徐世濤 李傳海 胡 誠(chéng) 左安友

（湖北民族學(xué)院理學(xué)院，湖北 恩施 445000）

0 引言

汽車“黑匣子”又稱汽車工作信息記錄儀，可為司乘人員提供工況信息和發(fā)出各種超限報(bào)警，可有效防范車輛事故的發(fā)生，為交管部門公正處理交通事故提供科學(xué)、權(quán)威的依據(jù)[1]。汽車“黑匣子”的誕生和使用使道路交通事故率明顯下降，德國(guó)TTS、比利時(shí)WESTBEL GLUM公司統(tǒng)計(jì)情況表明，安裝使用汽車“黑匣子”后事故率降低了34%～53%[1]。然而，現(xiàn)有的汽車“黑匣子”普遍存在以下缺點(diǎn)導(dǎo)致其未被廣泛使用：首先，功能太過(guò)花哨導(dǎo)致成本過(guò)高、價(jià)格昂貴；其次，多采用GPS測(cè)速使得精度和準(zhǔn)確性不夠高；再次，不同道路下限速值不能智能調(diào)節(jié)，通用性不強(qiáng)；最后，缺乏交警的實(shí)時(shí)監(jiān)控。目前汽車車速表多為基于電磁感應(yīng)原理的機(jī)電式模擬車速表，抗震性能差、指針易抖動(dòng)、體積大、生產(chǎn)工藝復(fù)雜[2]；且只能為駕駛員提供少量信息，已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代汽車的發(fā)展要求[3]。

針對(duì)以上情況，筆者設(shè)計(jì)了集數(shù)顯車速計(jì)于一體的低成本汽車“黑匣子”，并制作出實(shí)物裝置；該裝置能很好地實(shí)現(xiàn)汽車“黑匣子”的核心功能——防治超速，且包括了高精度的數(shù)顯車速計(jì)。

1 整體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)特點(diǎn)

第一、精簡(jiǎn)功能，降低成本。研究數(shù)據(jù)表明防范交通事故關(guān)鍵在于防治超速駕駛[4]，因此本設(shè)計(jì)僅保留了汽車“黑匣子”的防治超速功能，功能的精簡(jiǎn)極大地降低了生產(chǎn)成本。

第二、電子式數(shù)顯車速計(jì)，提升各項(xiàng)性能指標(biāo)。采用電子式數(shù)顯車速計(jì)取代傳統(tǒng)車速表，可直觀地為駕駛員提供高精度的速度信息，并提高儀表的穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和可靠性。

第三、雙重測(cè)速，保證精度?，F(xiàn)有汽車“黑匣子”多采用GPS測(cè)速，研究表明GPS測(cè)速在信號(hào)較強(qiáng)時(shí)精度較高，而信號(hào)較弱時(shí)測(cè)速穩(wěn)定性差且略有延遲，同時(shí)在低車速時(shí)測(cè)速精度也較低[5]。本設(shè)計(jì)則綜合數(shù)顯車速計(jì)和GPS測(cè)速進(jìn)行雙重測(cè)速，在GPS信號(hào)較弱時(shí)系統(tǒng)采用車速計(jì)測(cè)得的速度，GPS信號(hào)較強(qiáng)且車速較大時(shí)系統(tǒng)采用GPS測(cè)得的速度：兩項(xiàng)結(jié)合以保證測(cè)速精度。

第四、限速值自動(dòng)獲取，提高道路通用性。在不同道路環(huán)境下，現(xiàn)有汽車“黑匣子”均無(wú)自動(dòng)獲取限速值的功能，導(dǎo)致其通用性受限。本設(shè)計(jì)借助大多數(shù)汽車裝有的GPS導(dǎo)航儀，從其本地地圖數(shù)據(jù)包中提取當(dāng)前道路環(huán)境下的限速值，提高汽車“黑匣子”在不同道路環(huán)境下的通用性。

第五、交警遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，防范事故于未然。市售汽車“黑匣子”多從用戶的角度進(jìn)行設(shè)計(jì)，超速違規(guī)數(shù)據(jù)并未實(shí)時(shí)反饋至交警端，僅用于交通事故責(zé)任追究之用。本設(shè)計(jì)則實(shí)時(shí)反饋超速數(shù)據(jù)，交警收到超速信息后亦可遠(yuǎn)程控制汽車，這樣可大大提高車輛緊急避險(xiǎn)能力。

