1. 概述
汽車行駛記錄儀，又稱“汽車黑匣子”，是對車輛行駛速度、時間、里程以及有關車輛行駛的其他狀態(tài)信息進行記錄、存儲并可通過接口實現數據輸出的數字式電子記錄裝置[1]。多功能汽車行駛記錄儀可詳細記錄車輛每次的起動時間、行駛里程、行駛時間、最高車速以及每次最高車速的持續(xù)時間，在汽車駕駛員超速行駛時發(fā)出超速報警聲，儲存停車前20秒的車輛信息，并且可以使用USB移動磁盤采集數據，具有GSM/GPRS遠程數據傳輸、GPS定位等功能。同時可以建立監(jiān)控中心，管理多個終端，方便交通管理部門根據所記錄的有關數據對車輛進行有效的管理，大大地提高了駕駛員的安全責任心，從而可大幅度地降低事故的發(fā)生。
為了使車輛的排放、舒適性、穩(wěn)定性、動力性和制動性等技術性指標達到一定的要求，CAN總線已發(fā)展成為汽車電子系統(tǒng)的主流總線。目前，我國的轎車已具有一定的電子控制和網絡功能。2006年，北京地區(qū)大客車的排放也要滿足歐Ⅲ標準，并且已制定了基于CAN總線通信協議的SAE J1939作為載貨車和大客車的通訊標準[2]。基于CAN總線的多功能汽車行駛記錄儀，就是根據這種發(fā)展趨勢，為有CAN總線的汽車而開發(fā)的，預留出CAN節(jié)點的接口，使其可以通過CAN總線采集數據，增強了多功能汽車行駛記錄儀的擴展性。一旦出現故障，可以盡快的檢測出問題，便于檢修。
2. CAN總線技術
CAN-bus(Controller Area Network)即控制器局域網，是德國BOSCH公司在80年代初為解決現代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開發(fā)的一種串行數據通信總線，是國際上應用最廣泛的現場總線之一。它可靠性高、性能價格比高、適應性好。國外眾多的汽車，如奔馳、寶馬、大眾、沃爾沃、雷諾及帕里奧汽車都采用了CAN總線技術[3]。CAN通信協議主要描述了設備之間的信息傳遞方式。通信接口集成了CAN協議物理層和數據鏈路層功能，可對通信數據進行幀處理。為在汽車這一特殊環(huán)境中的應用，提供了保證[3,4]：
(1) 數據通信的可靠性 CAN總線每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，具有極好的檢錯效果，并且CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響。
(2) 數據通信的實時性 CAN總線的通信速率可達1Mbps，在報文標識符上，CAN上的節(jié)點分成不同的優(yōu)先級，優(yōu)先級高的數據享有占用總線的優(yōu)先權，優(yōu)先權高的數據最多可在134ms內得到傳輸。
(3) 數據通信的靈活性 CAN總線是一種多主總線結構，各個節(jié)點之間相互獨立，總線上任何一個節(jié)點均可在任意時刻主動地向網絡上其它節(jié)點發(fā)送信息。面向數據塊的通信方式，每幀數據量為8字節(jié)，通信介質為雙絞線、同軸電纜或者光纖。由于CAN通信協議僅包括物理層和數據鏈路層說明，并未對應用層的功能和實現進行定義，因此，用戶既可以采用國際CAN總線用戶及制造商協會或其他一些組織制定的開放式高層協議，也可以在工程種靈活的實現自己的應用層。
載貨車和大客車的通訊標準SAE J1939則將汽車應用層進行具體實施，統(tǒng)一定義了整套的地址編碼系統(tǒng)，這樣不同廠家的控制器（ECU）可以接入同一網絡系統(tǒng)，實現數據共享，從而減少了電子系統(tǒng)的線束，減少了冗余的傳感器，降低了造價，提高了系統(tǒng)的通用性和可靠性，同時改善了系統(tǒng)的靈活性[5]。
