1. 概述
汽車行駛記錄儀，又稱“汽車黑匣子”,，是對車輛行駛速度,、時間、里程以及有關車輛行駛的其他狀態(tài)信息進行記錄,、存儲并可通過接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出的數(shù)字式電子記錄裝置[1],。多功能汽車行駛記錄儀可詳細記錄車輛每次的起動時間、行駛里程,、行駛時間,、最高車速以及每次最高車速的持續(xù)時間，在汽車駕駛員超速行駛時發(fā)出超速報警聲,，儲存停車前20秒的車輛信息,，并且可以使用USB移動磁盤采集數(shù)據(jù)，具有GSM/GPRS遠程數(shù)據(jù)傳輸,、GPS定位等功能,。同時可以建立監(jiān)控中心，管理多個終端,，方便交通管理部門根據(jù)所記錄的有關數(shù)據(jù)對車輛進行有效的管理,，大大地提高了駕駛員的安全責任心，從而可大幅度地降低事故的發(fā)生,。
為了使車輛的排放,、舒適性、穩(wěn)定性,、動力性和制動性等技術性指標達到一定的要求,，CAN總線已發(fā)展成為汽車電子系統(tǒng)的主流總線。目前,，我國的轎車已具有一定的電子控制和網(wǎng)絡功能,。2006年，北京地區(qū)大客車的排放也要滿足歐Ⅲ標準,，并且已制定了基于CAN總線通信協(xié)議的SAE J1939作為載貨車和大客車的通訊標準[2],。基于CAN總線的多功能汽車行駛記錄儀,，就是根據(jù)這種發(fā)展趨勢,，為有CAN總線的汽車而開發(fā)的，預留出CAN節(jié)點的接口,，使其可以通過CAN總線采集數(shù)據(jù),，增強了多功能汽車行駛記錄儀的擴展性。一旦出現(xiàn)故障,，可以盡快的檢測出問題,，便于檢修。
2. CAN總線技術
CAN-bus(Controller Area Network)即控制器局域網(wǎng),，是德國BOSCH公司在80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信總線,，是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。它可靠性高,、性能價格比高,、適應性好。國外眾多的汽車,，如奔馳,、寶馬、大眾,、沃爾沃,、雷諾及帕里奧汽車都采用了CAN總線技術[3]。CAN通信協(xié)議主要描述了設備之間的信息傳遞方式,。通信接口集成了CAN協(xié)議物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能,，可對通信數(shù)據(jù)進行幀處理。為在汽車這一特殊環(huán)境中的應用,，提供了保證[3,4]：
(1) 數(shù)據(jù)通信的可靠性 CAN總線每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施,，具有極好的檢錯效果，并且CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能,，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響,。
(2) 數(shù)據(jù)通信的實時性 CAN總線的通信速率可達1Mbps，在報文標識符上,，CAN上的節(jié)點分成不同的優(yōu)先級,，優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)享有占用總線的優(yōu)先權，優(yōu)先權高的數(shù)據(jù)最多可在134ms內(nèi)得到傳輸,。
(3) 數(shù)據(jù)通信的靈活性 CAN總線是一種多主總線結構,，各個節(jié)點之間相互獨立，總線上任何一個節(jié)點均可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡上其它節(jié)點發(fā)送信息。面向數(shù)據(jù)塊的通信方式,，每幀數(shù)據(jù)量為8字節(jié),，通信介質(zhì)為雙絞線、同軸電纜或者光纖,。由于CAN通信協(xié)議僅包括物理層和數(shù)據(jù)鏈路層說明,，并未對應用層的功能和實現(xiàn)進行定義，因此,，用戶既可以采用國際CAN總線用戶及制造商協(xié)會或其他一些組織制定的開放式高層協(xié)議,，也可以在工程種靈活的實現(xiàn)自己的應用層。
載貨車和大客車的通訊標準SAE J1939則將汽車應用層進行具體實施,，統(tǒng)一定義了整套的地址編碼系統(tǒng),，這樣不同廠家的控制器（ECU）可以接入同一網(wǎng)絡系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,，從而減少了電子系統(tǒng)的線束,，減少了冗余的傳感器，降低了造價,，提高了系統(tǒng)的通用性和可靠性,，同時改善了系統(tǒng)的靈活性[5]。
