嵌入式車輛

前 言 
隨著GPS定位精度的提高和模塊成本的不斷下降，一些企業(yè)開始采用具有GPS定位功能的車輛行駛記錄儀實(shí)現(xiàn)對(duì)企業(yè)車輛的管理，但一直存在著數(shù)據(jù)下載及任務(wù)管理繁瑣的難題。如果采用RS-232接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)下載或任務(wù)設(shè)置需要與筆記本電腦或主機(jī)連接，而采用GPRS實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程下載或任務(wù)設(shè)置又會(huì)提高運(yùn)營費(fèi)用。針對(duì)數(shù)據(jù)管理的這一難題，本文提出采用目前普遍流行的U盤作為數(shù)據(jù)管理工具，通過USB HOST接口實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛記錄數(shù)據(jù)的快速下載和出行任務(wù)的靈活設(shè)置。 

硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 

用于企業(yè)車輛管理的行駛記錄儀需要具備的基本功能有：數(shù)據(jù)安全記錄、狀態(tài)檢測(cè)、工作狀態(tài)指示、軌跡信息獲取、時(shí)間信息獲取、記錄數(shù)據(jù)下載、任務(wù)設(shè)置信息上載、電源管理及防破壞等功能。記錄儀總體功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。 



圖 1 車輛行駛記錄儀總體功能結(jié)構(gòu)  
GPS模塊定位后，將車輛所在點(diǎn)的經(jīng)度、緯度、時(shí)間和速度等信息通過串口送到微控制器；狀態(tài)檢測(cè)模塊根據(jù)任務(wù)設(shè)置參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)車內(nèi)傳感信息的采集，并將采集數(shù)據(jù)送到微控制器；鐵電存儲(chǔ)和Flash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)共同完成對(duì)車輛行駛信息的存儲(chǔ)，鐵電存儲(chǔ)同時(shí)保留任務(wù)設(shè)置信息；電源管理模塊可以防止電源人為切斷后數(shù)據(jù)的丟失，通過啟用內(nèi)部的備用電源實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的安全保護(hù)；SL811和微控制器一起實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)綜合管理，包括記錄數(shù)據(jù)的下載和任務(wù)設(shè)置信息的上載功能；微控制器實(shí)現(xiàn)對(duì)各種綜合信息的處理、壓縮、存儲(chǔ)，并通過控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛狀態(tài)的控制。 
uPSD3253微控制器 

uPSD3253由兩個(gè)主要的功能模塊組成,即MCU模塊和PSD模塊。MCU模塊包含了標(biāo)準(zhǔn)的8032內(nèi)核以及外圍電路和其他系統(tǒng)支持功能。PSD模塊為8032 CPU提供可配置的程序空間（32K Bytes的主Flash和128K Bytes的次Flash）和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間（32k Bytes RAM），另外它還提供了A、 B、 C、 D是四個(gè)通用I/O口端口組以及用于常規(guī)邏輯設(shè)計(jì)的16個(gè)PLD宏單元的，可以實(shí)現(xiàn)記錄儀功能的高度集成和靈活配置。同時(shí)，由于該微控制器具有比較豐富的RAM資源和Flash資源，因此可以在該微控制器上直接運(yùn)行μC／OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，這樣大大提高了整個(gè)軟件系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。 

FRAM+Flash數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 

為了提高Flash存儲(chǔ)空間的利用率以及數(shù)據(jù)的安全性，數(shù)據(jù)在進(jìn)行存儲(chǔ)之前要經(jīng)過壓縮和加密。每次任務(wù)設(shè)置過程中，加密基數(shù)不同。為了方便對(duì)記錄數(shù)據(jù)的管理，數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中按記錄來存儲(chǔ)，每條記錄為固定的32個(gè)字節(jié)，每條記錄包含日期、時(shí)間、經(jīng)度、緯度、速度、方位角、傳感信息、控制信息、電源信息。數(shù)據(jù)的記錄可以通過事件觸發(fā)或定時(shí)設(shè)置觸發(fā)，這需要通過任務(wù)設(shè)置信息的具體要求來判斷。 

數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)采用了兩級(jí)硬件結(jié)構(gòu)，并結(jié)合了指針管理技術(shù)。本設(shè)計(jì)采用了三星K9F5608 Flash。Flash的一頁為528個(gè)字節(jié)，其中512個(gè)字節(jié)用于正常數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，其余16個(gè)字節(jié)用于錯(cuò)誤處理。寫和讀以頁為單位，而擦除以塊為單位，由于記錄數(shù)據(jù)每條為32個(gè)字節(jié)，因此存儲(chǔ)夠16條記錄（16*32=512 Bytes）后才能將數(shù)據(jù)寫入Flash，這就需要采用緩存機(jī)制。緩存機(jī)制的選擇可以采用以下三種： 

