汽车行车记录仪论文最终.docx
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汽车行车记录仪论文最终
本科毕业论文（设计）
题目：
基于STM32的汽车行驶记录仪的设计与实现
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基于STM32的汽车行驶记录仪的设计与实现
摘要
汽车行驶记录仪是一种电子式记录设备，它对车辆行驶的时间、速度、里程以及车辆行驶的状态信息进行采集、记录、存储。
汽车行驶记录仪的使用，对疲劳驾驶、超速行驶等驾驶员不良驾驶习惯能够起到约束作用，对保障车辆的安全行驶，分析和鉴定交通事故原因上具有重要的作用。
本次设计中设计了一款基于STM32的汽车行驶记录仪，主要采用STM32F103单片机为主控单元，以OV7670摄像头模块为图像采集模块，以SD卡位数据存储模块。
控制系统以一定的间隔收集摄像头模块采集到的图像数据，并进行存储，实现实时的图像收集；通过将SD卡插入电脑端即可对系统实时拍摄并存储的图像信息进行查看。
除此之外，可以通过串口工具实时监控系统的数据传输过程，使得抽象的数据采集、数据存储、数据调用变的更加形象、具体。
本次设计的汽车行驶记录仪具有实时性好，可靠性和性价比高的特点。
关键词：
汽车行驶记录仪；实时监控；STM32；SD卡
ResearchOnVehicleTravelingDataRecorderBasedOnSTM32
Abstract
Vehicletravelingdatarecorderisanelectronicrecordingdevice,itsvehicletraveltime,speed,mileageandvehiclestatusinformationcollection,recording,storage.Baddrivinghabitsvehicletravelingdatarecorderuse,fatiguedriving,speedingandsothedrivercanactasarestraintonthesafedrivingsupportvehicles,andhasanimportantroleintheanalysisandidentificationofAccidents.ThedesignbasedontheSTM32designedavehicletravelingdatarecorder,mainlySTM32F103microcontrollerasthemaincontrolunittothecameramoduleOV7670imageacquisitionmoduletoyourSDCarddatastoragemodule.Controlsystemsatcertainintervalstocollectthecameramoduletocaptureimagedata,andstorereal-timecollectionofimages,wecaninserttheSDcardtothecomputersideofthesysteminrealtimeandstorethecapturedimageinformationview.Inaddition,throughtheserialdatatransmissionsystemmonitoringtoolforreal-time,makingtheabstractdataacquisition,datastorage,datacallimagebecomesmorespecific.Thedesignofthecarrecorderwithareal-time,highreliability,andcostcharacteristics.
KeyWords：
vehicletravelingdatarecorder，Real-timemonitoring，STM32，SDcard
1绪论
1.1课题研究的背景和意义
随着我国经济的持续发展，国民机动车保有量急剧增加，交通运输企业的规模和管理等级逐步扩大，而与此同时带来了大量疲劳驾驶、超速行驶等违章驾驶行为，使交通事故不断涌现，严重威胁了道路交通安全与驾驶人员的生命安全。
因此，如何提高汽车的安全系数，避免车辆的损失和人员的伤亡是未来汽车发展的方向。
[1]
汽车行驶记录仪,俗称“汽车黑匣子”，来源于“飞机黑匣子”，安装在车辆上，记录车辆行驶速度，时间，里程等并通过接口实现数据传递。
汽车行驶记录系统要求能够实时、完整、准确的记录车辆在行驶过程中的各种状态信息。
