汽車行駛記錄儀（汽車黑匣子）是一種使用在汽車上的數(shù)字式電子記錄裝置，它可以對(duì)汽車的行駛速度,、時(shí)間,、里程及剎車等狀態(tài)信息進(jìn)行存儲(chǔ)并通過(guò)USB或串口導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

　　汽車記錄儀對(duì)約柬駕駛員的不良駕駛行為,，分析,、鑒定道路交通事故，提高交通管理執(zhí)法水平和運(yùn)輸管理水平,，保障車輛運(yùn)行安全具有重要作用。

　　當(dāng)前的汽車行駛記錄儀技術(shù)比較成熟,。低端產(chǎn)品一般采用8位或16位單片機(jī)作 為主處理器,，中高端則采用32位的ARM處理器，但這些產(chǎn)品一般只能做到對(duì)本車的記錄及監(jiān)控,，車輛行駛記錄需逐車采集,，不便于大型車隊(duì)和企業(yè)管理。這里提 出一種基于GPS和GPRS的多功能汽車記錄儀的設(shè)計(jì)方案,，該設(shè)計(jì)是在實(shí)現(xiàn)記錄儀基本功能的基礎(chǔ)上,。增加GPs和GPRS模塊，分別用于定位和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳 輸,，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和相應(yīng)監(jiān)控管理軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛和司機(jī)全方位監(jiān)控,、調(diào)度和管理。

　　1 系統(tǒng)組成和主要功能

　　本系統(tǒng)主要包括汽車記錄儀終端,、服務(wù)器和監(jiān)控管理軟件,。其中汽車記錄儀終端包括信號(hào)采集、數(shù)據(jù)記錄,、GPS和GPRS等部分,。服務(wù)器接收記錄儀通過(guò)GPRS發(fā)送的數(shù)據(jù)并保存。監(jiān)控管理軟件對(duì)服務(wù)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),、分析,，得到超速駕駛、疲勞駕駛和行駛里程等信息。

　　記錄儀終編是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ),，其主要功能為：

　　1）實(shí)時(shí)定位功能能夠?qū)崟r(shí)采集記錄車輛當(dāng)前所處的位置數(shù)據(jù),，并把位置數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心管理平臺(tái)，在監(jiān)控平臺(tái)上顯示出車輛的行駛軌跡,；監(jiān)控中心（監(jiān)控站）也可以發(fā)出指令尋找目標(biāo)車輛所在位置數(shù)據(jù)：

　　2）運(yùn)營(yíng)限制區(qū)域設(shè)置功能利用監(jiān)控平臺(tái)可以對(duì)運(yùn)營(yíng)車輛的行駛區(qū)域范圍做出限定,，車輛一旦超出限定區(qū)域，監(jiān)控平臺(tái)就會(huì)發(fā)出報(bào)警,；

　　3）泊車防盜功能停車后按下泊車防盜按鈕,，車輛就進(jìn)入泊車防盜狀態(tài)。如車輛非法移動(dòng),，監(jiān)控平臺(tái)立即發(fā)送短信至主控手機(jī)上,，并報(bào)告當(dāng)前的車輛位置；

　　4）緊急求助報(bào)警 當(dāng)車輛遇劫或需要求助時(shí),，駕駛?cè)藛T可通過(guò)按鍵向中心報(bào)警,， 同時(shí)向監(jiān)控中心發(fā)送車輛的經(jīng)度、緯度,、行駛速度,、方向、時(shí)間等信息,；

　　5）車輛全程行駛數(shù)據(jù)記錄 車載終端全程采集,、記錄車輛行駛和司機(jī)操作的全部數(shù)據(jù)并發(fā)給數(shù)據(jù)中心。其中包括：車輛的時(shí)間,、速度,、里程、狀態(tài),、位置,、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)。利用一體機(jī)記錄 下的全程行駛數(shù)據(jù),。監(jiān)控平臺(tái)提供每條行駛記錄全程時(shí)間一速度一狀態(tài)曲線和里程一速度一狀態(tài)曲線,。通過(guò)這些曲線查看司機(jī)的全部駕駛過(guò)程：

　　6）超速報(bào)警和超速記錄車載終端可以按預(yù)先設(shè)置的速度限制進(jìn)行超速報(bào)警。當(dāng)車輛行駛速度超過(guò)設(shè)定值時(shí),。車載終端就以聲,，光方式報(bào)警，提醒司機(jī)及時(shí)減速,。同時(shí)把車輛超速信息發(fā)送到監(jiān)控中心：

