摘要：提出一種多功能汽車記錄儀的設計方案，系統采用AT91SAM9260型ARM處理器為控制器，Linux操作系 統，K91G08UOB型Nand Flash為存儲介質，通過ET_318 SiRF StarⅢGPS芯片組接收GPS信號進行定位，而GPRS模塊采用SIM300C傳輸數據。該汽車記錄儀能夠實時記錄監測汽車行駛狀態、位置，通過 GPRS將行駛記錄及當前信息上傳至服務器，實現遠程監控，具備超速、疲勞駕駛報警功能。數據可以通過USB或RS-232串口上傳至上位機。經測試該記 錄儀性能穩定可靠。
關鍵詞：ARM；GPS；GPRS；汽車行駛記錄儀

    汽車行駛記錄儀(汽車黑匣子)是一種使用在汽車上的數字式電子記錄裝置，它可以對汽車的行駛速度、時間、里程及剎車等狀態信息進行存儲并通過USB或串口 導出數據。汽車記錄儀對約束駕駛員的不良駕駛行為，分析、鑒定道路交通事故，提高交通管理執法水平和運輸管理水平，保障車輛運行安全具有重要作用。
    當前的汽車行駛記錄儀技術比較成熟，低端產品一般采用8位或16位單片機作為主處理器，中高端則采用32位的ARM處理器，但這些產品一般只能做到對本車 的記錄及監控，車輛行駛記錄需逐車采集，不便于大型車隊和企業管理。這里提出一種基于GPS和GPRS的多功能汽車記錄儀的設計方案，該設計是在實現記錄 儀基本功能的基礎上，增加GPS和GPRS模塊，分別用于定位和數據遠程傳輸，結合數據庫技術和相應監控管理軟件實現對車輛和司機全方位監控、調度和管 理。

1 系統組成和主要功能
    本系統主要包括汽車記錄儀終端、服務器和監控管理軟件。其中汽車記錄儀終端包括信號采集、數據記錄、GPS和GPRS等部分。服務器接收記錄儀通過GPRS發送的數據并保存。監控管理軟件對服務器的數據進行統計、分析，得到超速駕駛、疲勞駕駛和行駛里程等信息。
    記錄儀終編是整個系統的基礎，其主要功能為：
    1)實時定位功能 能夠實時采集記錄車輛當前所處的位置數據，并把位置數據發送到監控中心管理平臺，在監控平臺上顯示出車輛的行駛軌跡；監控中心(監控站)也可以發出指令尋找目標車輛所在位置數據；
    2)運營限制區域設置功能 利用監控平臺可以對運營車輛的行駛區域范圍做出限定，車輛一旦超出限定區域，監控平臺就會發出報警；
    3)泊車防盜功能 停車后按下泊車防盜按鈕，車輛就進入泊車防盜狀態。如車輛非法移動，監控平臺立即發送短信至主控手機上，并報告當前的車輛位置；
    4)緊急求助報警 當車輛遇劫或需要求助時，駕駛人員可通過按鍵向中心報警，同時向監控中心發送車輛的經度、緯度、行駛速度、方向、時間等信息；
    5)車輛全程行駛數據記錄 車載終端全程采集、記錄車輛行駛和司機操作的全部數據并發給數據中心。其中包括：車輛的時間、速度、里程、狀態、位置、發動機轉速等數據。利用一體機記錄 下的全程行駛數據，監控平臺提供每條行駛記錄全程時間一速度一狀態曲線和里程一速度一狀態曲線。通過這些曲線查看司機的全部駕駛過程；
    6)超速報警和超速記錄 車載終端可以按預先設置的速度限制進行超速報警。當車輛行駛速度超過設定值時，車載終端就以聲／光方式報警，提醒司機及時減速。同時把車輛超速信息發送到監控中心；
    7)司機疲勞駕駛報警和記錄 車載終端能記錄駕駛員連續駕駛時間超過4 h的所有疲勞駕駛數據；
    8)事故疑點記錄 車載終端以0．2 s的時間間隔記錄車輛停車前20 s時間段內和實時時間相對應的車輛行駛的速度值、剎車信號和其他車輛狀態信號作為事故疑點數據。存儲最近2個月的所有事故疑點數據；
    9)車輛油位監控功能 車載終端可以對油箱油位進行實時監控。當油位發生異常變化時，車載終端可以實時記錄變化量并向監控中心發送異常變化數據；
    10)視頻監控功能 可外接兩路攝像頭，將車內外情況抓拍照片后傳送到監控中心；
    11)駕駛員身份識別功能 車載終端利用IC卡方式實現駕駛人員身份識別功能。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置在IC卡中，其中包括：“駕駛員姓名”、“駕駛員代碼”、“駕駛證號碼”。把設置好的IC卡插入記錄儀，記錄儀自動對司機進行識別；
    12)數據通信功能 車載終端通過內置GPRS通訊模塊實現和監控中心的數據互通；車載終端設有標準USB接口，使用U盤可以把車載終端記錄的全部數據取出；通過車載終端的USB口可以對車載終端進行參數設置也可以對車載終端進行程序裝載；
    13)讀取短信功能 讀取監控平臺發送的任意短信內容。

