基于双CPU的智能汽车行驶记录仪

《工业控制计算机））２Ｏｌ０年第２３卷第６期　１Ｏ５　基于双ＣＰＵ的智能汽车行驶记录仪　ｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　Ｖｅｈｉｃｌｅ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｒｅｃｏｒｄｅｒ　Ｂａｓｅｄ　Ｏｎ　Ｄｏｕｂｌｅ　ＣＰＵ　项文炳　别、永荣　许　睿　闫伟峰　（南京航空航天大学导航研究中心，江苏南京２１００１６）　摘　要　针对当前汽车行驶记录仪功能单一、信息量不足，无法提高交通事故分析的准确性的现状，设计了一种基于ＭＣＵ＋　ＤＳＰ结构的汽车行驶记录仪。ＭＣＵ通过ＣＡＮ总线管理智能传感器信息采集网络，提高系统的扩展性，采用基于ＵＳＢ总线　的存储器保存数据，实现海量存储。ＤＳＰ实现了ＧＰＳ／ＤＲ组合定位算法，完善记录仪定位的功能。详细介绍了系统硬件结　构设计，并针对“ＭＣＵ＋ＤＳＰ”这种特殊结构合理设计了软件流程。　关键词：汽车行驶记录仪，ＣＡＮ总线，ＧＰＳ／ＤＲ，ＵＳＢ　Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，ａ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｔｒａｖｅｌｌｉｎｇ　ｄａｔａ　ｒｅｃｏｒｄｅｒ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＭＣＵ＋ＤＳＰ　ｉｓ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｉｔ　ｉｓ　ｍｕｃｈ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｏｎｅ　ｗｈｉｃｈ　ｆａｉｌｓ　ｔｏ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ　ａｎｄ　ｅｎｏｕｇｈ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ　ｌｅａｄｓ　ｔｏ　ｉｎａｃｃｕｒａｃｙ　ｉｎ　ａｎａｌｙｚｉｎｇ　ｔｒａｆｆｉｃ　ａｃｃｉ・　ｄｅｎｔｓ．Ｏｎ　ｏｎｅ　ｈａｎｄ，ｔｈｅ　ＭＣＵ　ｓｃｈｅｍｅ　ｅｘｐａｎｄｓ　ｔｈｅ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｉｎｃｅ　ｔｈｅ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｏｆ　ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ　ｓｅｎｓｏｒ　ｉｓ　ｅｎｌａｒｇｅｄ　ｔｈｒｏｕｇｈ　ＣＡＮ　ｂｕｓ．Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ，ｗｉｔｈ　ＵＳＢ　ｂｕｓ—ｂａｓｅｄ　ｍｅｍｏｒｙ，ａｎｄ　ｉｔ　ｒｅａｌｉｚｅｓ　ｍａｓｓ　ｓｔｏｒａｇｅ．Ｏｎ　ｔｈｅ　ｏｔｈｅｒ　ｈａｎｄ，ｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇ　ＧＰＳ／　ＤＲ　ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ　ｓｙｓｔｅｍ，ＤＳＰ　ｅｎｈａｎｃｅｓ　ｔｈｅ　ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ａｃｃｕｒａｃｙ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｖｅｈｉｃｌｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｒｅｃｏｒｄｅｒ，ＣＡＮ　