256很适合应用在汽车行驶记录仪这种要求快速频繁写操作的非易失性应用场合；SPI接口的闪存AT45DB081B适合本记录仪的应用。 采用铁电存储器与SPI接口的闪存兼顾按字节快速写入速度、较大数据存储空间及掉电不丢失数据的需求。 存储器选型(1)铁电存储器FM25L256通过SPI接口与主控芯片通信，在SCK的上升沿接收数据，在SCK的下降沿发送数据。 将FM25L256的WP脚接高电平、状态寄存器设置为00，不采用硬件写保护，这样就可以对所有存储空间进行写操作。 而且对FM25L256进行操作之前，必须向其传递一个操作代码，以指示FM25L256现在进行的是什么操作。 实时数据存储电路 FM25L256引脚功能介绍引脚符号功能介绍引脚符号功能介绍/CS芯片选择输入端SI串行输入端SCK串行时钟输入端SO串行输出端/HOLD保持输入端VDD电源（）/WP写保护输入端VSS接地端(2)闪速存储器AT45DB08lB是ATMEL公司推出的一款基于Flash技术的大容量数据存储器，采用2．，管脚(SI、SCK、/CS、/RESET、/WP)支持5V输入，允许直接5VTTL或COMS电平信号相联接，并且与之兼容；AT45DB081B的最大时钟频率可达20MHz；在系统编程比较简单，不需要高电压。 AT45DB081B的存储结构分为主存储区、两个缓存区及一个状态寄存器。 主存储区容量为8,650，752位，被分成10段、512块和4096页三个等级，每页264字节。 AT45DB081B有段、块和页三种操作方式，相关操作包括读操作指令、编程擦出指令两部分。 编程操作是基于页的，可实现对字节的读操作，不支持单字节的写操作：支持页写、页擦除操作，擦除操作则可以按块或页进行。 由于MC9S12D64内嵌1个SPI模块，所以AT45DB081B的硬件电路容易实现，只需将二者对应管脚相连即可。 WP为写保护引脚，如果将其置低，则AT45DB081B中存储器的前256页被写保护。 如果要对其执行写操作，必须使WP为高。 WP引脚在芯片内部拉高，如果不使用写保护功能该引脚可以悬空。 为了提高AT45DB081B的可靠性，/WP端接电源，允许写。 当AT45DB081B的CS由高变低时，芯片启动一次操作，而当CS由低变高时，终止操作。 这时SI上的任何数据都被忽略，S0处于高阻态。 历史数据存储电路 AT45DB081B引脚介绍引脚符号功能介绍引脚符号功能介绍/CS片选端/WP写保护输入端SI串行输入端/RES复位端SO串行输出端/RDY/BUSY就绪/忙SCK串行时钟输入端VCC电源GND接地 驾驶员身份识别 国标规定记录仪应能实现驾驶人员身份记录功能，应能记录驾驶员代码和公安交通管理部门核发的机动车驾驶证证号。 lC卡是汽车行驶记录仪的重要组成部分，主要用于驾驶员身份识别和存储汽车的基本数据，例如放驾驶员代码和驾驶证号码。 驾驶员在开车之前插入IC卡，直到离开时将IC卡拔出，在此期间存储的驾驶记录均由该驾驶员产生。 设计方案的选择 目前汽车行驶记录仪采用的驾驶员身份识别方式主要有：直接输入识别、非接触式IC卡识别以及接触式IC卡识别。 方案一：直接输入式识别。 顾名思义就是直接通过按键，输入驾驶员的信息资料来确认身份。 最常见的是输入与驾驶证号码唯一对应的驾驶员代码和密码，从而实现驾驶员身份的识别。 直接输入识别方式开发简单，可靠性较高，但也存在着占用CPU引脚多，增大记录仪体积等缺点。 方案二：非接触式IC卡识别。 其读写过程通常由非接触式IC片和读写设备间的无线电波来完成。 