2 記錄儀硬件設計
    記錄儀總體結構框圖如圖l所示，主要包括ARM處理器、GPS模塊、GPRS模塊、信號采集電路、實時時鐘電路、語音報警電路及數據存儲電路。

2．1 主處理器
    為了滿足系統對實時性、大量數據處理、GPS信號接收、GPRS發送數據控制等各方面的要求，選用32位ARM處理器AT91SAM9260。AT91SA-M9260采用ARM926EJ-S內核，外部總線接口包含諸多控制器，用于控制SDRAM以及包括NAND Flash和Compact Flash在內的靜態存儲器，7路US-ART、1個雙線接口(TWI)以及4通道10位A／D轉換器。
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境影響，汽車供電電壓不穩定，存在各種干擾，所以本系統采用三級電壓轉換電路，如圖2所示。外部電源分別經LM2576HVT-ADJ、LM2940-5．0和LMlll7轉換為7、5和3 V，供給相應模塊。其中第一級LM2576HVT-ADJ將7-40 V電壓轉換至7 V，使本系統可以應用到任何車輛。在電源輸入電壓轉換模塊前通過LC濾波，可以有效地濾除交流干擾，各電源轉換器后端均通過100和O．1μF電容并聯接地消除紋波電壓，保證系統供電穩定。經過測試該電路可以穩定輸出5和3．3 V電壓。

2．3 速度采集電路
    獲得準確的速度是記錄儀正常工作的基礎。大部分汽車都安裝有速度傳感器，車輪每轉動一周則會輸出一定數量的脈沖，準確判斷這些脈沖是關鍵。本系統采用的速 度采集電路如圖3所示，首先通過前端的RC濾波去除高頻干擾，經過一個跟隨器，再通過比較電路輸出，控制后端的三極管VQ1的通斷，產生穩定的脈沖信號。

2．4 GPS
    GPS是本系統實現定位的核心部分，采用Gloabalsat的ET-318 SiRF StarⅢGPS芯片組，該模塊具有靈敏度高(追蹤靈敏度：-159 dbm)，低信號下快速TTFF(首次定位時間)，20通道全視野跟蹤，速度精度0．1 m／s，支持NMEA0183和SiRF二進位協議，通過串口固定輸出NMEA0183規定的數據信息。通信參數：波特率為4 800 b／s，數據位為8 bit，停止位為1 bit。無奇偶校驗。ARM接收其中的RMC(推薦定位信息)，獲得時間、經緯度、地面速度、地面航向等信息。
2．5 GPRS
    本系統每1O s鐘通過GPRS將當前速度、經緯度、方向和時間發送到服務器，管理軟件讀取這些信息就可以監測車輛的當前狀態。GPRS模塊采用的是SIM300C，它 體積小，采用DIP板對板連接器，低功耗，高速傳輸語音、SMS(短信)、數據和傳真信息，最關鍵的是它內嵌強大的T-CP／IP協議棧，支持標準AT指 令集。本系統通過SIM300C建立TCP管道傳輸數據。建立過程如下：