Ｂｕｓ，ＣＰＳ／ＤＲ，ＵＳＢ　汽车行驶记录仪主要功能是记录和存储汽车行驶过程中的　各种状态数据，通过对存储数据的分析，可以为交通事故责任鉴　构，充分发挥了ＭＣＵ接口丰富和ＤＳＰ强大计算能力的优势：　ＭＣＵ作为主控制器用于数据采集、存储、ＣＡＮ总线管理，ＤＳＰ　作为协处理器用于ＧＰＳ／ＤＲ组合定位导航计算，提高了系统的　运算性能，同时保证了数据响应的实时性。　系统整体结构框图如图１所示。系统由记录仪主节点、人机　定提供重要依据，只有数据信息量越大、数据类型越齐全，分析　结果才越准确。目前，一般汽车行驶记录仪都采用板载闪存芯片　作为数据存储部件，且容量在几ＫＢ到几ＭＢ之间。随着记录数　据量的增加，无法满足海量存储的要求，且由于采用板载形式，　需要通过专用接口去读取数据，一旦电路发生故障就无法读取　接口子节点和各种传感器子节点组成。记录仪主节点采集各种　传感器节点通过ＣＡＮ总线发送的数据、组合定位数据和实时时　钟，并以ＦＡＴ格式写入Ｕ盘；记录仪主节点通过ＣＡＮ总线将车　辆行驶状态发送给人机接口向用户显示；用户通过人机接口修　改、设置记录仪主节点和各种传感器节点的运行参数。　汕｝　忙感　ＴＭＳ，２０＂数据，而基于串行总线（ＵＳＢ，Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ　Ｓｅｒｉａｌ　Ｂｕｓ）的存储器不　仅具有高达４８０Ｍｂ／ｓ传输速率，且其容量可达十几ＧＢ，采用　ＦＡＴ文件系统可通过ＰＣ机直接读取并处理。　本文研究实现了基于ＤＳＰ与ＭＣＵ组合的智能型多功能　汽车行驶记录仪：使用ＣＡＮ总线连接分布在汽车内部的各个传　系统Ｌ　ｖ　Ｃ５４１６　感器模块，实现分布式采集；采用自主式航位推算系统（Ｄｅａｄ—　Ｒｅｃｋｏｎｉｎｇ，ＤＲ）与ＧＰＳ组合，弥补ＧＰＳ在城市中使用的缺陷，　大大提高了定位精度和系统可靠性；采用Ｕ盘作为数据存储介　质，实现了数据的海量存储。　１　系统结构设计　＇传缚卜一　系统Ｌ　］人机拔ＩＩ　（’ＡＮ总线　　ＨＰＩＩ　Ｊ　ｊｅ　（　８０５ｌＦ０４０　‘一　一接Ｉｌ模块　』】：火毓传卜　感系统Ｌ　本文设计的汽车行驶记录仪主要任务分为四大类：①各种　模拟信号与数字信号的采集，包括ＧＰＳ信号、陀螺、里程仪信　号、实时时钟信号以及各种开关信号。由于定位系统要求较高的　实时性和精度，所以要求接口响应时间短，模拟信号采样精度　和　硼　Ｚ一—　Ｚ一　丽　校块　Ｉ模块　Ｊ图１　系统整体结构图　在“ＭＣＵ＋ＤＳＰ”的双ＣＰＵ结构中，ＤＳＰ选用Ｔｌ的　高。②组合定位运算。由于卡尔曼滤波算法需要大量矩阵运算，　因此要求系统具有很强的计算能力。⑧ＣＡＮ总线的维护、管理。　ＣＡＮ总线是汽车行驶记录仪与各个传感器采集模块通讯的桥　ＴＭＳ３２０Ｃ５４１６。这是１６位定点型ＤＳＰ，时钟频率达到　１６０ＭＨｚ，内部ＲＡＭ有１２８　Ｋ，适合复杂算法计算。它集成８／　１６位增强型主机接口（ＨＰＩ，Ｈｏｓｔ—Ｐｏｒｔ　Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ），能与主机实　现并行、高速的数据双向传输。　ＭＣＵ选用ＣＹＧＮＡＬ的Ｃ８０５１Ｆ０４０，采用流水线处理架构　的ＣＩＰ５１处理器，时钟频率达到２５　ＭＨｚ。由于该芯片内部集成　６４Ｋ　Ｆｌａｓｈ，可以将ＤＳＰ的程序存储到单片机中，通过ＨＰＩ接口　梁，加强ＣＡＮ总线管理有助于提高系统效率和扩展性。④海量　数据的存储。随着传感器模块数量的增加，要求存储系统能存储　大量数据。因此，本文研究的汽车行驶记录仪是一个要求比较特　殊的数据采集与处理系统，它既要求系统具有丰富的外设接口，　保证采样精度和响应速度，而且要求很强的运算能力和控制能　力。