汽車(chē)行駛記錄系統(tǒng)中AT89C51ED2 的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

隨著社會(huì)的發(fā)展，汽車(chē)越來(lái)越普及，隨著汽車(chē)擁有量的增加，發(fā)生交通事故的概率也隨之增加，發(fā)生事故后用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行分析、判斷、維修有一定的困難。這樣，就給人們提出了一個(gè)問(wèn)題，怎樣及時(shí)、準(zhǔn)備地分析故障的存在，客觀地分析事故的責(zé)任。汽車(chē)行駛記錄儀作為一種降低交通事故的發(fā)生率，規(guī)范和保障駕駛?cè)藛T的行為和權(quán)益， 方便交通管理部門(mén)執(zhí)法檢查和事故責(zé)任認(rèn)定， 提高運(yùn)營(yíng)單位對(duì)司乘人員和車(chē)輛的監(jiān)督管理的一種重要手段，越來(lái)越得到人們的關(guān)注和重視。設(shè)計(jì)一種能滿(mǎn)足車(chē)輛管理，事故認(rèn)定及疲勞駕駛提醒的車(chē)載儀器迫在眉睫。本文介紹一種價(jià)格低，功能較齊全且能擴(kuò)展的采用AT89C51ED2 作為MCU 的汽車(chē)行駛記錄系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 系統(tǒng)的硬件總體設(shè)計(jì)

圖1 汽車(chē)行駛記錄儀系統(tǒng)框圖

本記錄儀采用Atmel 公司AT89C51ED2 單片機(jī)作為主控機(jī)，并行接口鐵電存儲(chǔ)器FM1808 作為大容量閃速存儲(chǔ)器，選用DS12C887 時(shí)鐘電路，利用高精度A/D 轉(zhuǎn)換器采集汽車(chē)傳感器轉(zhuǎn)換的模擬量，并直接記錄各種汽車(chē)信號(hào)的開(kāi)關(guān)量。同時(shí)利用USB 口、IC 卡或串口實(shí)現(xiàn)與微機(jī)的數(shù)據(jù)通信，把汽車(chē)行駛記錄數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)上。汽車(chē)行駛記錄儀工作時(shí)，由單片機(jī)通過(guò)前端接口電路拾取汽車(chē)行駛狀態(tài)的各種信息， 包括車(chē)速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和車(chē)輛各種開(kāi)關(guān)信號(hào)等。汽車(chē)行駛記錄儀以實(shí)時(shí)時(shí)鐘為基準(zhǔn)， 把車(chē)輛信息按類(lèi)別分別存入FRAM 和FLASH。需要從汽車(chē)行駛記錄儀中獲取汽車(chē)記錄狀態(tài)信息時(shí)，用戶(hù)插入優(yōu)盤(pán)，單片機(jī)自動(dòng)識(shí)別優(yōu)盤(pán)并加載驅(qū)動(dòng)程序，當(dāng)完成設(shè)備枚舉和Bulk_Only 傳輸協(xié)議后，單片機(jī)就可以把汽車(chē)行駛記錄儀中記錄的狀態(tài)信息以文件的形式傳輸?shù)絻?yōu)盤(pán)，也可以通過(guò)協(xié)議將信息以文件的形式傳輸?shù)酱笕萘康?4C64 的IC 卡上。系統(tǒng)框架如圖1 所示。AT89C51ED2 單片機(jī)是汽車(chē)行駛記錄儀的核心，整個(gè)系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、信息處理、存儲(chǔ)模塊、時(shí)鐘模塊、通信模塊、顯示模塊和電源模塊組成。

考慮到汽車(chē)的復(fù)雜工況以及記錄儀的性?xún)r(jià)比，單片機(jī)至少為工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，AT89C51ED2 是美國(guó)ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含4k byte 的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器(PEROM) 和128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8 位中央處理器(CPU)和16KB 的Flash 存儲(chǔ)單元，2KB 的EEPROM，3 個(gè)16 位定時(shí)器，有看門(mén)狗和ISP 功能，同時(shí)具有封裝小、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，非常適合作為汽車(chē)行駛記錄儀的主控MCU 。

2 主控單元實(shí)現(xiàn)信息采集和數(shù)據(jù)處理設(shè)計(jì)

汽車(chē)行駛記錄儀要求實(shí)時(shí)記錄車(chē)輛行駛的各種狀態(tài)信息，MCU 主控單元把從外圍設(shè)備傳來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理并作出相應(yīng)的指令。而其外圍設(shè)備主要包括開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)采集模塊、時(shí)鐘數(shù)據(jù)采集模塊、速度數(shù)據(jù)采集模塊、信息處理及存儲(chǔ)模塊設(shè)計(jì)、模擬量數(shù)據(jù)采集模塊。