3. 系統(tǒng)總體結構設計
多功能汽車行駛記錄儀主要由CPU,、數(shù)據(jù)存儲器,、CAN控制器/收發(fā)器、電源轉(zhuǎn)換模塊,、GPS模塊,、GSM/GPRS模塊、IC卡接口,、開關量輸入,、USB接口及光電隔離電路等組成。系統(tǒng)總體結構圖見圖1：各部分采集數(shù)據(jù)后,，通過CAN總線與記錄儀通信,，最終由記錄儀完成數(shù)據(jù)的存儲。由于采用了現(xiàn)場總線方式,，實際布線非常簡潔,，只需要一條雙芯電纜即可，擴展非常方便,。多功能汽車行駛記錄儀通過USB接口可以完成數(shù)據(jù)的導出,，由管理分析軟件完成數(shù)據(jù)的分析顯示。
3.1 CAN接口設計
CAN接口模塊,，主要用于記錄儀與總線間的數(shù)據(jù)采集,?？偩€上的CAN節(jié)點模塊采集各種數(shù)據(jù)，傳輸?shù)娇偩€上,，記錄儀通過其內(nèi)部的CAN接口模塊,，獲得各種模擬量信號及脈沖頻率信號。CAN總線傳輸數(shù)據(jù)結構圖見圖2,。這種采集數(shù)據(jù)的方式,，具有很好的擴展性和可移植性,。對于一些相對固定且常用的參數(shù),，如：車速，發(fā)動機轉(zhuǎn)速,，傳感器模擬量輸入等,，可以直接設計成一個CAN節(jié)點模塊，掛在總線上,，適用于各種車型,；對于其他不常用參數(shù)，可以根據(jù)需要進行擴展,，做成活動的CAN節(jié)點,，如：溫度傳感器，可以增設到CAN節(jié)點模塊中,，測出車內(nèi)各座位的溫度場分布,。同時對于活動CAN節(jié)點，也可以設計成通用的模塊,，根據(jù)不同的車型和需要,，改變CPU中的軟件部分，即可得到想要的各種數(shù)據(jù),。
圖1 系統(tǒng)總體結構圖
圖2 CAN總線傳輸數(shù)據(jù)結構圖
記錄儀內(nèi)部的CAN接口模塊由看門狗,、CAN控制器、CAN收發(fā)器,、RS232,、開關信號輸入等部分組成。CAN接口模塊圖見圖3,。
（1）CAN控制器 選用Philips的SJA1000,，它是一種獨立控制器，用于移動目標和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡控制CAN,。其中SJA1000的PeliCAN這種工作模式支持具有很多新特性的CAN2.0B協(xié)議,。
（2）CAN 驅(qū)動器 選用PCA82C250，也即CAN 協(xié)議控制器和物理總線的接口,。此器件對總線提供差動發(fā)送能力,，對CAN 控制器提供差動接收能力,，它主要是為汽車中高速通訊（高達1Mbps）應用而設計，完全符合“ISO11898”標準,，具有限流電路和熱保護功能,。CANH、CANL 兩條線可防止在汽車環(huán)境下可能發(fā)生的電氣瞬變現(xiàn)象,。
圖3 CAN接口模塊圖
3.2 CPU與存儲器
記錄儀接收總線上的數(shù)據(jù),，匯總后進行數(shù)據(jù)的存儲，并可根據(jù)事先確定的警戒值進行語音報警提示,。核心是數(shù)據(jù)的準確可靠存儲,。
這里CPU選擇臺灣華邦公司生產(chǎn)的8位單片機W77E58，與MCS51系列單片機具有相同內(nèi)核,，功能更加強大,，可多次編程，在相同主頻下,，速度是89S52的3－4倍,。它內(nèi)部集成了32KB的可重復編程的Flash ROM、256字節(jié)的片內(nèi)存儲器,、1KB用于MOVX指令訪問的SRAM,、可編程看門狗定時器、三個16位定時器,、二個增強型的全雙工串行口,、片內(nèi)RC震蕩器、雙16位數(shù)據(jù)指針等諸多功能,。
多功能汽車行駛記錄儀對存儲器的要求很高,，要對大量的數(shù)據(jù)進行存儲，需要外擴數(shù)據(jù)存儲器,。它所記錄的數(shù)據(jù)包括兩部分：一為停車前的疑點數(shù)據(jù),，存放停車前20秒的數(shù)據(jù)，用于分析事故發(fā)生的原因和事故的責任,；二為歷史記錄,，存放汽車整個行駛過程中的數(shù)據(jù)，用于考核駕駛員和汽車的運行狀況,。
