基于MC9S12XD的行車記錄儀系統(tǒng)設(shè)計

　　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　由于CAN串行通訊總線的良好特性，被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、汽車制造業(yè)和航空工業(yè)等領(lǐng)域。本文所設(shè)計的基于CAN總線數(shù)據(jù)記錄儀是應(yīng)用在奇瑞汽車A5車型上的，對整車CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點數(shù)據(jù)進行采集和存儲。A5是第一款應(yīng)用CAN bus總線系統(tǒng)的自主品牌國產(chǎn)轎車，其CAN—bus主要應(yīng)用在傳動部，在車身部、ITS部和信息部等也有少量的應(yīng)用。對A5這款首次使用CAN技術(shù)的車型進行實時數(shù)據(jù)采集，可了解汽車運行期問各種數(shù)據(jù)信息變化，對A5乃至后續(xù)所有車款的研發(fā)來說，都有著非常重要的意義。

　　CAN總線行車記錄儀工作時應(yīng)掛接到汽車CAN總線上成為一個CAN節(jié)點，以便采集CAN數(shù)據(jù)信息。由圖1所示，該系統(tǒng)不僅采集車內(nèi)的 CAN總線消息，還可根據(jù)需要實時采集模擬信號量。液晶屏用來顯示采集的各路信號值，具有掉電保護功能，重新通電后，即可恢復顯示原有數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)除了用液晶屏實時顯示給用戶外，還可通過USB接口芯片CH375 將之存儲到u盤中，供實驗員拿回實驗室分析使用，如要實現(xiàn)存儲功能，按下存儲開關(guān)即可。

　　圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

　　根據(jù)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，硬件電路主要有如下幾個大模塊：主控制器模塊、液晶模塊、CAN驅(qū)動器模塊、電源模塊、CH375接口電路模塊。系統(tǒng)CPU采用Freescale公司的MC9S12XD(＄8.1770)系列單片機。它是控制和通信部分的核心，不僅負責系統(tǒng)初始化設(shè)置及報文接收，而且實現(xiàn)有關(guān)的數(shù)據(jù)判斷處理和顯示。片內(nèi)集成了構(gòu)成單片機控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所需的幾乎全部模擬和數(shù)字外設(shè)及其它功能部件，其主要特點如下：

　　（1）MC9S12XD系列帶有獨特的XGATE協(xié)處理器，本系統(tǒng)中CAN信號的接收是由中斷程序完成的，而中斷處理程序交給XGATE來處理，這樣將減輕CPU負荷，提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度。（2）帶有l(wèi)6個模數(shù)轉(zhuǎn)換通道，給采集模擬信號提供了硬件支持，并可編程選擇精確到10位精度。（3）帶有5個MSCAN模塊，內(nèi)部集成有CAN控制器，對CAN 模塊的配置實質(zhì)上轉(zhuǎn)化為了對單片機相應(yīng)寄存器的配置，使用方便靈活。（4）背景調(diào)試模式BDM 的支持，使得芯片的調(diào)試極為方便，加快了產(chǎn)品開發(fā)周期。（5）豐富的中斷源，為系統(tǒng)在非操作系統(tǒng)支持下運行提供了充分的保障。

　　電源模塊

　　記錄儀電源取自12V車載蓄電池電源，該電源除供系統(tǒng)工作外，還擔負點火、照明、信號等設(shè)備的供電，電源波動大，干擾嚴重，由于汽車在行駛過程中，可能遇到路面狀況比較惡劣的情況，會出現(xiàn)記錄儀電源接口由于劇烈震動所造成的松動或接觸不良，因此電源模塊必須精心設(shè)計才能滿足需求。電源模塊電路簡圖如圖2所示，其中U1是由電池提供的6V備份電源，U2（主電源）是車載12V電源，該電源模塊被分成2路，經(jīng)7805穩(wěn)壓后的+5v 電壓單獨給液晶供電，經(jīng)4275轉(zhuǎn)換后的VCC給整個單片機及輔助電路供電。系統(tǒng)正常工作時，D1處于截止狀態(tài)，備份電池不起作用，一旦失去主電源供給，則D1迅速導通，備份電源自動啟動為系統(tǒng)供電。