2.1 開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)采集

如圖2 所示開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)采集示意圖。汽車(chē)行駛記錄儀要求實(shí)時(shí)記錄車(chē)輛行駛的各種狀態(tài)信息，如圖所示各種車(chē)輛開(kāi)關(guān)量數(shù)據(jù)狀態(tài)信息，都必須經(jīng)過(guò)光耦的隔離，并行輸入74HC573 中，然后經(jīng)過(guò)74HC573 轉(zhuǎn)換成CPU 能接收的“0”或“1” 狀態(tài)信號(hào)，再由AT89C51ED2 進(jìn)行接收，按一定的時(shí)間間隔傳送到存儲(chǔ)器相應(yīng)的地址位。

2.2 速度數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

汽車(chē)速度的測(cè)量是通過(guò)計(jì)數(shù)速度傳感器產(chǎn)生的脈沖信號(hào)，脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)抗擾度大于50% 施密特觸發(fā)器電路CD40106 傳送到AT89C51ED2 型單片機(jī)的P3.2 口，該單片機(jī)可設(shè)定一個(gè)守量器來(lái)計(jì)數(shù)速度脈沖信號(hào)， 并將其轉(zhuǎn)換成汽車(chē)的實(shí)際行程， 同時(shí)根據(jù)行程和時(shí)間可計(jì)算汽車(chē)行駛的速度，按一定的時(shí)間間隔傳送到存儲(chǔ)器相應(yīng)的地址位。速度計(jì)算運(yùn)行部分程序如下

2.3 信息處理及存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

由于要求系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)時(shí)間、日期及駕駛時(shí)間的采集、記錄、存儲(chǔ)功能；車(chē)輛行駛速度的測(cè)量、記錄、存儲(chǔ)功能；車(chē)輛行駛里程的測(cè)量、記錄、存儲(chǔ)功能；記錄儀應(yīng)能以不大于0.2 s 的時(shí)間間隔，持續(xù)記錄并存儲(chǔ)停車(chē)前20 s 實(shí)時(shí)時(shí)間對(duì)應(yīng)的車(chē)輛行駛速度值，及車(chē)輛制動(dòng)狀態(tài)信號(hào)，記錄次數(shù)至少為10 次的功能。因此要有既滿(mǎn)足了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)擦寫(xiě)次數(shù)的要求，也有存儲(chǔ)量大和成本比較低的功能。RAMTRON 公司生產(chǎn)的并行接口高性能鐵電存儲(chǔ)器FM1808 是比較理想選擇產(chǎn)品，F(xiàn)M1808 具有100 億次的讀寫(xiě)壽命，幾乎可以像RAM 那樣無(wú)限次寫(xiě)入；廣泛應(yīng)用于在系統(tǒng)掉電后需要可靠保存程序及數(shù)據(jù)的應(yīng)用領(lǐng)域；

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊FM1808 的引腳如圖3 所示，AT89C51ED2 通過(guò)AD0~AD7 八位數(shù)據(jù)總線和FM1808 相連，AT89C51ED2 通過(guò)八位數(shù)據(jù)總線把記錄下來(lái)的整度、汽車(chē)的實(shí)時(shí)行駛狀態(tài)定時(shí)地傳送到存儲(chǔ)器的相應(yīng)地址位置上（程序略）。