另外，考虑汽车使用环境，该系统必须做到小型化、低功耗。　根据上述功能要求，本文采用“ＭＣＵ＋ＤＳＰ”的双ＣＰＵ结　对ＤＳＰ进行程序加载。这样可以省去ＤＳＰ外部扩展Ｆｌａｓｈ，有　利于系统的小型化。　ＤＳＰ与ＭＣＵ之间数据通讯通过ＤＳＰ片上８位增强型　１０６　ＨＰＩ接口，其操作思想：ＤＳＰ片内ＲＡＭ相当于一个双口ＲＡＭ．　ＭＣＵ外部ＲＡＭ接口连接ＨＰＩ接口，ＭＣＵ通过访问外部ＲＡＭ　读写ＤＳＰ片内ＲＡＭ，而ＤＳＰ则是读写自己的内存。　２系统硬件电路设计　２．１　ＣＡＮ接口电路设计　系统采用分布式采集结构，汽车行驶记录仪通过ＣＡＮ总线　与安装在车辆内部的各种传感器进行通讯，采集车辆行驶中的　各种数据并存储，同时通过ＣＡＮ总线上的人机接Ｅｌ节点向用户　显示当前车辆行驶状态。由于各个ＣＡＮ传感器节点具有采　集、处理能力，从而形成一个智能ＣＡＮ网络，大大减轻了汽车行　驶记录仪的负担。针对实际应用情况，在ＣＡＮ总线上挂载不同　传感器模块，从而避免了对记录仪主体硬件进行频繁的改动，提　高了系统的通用性。　目前大多数ＣＡＮ控制器只实现了数据链路层协议，本文通　过对应用层协议的设计，实现了传感器自动挂载的功能。其操作　思想为：ＭＣＵ在ＥＥＰＲＯＭ中保存一张ＩＤ映射表，并将ＩＤ划分　成不同功能网段。新传感器接人ＣＡＮ总线后，使用保留ＩＤ段中　的随机ＩＤ号向ＭＣＵ请求分配新的ＩＤ，ＭＣＵ查找传感器ｌＤ段　中第一个未被使用的ＩＤ并分配给传感器，实现了传感器自动挂　载。同时ＭＣＵ定期查询总线上节点的信息并与ＩＤ映射表中的　信息比较，删除已经移除的传感器信息，并释放ＩＤ。　本文采用的Ｃ８０５１Ｆ０４０单片机集成了Ｂｏｓｃｈ　ＣＡＮ２．０Ａ／　２．０Ｂ协议控制器，该控制器包含了一个ＣＡＮ核、于单片机　内核的消息ＲＡＭ，其３２个消息对象都可以被配置为发送或接　收数据。所有数据发送和接收过滤的协议处理全部由ＣＡＮ控制　器完成，不用单片机内核干预。在ＣＡＮ节点硬件电路上只需要　在Ｃ８０５１Ｆ０４０的ＣＡＮ信　号线前加上ＣＡＮ总线收　发器就能实现ＣＡＮ通　讯。本文采用ＰＨＩＬＩＰＳ公　司的高速ＣＡＮ总线收发　器ＴＪＡ１０４０，它能在汽车　的瞬态环境下对总线引　脚进行保护，硬件电路如　图２所示。　图２　ＣＡＮ接口硬件电路图　２＿２　ＤＲ信号采集电路设计　汽车行驶记录仪的ＤＲ系统包含了两个传感器：里程仪和　速率陀螺。里程仪信号反应了车辆行驶的距离和速度，通过累计　单位时问内里程仪输出的脉冲信号个数，从而获得汽车行驶距　离和速度。速率陀螺能够感应到沿其敏感轴的角运动，通过对陀　螺仪模拟输出信号的采集和处理，可获得车辆运动角速率，进而　推算出车辆航向。　本文直接采集汽车车速传感器的输出信号，经过滤波、整　型、隔离后连接到Ｃ８０５１　Ｆ０４０的Ｔ３口，通过定时读取计数器　Ｔ３的计数值，获得里程仪数据。速率陀螺选用ＥＮＶ一５型速率陀　螺，该速率陀螺角速度测量范围为￣６０ｄｅｇ／ｓ，接１３简单，输出信　号为０～５Ｖ电压信号，直接与Ｃ８０５１Ｆ０４０的１２位ＡＤＣ引脚相　连即可。Ｃ８０５１Ｆ０４０的ＡＤＣ参考电压最大为（ＡＶ＋）一０．３Ｖ，通过　内置高压差动放大器（ＨＶＤＡ，Ｈｉｇｈ　Ｖｏｌｔａｇｅ　Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ　Ａｍｐｌｉ—　ｆｉｅｒ），最高能转换６０Ｖ的差动电压和６０Ｖ的共模电压，大大简化　了设备结构和电路装置。　２．３　ＵＳＢ存储电路设计　本文设计了Ｕ盘的数据存储模块，采用ＣＨ３７５作为ＵＳＢ　控制器。ＣＨ３７５芯片支持ＵＳＢ—ＨＯＳＴ主机方式和ＵＳＢ—ＤＥ—　基于双ＣＰＵ的智能汽车行驶记录仪　ＶＩＣＥ／ＳＬＡＶＥ设备方式，内置了处理Ｍａｓｓ—Ｓｔｏｒａｇｅ海量存储　设备专用通信协议固件，外部单片机可以直接以扇区为基本单　位读写常用的ＵＳＢ存储设备（包括ＵＳＢ硬盘／Ｕ盘）。