    其中1 024規定每次傳輸量最大不超過1 KB。
2．6 語音模塊
    系統在超速行駛、疲勞駕駛時，相應的高亮度LED閃爍，同時啟動語音報警功能，發出“超速，請減速”的警告語音，而且記錄儀能播放監控平臺發送的短信的內容即TTS(從文本到語音)。該記錄儀采用語音天下的第二代語音合成器OSYNO 6288。它兼容GB2312、GBK、BIG5和Unicode等4種內碼格式文本的合成，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、繼續合成、改變波特率等，可以自動識別詞組，多音字。語音通過PWM(脈寬調制)輸出至喇叭。為與監控軟件、數據庫和GPRS模塊兼容，采用通用性更好的Unicode碼，通信參數：波特率為4 800 b／s，數據位為8 bit，停止位為1 bit無奇偶校驗，OSYNO 6288內置有功放，軟件調節音量至11級，外接8 Ω／0．5 W喇叭，播放聲音洪亮、清晰，即使在較為嘈雜的環境下也可以清楚聽到播放內容。
2．7 數據存儲器
    汽車行駛記錄儀是在汽車行駛過程中對汽車各種狀態進行記錄的電子裝置，各種狀態數據存儲是汽車行駛記錄儀的重要部分。此前大多設計均采用Flash和鐵電 存儲器并用的方式。但是對于實時操作系統Linux只要采用一片Flash就可以滿足需要。目前Linux操作系統可以很好支持 NandFlash，AT91sam9260支持Nand Flash啟動，并且與之相應的yaffs2文件系統已經成熟，保證了數據的準確性。由于本系統需要保存大量數據：GPS定位信息、疑點記錄、行駛記錄、 斷電記錄、疲勞駕駛記錄、油位等，所以采用K9F1G08UOB型128Mx2 K頁NandFlash存儲器。
2．8 油位傳感器
    本系統加裝精確的油位傳感器，對油位實時記錄，并通過GPRS傳輸至監控平臺，車輛運營企業可以實時掌握車輛的油位情況，徹底杜絕司機偷油賣油，拉私活的情況發生。
    車輛電環境復雜干擾多，因此采用電流型傳感器。本系統采用CR-606型電容式油位傳感器，當油進入容器引起傳感器殼體和感應電極之間的變化，適用于任何不導電的液體，油位精度高，油位液在采集小于1 mm，測量誤差小于0．1％，標準輸出4～20 mA的線性電流信號，經過150Ω精密電阻轉換至0．6～3 V電壓信號，通過AT91sam9260的A／D轉換模塊轉換為數字量并保存。
2．9 實時時鐘
    主處理器AT91sam9260雖內置時鐘，但是當處理器斷電后，該實時時鐘所有寄存器的內容將全部丟失。為此，系統需要外部實時時鐘。  PCF8563符合這一要求，PCF8563具有掉電檢測器，當供電電壓低于某個值時，秒寄存器中的某標志位將置1，指明此時實時時鐘可能會產生不準確的時鐘／日歷信息，從而避免了記錄儀對錯誤時間的記錄。此外，PCF8563可以工作在1～5．5 V的寬電壓范圍內，具有體積小、外圍電路簡單、運行穩定性、精度高、功耗低等優點，Linux內核對其支持穩定可靠，滿足本系統的要求。
2．10 通信接口
    根據GB／T19056-2003，標準記錄儀應至少配置2種標準接口：USB標準接口、標準RS-232型9針接口。通過RS-232串行口直接進行數 據傳輸比較容易實現，可靠性高。AT91sam9260的串行口經電平轉換器MAX232轉換為EIA／TIA-232-E電平，從而提供標準的RS- 232接口。AT91sam
9260支持USB主從模式，也可直接外接USB接口。

3 汽車記錄儀軟件設計
    汽車記錄儀是無人控制的，在汽車開始運行時自動啟動，本系統采用Linux操作系統，運行過程為：汽車上電記錄儀啟動，開始引導Bootstrap、Uboot，通過Bootloader調用Linux內核，加載yaffs2文件系統，自動啟動應用程序。
3．1 主程序
    應用程序采用C語言編寫。主程序負責整個系統的初始化，硬件設備通過信號(軟中斷)與主程序交互數據，完成相應的操作，主程序流程如圖4所示。

3．2 GPRS數據發送
    本系統設計記錄的數據包括行駛記錄，上電至掉電之間，每3 s保存一次時間、速度、狀態、GPS定位信息和角度；疑點記錄，保存每次停車前20 s內，每0．2 s的速度和狀態信息；斷電記錄，保存系統斷電時的時間；疲勞駕駛記錄，保存司機連續駕車超過4 h的起始時間。所有的記錄數據要求保存2個月，因此保存數據量大，相應需要傳輸的數據量也大。
    在GPRS傳輸數據之前對數據進行壓縮并且在系統出現新記錄時進行傳輸。在編譯busybox時選擇gzip功能，通過gzip對數據壓縮，一般壓縮比可達9：1。由于GPRS透明傳輸要求每次傳輸數據最大不超過1 KB，因此將需傳輸的數據分割為每包1 000字節的數據，并為每包數據標識ID號。
    服務器接收端根據接收到的數據包lD重新組合數據，通過解壓縮軟件解壓得到記錄儀的記錄數據。
3．3 斷電記錄的實現
    在大型車隊及運輸公司，司機為免受記錄儀的約束，往往在運營過程中對記錄儀非法斷電，使記錄儀不能正常工作，以此躲避監控。因此本系統專門設計斷電記錄，對司機非法斷電的行為進行監督。系統啟動時將當前時鐘與上次停機時時鐘進行對比，Linux從死機至重啟的時間應在5 min以內，若對比時間超過5 min，說明記錄儀長時間斷電，將上次停機時間作為斷電記錄保存，并發送至服務器。
3．4 時間和速度校準
    ARM接收GPS的RMC信息。若GPS時間與當前系統時間相差達到30 s，則以GPS時間為準并校準系統時間和硬件時鐘。當前速度與GPS速度比較，若GPS速度連續30 s大于0，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速度作為系統當前速度，并向監控中心報警。

4 樣機測試
    經過努力，本系統已經完成，并生產出樣機。通過樣機安裝在試驗用車進行各方面性能和功能測試。測試結果如表l，表2所示。

5 結論
    該汽車記錄儀結合GPS和GPRS實現精確定位和遠程數據傳輸，通過管理軟件可以實時獲取當前車輛狀態信息，又能及時查看車輛行駛記錄， 在車輛實時告警與稽核、公安交警部門的事故處理發揮重要作用，增加斷電記錄和多種報警功能，即可以防搶防盜，又能滿足大中型車隊及企業對于車輛管理和司機 操作監控的需要。