　　7）司機(jī)疲勞駕駛報(bào)警和記錄車載終端能記錄駕駛員連續(xù)駕駛時(shí)間超過(guò)4 h的所有疲勞駕駛數(shù)據(jù)：

　　8）事故疑點(diǎn)記錄 車載終端以0.2 S的時(shí)間間隔記錄車輛停車前20 s時(shí)間段內(nèi)和實(shí)時(shí)時(shí)間相對(duì)應(yīng)的車輛行駛的速度值,、剎車信號(hào)和其他車輛狀態(tài)信號(hào)作為事故疑點(diǎn)數(shù)據(jù)。存儲(chǔ)最近2個(gè)月的所有事故疑點(diǎn)數(shù)據(jù)：

　　9）車輛油位監(jiān)控功能車載終端可以對(duì)油箱油位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,。當(dāng)油位發(fā)生異常變化時(shí),。車載終端可以實(shí)時(shí)記錄變化量并向監(jiān)控中心發(fā)送異常變化數(shù)據(jù)：

　　10）視頻監(jiān)控功能 可外接兩路攝像頭,，將車內(nèi)外情況抓拍照片后傳送到監(jiān)控中心：

　　11）駕駛員身份識(shí)別功能車載終端利用IC卡方式實(shí)現(xiàn)駕駛?cè)藛T身份識(shí)別功能。使用和車載終端配套使用的管理軟件可以把駕駛員基本信息設(shè)置在IC卡中,，其中包括：“駕駛員姓名”,、“駕駛員代碼”、“駕駛證號(hào)碼”,。把設(shè)置好的IC卡插人記錄儀,。記錄儀自動(dòng)對(duì)司機(jī)進(jìn)行識(shí)別：

　　12）數(shù)據(jù)通信功能 車載終端通過(guò)內(nèi)置GPRS通訊模塊實(shí)現(xiàn)和監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)互通；車載終端設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)USB接121.

　　使用U盤(pán)可以把車載終端記錄的全部數(shù)據(jù)取出：通過(guò)車載終端的USB口可以對(duì)車載終端進(jìn)行參數(shù)設(shè)置也可以對(duì)車載終端進(jìn)行程序裝載,；

　　13）讀取短信功能讀取監(jiān)控平臺(tái)發(fā)送的任意短信內(nèi)容,。

　　2 記錄儀硬件設(shè)計(jì)

　　記錄儀總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，主要包括ARM處理器,、GPS模塊,、GPRS模塊、信號(hào)采集電路,、實(shí)時(shí)時(shí)鐘電路,、語(yǔ)音報(bào)警電路及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路。

　　2.1 主處理器

　　為了滿足系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性,、大量數(shù)據(jù)處理,、GPS信號(hào)接收、GPRS發(fā)送數(shù)據(jù)控制等各方面的要求,。選用 32位ARM處理器AT91SAM9260,。AT91SAM9260采用ARM926EJ—S內(nèi)核。外部總線接口包含諸多控制器,，用于控制SDRAM 以及包括NAND 171ash和Compact Flash在內(nèi)的靜態(tài)存儲(chǔ)器,。7路US—ART,、1個(gè)雙線接口（TWI）以及4通道10位A／D轉(zhuǎn)換器 ,。

　　2.2 電源電路

　　目前汽車電瓶電壓在9—36 V之間，而且由于車輛本身環(huán)境影響,，汽車供電電壓不穩(wěn)定,，存在各種干擾，所以本系統(tǒng)采用三級(jí)電壓轉(zhuǎn)換電路,。 如圖2所示,。外部電源分別經(jīng)LM2576HVrr_ADJ、LM2940_510和LMlll7轉(zhuǎn)換為7,、5和3 V,。

　　供給相應(yīng)模塊。其中第一級(jí)LM2576HVT—ADJ將7～40 V電壓轉(zhuǎn)換至7 V,，使本系統(tǒng)可以應(yīng)用到任何車輛,。在電源輸入電壓轉(zhuǎn)換模塊前通過(guò)LC濾波嘲，可以有效地濾除交流干擾，各電源轉(zhuǎn)換器后端均通過(guò)100和0.1 F電容并聯(lián)接地消除紋波電壓,，保證系統(tǒng)供電穩(wěn)定,。經(jīng)過(guò)測(cè)試該電路可以穩(wěn)定輸出5和3-3 V電壓。