1.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)正常工作時(shí)，GPS和數(shù)顯車速計(jì)完成雙重測(cè)速，顯示于數(shù)顯車速計(jì)液晶屏上；當(dāng)測(cè)得的速度大于系統(tǒng)自動(dòng)獲取的當(dāng)前道路環(huán)境下的限速值時(shí)，單片機(jī)（MCU）將速度值、GPS坐標(biāo)和時(shí)間等數(shù)據(jù)通過(guò)特定算法加密后寫入SD卡（系統(tǒng)不記錄未超速的數(shù)據(jù)），用于記錄“違規(guī)事實(shí)”，并通過(guò)聲光報(bào)警裝置來(lái)警示司機(jī)，同時(shí)通過(guò)GSM模塊將超速信息發(fā)送到交警端。在汽車年檢時(shí)，交警可將SD卡中的加密數(shù)據(jù)讀出，并復(fù)原成可用數(shù)據(jù)。

1.3 系統(tǒng)構(gòu)成

圖1 系統(tǒng)框圖

如圖1，系統(tǒng)可劃分為九部分：1為GPS模塊，用于定位、GPS測(cè)速和獲取時(shí)間信息等；2為GSM模塊，用于遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)交換等；3為鍵盤模塊，用作輸入設(shè)備；4為顯示模塊，用于顯示速度等信息；5為頻率采樣模塊，用于捕獲并轉(zhuǎn)換車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)；6為聲光報(bào)警模塊，用于超速報(bào)警；7為SD卡模塊，用于存儲(chǔ)超速違章數(shù)據(jù)；8為電源系統(tǒng)，用于保障電能的持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)；9為微控制器，用作系統(tǒng)的控制核心。

2 系統(tǒng)硬件

2.1 微控制器

系統(tǒng)控制核心選用美國(guó)TI公司推出的16位超低功耗微處理器MSP430F149，它擁有5種節(jié)能模式、1.8 - 3.6V的寬工作電壓；內(nèi)置60KB+256B FLASH、2KB RAM，并采用了一般只有DSP中才有的16位多功能硬件乘法器，可有效地實(shí)現(xiàn)一些數(shù)字信號(hào)處理算法（如FFT、DTMF等）[6]；本設(shè)計(jì)僅用到1個(gè)中斷口、25個(gè)I/O口、2個(gè)定時(shí)器、2個(gè)串行通信接口以及39.2KB的FLASH空間。

2.2 電源系統(tǒng)

電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)須考慮三方面的因素：

第一、車載蓄電裝置多為直流12V–24V，因此其須能承受12V–24V直流寬電壓輸入；

第二、用電元件工作電壓多為3.3V，聲光報(bào)警模塊和顯示模塊的工作電壓為5V，因此其應(yīng)具備3.3V 、5V雙路輸出的能力；

第三、GSM模塊工作時(shí)峰值電流可達(dá)到2A，因此其應(yīng)至少具備2A輸出能力，實(shí)測(cè)表明在本設(shè)計(jì)中的電源完全能滿足供電需求。

2.3 GPS模塊

GPS模塊選用RoyalTek公司的REB-3310模塊，該模塊具有低功耗、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，適用范圍包括汽車定位導(dǎo)航、地圖制作等[7]。為能自動(dòng)獲取限速值，本設(shè)計(jì)將MCU的串口1引出并轉(zhuǎn)換成串口和USB接口，以便與GPS導(dǎo)航儀連接，并從GPS導(dǎo)航儀本地地圖數(shù)據(jù)包中提取當(dāng)前道路環(huán)境下的限速值，同時(shí)也可從GPS導(dǎo)航儀中獲取GPS坐標(biāo)、時(shí)間、速度等信息，此時(shí)可省去REB-3310模塊，以進(jìn)一步降低成本。

2.4 GSM模塊

GSM模塊選用可提供寬頻帶GSM應(yīng)用的西門子TC35模塊，該模塊的外圍電路少，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單；TC35模塊中包括完整的RF電路，并且GSM協(xié)議可自動(dòng)地在GSM基帶處理器中運(yùn)行，這樣可簡(jiǎn)化代碼，提高開發(fā)效率，為TC35的后期開發(fā)提供可靠的保證[8]。