[2]对疲劳驾驶，车辆超速等违章驾驶行为有约束作用。
对分析鉴定交通事故，提高交通管理的执法水平，提高运输企业的管理水平，保障车辆运行的安全有重要作用。
汽车行驶记录仪实时将车辆行驶信息反馈给为驾驶员，同时将信息提供给其所属的道路交通运输企业，使企业能够提高车辆使用效率。
而且对道路安全有显著的提高。
1.2国内外研究现状及发展趋势
汽车行驶记录仪的制造和运用最早开始于欧洲，二十世纪二十年代，距现在已经有七十多年。
随着道路交通安全运输要求的提高，德国政府对载货量大于7吨的货运汽车和客运汽车强制安装行驶记录仪。
1970年后，欧洲开始推广德国经验，其它各国开始强制执行行驶记录仪的安装[3]。
在1990年前，欧洲各国立法要求在商用汽车上必须安装汽车行驶记录仪,在未来的十年内给900万辆商用车安装汽车行驶记录仪。
其中,9座以上的巴士、3吨以上的货运汽车是必须安装记录仪的。
美、日等国和地区跟随欧洲的步伐，也开始推广汽车行驶记录仪。
美国要求汽车制造商厂要给新车加装汽车行驶记录仪。
GM通用汽车公司为其生产的600万辆汽车在出厂的时候安装了汽车行驶记录仪。
而日本则是通过立法，规定商业运营用的客运汽车、出租车、货车（载货量大于5吨）都要安装汽车行驶记录仪。
来自交通部门的资料显示，在欧美各国强制推广汽车行驶记录仪后，交通事故率明显下降。
如德国货车事故发生率由1970年的每50万公里/起，下降为2000年的每160万公里一起，事故率减少了220%；而客运汽车则4万公里/起，降为100万公里/故，事故率减少了150%。
国外最新的产品除了能实时记录车辆行驶信息，还具有GPS定位功能，还可以将这些信息传送给车队调度中心。
[4]家长们可以通过给车辆安装该系统，然后在互联网上监控，以保证驾车行驶的孩子的人身安全。
我国从80年末起，开始在一些地区试用国内有自主知识产权的电子式汽车行驶记录仪。
截止2004年，国内已有80多家生产汽车行驶记录仪的厂家，通过公安部交通安全产品质量监督检测中心检测的有68家。
据统计，全国20多个省、自治区、直辖市汽车行驶记录的推广工作取得极大的进展，有350多家运输企业安装使用了汽车行驶记录仪，共计2万多辆汽车。
[5]但是，我国汽车行驶记录仪的推广仍处于初期阶段，且全国各地的进展也不一样。
目前，虽然市场上已经有80多家厂商的产品，但大多数产品功能单一，性价比低，不利于记录仪的普及。
随着我国交管人员对记录仪在道路交通安全上的作用认识的提高。
开始加大汽车行驶记录仪在交通运输管理上的应用,而国内汽车行驶记录仪的研发也越来越成熟，技术指标越来越接近国外的产品。
有鉴于此，国家于2003年4月15日颁发的国标GB/T19056-2003，2003年9月1施行。
目前，推广记录仪的应用存在的困难主要有以下：
一、缺乏宏观立法的支持；二、交通运输企业还没有意识到汽车行驶记录仪对企业管理和节省运营成本上的作用，而且市场上汽车行驶记录仪的性能指标参差不齐，价格也各不相同，售后服务也不完善。
导致企业不愿意使用汽车行驶记录仪作为管理工具,影响企业使用的积极性。
三、交通管理部门对汽车行驶记录仪的推广宣传工作不到位，对汽车行驶记录仪在防范事故发生和增强道路行车安全意识上的作用认识不足。
1.3本文的主要工作
本课题研究的主要内容包括以下几个方面：
第一章绪论，主要介绍了课题研究背景及意义，国内外汽车行驶记录仪的研究现况及发展趋势，并提出了课题研究的主要内容。
第二章系统整体设计，核心模块的选型。
第三章系统硬件设计，各个功能模块的电路设计。
第四章系统软件设计，各个功能模块的软件设计。
第五章系统调试，本章是对这个系统运行状态的总结和概括，并通过软硬件调试完善系统功能，同时对于可能出现的干扰问题进行分析和解决。
第六章总结。
2系统整体设计
本章介绍了汽车行驶记录仪需要达到的各项性能指标，以及针对这些指标提出总体的设计方案，并介绍系统主控芯片的选择原则。
2.1系统总体方案设计
系统通过对外部模拟信号（图像信号）的实时采集，并将原始数据送入STM32，经处理后，将需要保存的数据存入系统内部大容量储存器中。
需要显示的数据则通过人机接口模块显示。
在车辆正常运行时，系统电源采用汽车发电机输出的经变换后的电源。
由于发电机输出电压不稳定，所以，系统需要电源监控电路来保证系统的稳定性。
为了保证不丢失数据，需要有掉电保护电路，掉电保护电路在监控到系统供电电源低于阈值时，产生掉电中断，通知STM32将内存中需保存的数据写入到FLASH中，同时将系统电源切换到备用电源，STM32进入睡眠模式，只有片上实时时钟模块的内核正常工作，降低系统功耗。
[6]