2.4 時(shí)鐘數(shù)據(jù)采集
本系統(tǒng)選用DS12887 時(shí)鐘電路。DS12887 是跨越 2000 年的時(shí)鐘電路，采用4 位數(shù)表示年度的日歷系統(tǒng)。DS12887 能夠自動(dòng)存取并更新當(dāng)前的時(shí)間，AT89C51ED2 通過(guò)讀DS12887 的內(nèi)部時(shí)標(biāo)寄存器得到當(dāng)前的時(shí)間和日歷，也可通過(guò)選擇二進(jìn)制碼或BCD 碼初始化電路的10 個(gè)時(shí)標(biāo)寄存器。由于 圖3 FM1808 封裝及引腳排列數(shù)據(jù)采集以固定的秒間隔來(lái)進(jìn)行，因此，系統(tǒng)只是在剛開(kāi)始運(yùn)行時(shí)和每個(gè)扇區(qū)的起始位置采集并存儲(chǔ)時(shí)鐘信號(hào)作為時(shí)間標(biāo)記， 而后面數(shù)據(jù)的采集時(shí)間則以這些時(shí)間標(biāo)記為參照。在本系統(tǒng)重新上電運(yùn)行時(shí)， 需要記錄開(kāi)始采集的時(shí)間信息。由于系統(tǒng)電源是由汽車(chē)電源提供的， 所以開(kāi)始采集的時(shí)間也就是汽車(chē)啟動(dòng)的時(shí)間， 以此作為汽車(chē)開(kāi)始行駛的時(shí)間標(biāo)記。在程序運(yùn)行中， 由主程序設(shè)定一個(gè)汽車(chē)啟動(dòng)標(biāo)志， 在第一次寫(xiě)數(shù)據(jù)之前汽車(chē)啟動(dòng)標(biāo)志有效， 然后首先判斷當(dāng)前存儲(chǔ)地址是否有某個(gè)扇區(qū)的首地址， 如果是， 則根據(jù)寫(xiě)扇區(qū)的要求在第七個(gè)字節(jié)開(kāi)始處存儲(chǔ)當(dāng)前的時(shí)鐘信號(hào)， 否則， 在當(dāng)前存儲(chǔ)地址處開(kāi)始用10 個(gè)字節(jié)存儲(chǔ)當(dāng)前的時(shí)鐘信號(hào)，記錄汽車(chē)開(kāi)始運(yùn)行的起始時(shí)間，然后清除汽車(chē)啟動(dòng)標(biāo)志。扇區(qū)開(kāi)始地址處記錄的時(shí)間信息是否是汽車(chē)開(kāi)始運(yùn)行的起始時(shí)間， 可根據(jù)前一個(gè)扇區(qū)記錄的時(shí)間信息進(jìn)行判斷。若前后兩個(gè)扇區(qū)記錄的數(shù)據(jù)是連續(xù)的， 則后一個(gè)扇區(qū)頭記錄的時(shí)間信息不是表示汽車(chē)開(kāi)始運(yùn)行的起始時(shí)間，否則情況相反。

2.5 串口通信和USB 存儲(chǔ)設(shè)計(jì)

計(jì)算機(jī)可以通過(guò)串口讀取行駛記錄儀存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。行駛記錄儀與計(jì)算機(jī)之間的串口通信遵循RS232 協(xié)議。串行通信時(shí)，CPU 依次將Flash 中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)讀出并經(jīng)P3.0(OUT) 串口發(fā)出，然后經(jīng)過(guò)MAX232 電平轉(zhuǎn)換器送給計(jì)算機(jī)，再由計(jì)算機(jī)通過(guò)串口接收該數(shù)據(jù)。接收數(shù)據(jù)時(shí), 計(jì)算機(jī)通過(guò)串口發(fā)送數(shù)據(jù)給MAX232 電平轉(zhuǎn)換器, MCU 經(jīng)P3.1(IN) 串口接收。
用USB 進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，目前市場(chǎng)上的USB 設(shè)備芯片比較多，而HOST 要少一些，選擇USB HOST 接口芯片主要考慮兩點(diǎn):一是在硬件上比較容易和51 單片機(jī)相連接，二是軟件開(kāi)發(fā)難度不太大，因此選擇SL811HST 比較合適。SL811HST 通過(guò)D0~D7 和AT89C51DE2 的P0.0~P0.7 來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換。存儲(chǔ)器上存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)也可以通過(guò)AT89C51DE2 的P3.4 和P3.5 口直接寫(xiě)到24C64 的IC 卡上。
3 管理軟件的設(shè)計(jì)
由于國(guó)家對(duì)行駛記錄儀通信協(xié)議有具體的要求，因此行駛記錄儀和管理軟件的通信協(xié)議滿(mǎn)足國(guó)家規(guī)定要求。它將從記錄儀上傳來(lái)的各種信息進(jìn)行歸類(lèi)整理。利用Visual C++ 6.0 作為開(kāi)發(fā)工具，編寫(xiě)微機(jī)數(shù)據(jù)分析處理程序， 模擬顯示汽車(chē)運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)； 利用圖形顯示各分量的波形， 如前向燈開(kāi)關(guān)情況、左右方向燈開(kāi)關(guān)情況、開(kāi)門(mén)信息、剎車(chē)信號(hào)、水溫變化情況（范圍為0℃~100℃） 等，并能實(shí)現(xiàn)文檔保存，也可以進(jìn)行打印。4 結(jié)束語(yǔ)
本車(chē)輛充分發(fā)揮了AT89C51ED2 微控制器強(qiáng)大的功能、簡(jiǎn)化了外圍電路設(shè)計(jì)，同時(shí)采用嵌入式USB 數(shù)據(jù)管理機(jī)制加上通過(guò)串口或IC 卡接收汽車(chē)行駛的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理；不僅解決了以往車(chē)輛行駛記錄儀中數(shù)據(jù)難以管理的問(wèn)題， 而且大大降低了硬件成本。采用本設(shè)計(jì)的車(chē)輛行駛記錄儀已應(yīng)用到企事業(yè)單位的車(chē)輛管理中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車(chē)輛運(yùn)營(yíng)的透明化管理，節(jié)約了運(yùn)營(yíng)費(fèi)用