　　2.3 速度采集電路

　　獲得準(zhǔn)確的速度是記錄儀正常工作的基礎(chǔ),。大部分汽車都安裝有速度傳感器,。車輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一周則會(huì)輸出一 定數(shù)量的脈沖，準(zhǔn)確判斷這些脈沖是關(guān)鍵,。本系統(tǒng)采用的速度采集電路如圖3所示,，首先通過(guò)前端的RC濾波去除高頻干擾，經(jīng)過(guò)一個(gè)跟隨器,，再通過(guò)比較電路輸 出,，控制后端的三極管V。 的通斷,，產(chǎn)生穩(wěn)定的脈沖信號(hào),。

　　2.4 GPS

　　GPS是本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)定位的核心部分，采用Gloabalsat的ET一318 SiRF Star III GPS芯片組,，該模塊具有靈敏度高（追蹤靈敏度：一159 dbm）,，低信號(hào)下快速 TrrFF（首次定位時(shí)間），2O通道全視野跟蹤,，速度精度0.1 m／s,，支持NMEA0183和SiRF二進(jìn)位協(xié)議，通過(guò)串口固定輸出NMEA0183規(guī)定的數(shù)據(jù)信息,。通信參數(shù)：波特率為4 800 b／s,，數(shù)據(jù)位為8 bit，停止位為l bit,，無(wú)奇偶校驗(yàn),。ARM 接收其中的RMC（推薦定位信息），獲得時(shí)間,、經(jīng)緯度,、地面速度、地面航向等信息,。

　　2.5 GPRS

　　本系統(tǒng)每10 s鐘通過(guò)GPRS將當(dāng)前速度,、經(jīng)緯度、方向和時(shí)間發(fā)送到服務(wù)器,，管理軟件讀取這些信息就可以監(jiān)測(cè)車輛的當(dāng)前狀態(tài),。GPRS模塊采用的是SIM300C，它 體積小,，采用DIP板對(duì)板連接器,，低功耗,，高速傳輸語(yǔ)音、SMS（短信）,、數(shù)據(jù)和傳真信息,，最關(guān)鍵的是它內(nèi)嵌強(qiáng)大的TCPfiP協(xié)議棧，支持標(biāo)準(zhǔn)AT指令 集,。本系統(tǒng)通過(guò)SIM300C建立TCP管道傳輸數(shù)據(jù),。建立過(guò)程如下：

　　其中1 024規(guī)定每次傳輸量最大不超過(guò)1 KB。

　　2.6 語(yǔ)音模塊

　　系統(tǒng)在超速行駛,、疲勞駕駛時(shí),，相應(yīng)的高亮度LED閃爍，同時(shí)啟動(dòng)語(yǔ)音報(bào)警功能,。發(fā)出“超速,，請(qǐng)減 速”的警告語(yǔ)音，而且記錄儀能播放監(jiān)控平臺(tái)發(fā)送的短信的內(nèi)容即1_I’s（從文本到語(yǔ)音）,。該記錄儀采用語(yǔ)音天下的第二代語(yǔ)音合成器OSYNO 6288,。它兼容GB2312、GBK,、BIG5和Unicode等4種內(nèi)碼格式文本的合成,，可以在9 600.19 200、38 400 b／s等波特率下正常工作,。增加多種控制命令,。比如合成、停止合成,、暫停合成,、繼續(xù)合成、改變波特率等,，可以自動(dòng)識(shí)別詞組,，多音字。語(yǔ)音通過(guò)PWM（脈寬 調(diào)制）輸出至喇叭,。為與監(jiān)控軟件,、數(shù)據(jù)庫(kù)和GPRS模塊兼容,。采用通用性更好的Unicode碼,，通信參數(shù)：波特率為4 800 b／s，數(shù)據(jù)位為8 bit,，停止位為l bit,，無(wú)奇偶校驗(yàn)，OSYNO 6288內(nèi)置有功放,，軟件調(diào)節(jié)音量至11級(jí),，外接8 n／0.5 W 喇叭,，播放聲音洪亮、清晰,，即使在較為嘈雜的環(huán)境下也可以清楚聽(tīng)到播放內(nèi)容,。