2.5 鍵盤模塊

考慮到按鍵響應(yīng)速度和MSP430F149豐富的I/O資源，本設(shè)計(jì)采用4按鍵獨(dú)立鍵盤，減少了I/O資源的浪費(fèi)，也保證了流暢的按鍵響應(yīng)速度。4個(gè)按鍵分別連接MCU的P1.0 – P1.3引腳，并在設(shè)定車輪半徑大小時(shí)分別用于+1、+10、-1和確認(rèn)操作。

2.6 顯示模塊

顯示模塊采用SMC12864液晶，其使用ST7920作為控制芯片，與外部MCU接口采用并行或串行兩種方式，以適應(yīng)各種應(yīng)用場(chǎng)合[9]，本設(shè)計(jì)采用并行接口方式以保證較好的顯示效果。

2.7 頻率采樣模塊

頻率采樣模塊由磁電式轉(zhuǎn)速傳感器和頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換電路組成，磁電式轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、輸出穩(wěn)定，因而應(yīng)用廣泛，它的輸出類似于正弦波信號(hào)，無(wú)論從波形或是幅值上考慮，這種信號(hào)都不能直接送入MCU，這就需要設(shè)計(jì)頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換電路[10]；磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的輸出端接頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換電路的Port_IN_frequency（+）和 Port_IN_frequency（-）端，以完成交流信號(hào)到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，詳細(xì)電路設(shè)計(jì)如圖二。

圖2 頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換電路

如圖2設(shè)計(jì)，頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換電路由整流橋、穩(wěn)壓二極管，TLP521-1光耦器件，9014三極管，LED等構(gòu)成。整流橋?qū)⒔涣餍盘?hào)轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)，并將頻率加倍，頻率加倍可提高測(cè)量的精度；穩(wěn)壓二極管起穩(wěn)壓作用，保護(hù)光耦器件；TLP521-1光耦器件用于隔離模擬電路與數(shù)字電路，以保護(hù)數(shù)字電路，提高穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性；9014三極管用于放大光耦輸出級(jí)信號(hào)并驅(qū)動(dòng)MCU；LED發(fā)光二極管用于頻率信號(hào)指示及工作狀態(tài)指示。

經(jīng)過(guò)頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換電路后的脈沖信號(hào)直接送入單片機(jī)P2.0口，MCU利用定時(shí)器和P2.0口的中斷能力，記下0.5秒內(nèi)接收到的脈沖個(gè)數(shù)，通過(guò)計(jì)算可得車輪轉(zhuǎn)速，在車輪半徑已知的情況下可進(jìn)一步算得速度。

2.8 聲光報(bào)警模塊

聲光報(bào)警模塊使用三色LED和高分貝喇叭，單片機(jī)P6.0 -P6.3引腳分別控制LED的三種色彩和高分貝喇叭的驅(qū)動(dòng)電路，再由三極管構(gòu)成的驅(qū)動(dòng)電路直接驅(qū)動(dòng)高分貝喇叭。超速后，三色LED不斷閃爍，并伴隨高分貝喇叭的鳴叫一起發(fā)出超速警報(bào)。

2.9 SD卡模塊

SD卡模塊由SD卡和外圍接口電路構(gòu)成，其核心是用于存儲(chǔ)超速數(shù)據(jù)的SD卡，SD卡與MCU的連接采用SPI的方式，這樣在滿足數(shù)據(jù)傳輸率需求的同時(shí)也簡(jiǎn)化了線路；本設(shè)計(jì)中MCU的兩個(gè)具備UART和SPI模式的USART接口均已被用作UART模式，因此需要通過(guò)四個(gè)普通I/O口模擬SPI端口進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

3 系統(tǒng)軟件

本設(shè)計(jì)利用IAR EW430編程軟件并基于C語(yǔ)言完成對(duì)MSP430F149單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)工作，IAR EW430軟件提供了工程管理、程序編輯、代碼下載、調(diào)試等所有功能，可大大提高開發(fā)調(diào)試效率；且應(yīng)用于MSP430系列單片機(jī)開發(fā)的C語(yǔ)言，與標(biāo)準(zhǔn)C語(yǔ)言高度兼容，具有較強(qiáng)的移植性和擴(kuò)展性；同時(shí)采用模塊化的程序設(shè)計(jì)思想，確保程序結(jié)構(gòu)一目了然，提高開發(fā)效率[11]。

