基于uClinux嵌入式系統(tǒng)的汽車黑匣子的設(shè)計(jì)與開發(fā)

汽車黑匣子就是汽車行駛記錄儀，它是用來記錄汽車在行駛中的狀態(tài)。隨著黑匣子在飛機(jī)上的成功運(yùn)用，越來越多的國家也在汽車上運(yùn)用這種技術(shù)。早在1990年以前歐共體就通過了在汽車上安裝黑匣子的立法，要求歐共體的15個(gè)成員國在10年內(nèi)給使用中的900萬輛商用車中安裝這個(gè)裝置。美國、***、香港及馬來西亞等國家和地區(qū)也相繼廣泛使用汽車黑匣子[1]。從使用的效果來看，汽車黑匣子不但可以在事故放生后準(zhǔn)確的反映當(dāng)時(shí)汽車的狀態(tài)同時(shí)也在預(yù)防汽車事故方面取的了顯著的效果。在2004年10月1日，我國推出了新的《機(jī)動(dòng)車運(yùn)行安全技術(shù)條件》(GB7428-2004),明確要求用于公路運(yùn)營的載客汽車、重型載貨汽車、半掛車應(yīng)當(dāng)安裝、使用符合國家標(biāo)準(zhǔn)的汽車行駛記錄儀。

目前國內(nèi)生產(chǎn)汽車黑匣子的有60多家通過國標(biāo)檢測的企業(yè)，其中2/3是貼牌生產(chǎn)，或代理銷售其它企業(yè)產(chǎn)品;真正有技術(shù)、有資金、有生產(chǎn)線的企業(yè)只有18家左右，其中比較著名的是四川

大科星、北京偉航、惠州銳神等。但其汽車黑匣子多是運(yùn)用8位或16位單片機(jī)作為處理器，采用匯編語言，運(yùn)用程序也比較單一。雖然也有公司研制出了第二代汽車黑匣子，功能也比較多但其還是沒有運(yùn)用操作系統(tǒng)到上面，所以在擴(kuò)展性和穩(wěn)定性上面還是有缺陷。在國外,俄羅斯最新研制出來的汽車黑匣子可以當(dāng)事故發(fā)生后，車輛空間運(yùn)動(dòng)物理量變化將被“黑匣子”記錄得一清二楚，從而幫助人們分析事故怎樣發(fā)生，汽車以后可以怎樣改進(jìn)。在嵌入式系統(tǒng)方面，歐洲的ICE已經(jīng)成功的把嵌入式系統(tǒng)運(yùn)用到了汽車黑匣子上。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

1.1 需求分析

根據(jù)國家最新出臺的汽車行駛記錄儀的標(biāo)準(zhǔn)：要求汽車行駛記錄儀能夠?qū)?shí)時(shí)時(shí)鐘、日期及駕駛時(shí)間的采集、記錄、儲存，車輛行駛速度、里程的測量、記錄、儲存等，對于事故疑點(diǎn)數(shù)據(jù)，記錄儀應(yīng)以不大于0.2秒的時(shí)間間隔持續(xù)記錄并儲存停車前20秒實(shí)時(shí)時(shí)間對應(yīng)的車輛行駛速度值及車輛制動(dòng)狀態(tài)信號[2]。

1.2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用的主要的硬件是：32位三星的S3C44B0X處理器、信號處理電路、RS232型標(biāo)準(zhǔn)接口和USB1.1標(biāo)準(zhǔn)接口、4M Flash、8M SDRAM、4K FRAM、操作鍵盤和擴(kuò)展接口。操作系統(tǒng)用的是uClinux操作系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖一。

1.3 結(jié)構(gòu)描述

1、32位三星的S3C44B0X處理器，其內(nèi)置有RTC(實(shí)時(shí)時(shí)間芯片)可以實(shí)現(xiàn)北京時(shí)間的日期和時(shí)鐘，該日期和時(shí)鐘被用于為記錄儀實(shí)現(xiàn)所有功能(記錄、存儲、輸出等)標(biāo)注日期和時(shí)鐘，同時(shí)其強(qiáng)大的其它功能為本系統(tǒng)應(yīng)用和以后的升級或擴(kuò)展提供很好的支持。2、信號處理電路處理汽車黑匣子采集的信號，使其滿足我們系統(tǒng)的要求。3、本系統(tǒng)配置了RS232型標(biāo)準(zhǔn)接口和USB1.1標(biāo)準(zhǔn)接口，采用USB接口來完成數(shù)據(jù)從汽車黑匣子到計(jì)算機(jī)間的通信，使數(shù)據(jù)間的通信更加的方便和迅速。4、主要是的存儲單元是4M的Flash用來存儲uClinux操作系統(tǒng)和記錄的數(shù)據(jù)，8M的SDRAM和一塊4K的FRAM。當(dāng)汽車運(yùn)行時(shí)記錄儀以0.2s的時(shí)間間隔持續(xù)記錄并儲存停車前20s實(shí)時(shí)時(shí)間對應(yīng)的車輛行駛速度以及包過制動(dòng)的8個(gè)信號量進(jìn)行記錄，并且把其存儲在FRAM存儲器中。這些數(shù)據(jù)將作為事故疑點(diǎn)數(shù)據(jù)。同時(shí)記錄儀將以0.5min的間隔時(shí)間從FRAM中進(jìn)行采樣，把采樣的結(jié)果存進(jìn)Flash存儲器中。5、軟件方面采用uClinux操作系統(tǒng)，可以更好的滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性和運(yùn)用程序的多樣性。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 信號數(shù)據(jù)的采集和處理