它具有８　位数据总线和读、　写、片选控制线以　及中断输出。可以　Ｃｓ　ＧＮ［：　方便与Ｃ８０５１Ｆ０４０　连接，ＭＣＵ内部集　｝　＼ＩＡＯ　】ＵＬＩｍ　）成４ＫＲＡＭ，使用　１　ＫＲＡＭ作为Ｕ盘　ｈ｝　＿＿　扇区读写缓冲区，　图３　ＵＳＢ存储电路　并可实现高速数据　存储。ＵＳＢ存储电路如图３所示。　３系统软件设计　本文设计的汽车行驶记录仪采用ＤＳＰ＋ＭＣＵ双处理器结　构，相应的系统软件也需要分为两个功能模块：ＤＳＰ主要实现　导航定位计算，包括ＤＲ和ＧＰＳ／ＤＲ组合导航，ＭＣＵ完成数据　采集与记录存储。　３．１　ＧＰＳ／ＤＲ组合定位及软件设计　ＤＲ航位推算是一种自主式车辆定位技术，能在二维平面内　实现车辆位置的推算。其主要原理为使用航向角和距离传感器　测量位移矢量，从而推算车辆的位置。如图４所示，车辆在ｔｋ时　刻的位置可表示为　一１　一　ｘｋ＝ｘｏ十　Ｓ，ＣＯＳ｛｝　Ｊ＝０　Ｙｋ＝Ｙｏ＋乞Ｓｉｓｉｎｅ，　（１）　ｉ　０　式（１）中，（Ｘ０　Ｙ０）是车辆ｔ时刻的初始位置，ｓ．、Ｏ．分别是车辆　从ｔ．时刻的位置（Ｘ．，Ｙ．）到ｔ　时刻的位置（Ｘ．＋．，Ｙ　）的位移矢量的　长度和航向。通过原理分析　可知，ＤＲ是一个位置、航向　（　Ｙ３／）　逐渐积累的过程，但由于速　率陀螺存在随机漂移误差，　里程仪也存在随机误差，在　航位推算过程中位置误差将【ｘｏ，ｙｔ　随时间积累，系统定位精度　图４航位推算法　得不到保证。　本文研究了基于卡尔曼滤波的ＧＰＳ　和ＤＲ最优组合定位。Ｊ　基本原理：ＧＰＳ　与ＤＲ工作，当ＧＰＳ信号稳定有效　时，系统进行两者最优卡尔曼滤波组合，　结果反馈修正ＤＲ，并作为定位数据输出；　当ＧＰＳ被遮挡或无效时，系统直接输出　ＤＲ推算结果。在组合定位系统中，ＭＣＵ　完成陀螺电压、里程仪脉冲采集，通过　ＨＰＩ接口写入ＤＳＰ内存中，并触发ＨＰＩ　中断。ＤＳＰ在ＨＰＩ中断中读取数据并进　行组合定位计算，ＤＳＰ完成运算后触发　单片机外部中断读取组合定位信息。ＤＳＰ　程序流程图如图５所示。　３ｌ２　ＭＣＵ软件设计　ＭＣＵ软件主要包括ＭＣＵ初始化、　设备自检、定时数据更新、非定时数据更　图５　ＧＰＳ／ＤＲ组合定　新等部分。系统软件流程图如图６所示。　位软件流程图　《工业控制计算机／２０１０年第２３卷第６期　１０７　离　图７实际车速曲线　图６　ＭＣＵ软件流程图　冒　■　Ｃ８０５１Ｆ０４０单片机集成了丰富的外设接口，正确初始化是　魉　系统正常工作的基础。上电后ＭＣＵ需要对晶振、看门狗、交叉　开关、ｌ／Ｏ端口、ＣＡＮ总线、ＳＭＢｕｓ总线、ＡＤＣ、ＵＡＲＴ、定时器　以及中断等模块初始化，最后进入正常工作状态。　为了使汽车行驶记录仪正常工作，ＭＣＵ在完成芯片初始化　后需要对记录仪主机本身以及ＣＡＮ总线上各个节点设备自检。　通过ＣＡＮ总线查询当前总线所有传感器采集节点是否正常工　作，如有异常情况，通过人机接口提醒用户检查系统。　定时数据更新主要是采集ＧＳＰ／ＤＲ组合定位源数据。ＭＣＵ　。奠　使用片上１６位定时器产生１Ｓ的时钟节拍。利用该时钟节拍，　单片机采集ＧＰＳ、陀螺、里程仪数据，并发送给ＤＳＰ进行卡尔曼　滤波组合定位计算，从而获得车辆实时位置和速度。　非定时数据更新由前台中断服务程序和后台主程序共同完　成。前台中断服务程序实时响应数据更新请求，并将读取的数据　放入的数据缓冲区，通过更新数据状态标志位请求后台程　序处理、储存数据。后台主程序检测到数据状态标志位后，从数　图８车辆行驶轨迹复现　记录仪。本中采用ＣＡＮ总线实现分布式数据采集，性能可靠、布　线简单、增强了系统的灵活性和扩展性。基于卡尔曼滤波的　ＧＰＳ／ＤＲ组合定位算法弥补单独使用ＧＰＳ的缺陷，实现了精确　自主定位。