STM32芯片内部自带实时时钟模块，通过外接32.798kHz的晶振，可产生准确的1秒定时，时钟模块的内部有一个32位的寄存器，通过计数器累加，最长可记录136年的时间信息。
本设计中的系统主要由微处理器模块，图像采集模块，电源模块，SD卡存储模块四个模块组成。
本设计中的汽车行驶记录仪系统的整体设计框图如图2.1所示。
图2.1系统框图
2.3系统各模块的选型
2.3.1系统主控芯片的选型
汽车行驶记录仪以STM32F103（STM32）为核心处理器，搭配外围电路实现对车辆行驶信息的实时采集、处理和储存。
STM32是意法半导体公司开发的基于Cortex–M3（CM3）内核的32位RISC处理器，CM3内核与传统51内核的冯诺伊曼结构不同，CM3采用拥有独立指令总线和数据总线的带分支预测的三级流水线哈佛结构。
搭载CM3内核的STM32，工作频率最高能达72MHz，在存储器的0等待周期访问时可达1.25DMips/MHz。
而且支持单周期乘法和硬件除法，极大提高数据处理能力。
[7]自带上电/断电复位（POR/PDR）、可编程电压监测器（PVD），3个12位模数转换器，1μs转换时间，转换范围：
0至3.6V，12通道DMA控制器，支持的外设：
定时器、ADC、DAC、SDIO、I2S、SPI、I2C和USART，多达112个快速I/O端口，片上集成4个16位定时器，每个定时器有4个用于输入捕获/输出比较/PWM或脉冲计数的通道和增量编码器输入，2个看门狗定时器（独立的和窗口型的），2个I2C接口，5个USART，3个SPI，CAN接口（2.0B主动），USB2.0全速接口（设备模式），SDIO。
2.3.2系统图像传感器模块的选型
OV7670是OV公司生产的一颗1/6寸的CMOSVGA图像传感器。
该传感器体积小、工作电压低，提供单片VGA摄像头和影像处理器的所有功能。
通过SCCB总线控制，可以输出整帧、子采样、取窗口等方式的各种分辨率8位影像数据。
该产品VGA图像最高达到30帧/秒。
用户可以完全控制图像质量、数据格式和传输方式。
所有图像处理功能过程包括伽玛曲线、白平衡、度、色度等都可以通过SCCB接口编程。
[8]OV图像传感器应用独有的传感器技术，通过减少或消除光学或电子缺陷如固定图案噪声、托尾、浮散等，提高图像质量，得到清晰的稳定的彩色图像。
OV7670的主要特点见下表2-1。
表2-1OV7670摄像头模块特性
序号
OV7670的特点
1
高灵敏度、低电压适合嵌入式应用
2
标准的SCCB接口，兼容IIC接口
3
支持RawRGB、RGB（GBR4:
2:
2，RGB565/RGB555/RGB444），YUV（4:
2:
2）和YCbCr（4:
2:
2）输出格式
4
支持VGA、CIF，和从CIF到40*30的各种尺寸输出
5
支持自动曝光控制、自动增益控制、自动白平衡、自动消除灯光条纹、自动黑电平校准等自动控制功能。
同时支持色饱和度、色相、伽马、锐度等设置。
6
支持闪光灯，支持图像缩放
ALIENTEKOV7670摄像头模块自带了有源晶振，用于产生12M时钟作为OV7670的XCLK输入。
同时自带了稳压芯片，用于提供OV7670稳定的2.8V工作电压，并带有一个FIFO芯片（AL422B），该FIFO芯片的容量是384K字节，足够存储2帧QVGA的图像数据。
[9]图2.2为该模块的外观。
图2.3位该模块的原理图。
图2.2OV7670摄像头模块实物图
图2.3OV7670摄像头模块原理图
3汽车行驶记录仪的硬件设计
本章记录了汽车行驶记录仪硬件系统的整体构架，并分别介绍了各个功能模块的设计原理、方案选择和具体电路设计。
3.1系统硬件原理图
系统的硬件系统以STM32最小系统为核心，在此基础上附加其它的各个功能模块，实现更多更复杂的功能。
图3.1系统硬件原理图
图3.1为系统硬件原理图，图中包括电源模块、STM32最小系统模块、摄像头图像采集模块、SD卡数据存储模块以及程序烧录模块。
3.2系统功能模块设计
系统功能模块设计详细介绍各个功能模块的设计思路，方案和核心器件选择以及最后的电路实现。
3.2.1电源模块电路设计
电源电路作为整个系统的供电系统，为整个系统的正常运行提供了最基本的保证，同时也是整个系统最基本的可靠性保证。
目前市场上汽车种类繁多，汽车所提供的电源有+12V，+24V和+36V三种电平标准。
我国的车辆主要以+12V和+24V的为主，但是现如今的绝大部分车辆都带有USB接口，现在的USB接口统一含有5V直流电源，所以本论文以直流5V电平设计方案，供电系统。