RAM+Flash：這種機(jī)制是存取速度快，但要占大量的微控制器資源，而且掉電后數(shù)據(jù)會(huì)丟失，這會(huì)導(dǎo)致關(guān)鍵數(shù)據(jù)無法獲??； 

EEPROM+Flash：這種機(jī)制雖然能夠在掉電后保持?jǐn)?shù)據(jù)，但存取速度太慢，不適宜高速數(shù)據(jù)記錄，而且記錄次數(shù)有限； 

FRAM+Flash：由于鐵電存儲(chǔ)器讀寫速度快，掉電后能夠保持?jǐn)?shù)據(jù)，而且可以無限次讀寫，因此非常適合于車輛行駛記錄儀中使用。 

軟件設(shè)計(jì) 

記錄儀軟件主要包括記錄數(shù)據(jù)的下載和任務(wù)設(shè)置信息的上載兩方面，本設(shè)計(jì)采用的USB Host通信方式實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的靈活管理和快速傳輸。在具體設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)用SL811HS控制芯片和主控uPSD3253 MCU，實(shí)現(xiàn)了對(duì)U盤的讀寫操作。SL811HS是嵌入式USB Host/Slave 控制器，它與uPSD3253通過并口進(jìn)行通信。 

通過SL811HS和uPSD3253對(duì)U盤的讀寫層次結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要分為四個(gè)層次。其中： 

  
接口電路操作層：是指uPSD3253根據(jù)SL811HS的接口操作時(shí)序，對(duì)SL811HS的寄存器、接收緩存、發(fā)送緩存進(jìn)行相應(yīng)的讀或?qū)懖僮鳌?nbsp;
 
圖2 U盤讀寫層次結(jié)構(gòu)圖  
USB協(xié)議層：實(shí)現(xiàn)對(duì)SL811HS硬件的初始化、USB數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送以及硬件枚舉等過程； 
文件操作層：包含文件操作函數(shù)集和文件系統(tǒng)函數(shù)集兩部分。文件操作函數(shù)集實(shí)現(xiàn)海量存儲(chǔ)協(xié)議中的命令操作，文件系統(tǒng)函數(shù)集實(shí)現(xiàn)對(duì)FAT表進(jìn)行定位、搜索、讀寫等操作； 

用戶命令接口層：根據(jù)通信協(xié)議，接收用戶命令信息，并對(duì)命令信息進(jìn)行相應(yīng)處理； 

為了確保數(shù)據(jù)管理的安全性，本設(shè)計(jì)在通過U盤下載記錄數(shù)據(jù)以及上載設(shè)置任務(wù)信息之前，先要對(duì)U盤進(jìn)行安全認(rèn)證，只有帶有本系統(tǒng)附加軟件處理過的U盤，才能正常使用。 

數(shù)據(jù)下載及任務(wù)設(shè)置信息上載程序包含以下幾部分： 

(1) 檢測(cè)是否有U盤插入---通過中斷來觸發(fā)； 

(2) 驗(yàn)證U盤的合法性---與系統(tǒng)密碼對(duì)比校驗(yàn)； 

(3) 檢查任務(wù)設(shè)置信息---將合法的設(shè)置信息保存到FRAM中； 

(4) 創(chuàng)建新的數(shù)據(jù)下載文件---在U盤中創(chuàng)建文件，根據(jù)時(shí)間來命名； 

下載最新的記錄數(shù)據(jù)---從Flash讀取一頁數(shù)據(jù)到RAM，然后寫到新創(chuàng)建的文件中，重復(fù)這一過程，直到所有數(shù)據(jù)都下載完成，數(shù)據(jù)下載完成后，有相應(yīng)的指示燈指示。 

結(jié) 語 

嵌入式車輛行駛記錄儀的設(shè)計(jì)充分發(fā)揮了uPSD3253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，不僅解決了以往車輛行駛記錄儀中數(shù)據(jù)難以管理的問題，而且大大降低了硬件成本。采用本設(shè)計(jì)的車輛行駛記錄儀已應(yīng)用到企事業(yè)單位的車輛管理中，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車輛運(yùn)營的透明化管理，節(jié)約了運(yùn)營費(fèi)用。