采用了模塊化的思想，程序主體設(shè)計(jì)如圖3。下文將簡(jiǎn)要介紹系統(tǒng)預(yù)初始化、系統(tǒng)初始化、車速測(cè)量、獲取GPS信息、短信的接收與處理、極限超速后的處理和普通超速后的處理的程序?qū)崿F(xiàn)過(guò)程。

3.1 系統(tǒng)預(yù)初始化

系統(tǒng)預(yù)初始化過(guò)程首先進(jìn)行看門狗、系統(tǒng)時(shí)鐘的設(shè)置，以保證MCU正常工作；隨后進(jìn)行聲光報(bào)警模塊和顯示模塊的初始化，保證系統(tǒng)默認(rèn)關(guān)閉聲光報(bào)警，以及信息的正常顯示。

3.2 系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)初始化依次完成頻率采樣模塊、串口、SD模塊和GSM模塊的初始化。

a）頻率采樣模塊初始化：將Timer B配置成每0.5秒產(chǎn)生一次中斷，輔助測(cè)定頻率。

b）串口初始化：將USART0配置為8位數(shù)據(jù)、9600波特率的UART通信端口；將USART1配置為8位數(shù)據(jù)、開接收中斷、4800波特率的UART通信端口，分別為與GSM模塊和GPS模塊通信做準(zhǔn)備。

c）SD模塊初始化：即模擬SPI端口I/O引腳的配置，須遵循SPI協(xié)議進(jìn)行配置，為SD模塊存儲(chǔ)數(shù)據(jù)做準(zhǔn)備。

d）GSM模塊初始化：初始化是通過(guò)串口0向GSM模塊發(fā)送初始化指令進(jìn)行的，以便為短信的收發(fā)做準(zhǔn)備。

首先列表簡(jiǎn)介本程序中使用到的AT指令，詳見(jiàn)表一：

表一 程序中使用到的AT指令

配置好的串口0已經(jīng)準(zhǔn)備好向GSM發(fā)送指令，通過(guò)以下程序片段向發(fā)送緩沖器寫入數(shù)據(jù)后，串口將按預(yù)置的模式自動(dòng)開始發(fā)送數(shù)據(jù)。

以上程序完成GSM模塊的恢復(fù)出廠設(shè)置，通過(guò)更改相應(yīng)的代碼完成對(duì)GSM模塊的初始化。

3.3 車速測(cè)量

車速測(cè)量主要利用Timer B的定時(shí)功能和P2.0口的中斷能力，車輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率信號(hào)通過(guò)頻率采樣模塊后送入單片機(jī)P2.0口，單片機(jī)記下0.5秒內(nèi)接收到的脈沖個(gè)數(shù)，計(jì)算可得車輪轉(zhuǎn)速，在車輪半徑已知的情況下可進(jìn)一步算得速度，計(jì)算公式如下：

a）車輪頻率的計(jì)算式 ：frequency =（counter×2）/2，在程序中的表達(dá)式如下程序段：

frequency = counter；

b）車速計(jì)算式 ：v=2×PI×R×frequency×3.6，單位 Km/h，在程序中的表達(dá)式如下程序段：

v=2.0*PI*R*（double）frequency*3.6 ；

3.4 獲取GPS信息

GPS信息的獲取是通過(guò)串口1以中斷的方式接收GPS模塊發(fā)回的數(shù)據(jù)包，解析數(shù)據(jù)包可獲取詳細(xì)的GPS數(shù)據(jù)。

a）GPS數(shù)據(jù)包格式[12]：REB-3310模塊支持NMEA- 0183協(xié)議的數(shù)據(jù)格式，以下僅介紹程序中使用到的GPGGA（地面速度信息）、GPVTG（GPS定位信息）類型的數(shù)據(jù)格式。

GPGGA，該數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)及有用字段釋義如下：

GPVTG，該數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)及有用字段釋義如下：

b）GPS數(shù)據(jù)包解析：在檢索到‘$GPGGA’關(guān)鍵字后，將數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)，并從中提取出UTC時(shí)間和經(jīng)緯度（包括方向）；同理檢索‘GPVTG’關(guān)鍵字可最終提取出GPS測(cè)得的車速。