　　2.7 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

　　汽車行駛記錄儀是在汽車行駛過(guò)程中對(duì)汽車各種狀態(tài)進(jìn)行記錄的電子裝置，各種狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是汽車行駛 記錄儀的重要部分,。此前大多設(shè)計(jì)均采用Flash和鐵電存儲(chǔ)器并用的方式,。但是對(duì)于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Linux只要采用一片F(xiàn)lash就可以滿足需要。目前 Linux操作系統(tǒng)可以很好支持Nandnash,，AT91sam9260支持Nand Flash啟動(dòng),，并且與之相應(yīng)的yafs2文件系統(tǒng)已經(jīng)成熟，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,。由于本系統(tǒng)需要保存大量數(shù)據(jù)：GPS定位信息,、疑點(diǎn)記錄、行駛記錄,、斷 電記錄,、疲勞駕駛記錄、油位等,，所以采用K9F1GO8UOB型128 Mx2 K頁(yè)NandFlash存儲(chǔ)器2.8 油位傳感器：

　　本系統(tǒng)加裝精確的油位傳感器,，對(duì)油位實(shí)時(shí)記錄，并通過(guò)GPRS傳輸至監(jiān)控平臺(tái),，車輛運(yùn)營(yíng)企業(yè)可以實(shí)時(shí)掌握車輛的油位情況,，徹底杜絕司機(jī)偷油賣油，拉私活的情況發(fā)生,。

　　車輛電環(huán)境復(fù)雜干擾多,，因此采用電流型傳感器。本系統(tǒng)采用CR一606型電容式油位傳感器,，當(dāng)油進(jìn) 入容器引起傳感器殼體和感應(yīng)電極之間的變化,。適用于任何不導(dǎo)電的液體，油位精度高,，油位液在采集小于1 inm.測(cè)量誤差小于0.1％ ,，標(biāo)準(zhǔn)輸出4～2O mA 的線性電流信號(hào)。經(jīng)過(guò)150 n精密電阻轉(zhuǎn)換至0.6～3 V電壓信號(hào),。通過(guò)AT91sam9260的A／D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字量并保存,。

　　2.9 實(shí)時(shí)時(shí)鐘

　　主處理器AT91sam9260雖內(nèi)置時(shí)鐘，但是當(dāng)處理器斷電后,，該實(shí)時(shí)時(shí)鐘所有寄存器的內(nèi)容將全 部丟失,。為此，系統(tǒng)需要外部實(shí)時(shí)時(shí)鐘,。PCF8563符合這一要求,，PCF8563具有掉電檢測(cè)器,，當(dāng)供電電壓低于某個(gè)值時(shí)，秒寄存器中的某標(biāo)志位將置 1,，指明此時(shí)實(shí)時(shí)時(shí)鐘可能會(huì)產(chǎn)生不準(zhǔn)確的時(shí)鐘／日歷信息,，從而避免了記錄儀對(duì)錯(cuò)誤時(shí)間的記錄。此外,，PCF8563可以工作在1~5.5 V的寬電壓范圍內(nèi),，具有體積小、外圍電路簡(jiǎn)單,、運(yùn)行穩(wěn)定性,、精度高、功耗低等優(yōu)點(diǎn),。Linux內(nèi)核對(duì)其支持穩(wěn)定可靠,，滿足本系統(tǒng)的要求。

　　2.10 通信接口

　　根據(jù)GB／T19056—2003,，標(biāo)準(zhǔn)記錄儀應(yīng)至少配置2種標(biāo)準(zhǔn)接口：USB標(biāo)準(zhǔn)接口,、標(biāo)準(zhǔn)RS一232型9針接口。通過(guò)RS一232串行El直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸比較容易實(shí)現(xiàn),， 可靠性高,。

　　AT91sam9260的串行口經(jīng)電平轉(zhuǎn)換器MAX232轉(zhuǎn)換為EIMTIA一232一E電平，從而提供標(biāo)準(zhǔn)的RS一232接口,。AT91sam9260支持USB主從模式,，也可直接外接USB接口。

　　3 汽車記錄儀軟件設(shè)計(jì)

　　汽車記錄儀是無(wú)人控制的,，在汽車開(kāi)始運(yùn)行時(shí)自動(dòng)啟動(dòng),，本系統(tǒng)采用Linux操作系統(tǒng)，運(yùn)行過(guò)程為：汽車上電記錄儀啟動(dòng),，開(kāi)始引導(dǎo)Bootstrap,、Uboot。通過(guò)Bootloader調(diào)用Lin—I1x內(nèi)核,，加載yafs2文件系統(tǒng),，自動(dòng)啟動(dòng)應(yīng)用程序。