3. 系統(tǒng)總體結構設計
多功能汽車行駛記錄儀主要由CPU、數據存儲器、CAN控制器/收發(fā)器、電源轉換模塊、GPS模塊、GSM/GPRS模塊、IC卡接口、開關量輸入、USB接口及光電隔離電路等組成。系統(tǒng)總體結構圖見圖1：各部分采集數據后，通過CAN總線與記錄儀通信，最終由記錄儀完成數據的存儲。由于采用了現場總線方式，實際布線非常簡潔，只需要一條雙芯電纜即可，擴展非常方便。多功能汽車行駛記錄儀通過USB接口可以完成數據的導出，由管理分析軟件完成數據的分析顯示。
3.1 CAN接口設計
CAN接口模塊，主要用于記錄儀與總線間的數據采集。總線上的CAN節(jié)點模塊采集各種數據，傳輸到總線上，記錄儀通過其內部的CAN接口模塊，獲得各種模擬量信號及脈沖頻率信號。CAN總線傳輸數據結構圖見圖2。這種采集數據的方式，具有很好的擴展性和可移植性。對于一些相對固定且常用的參數，如：車速，發(fā)動機轉速，傳感器模擬量輸入等，可以直接設計成一個CAN節(jié)點模塊，掛在總線上，適用于各種車型；對于其他不常用參數，可以根據需要進行擴展，做成活動的CAN節(jié)點，如：溫度傳感器，可以增設到CAN節(jié)點模塊中，測出車內各座位的溫度場分布。同時對于活動CAN節(jié)點，也可以設計成通用的模塊，根據不同的車型和需要，改變CPU中的軟件部分，即可得到想要的各種數據。
圖1 系統(tǒng)總體結構圖
圖2 CAN總線傳輸數據結構圖
記錄儀內部的CAN接口模塊由看門狗、CAN控制器、CAN收發(fā)器、RS232、開關信號輸入等部分組成。CAN接口模塊圖見圖3。
（1）CAN控制器 選用Philips的SJA1000，它是一種獨立控制器，用于移動目標和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網絡控制CAN。其中SJA1000的PeliCAN這種工作模式支持具有很多新特性的CAN2.0B協議。
（2）CAN 驅動器 選用PCA82C250，也即CAN 協議控制器和物理總線的接口。此器件對總線提供差動發(fā)送能力，對CAN 控制器提供差動接收能力，它主要是為汽車中高速通訊（高達1Mbps）應用而設計，完全符合“ISO11898”標準，具有限流電路和熱保護功能。CANH、CANL 兩條線可防止在汽車環(huán)境下可能發(fā)生的電氣瞬變現象。
圖3 CAN接口模塊圖
3.2 CPU與存儲器
記錄儀接收總線上的數據，匯總后進行數據的存儲，并可根據事先確定的警戒值進行語音報警提示。核心是數據的準確可靠存儲。
這里CPU選擇臺灣華邦公司生產的8位單片機W77E58，與MCS51系列單片機具有相同內核，功能更加強大，可多次編程，在相同主頻下，速度是89S52的3－4倍。它內部集成了32KB的可重復編程的Flash ROM、256字節(jié)的片內存儲器、1KB用于MOVX指令訪問的SRAM、可編程看門狗定時器、三個16位定時器、二個增強型的全雙工串行口、片內RC震蕩器、雙16位數據指針等諸多功能。
多功能汽車行駛記錄儀對存儲器的要求很高，要對大量的數據進行存儲，需要外擴數據存儲器。它所記錄的數據包括兩部分：一為停車前的疑點數據，存放停車前20秒的數據，用于分析事故發(fā)生的原因和事故的責任；二為歷史記錄，存放汽車整個行駛過程中的數據，用于考核駕駛員和汽車的運行狀況。
