集數顯車速計于一體的低成本汽車“黑匣子”的設計

徐世濤 李傳海 胡 誠 左安友

（湖北民族學院理學院，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出各種超限報警，可有效防范車輛事故的發生，為交管部門公正處理交通事故提供科學、權威的依據[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TTS、比利時WESTBEL GLUM公司統計情況表明，安裝使用汽車“黑匣子”后事故率降低了34%～53%[1]。然而，現有的汽車“黑匣子”普遍存在以下缺點導致其未被廣泛使用：首先，功能太過花哨導致成本過高、價格昂貴；其次，多采用GPS測速使得精度和準確性不夠高；再次，不同道路下限速值不能智能調節，通用性不強；最后，缺乏交警的實時監控。目前汽車車速表多為基于電磁感應原理的機電式模擬車速表，抗震性能差、指針易抖動、體積大、生產工藝復雜[2]；且只能為駕駛員提供少量信息，已遠遠不能滿足現代汽車的發展要求[3]。

針對以上情況，筆者設計了集數顯車速計于一體的低成本汽車“黑匣子”，并制作出實物裝置；該裝置能很好地實現汽車“黑匣子”的核心功能——防治超速，且包括了高精度的數顯車速計。

1 整體設計

1.1 系統特點

第一、精簡功能，降低成本。研究數據表明防范交通事故關鍵在于防治超速駕駛[4]，因此本設計僅保留了汽車“黑匣子”的防治超速功能，功能的精簡極大地降低了生產成本。

第二、電子式數顯車速計，提升各項性能指標。采用電子式數顯車速計取代傳統車速表，可直觀地為駕駛員提供高精度的速度信息，并提高儀表的穩定性、準確性和可靠性。

第三、雙重測速，保證精度。現有汽車“黑匣子”多采用GPS測速，研究表明GPS測速在信號較強時精度較高，而信號較弱時測速穩定性差且略有延遲，同時在低車速時測速精度也較低[5]。本設計則綜合數顯車速計和GPS測速進行雙重測速，在GPS信號較弱時系統采用車速計測得的速度，GPS信號較強且車速較大時系統采用GPS測得的速度：兩項結合以保證測速精度。

第四、限速值自動獲取，提高道路通用性。在不同道路環境下，現有汽車“黑匣子”均無自動獲取限速值的功能，導致其通用性受限。本設計借助大多數汽車裝有的GPS導航儀，從其本地地圖數據包中提取當前道路環境下的限速值，提高汽車“黑匣子”在不同道路環境下的通用性。

第五、交警遠程實時監控，防范事故于未然。市售汽車“黑匣子”多從用戶的角度進行設計，超速違規數據并未實時反饋至交警端，僅用于交通事故責任追究之用。本設計則實時反饋超速數據，交警收到超速信息后亦可遠程控制汽車，這樣可大大提高車輛緊急避險能力。

1.2 系統功能

系統正常工作時，GPS和數顯車速計完成雙重測速，顯示于數顯車速計液晶屏上；當測得的速度大于系統自動獲取的當前道路環境下的限速值時，單片機（MCU）將速度值、GPS坐標和時間等數據通過特定算法加密后寫入SD卡（系統不記錄未超速的數據），用于記錄“違規事實”，并通過聲光報警裝置來警示司機，同時通過GSM模塊將超速信息發送到交警端。在汽車年檢時，交警可將SD卡中的加密數據讀出，并復原成可用數據。

1.3 系統構成

圖1 系統框圖

如圖1，系統可劃分為九部分：1為GPS模塊，用于定位、GPS測速和獲取時間信息等；2為GSM模塊，用于遠程監控和數據交換等；3為鍵盤模塊，用作輸入設備；4為顯示模塊，用于顯示速度等信息；5為頻率采樣模塊，用于捕獲并轉換車輪的轉動信號；6為聲光報警模塊，用于超速報警；7為SD卡模塊，用于存儲超速違章數據；8為電源系統，用于保障電能的持續穩定供應；9為微控制器，用作系統的控制核心。

2 系統硬件

2.1 微控制器

系統控制核心選用美國TI公司推出的16位超低功耗微處理器MSP430F149，它擁有5種節能模式、1.8 - 3.6V的寬工作電壓；內置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，可有效地實現一些數字信號處理算法（如FFT、DTMF等）[6]；本設計僅用到1個中斷口、25個I/O口、2個定時器、2個串行通信接口以及39.2KB的FLASH空間。