　　3.1 主程序

　　應(yīng)用程序采用C語(yǔ)言編寫(xiě)m.主程序負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的初始化,，硬件設(shè)備通過(guò)信號(hào)（軟中斷）與主程序交互數(shù)據(jù),，完成相應(yīng)的操作，主程序流程如圖4所示,。

　　3.2 GPRS數(shù)據(jù)發(fā)送

　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)記錄的數(shù)據(jù)包括行駛記錄,。上電至掉電之間,，每3 S保存一次時(shí)間,、速度,、狀態(tài)、GPS定位信息和角度：

　　疑點(diǎn)記錄,，保存每次停車前20 S內(nèi),，每0.2 S的速度和狀態(tài)信息；斷電記錄,，保存系統(tǒng)斷電時(shí)的時(shí)間,；疲勞駕駛記錄，保存司機(jī)連續(xù)駕車超過(guò)4 h的起始時(shí)間,。所有的記錄數(shù)據(jù)要求保存2個(gè)月,，因此保存數(shù)據(jù)量大，相應(yīng)需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量也大,。

　　在GPRS傳輸數(shù)據(jù)之前對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮并且在系統(tǒng)出現(xiàn)新記錄時(shí)進(jìn)行傳輸,。在編譯busybox時(shí)選 擇gzip功能，通過(guò)gzip對(duì)數(shù)據(jù)壓縮,，一般壓縮比可達(dá)9：1,。由于GPRS透明傳輸要求每次傳輸數(shù)據(jù)最大不超過(guò)1 KB，因此將需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)分割為每包l 000字節(jié)的數(shù)據(jù),，并為每包數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)ID號(hào),。

　　服務(wù)器接收端根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)包ID重新組合數(shù)據(jù)。通過(guò)解壓縮軟件解壓得到記錄儀的記錄數(shù)據(jù),。

　　3.3 斷電記錄的實(shí)現(xiàn)

　　在大型車隊(duì)及運(yùn)輸公司,， 司機(jī)為免受記錄儀的約束。往往在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中對(duì)記錄儀非法斷電,，使記錄儀不能正常工作,，以此躲避監(jiān)控。因此本系統(tǒng)專門(mén)設(shè)計(jì)斷電記錄,。對(duì)司機(jī)非法斷電的行為進(jìn) 行監(jiān)督,。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)將當(dāng)前時(shí)鐘與上次停機(jī)時(shí)時(shí)鐘進(jìn)行對(duì)比，Linux從死機(jī)至重啟的時(shí)間應(yīng)在5 min以內(nèi),，若對(duì)比時(shí)間超過(guò)5 min,，說(shuō)明記錄儀長(zhǎng)時(shí)間斷電，將上次停機(jī)時(shí)間作為斷電記錄保存,，并發(fā)送至服務(wù)器,。

　　3.4 時(shí)問(wèn)和速度校準(zhǔn)

　　ARM接收GPS的RMC信息。若GPS時(shí)間與當(dāng)前系統(tǒng)時(shí)間相差達(dá)到30 S,，則以GPS時(shí)問(wèn)為準(zhǔn)并校準(zhǔn)系統(tǒng)時(shí)間和硬件時(shí)鐘,。當(dāng)前速度與GPS速度比較。若GPS速度連續(xù)30 S大于O,，而速度采集電路接收始終為O,，則判斷速度傳感器故障,，并使用GPS速度作為系統(tǒng)當(dāng)前速度，并向監(jiān)控中心報(bào)警,。

　　4 樣機(jī)測(cè)試

　　經(jīng)過(guò)努力,，本系統(tǒng)已經(jīng)完成，并生產(chǎn)出樣機(jī),。通過(guò)樣機(jī)安裝在試驗(yàn)用車進(jìn)行各方面性能和功能測(cè)試,。測(cè)試結(jié)果如表1，表2所示,。

　　5 結(jié)語(yǔ)

　　該汽車記錄儀結(jié)合GPS和GPRS實(shí)現(xiàn)精確定位和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸,，通過(guò)管理軟件可以實(shí)時(shí)獲取當(dāng)前車輛 狀態(tài)信息，又能及時(shí)查看車輛行駛記錄,，在車輛實(shí)時(shí)告警與稽核,、公安交警部門(mén)的事故處理發(fā)揮重要作用，增加斷電記錄和多種報(bào)警功能,，即可以防搶防盜,，又能滿 足大中型車隊(duì)及企業(yè)對(duì)于車輛管理和司機(jī)操作監(jiān)控的需要。