基于S3C44B0X及uClinux操作系統(tǒng)的汽車黑匣子設(shè)計(jì)

汽車黑匣子就是汽車行駛記錄儀，它是用來(lái)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(lái)越多的國(guó)家也在汽車上運(yùn)用這種技術(shù)。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

1.1 需求分析

根據(jù)國(guó)家最新出臺(tái)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(chǔ)存，車輛行駛速度、里程的測(cè)量、記錄、儲(chǔ)存等，對(duì)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(chǔ)存停車前20秒實(shí)時(shí)時(shí)間對(duì)應(yīng)的車輛行駛速度值及車輛制動(dòng)狀態(tài)信號(hào)[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(hào)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(chǔ)、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(jí)或擴(kuò)展提供很好的支持。2、信號(hào)處理電路處理汽車黑匣子采集的信號(hào)，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(lái)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(chǔ)單元是4M的Flash用來(lái)存儲(chǔ)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(chǔ)存停車前20s實(shí)時(shí)時(shí)間對(duì)應(yīng)的車輛行駛速度以及包過(guò)制動(dòng)的8個(gè)信號(hào)量進(jìn)行記錄，并且把其存儲(chǔ)在FRAM存儲(chǔ)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(chǔ)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(hào)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(hào)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(hào)有車速信號(hào)、制動(dòng)信號(hào)和各個(gè)燈光的信號(hào)。

2.1.1 車速信號(hào)的采集和處理

本系統(tǒng)車速信號(hào)的采集是汽車上的ABS輪速傳感器上的信號(hào)。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(guò)研究發(fā)現(xiàn)ABS傳感器發(fā)出的信號(hào)是正弦波信號(hào)，并且信號(hào)的頻率和汽車的速度成正比關(guān)系，因此我們需要把信號(hào)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(hào)有非常大的干擾，所以需要在信號(hào)進(jìn)行頻壓轉(zhuǎn)換前對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理。

信號(hào)的處理過(guò)程為(1)通過(guò)限幅電路。由于車輪的轉(zhuǎn)速越快，正弦波信號(hào)的幅值越大。所以通過(guò)兩個(gè)穩(wěn)壓二極管將信號(hào)的幅值限制到正負(fù)5幅以內(nèi)。(2)通過(guò)濾波電路。由于汽車在運(yùn)行的時(shí)候會(huì)產(chǎn)生很大的高頻干擾信號(hào)，因此采用二 階帶反饋的有源濾波器，去除高頻干擾信號(hào)。(3)通過(guò)整形電路，把正弦波信號(hào)轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)。(4)最后通過(guò)頻壓轉(zhuǎn)換電路。轉(zhuǎn)換過(guò)程如圖二所示。

2.1.2 制動(dòng)信號(hào)和各個(gè)燈光信號(hào)的采集和處理

汽車上的制動(dòng)和燈光信號(hào)的采集都是直接通過(guò)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(hào)，因此我們通過(guò)一個(gè)光電隔離器來(lái)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(lái)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(guò)USB接口把汽車黑匣子記錄存儲(chǔ)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(lái)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(lái)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(duì)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(lái)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(chǔ)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(guò)可移動(dòng)磁盤來(lái)交換數(shù)據(jù)。

USB 組織現(xiàn)在定義了Mass Storage 協(xié)議傳輸?shù)膬蓚€(gè)規(guī)范，即：1. USB Mass Storage Class Control/Bulk/Interrupt (CBI) Transport 2. USB Mass Storage Class Bulk-Only Transport。但是CBI不能用于高速設(shè)備，所以在我們的這個(gè)系統(tǒng)中選用第二種傳輸方式Mass Storage Class Bulk-Only。

在這種傳輸模式下，需要注意接口描述符中的一些值的設(shè)定。把bInterfaceClass的值設(shè)為08，代表本設(shè)備為Mass storage Class。把bInterfaceSubClass的值設(shè)為06，這樣表明USB設(shè)備在傳輸中遵循SCSI協(xié)議。這是因?yàn)楹Ａ看鎯?chǔ)設(shè)備（General Mass Storage Device）是隨機(jī)存取、基于塊／扇區(qū)存儲(chǔ)的設(shè)備。它只能存儲(chǔ)和取回來(lái)自CPU 的數(shù)據(jù)。這種設(shè)備的接口遵循SCSI－2 標(biāo)準(zhǔn)的直接存取存儲(chǔ)設(shè)備（Direct Access Storage Device）協(xié)議。bInterfaceProtocol的值設(shè)為50，即USB設(shè)備為Bulk-Only Transport傳輸模式。
當(dāng)設(shè)備插入到USB 后，USB 即對(duì)設(shè)備進(jìn)行搜索，并要求設(shè)備提供相應(yīng)的描述符。在USB Host 得到上述描述符后，即完成了設(shè)備的配置，識(shí)別出為Bulk－Only 的Mass Storage 設(shè)備，然后即進(jìn)入Bulk－Only 傳輸方式。在這種傳輸方式下，有三種類型的數(shù)據(jù)在USB 和設(shè)備之間傳送，CBW、CSW 和普通數(shù)據(jù)。CBW（Command Block Wrapper，即命令塊包）是從USB Host 發(fā)送到設(shè)備的命令，命令格式遵從接口中的bInterfaceSubClass 所指定的命令塊，這里為SCSI 傳輸命令集。USB設(shè)備需要將SCSI 命令從CBW 中提取出來(lái)，執(zhí)行相應(yīng)的命令，完成以后，向Host 發(fā)出反映當(dāng)前命令執(zhí)行狀態(tài)的CSW（Command Status Wrapper），Host 根據(jù)CSW 來(lái)決定是否繼續(xù)發(fā)送下一個(gè)CBW 或是數(shù)據(jù)。Host 要求USB 設(shè)備執(zhí)行的命令可能為發(fā)送數(shù)據(jù)，則此時(shí)需要將特定數(shù)據(jù)傳送出去，完畢后發(fā)出CSW，以使Host 進(jìn)行下一步的操作。USB 設(shè)備所執(zhí)行的操作可用圖三所示。