使用Ｕ盘保存记录数据，不但实现了海量存储，根据　不同应用场合选择不同容量的Ｕ盘，降低系统成本。利用　Ｃ８０５１Ｆ０４０丰富的外设资源和总线接口以及ＴＭＳ３２０Ｃ５４１６ＤＳＰ　据缓冲区中读取数据并作相应处理，从而完成记录仪数据更新　记录。　４跑车实验结果分析　的强大计算能力，本文设计的汽车行驶记录仪具有功能完善、使　用方便等特点，拥有广阔的前景。　参考文献　［１］黄艳玲，李立伟．多功能汽车行驶状态记录仪的设计［Ｊ］电子技术应　用，２００６（３）：１０２—１０４　为了测试汽车行驶记录仪的性能，在南京航空航天大学明　故宫校区沿御道街～中山东路一苜蓿园大街一后标营进行大量　跑车实验，利用ＰＣ机数据分析软件和轨迹复现软件能详细查　看车辆的行驶过程中的各项参数。　如图７所示曲线显示了车辆行驶过程中车速信息，通过软　件还可以详细查看具体某段时间中车速的变化情况以及驾驶员　［２］沈雪松，刘建业，孙永荣，陈武，鹿鸣基于多传感器信息融合城市车　辆导航定位［Ｊ］．传感器与微系统，２００６，２５（１）：５８—８８　［３］杨捷，杨林军．ＵＳＢ—Ｈ０ＳＴ技术在无纸记录仪上的应用［Ｊ］．仪器仪　表学报，２００４，２５（４）：４７８—４７９　［４１Ｊｉｅ　Ｃａｏ，Ｙｕ　Ｌｉ，Ｃｈｏｎｇｙｕ　Ｒｅｎ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　Ｉｎｔｅｇ　ｒａｔｅｄ　ＧＰＳ／ＤＲ　的其他操作动作。通过记录仪记录的车辆行驶轨迹的经纬度值，　可以在数字地图上再现车辆的行驶路径，本文通过互联网使用　谷歌在线地图。如图８所示，组合定位结果与实际混合地图的道　路基本吻合。　Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｄｏｕｂｌｅ　ＣＰＵ【Ｃ］．　Ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ　Ｃｏｍｐｕｔｉｎｇ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｃｏｎｔｒｏ１．　２００８．　ＩＣＩＣｌＣ　０８　３ｒｄ　ｆｎｔｅｍａｔｉＯｎａｆ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．１８－２０　Ｊｕｎｅ　２ＯＯ８：１８４－１８７　５结束语　本文研究设计了基于ＤＳＰ与ＭＣＵ组合的智能汽车行驶　（上接第８７页）　［收稿日期：２００９，１２　１１　ｉｎｇ　ｔｈｅ　Ｐｒｏｄｕｃｔ　Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ　Ｌｉｆｅｃｙｃｌｅ【ＪＯＬ］．ｗｗｗ．ｃｉｍｄａｔａ　ｃｏｍ，　参考文献　２６０１－０２－０３　［１］张和明，熊光楞．制造企业的产品生命周期管理［Ｍ］．北京：清华大学　出版社，２００６　［４］Ｗｏｒｋｆｌｏｗ　Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ　Ｃｏａｌｉｔｉｏｎ　Ｔｈｅ　ｗｏｒｋｆｌｏｗ　ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ　ｍｏｄｅ［ＷｆＭＣ】【Ｒ．】．ＷｆＭＣ　ＴＣ一１００３，１９９５　［５］郭建飞，乔立红．面向产品全生命周期的产品开发过程建模［Ｊ］计算　机集成制造系统，２００４，１０（１）：１５—２２　［收稿日期：２０１０．９．２９１　［２］杨劲基于ＭＴＭ系统的批量定制服务［Ｊ］中国纺织，２００４（８）：１７４～　１７６　［３］Ａｎｎ　Ａｒｂｏｒ，Ａｎ　Ｏｖｅｒｖｉｅｗ　ｏｆ　Ｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅ　Ａｐｐｒｏａｃｈ　ｔｏ　Ｍａｎａｇ—