在存儲模塊中,，采用了鐵電存儲器（FRAM）與DATA FLASH并用的方式。FRAM是美國Ramtron公司的核心技術,，具有隨機存取記憶體（RAM）和非易失性存儲的特性,，掉電后數(shù)據(jù)能保存10 年。它可擦寫次數(shù)多,，5V供電的FRAM 的擦寫次數(shù)為100億次,，低電壓的FRAM 的擦寫次數(shù)為1億億次,。速度快，功耗低,，可以用于停車前20秒的數(shù)據(jù)存儲,。DATA FLASH選用Atmel公司生產(chǎn)的AT45DB041，它具有4Mbit的Flash的存儲單元,，可以存儲26000條記錄,，由于采用SPI串行模式進行操作，可以很方便的與CPU進行通訊,。在存儲模塊中,，它用來存儲歷史數(shù)據(jù)。不同的芯片,，增加的主存儲器的容量不同,，如AT45D081,、AT45D161,、AT45D321的容量分別為8M、16M,、32Mbits,。
3.4 通信接口
根據(jù)GB/T 19056—2003的國家標準，標準型記錄儀應至少配置兩種標準接口：(1)USB（通用串行總線）標準接口,；（2）標準RS232D型9針接口,。
通過RS232串行口直接進行數(shù)據(jù)傳輸比較容易實現(xiàn)、普及廣泛,、可靠性高,。芯片選用MAX232，它是一種雙組驅(qū)動器/接收器,，片內(nèi)含有一個電容性電壓發(fā)生器,，可以在單5V供電時提供EIA/TIA-232-E電平。
用USB標準接口傳輸數(shù)據(jù),，U盤體積小,，容量大，便于攜帶,，讀取數(shù)據(jù)方便,。采用CYPRESS公司生產(chǎn)的USB-HOST接口芯片SL811作為USB接口芯片。該芯片支持USB1.1協(xié)議,，價格低,，性能突出，可靠性高,，可以理想地用于多種外設,。它內(nèi)部有256字節(jié)的RAM數(shù)據(jù)緩沖器,，可以用來控制寄存器和數(shù)據(jù)緩存器。高速模式下支持12Mbps,，低速模式下支持1.5Mbps,。對于大多數(shù)廠家生產(chǎn)的USB移動磁盤（如朗科優(yōu)盤、愛國者優(yōu)盤等）都可以成功存取,。
4. 軟件設計
多功能汽車行駛記錄儀的軟件設計分為系統(tǒng)軟件和管理軟件兩部分,。
系統(tǒng)軟件的主要功能是對記錄儀各個模塊以及特殊寄存器進行初始化，巡回檢測各個開關狀態(tài)量和模擬量[6],。如記錄儀設置模塊初始化,，包括記錄間隔、報警速度閾值,、車牌照等等,，存儲器初始化，GPS/GSM模塊初始化等,。它主要通過Keil C對單片機編程,，實現(xiàn)上述功能。
管理軟件是多功能汽車行駛記錄儀配套的管理軟件,，通過全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）實現(xiàn)對車輛的全程跟蹤,，將車輛的各種違章事件都直觀的反映出來，便于處理,。它是建立在Microsoft Windows的基礎上,，以Mapinfo公司的地圖二次開發(fā)控件MAPX為GIS軟件開發(fā)平臺，可以使用VB,，VC等多種語言,，進行開發(fā)[7]。
管理軟件具有數(shù)據(jù)智能分析功能,。對記錄儀記下的大量數(shù)據(jù)進行篩選,、初步評價，給出智能報告,。該數(shù)據(jù)分析功能可以分析以下數(shù)據(jù)：1,、疑點數(shù)據(jù)；2,、車輛行駛速度及里程數(shù)據(jù)（日期,，時間，速度,，里程）,；3、連續(xù)駕駛時間數(shù)據(jù)（起始日期,，起始時刻,，結束日期,，結束時刻，駕駛證號碼）,；4,、車輛識別代號、車輛特征系數(shù),、車牌號碼,、車牌分類；5,、駕駛員代碼,、駕駛證證號。為了提高分析數(shù)據(jù)的效率,可以分三類分析：1,、超速(起始日期,起始時間,結束日期,結束時間),；2、里程(起始日期,起始時間,結束日期,結束時間,行駛里程),；3,、疲勞駕駛(起始日期,起始時間,結束日期,結束時間)。超速是根據(jù)數(shù)據(jù)庫內(nèi)有記錄的相應路段所對應的超速值來查詢內(nèi)存中1 h 內(nèi)的超速數(shù)據(jù),；里程能提供30 d 內(nèi)的任意時段的行駛里程,；疲勞駕駛則是表示兩個日歷天內(nèi)的疲勞駕駛數(shù)據(jù)。
5. 結論
本文詳細介紹了一種基于CAN總線的多功能汽車行駛記錄儀,，對CPU的選擇、CAN接口模塊,、存儲器,、通信模塊、內(nèi)部軟件以及管理中心的建設做了深入的分析和說明,。在標準汽車行駛記錄儀的基礎上,，增加了USB移動磁盤采集數(shù)據(jù)，GSM/GPRS遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，并與CAN總線技術相結合,，增強了可擴展性。本多功能汽車行駛記錄儀,，已經(jīng)開發(fā)成功,，并且做了相應的實驗，工作穩(wěn)定性好,、具有抗干擾的性能,，使用效果良好。