基于LPC2362带GPS功能汽车行驶记录仪的开发

汽车行驶记录仪是对车辆行驶速度、时间、里程及有关车辆行驶的各种状态信息进行记录、存储并可通过接口实现数据输出的数字式电子记录装置。
    汽车行驶记录仪的使用具有以下作用和社会效益：减少交通事故，提高行车安全，更好地保障社会群众及乘客生命财产安全；改善交通环境和缓解交通压力，规范驾驶员驾驶习惯，促进驾驶员文明驾驶的进程；建立车辆状态数据信息系统，为交通事故提供法律依据；规范交通警察执法范围和文明其执法行为，提高其执法水平、效率和公正性；维护各方利益，记录仪记录证据以分清肇事责任的归属，可作为保险部门进行理赔的辅助工具。
    本系统根据汽车行驶记录仪的国家标准和运营客户的实际需求，在不增加汽车行驶记录仪系统软硬件资源的基础上，增加了GPS模块和CAN模块功能，使汽车行驶记录仪具有记录GPS数据信息的功能；利用管理软件GIS轨迹回放功能实现运营车辆运营路线监督；CAN接口功能与发动机动力总线相连接，实现实时油耗测量。本系统的实现，为商用车运营公司监控运营车辆提供了一种有效手段，可实现运营车辆安全监督和运营管理的有机结合。
1 系统方案设计
    整个系统设计方案结合汽车行驶记录仪、GPS模块、CAN模块等系统和功能，采用一个ARM7内核的MCU[1]实现。
    图1为基于ARM带GPS功能汽车行驶记录仪系统的结构框图。

    MCU采用NXP公司ARM系列的LPC2362芯片，它是以ARM7为内核且外围资源丰富的产品，适用于要求高性能和低功耗结合的嵌入式应用中。其中USB HOST和隔离RTC功能很好地满足了汽车行驶记录仪的设计需求，增加GPS和CAN模块不需要增加系统软硬件资源，有很好的性价比。
2 系统硬件设计
    系统硬件设计在满足记录仪功能的基础上增加了GPS、CAN功能，电源设计采用主输入电源不隔离，采用EMI处理，其他与车辆关联的输入输出接口采用光电隔离的方法，满足汽车行驶记录仪电磁兼容性和产品成本有较好的性价比，使产品既满足国家标准的要求，又有很好的成本优势。电源EMI处理和电源设计结构如图2所示。

    信号采集和输出模块是基于ARM带GPS功能汽车行驶记录仪系统和车辆信息交互模块，信息量包括车速、发动机速度、10路开关量信号、里程和报警。在信号采集设计时，以运算放大器为采集单元，用比较器工作原理和方法实现采集。这样既保证了输入阻抗高，不影响车辆上其他电子设备，又使比较器通过匹配不同电阻获得不同的比较电压，满足不同车型不同信号的电平匹配，输出采用光电耦合来实现。
    键盘采用4个按键，结合LCD显示模块，用中文菜单实现人机接口操作，LCD采用超低温的12232点阵，满足汽车复杂工况环境要求。
    ISP下载采用UART0实现，由于有硬件看门狗和低功耗功能，在ISP下载时，利用跳线屏蔽硬件看门狗和借用系统电源给UART0收发器供电，实现在线ISP功能。
    本系统设计一种硬件组合载体和软件数据储存方式，利用小容量铁电数亿次擦写次数储存擦写频率高的数据和作为数据缓存，利用大容量DATAFLASH作为数据的最终储存体，这样既满足了系统需求，又降低了系统成本。系统储存功能框图如图3所示。

    系统和管理软件有大量数据交换，为了方便用户设置和上载下位机数据，系统设计了接触智能卡模块与下位机进行数据交换。针对有大容量数据和小容量数据的特性，从性价比出发，智能卡模块采用2种卡作为数据交换媒介，一种是128 B的24C01卡，采用IIC数据总线实现数据交换；另一种是4 MB的AT45DB041卡，采用SPI实现数据交换。既能实现系统数据交换功能，又能节约系统成本。智能卡设有电源管理模块，结构框图如图4。

    系统采用TRIMBLE的GPS模块实现GPS功能，TRIMBLE的GPS模块有串口A和串口B 2路信息输出通道。串口A直接和MCU模块串口2相连接，实现MCU模块定位信息的接收；串口B通过SPX3232一路电平转换芯片转换成标准的RS232电平输出，为系统留一路定位信息输出。GPS模块设计了主动天线和天线检测电路，实现天线短路、正常、开路的检测，电源管理模块控制GPS模块的电源。GPS功能框图如图5所示。

    系统时钟采用LPC2362独立电源的RTC，采用车辆电源和备用电池供电，通过SP609实现电源自动切换。车辆电源正常时，采用车辆电源供电，否则，采用备用电池电源。电池电压由LPC2362的A/D转换后监控，并给出电池电压过低报警提示。另外，SP609带有硬件看门狗功能，通过74HC01或门实现硬件看门狗和低功耗共存。当MCU模块控制脚输出为低时，74HC01输出由SP609的RESET控制，实现硬件看门狗；当MCU模块控制脚输出为高时，74HC01输出为高，MCU的RESET为高，实现低功耗MCU不复位。图6是时钟和硬件看门狗功能框图。

    CAN模块功能由LPC2362带的2路CAN实现，通过外加隔离收发器，实现CAN功能。其中，一路配置成低速CAN，连接车辆低速CAN总线；另一路配置成高速CAN，连接车辆高速CAN总线，通过CAN功能模块系统既能获得发动机信息，实现油耗监控，又能实现车辆上低速CAN总线和高速CAN总线的数据交换。
    目前，大部分记录仪系统设计有大容量传输协议，多采用单片机+USB HOST驱动芯片的模式。但这种设计方案有以下不足：成本过高，带有USB HOST功能的芯片往往价格高，而且外围扩展所需硬件资源多，一般需要扩展RAM来满足复杂的USB协议和大容量传输协议，成本相对高；数据传输速率比较慢，选择单片机的主频一般不会超过20MHz，而通过外部总线系统和USB HOST接口芯片通信，数据交换效率更低。另外，外部扩展RAM也占用系统总线资源，扩展USB HOST和其他附属硬件时，所占PCB面积大、走线复杂，使系统稳定性降低，调试不方便。LPC2362自带USB HOST功能，很好地解决这些不足，完全满足USB 2.0协议，支持全速传输，带有DMA传输模式和电源管理模式，并有独立的8 KB SRAM，它还具有电源管理和过流检测功能。结构框图如图7。

    汽车行驶记录仪具有打印功能，本设计采用外接商用打印机，电源采用开关电源LM2596，其有3 A的电流输出能力，接口采用UART0实现记录仪数据打印。
3 系统软件设计
    系统软件采用模块化设计，根据不同的功能模块设计相应的软件，这样系统有很好的裁剪性。每个模块软件驱动分为底层驱动和接口应用，整个嵌入软件采用前后台系统实现[2]，软件流程如图8所示。

    根据国家相关法规标准，商用运营车辆需安装汽车行驶记录仪，以加强汽车运营安全管理，而车辆运营主体从自身利益出发往往需安装GPS和CAN功能来实现运营线路的监控和实际油耗测量，以提高企业管理手段和效益。本系统从这两方面出发，在不增加汽车行驶记录仪软硬件的基础上实现上述功能，解决了运营公司面对的实际问题，降低了终端客户使用成本，从而提高了客户安装汽车行驶记录仪的积极性，保证了运营车辆运输的安全性，提高了运营效率，降低了运营公司的运营成本。