　　圖2 電源模塊

　　電源模塊此種設(shè)計方案有2個原因，如下所示：

　?。?）備用電池的采用。記錄儀存儲采集數(shù)據(jù)，即將采集數(shù)據(jù)按順序?qū)戇M為記錄文件所分配的簇中，當采集結(jié)束時實驗員斷開存儲開關(guān)或者因掉電而采集被迫終止，單片機都需要做關(guān)閉記錄文件這一重要處理。關(guān)閉文件就是將文件實際長度和采集數(shù)據(jù)記錄總數(shù)寫進文件相關(guān)頭中。假如不正確關(guān)閉文件，或者因為掉電來不及關(guān)閉文件，Windows將無法找到文件的末尾，PC機軟件也因找不到采集數(shù)據(jù)的末尾而無法打開文件，此時，所做的采集工作將因此失敗。為了防止因掉電而無法關(guān)閉文件，本系統(tǒng)采用了備用電池。

　　（2）單片機和液晶單獨供電。主電源正常工作時，整個系統(tǒng)的電源由主電源供給，一旦主電源掉電，備用電池只給單片機供電，供單片機完成關(guān)閉文件處理，而液晶因掉電而不工作。因液晶的功耗較大而備份電池電力有限，此種分開2路的供電方式不但能提供關(guān)閉文件的電源需要，而且還節(jié)約了電池電力。當然，備份電池不可能長時間使用，只能用于系統(tǒng)緊急關(guān)閉文件處理，為此設(shè)計了電源檢測信號，一旦檢測出主電源掉電，既啟用蜂鳴器和發(fā)光二極管來提醒用戶電源供電不正常，需工作人員檢查記錄儀電源接頭。

　　CI-I375接口電路模塊

　　本系統(tǒng)中的USB 接口芯片選用的南京沁恒電子公司的CH375，該芯片支持主機方式和設(shè)備方式．它具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機的系統(tǒng)總線上。還內(nèi)置了處理Mass—Storage海量存儲設(shè)備的專用通訊協(xié)議的固件，外部單片機可以直接以扇區(qū)為基本單位讀寫u盤。讀選通信號RD#、寫選通信號WR#、片選信號CS#均是輸入信號且低電平有效，CS#是中斷請求輸出信號，也是低電平有效。而A0信號用來區(qū)分命令和數(shù)據(jù)，當A0=1時可以寫命令，當A0=0時可以讀寫數(shù)據(jù)，8位雙向數(shù)據(jù)總線與單片機的PA端口（PA0-PA7）相連，并口傳輸。其硬件上支持自動檢測USB設(shè)備連接功能，在主機方式下正常連接時，其ACT#腳輸出低電平，因此使ACT# I腳外接上拉電阻并串聯(lián)一發(fā)光二極管，可用來標示USB設(shè)備是否正常連接。

　　在布PCB時，盡量使7805芯片布在板子邊緣且散熱比較好的地方，并且遠離液晶屏幕。因為在實際過程中，經(jīng)過測試，7805芯片產(chǎn)生大量的熱量，如果長時間使用并且靠近液晶屏幕，將會影響液晶的顯示效果。另外，盡量使電源模塊的發(fā)光二極管靠近電源接口，USB模塊的發(fā)光二極管靠近USB模塊，并且以顏色區(qū)分開，方便用戶觀察。本系統(tǒng)所開發(fā)的行車記錄儀已成功的運用于A5車的3萬公里、5萬公里等各種路試，準確記錄了行車過程中的重要數(shù)據(jù)，對于研究人員進行性能分析、故障分析、以及標定工作提供了重要的數(shù)據(jù)依據(jù)。在已具備CAN 總線的車輛上使用基于CAN的行車記錄儀，可大幅度降低系統(tǒng)復雜度，并降低成本。對于不同的車型，只需軟件的少許修改而不需要更改硬件，使得記錄儀具有極高的靈活性和可移植性，從而廣泛應(yīng)用于各種車型。