為了降低成本達(dá)到可實(shí)用性，本系統(tǒng)采用的信號都是從汽車上的各個(gè)傳感器上直接采取。主要采集的信號有車速信號、制動(dòng)信號和各個(gè)燈光的信號。

2.1.1 車速信號的采集和處理

本系統(tǒng)車速信號的采集是汽車上的ABS輪速傳感器上的信號。目前ABS傳感器輪速傳感器廣泛采用的是變磁阻式的電磁傳感器，通過研究發(fā)現(xiàn)ABS傳感器發(fā)出的信號是正弦波信號，并且信號的頻率和汽車的速度成正比關(guān)系，因此我們需要把信號的頻率轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓值，然后再送入A/D轉(zhuǎn)換器。但同時(shí)又由于汽車在行駛的時(shí)候?qū)BS傳感器發(fā)出的信號有非常大的干擾，所以需要在信號進(jìn)行頻壓轉(zhuǎn)換前對信號進(jìn)行處理。

信號的處理過程為(1)通過限幅電路。由于車輪的轉(zhuǎn)速越快，正弦波信號的幅值越大。所以通過兩個(gè)穩(wěn)壓二極管將信號的幅值限制到正負(fù)5幅以內(nèi)。(2)通過濾波電路。由于汽車在運(yùn)行的時(shí)候會產(chǎn)生很大的高頻干擾信號，因此采用二

階帶反饋的有源濾波器，去除高頻干擾信號。(3)通過整形電路，把正弦波信號轉(zhuǎn)換成方波信號。(4)最后通過頻壓轉(zhuǎn)換電路。轉(zhuǎn)換過程如圖二所示。

2.1.2 制動(dòng)信號和各個(gè)燈光信號的采集和處理

汽車上的制動(dòng)和燈光信號的采集都是直接通過汽車上的制動(dòng)電路或者燈光電路采集而得，其輸出都是一個(gè)電壓為12V的地躍信號，因此我們通過一個(gè)光電隔離器來實(shí)現(xiàn)抗干擾和穩(wěn)壓。

2.2 USB接口的設(shè)計(jì)

USB即通用串行總線(Universal serial bus),是一種快速、靈活的總線接口。與其它通信接口比較，USB接口最突出的特點(diǎn)是易于使用和傳輸?shù)乃俾士?。所以USB接口被越來越多的系統(tǒng)所采用。為了實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)本項(xiàng)目通過USB接口把汽車黑匣子記錄存儲的數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)或者PDA上，我們把整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)成個(gè)U盤來考慮，這樣就可以方便、快速的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送。

USB組織按設(shè)備的不同屬性，定義了一系列設(shè)備類及設(shè)備次類。將這些相同屬性的設(shè)備組合在一起的優(yōu)點(diǎn)是，可以同時(shí)發(fā)展該類以PC主機(jī)為主的驅(qū)動(dòng)程序。目前USB中定義了以下類：Audio、Communication、Display、Human Interface、Mass storage、Image、Printer、Power、PC Legacy、Physical interface。因?yàn)槲覀冞@個(gè)項(xiàng)目需要做的是把整個(gè)系統(tǒng)當(dāng)成一個(gè)U盤來進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，所以需要我們遵循Mass storage協(xié)議。同時(shí)Microsoft Windows 中提供對Mass storage協(xié)議的支持，因此USB 移動(dòng)設(shè)備只需要遵循Mass storage協(xié)議來組織數(shù)據(jù)和處理命令，即可以實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換。同時(shí)在Flash的存儲單元組織形式中采用FAT16 文件系統(tǒng)，這樣，就可以直接在Windows 的瀏覽器中通過可移動(dòng)磁盤來交換數(shù)據(jù)。