2.2 電源系統

電源系統的設計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，聲光報警模塊和顯示模塊的工作電壓為5V，因此其應具備3.3V 、5V雙路輸出的能力；

第三、GSM模塊工作時峰值電流可達到2A，因此其應至少具備2A輸出能力，實測表明在本設計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、抗干擾能力強等特點，適用范圍包括汽車定位導航、地圖制作等[7]。為能自動獲取限速值，本設計將MCU的串口1引出并轉換成串口和USB接口，以便與GPS導航儀連接，并從GPS導航儀本地地圖數據包中提取當前道路環境下的限速值，同時也可從GPS導航儀中獲取GPS坐標、時間、速度等信息，此時可省去REB-3310模塊，以進一步降低成本。

2.4 GSM模塊

GSM模塊選用可提供寬頻帶GSM應用的西門子TC35模塊，該模塊的外圍電路少，電路設計簡單；TC35模塊中包括完整的RF電路，并且GSM協議可自動地在GSM基帶處理器中運行，這樣可簡化代碼，提高開發效率，為TC35的后期開發提供可靠的保證[8]。

2.5 鍵盤模塊

考慮到按鍵響應速度和MSP430F149豐富的I/O資源，本設計采用4按鍵獨立鍵盤，減少了I/O資源的浪費，也保證了流暢的按鍵響應速度。4個按鍵分別連接MCU的P1.0 – P1.3引腳，并在設定車輪半徑大小時分別用于+1、+10、-1和確認操作。

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，以適應各種應用場合[9]，本設計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速傳感器和頻率信號轉換電路組成，磁電式轉速傳感器結構簡單、測量精度高、輸出穩定，因而應用廣泛，它的輸出類似于正弦波信號，無論從波形或是幅值上考慮，這種信號都不能直接送入MCU，這就需要設計頻率信號轉換電路[10]；磁電式轉速傳感器的輸出端接頻率信號轉換電路的Port_IN_frequency（+）和 Port_IN_frequency（-）端，以完成交流信號到數字信號的轉換，詳細電路設計如圖二。

圖2 頻率信號轉換電路

如圖2設計，頻率信號轉換電路由整流橋、穩壓二極管，TLP521-1光耦器件，9014三極管，LED等構成。整流橋將交流信號轉換成直流信號，并將頻率加倍，頻率加倍可提高測量的精度；穩壓二極管起穩壓作用，保護光耦器件；TLP521-1光耦器件用于隔離模擬電路與數字電路，以保護數字電路，提高穩定性和準確性；9014三極管用于放大光耦輸出級信號并驅動MCU；LED發光二極管用于頻率信號指示及工作狀態指示。

經過頻率信號轉換電路后的脈沖信號直接送入單片機P2.0口，MCU利用定時器和P2.0口的中斷能力，記下0.5秒內接收到的脈沖個數，通過計算可得車輪轉速，在車輪半徑已知的情況下可進一步算得速度。

2.8 聲光報警模塊

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

2.9 SD卡模塊

SD卡模塊由SD卡和外圍接口電路構成，其核心是用于存儲超速數據的SD卡，SD卡與MCU的連接采用SPI的方式，這樣在滿足數據傳輸率需求的同時也簡化了線路；本設計中MCU的兩個具備UART和SPI模式的USART接口均已被用作UART模式，因此需要通過四個普通I/O口模擬SPI端口進行數據存儲。

3 系統軟件

本設計利用IAR EW430編程軟件并基于C語言完成對MSP430F149單片機的程序設計工作，IAR EW430軟件提供了工程管理、程序編輯、代碼下載、調試等所有功能，可大大提高開發調試效率；且應用于MSP430系列單片機開發的C語言，與標準C語言高度兼容，具有較強的移植性和擴展性；同時采用模塊化的程序設計思想，確保程序結構一目了然，提高開發效率[11]。

采用了模塊化的思想，程序主體設計如圖3。下文將簡要介紹系統預初始化、系統初始化、車速測量、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實現過程。