非接触式IC卡识别方式操作过程简单，但是抗干扰能力相对较弱，且成本较高。 方案三：接触式IC卡识别。 CPU一旦探测到有IC卡插入则通过卡的I/O口读取数据，接着进行程序的判断处理。 当确定为合法的IC驾驶员卡后，再按照协议读取驾驶员信息。 接触式IC卡存储量大，读写机构造价便宜，维护方便。 综合考虑，此设计采用方案三IC卡的方式作为记录仪主机的驾驶员身份识别方案。 IC卡(Integrated Circuit card)又叫智能卡(smart card)。 根据不同的应用领域IC卡分为金融IC卡和非金融IC卡；从IC卡的读/写方法上来分类有接触型和非接触型两种；根据IC卡内部结构可分为存储卡(memory card)、逻辑加密IC卡和CPU卡3种。 为了保证驾驶员的信息不被随意更改，选用西门子公司生产的接触式逻辑加密卡SLE4442。 电路设计 SLE4442提供最小10万次的擦写次数，数据保存10年，具备12C总线接口。 SLE4442存储器主要由256字节E2pROM型主存储器、32位PROM型保护存储器和4字节E2PROM型加密存储器组成。 IC卡接口电路 SLE4442引脚功能介绍引脚符号功能介绍引脚符号功能介绍VCC工作电压GND地线RST复位信号SCL串行时钟输入SDA串行数据输入/输出SW2/SW1卡插入测试端单片机内嵌一个12C模块，硬件实现较为简单，只需把SLE4442的两线(SCL和SDA)和单片机对应的引脚相连即可，由于SCL和SDA是开漏输出，所以要加上拉电阻。 RST引脚与单片机l/O脚相连。 接触推拔式IC卡卡座有常开、常闭两种类型，本文采用常开卡座。 IC卡插入方向为IC卡触点面向上，并且触点端朝前。 IC SW脚与单片机I/O引脚相连，有IC卡插入时，IC SW为高电平；反之，无IC卡插入。 车载主机和上位机之间的数据传输方式国家标准规定汽车行驶记录仪应同时配置以下两种标准接口：USB(通用串行总线)标准接口，建议采用主结构式USB接口；标准RS232CD型9针接口。 在具备上述通信接口的基础上，可以同时使用其它通信方式。 USB技术的优势以及USB接口在此设计中的应用通用串行总线USB技术具备很多优点：设备自动被系统识别，自动安装驱动程序，系统自行进行配置；USB支持热插拔和即插即用；占用的系统资源少，无总线竞争；速度快： Mbps和12Mbps两种传输速率，比串口快了整整4000倍，比并口也快了400多倍；USB端口支持多个不同设备的串联，一个USB口理论上可连接127个USB设备；USB事务处理包括错误检测机制，用以确保数据无错误的发送；设备能够直接由USB总线进行供电；支持四种传输方式：控制传输、中断传输、块传输和同步传输。 ，具体如下：（1）驾驶员身份码设置，公司管理人员用计算机通过专用软件，进行驾驶员信息数据设置，再输入移动优盘，驾驶人员在开车时将已储存驾驶员信息的移动优盘，插入USB接口，优盘能由记录仪自动读取、分辨驾驶员身份码。 （2）对记录仪进行初始设置，在汽车行驶记录仪采集设置软件中进行数据设置，保存至移动优盘，通过权限命令，记录仪自动执行初始化设置。 （3）实现数据采集和转移，行车后，通过权限命令可用移动优盘采集数据，导入桌面管理系统，进行分析修正。 其数据采集过程如下：将汽车行驶记录仪上位机目录中的相关管理命令复制到空白优盘中，记录仪将会自动执行采集数据的命令，把行驶数据输入优盘。 USB接口的硬件电路设计STM32F103芯片内部集成了USB外设，大大减轻了USB电路的设计负担，只需设计USB接口电路，就可以实现基于STM32F103芯。