在存儲模塊中，采用了鐵電存儲器（FRAM）與DATA FLASH并用的方式。FRAM是美國Ramtron公司的核心技術，具有隨機存取記憶體（RAM）和非易失性存儲的特性，掉電后數據能保存10 年。它可擦寫次數多，5V供電的FRAM 的擦寫次數為100億次，低電壓的FRAM 的擦寫次數為1億億次。速度快，功耗低，可以用于停車前20秒的數據存儲。DATA FLASH選用Atmel公司生產的AT45DB041，它具有4Mbit的Flash的存儲單元，可以存儲26000條記錄，由于采用SPI串行模式進行操作，可以很方便的與CPU進行通訊。在存儲模塊中，它用來存儲歷史數據。不同的芯片，增加的主存儲器的容量不同，如AT45D081、AT45D161、AT45D321的容量分別為8M、16M、32Mbits。
3.4 通信接口
根據GB/T 19056—2003的國家標準，標準型記錄儀應至少配置兩種標準接口：(1)USB（通用串行總線）標準接口；（2）標準RS232D型9針接口。
通過RS232串行口直接進行數據傳輸比較容易實現、普及廣泛、可靠性高。芯片選用MAX232，它是一種雙組驅動器/接收器，片內含有一個電容性電壓發(fā)生器，可以在單5V供電時提供EIA/TIA-232-E電平。
用USB標準接口傳輸數據，U盤體積小，容量大，便于攜帶，讀取數據方便。采用CYPRESS公司生產的USB-HOST接口芯片SL811作為USB接口芯片。該芯片支持USB1.1協議，價格低，性能突出，可靠性高，可以理想地用于多種外設。它內部有256字節(jié)的RAM數據緩沖器，可以用來控制寄存器和數據緩存器。高速模式下支持12Mbps，低速模式下支持1.5Mbps。對于大多數廠家生產的USB移動磁盤（如朗科優(yōu)盤、愛國者優(yōu)盤等）都可以成功存取。
4. 軟件設計
多功能汽車行駛記錄儀的軟件設計分為系統(tǒng)軟件和管理軟件兩部分。
系統(tǒng)軟件的主要功能是對記錄儀各個模塊以及特殊寄存器進行初始化，巡回檢測各個開關狀態(tài)量和模擬量[6]。如記錄儀設置模塊初始化，包括記錄間隔、報警速度閾值、車牌照等等，存儲器初始化，GPS/GSM模塊初始化等。它主要通過Keil C對單片機編程，實現上述功能。
管理軟件是多功能汽車行駛記錄儀配套的管理軟件，通過全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）和地理信息系統(tǒng)（GIS）實現對車輛的全程跟蹤，將車輛的各種違章事件都直觀的反映出來，便于處理。它是建立在Microsoft Windows的基礎上，以Mapinfo公司的地圖二次開發(fā)控件MAPX為GIS軟件開發(fā)平臺，可以使用VB，VC等多種語言，進行開發(fā)[7]。
管理軟件具有數據智能分析功能。對記錄儀記下的大量數據進行篩選、初步評價，給出智能報告。該數據分析功能可以分析以下數據：1、疑點數據；2、車輛行駛速度及里程數據（日期，時間，速度，里程）；3、連續(xù)駕駛時間數據（起始日期，起始時刻，結束日期，結束時刻，駕駛證號碼）；4、車輛識別代號、車輛特征系數、車牌號碼、車牌分類；5、駕駛員代碼、駕駛證證號。為了提高分析數據的效率,可以分三類分析：1、超速(起始日期,起始時間,結束日期,結束時間)；2、里程(起始日期,起始時間,結束日期,結束時間,行駛里程)；3、疲勞駕駛(起始日期,起始時間,結束日期,結束時間)。超速是根據數據庫內有記錄的相應路段所對應的超速值來查詢內存中1 h 內的超速數據；里程能提供30 d 內的任意時段的行駛里程；疲勞駕駛則是表示兩個日歷天內的疲勞駕駛數據。
5. 結論
本文詳細介紹了一種基于CAN總線的多功能汽車行駛記錄儀，對CPU的選擇、CAN接口模塊、存儲器、通信模塊、內部軟件以及管理中心的建設做了深入的分析和說明。在標準汽車行駛記錄儀的基礎上，增加了USB移動磁盤采集數據，GSM/GPRS遠程數據傳輸等功能，并與CAN總線技術相結合，增強了可擴展性。本多功能汽車行駛記錄儀，已經開發(fā)成功，并且做了相應的實驗，工作穩(wěn)定性好、具有抗干擾的性能，使用效果良好。