3.1 系統預初始化

系統預初始化過程首先進行看門狗、系統時鐘的設置，以保證MCU正常工作；隨后進行聲光報警模塊和顯示模塊的初始化，保證系統默認關閉聲光報警，以及信息的正常顯示。

3.2 系統初始化

系統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秒產生一次中斷，輔助測定頻率。

b）串口初始化：將USART0配置為8位數據、9600波特率的UART通信端口；將USART1配置為8位數據、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協議進行配置，為SD模塊存儲數據做準備。

d）GSM模塊初始化：初始化是通過串口0向GSM模塊發送初始化指令進行的，以便為短信的收發做準備。

首先列表簡介本程序中使用到的AT指令，詳見表一：

表一 程序中使用到的AT指令

配置好的串口0已經準備好向GSM發送指令，通過以下程序片段向發送緩沖器寫入數據后，串口將按預置的模式自動開始發送數據。

以上程序完成GSM模塊的恢復出廠設置，通過更改相應的代碼完成對GSM模塊的初始化。

3.3 車速測量

車速測量主要利用Timer B的定時功能和P2.0口的中斷能力，車輪轉動頻率信號通過頻率采樣模塊后送入單片機P2.0口，單片機記下0.5秒內接收到的脈沖個數，計算可得車輪轉速，在車輪半徑已知的情況下可進一步算得速度，計算公式如下：

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

frequency = counter；

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

v=2.0*PI*R*（double）frequency*3.6 ；

3.4 獲取GPS信息

GPS信息的獲取是通過串口1以中斷的方式接收GPS模塊發回的數據包，解析數據包可獲取詳細的GPS數據。

a）GPS數據包格式[12]：REB-3310模塊支持NMEA- 0183協議的數據格式，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）類型的數據格式。

GPGGA，該數據幀的結構及有用字段釋義如下：

GPVTG，該數據幀的結構及有用字段釋義如下：

b）GPS數據包解析：在檢索到‘$GPGGA’關鍵字后，將數據存入緩沖區，并從中提取出UTC時間和經緯度（包括方向）；同理檢索‘GPVTG’關鍵字可最終提取出GPS測得的車速。

3.5 短信的接收與處理

短信的接收主要是接收發自交警的控制短信，此過程是通過串口0以中斷的方式接收GSM模塊發回的短消息；處理則是控制指令的提取、識別和執行（剎車）。具體實現過程如圖4所示。

a）關鍵字檢索：GSM模塊初始化后，在收到短信時，會向MCU自動返回如下格式的數據包：

其中‘+CMT’是收到短信的關鍵字，可判斷是否收到短信；‘+86xxxxxxxxxxx’是短信發送方的號碼，可判斷短信是否來自交警；‘xxxxxx’是短信內容，可提取得控制指令。

b）回復GSM模塊短信確認指令：GSM模塊收到短信后會將短信內容通過串口發給MCU，MCU成功讀取短信后須在規定時間內回復短信確認指令（AT+CNMA ），否則導致GSM模塊收到下一條短信后不會直接返回短信內容，這會增加程序的復雜性。

3.6 極限超速后的處理

當車速超過極限值時，系統將順次進行剎車、聲光報警、發送報警短信、存儲超速數據等操作，直至汽車剎?；蛘哌_到安全速度。

a）發送報警短信：超速后，MCU通過串口0發送“AT+CMGS=xxxxxxxxxxx ”指令設置接收號碼，發送含超速信息的字符串完成內容的編寫，發送“0x1a”指令確認發送短信。

b）存儲超速數據：超速數據將被存入SD卡，用于永久保存違規事實。本設計移植了完全開源的Petit FAT文件系統，用以實現FAT文件的存儲，保證數據能在PC機上直接讀??；同時采用模擬SPI接口的方式進行數據存儲，詳見Petit FAT文件系統的開源資料。

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”過程。

圖3 主程序流程圖

圖4 短信的接收與處理流程

4 總結

本文綜合考慮了交警和駕駛員的因素，在保證交警絕對控制權的前提下，從汽車“黑匣子”防治超速的核心功能出發，詳細設計了集數顯車速計于一體的低成本汽車“黑匣子”，并在項目經費的支撐下完成了實物裝置的制作。

經實測該裝置可實現如下功能：

a）通過GPS和數顯車速計雙重測速，可獲得高精度的速度值，并直觀地顯示于數顯車速計的液晶屏上，可取代傳統的車速表；

b）僅當速度大于系統自動獲取的當前道路環境下的限速值時，MCU才將速度值、GPS坐標和時間等數據通過特定算法加密后寫入SD卡，用于記錄“違規事實”，避免記錄無用數據造成浪費，減小數據的復雜性，以保證數據的真實性和穩定性；

c）超速時，聲光報警警示司機已超速，同時通過GSM模塊將超速信息發至交警端，交警亦可遠程控制汽車；

d）當速度達到設定的最大值時，系統可控制汽車剎停；

e）在汽車年檢時，交警可從SD卡中解密出可用數據。

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