3.5 短信的接收與處理

短信的接收主要是接收發(fā)自交警的控制短信，此過(guò)程是通過(guò)串口0以中斷的方式接收GSM模塊發(fā)回的短消息；處理則是控制指令的提取、識(shí)別和執(zhí)行（剎車）。具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖4所示。

a）關(guān)鍵字檢索：GSM模塊初始化后，在收到短信時(shí)，會(huì)向MCU自動(dòng)返回如下格式的數(shù)據(jù)包：

其中‘+CMT’是收到短信的關(guān)鍵字，可判斷是否收到短信；‘+86xxxxxxxxxxx’是短信發(fā)送方的號(hào)碼，可判斷短信是否來(lái)自交警；‘xxxxxx’是短信內(nèi)容，可提取得控制指令。

b）回復(fù)GSM模塊短信確認(rèn)指令：GSM模塊收到短信后會(huì)將短信內(nèi)容通過(guò)串口發(fā)給MCU，MCU成功讀取短信后須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)回復(fù)短信確認(rèn)指令（AT+CNMA ），否則導(dǎo)致GSM模塊收到下一條短信后不會(huì)直接返回短信內(nèi)容，這會(huì)增加程序的復(fù)雜性。

3.6 極限超速后的處理

當(dāng)車速超過(guò)極限值時(shí)，系統(tǒng)將順次進(jìn)行剎車、聲光報(bào)警、發(fā)送報(bào)警短信、存儲(chǔ)超速數(shù)據(jù)等操作，直至汽車剎?；蛘哌_(dá)到安全速度。

a）發(fā)送報(bào)警短信：超速后，MCU通過(guò)串口0發(fā)送“AT+CMGS=xxxxxxxxxxx ”指令設(shè)置接收號(hào)碼，發(fā)送含超速信息的字符串完成內(nèi)容的編寫，發(fā)送“0x1a”指令確認(rèn)發(fā)送短信。

b）存儲(chǔ)超速數(shù)據(jù)：超速數(shù)據(jù)將被存入SD卡，用于永久保存違規(guī)事實(shí)。本設(shè)計(jì)移植了完全開源的Petit FAT文件系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)FAT文件的存儲(chǔ)，保證數(shù)據(jù)能在PC機(jī)上直接讀?。煌瑫r(shí)采用模擬SPI接口的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，詳見(jiàn)Petit FAT文件系統(tǒng)的開源資料。

普通超速后的處理與極限超速后的處理基本一致，僅去掉了“控制剎車”過(guò)程。

圖3 主程序流程圖

圖4 短信的接收與處理流程

4 總結(jié)

本文綜合考慮了交警和駕駛員的因素，在保證交警絕對(duì)控制權(quán)的前提下，從汽車“黑匣子”防治超速的核心功能出發(fā)，詳細(xì)設(shè)計(jì)了集數(shù)顯車速計(jì)于一體的低成本汽車“黑匣子”，并在項(xiàng)目經(jīng)費(fèi)的支撐下完成了實(shí)物裝置的制作。

經(jīng)實(shí)測(cè)該裝置可實(shí)現(xiàn)如下功能：

a）通過(guò)GPS和數(shù)顯車速計(jì)雙重測(cè)速，可獲得高精度的速度值，并直觀地顯示于數(shù)顯車速計(jì)的液晶屏上，可取代傳統(tǒng)的車速表；

b）僅當(dāng)速度大于系統(tǒng)自動(dòng)獲取的當(dāng)前道路環(huán)境下的限速值時(shí)，MCU才將速度值、GPS坐標(biāo)和時(shí)間等數(shù)據(jù)通過(guò)特定算法加密后寫入SD卡，用于記錄“違規(guī)事實(shí)”，避免記錄無(wú)用數(shù)據(jù)造成浪費(fèi)，減小數(shù)據(jù)的復(fù)雜性，以保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性和穩(wěn)定性；

c）超速時(shí)，聲光報(bào)警警示司機(jī)已超速，同時(shí)通過(guò)GSM模塊將超速信息發(fā)至交警端，交警亦可遠(yuǎn)程控制汽車；

d）當(dāng)速度達(dá)到設(shè)定的最大值時(shí)，系統(tǒng)可控制汽車剎停；

e）在汽車年檢時(shí)，交警可從SD卡中解密出可用數(shù)據(jù)。

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