[10]电源模块除了考虑输入电压外还需要考虑功耗、电源反接和过压保护、电磁干扰和车辆起动停止时电源电压的变化。
汽车内部是一个复杂的电磁环境，有着各种电磁干扰。
如点火系统产生的瞬间高达10KV级的尖峰脉冲。
以及其它的车载用电设备对车辆电源也会产生很大的影响，使电源电压产生较大的浪涌电流和电压波动，导致电源质量变差。
所以为保证本设计的汽车行车记录仪的稳定性和可靠性，直接采用汽车内部经过专业处理过得USB供电接口作为电源，这样既能防止浪涌电流，电压波动，防止反接等。
然而本设计中的汽车行驶记录仪需要+3.3V工作电压，而汽车USB充电接口提供的电压一般是+5V，所以需要通过电压转换电路，将汽车提供的电压转换为记录仪需要的电压。
具体电路图如图3.5。
图3.5电源原理图
汽车行驶记录仪作为车载设备，整机的功耗应该越小越好，而线性稳压电源的效率不到50%，也就是大于一半的功率被电源损耗了，并且稳压器在损耗功率的同时还产生大量热量，给电源模块的散热和小型带来困难。
而且线性稳压电源调整管跨接在输入和输出之间，不能有效地隔离输入输出电压，而汽车供电电源质量很差，有很大的波动和脉冲，会影响记录仪的工作状态和使用寿命。
所以，汽车行驶记录仪的+5V供电模块不适合用线性稳压电源。
但是，线性稳压电源纹波小，稳定性高，而且低压差的线性稳压电源效率也不低，以LM1117为例，输入+5V输出+3.3V，效率能够达到66%。
所以+3.3V电源模块使用LM1117为核心芯片。
LM1117将+5V变换成+3.3V，由于压差小，因此功率损耗也小，器件本身就能很好的完成散热，不需要加散热装置。
发光管D1和D2指示电源工作状态。
3.2.2STM32最小系统设计
为构建可稳定工作的STM的最小系统，STM32需要时钟电路、复位电路、启动电路这些外围接口电路。
具体STM32的最小系统原理图见图3.7，复位电路，启动电路和其他单片机电路大致相同，这里重点介绍一下STM32的时钟电路。
STM32提供了五个时钟源来供用户选择，分别是：
HSI（内部高速时钟，由RC振荡器提供的8MHz时钟）、LSI（内部的低速时钟，由RC振荡器提供的40KHz时钟）、HSE（外部高速时钟，由外部振荡器提供时钟，频率在4MHz~16MHz之间）、LSE（外部低速时钟，也由外部振荡器提供时钟，使用频率32.768KHz的石英振荡器，作为实时时钟RTC的时钟源）、PLL（锁相环倍频输出，倍频可选择2~16倍，倍频后的主频一般不超过72MHz）。
由于内部RC振荡器提供的时钟不是很稳定和准确，所以本设计采用外部石英振荡器提供系统和实时时钟的时钟信号。
图3.6最小系统晶振
图中Y1为石英晶体振荡器，相对于RC振荡器石英晶体振荡器的精度和频率稳定度更高，C1、C2为Y1的负载电容。
由于石英晶体振荡器本身不是振荡器，只有通过外接负载电容，构成并联谐振电路，并通过负反馈电路才能构成一个稳定的正弦波振荡电路。
[11]由于石英晶体的物理特性，振荡电路产生的正弦信号不会有太大的改变，能够提供稳定的时钟信号。
R13是为了系统能更可靠的起振。
图3.7STM32最小系统
3.2.3图像采集模块
本设计中摄像头图像采集模块采用的OV7670摄像头模块，该模块虽然只能采集到黑白色的图像信息，但是因为它有成本低，反应速度快等优点，所以得到广泛的应用。
OV7670摄像头模块自带有源晶振，用于产生12M时钟作为OV7670的XCLK输入，同时还自带了稳压芯片，用于提供OV7670稳定的2.8V工作电压，除此之外，OV7670还带有一个FIFO芯片，改芯片的容量是384K字节，足够存储2帧QVGA的图像数据。
下图3.2是本设计中OV7670摄像头模块的电路原理图。
图3.2摄像头模块电路原理图
3.2.4SD卡数据存储模块
本次毕业设计中数据存储模块采用以SD卡为存储器的电路模块。
SD卡又称安全数码卡，它是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，被广泛地应用于便携式装置上。
在本次设计中的系统中，因为需要通过电脑对系统采集并存储到存储器的图片进行查看，所以需要一款容易插拔，安全可靠，高性能的大容量存储器。
除此之外，SD卡的读写速度比MMC卡要快4倍，达2M/s。
最重要的一点是现在的笔记本电脑大部分都提供了读取SD卡的卡槽，所以系统采用SD卡存储图像能够很方便的移植到便携式笔记本电脑上进行实时的查看记录的图像信息。
于是我们就选择了以SD卡为核心的电路模块。
具体电路原理图见图3.3。
图3.3SD卡电路原理图
3.2.5程序烧录模块
STM32使用的是Cortex-M3内核，该内核包含硬件调试模块，支持复杂的硬件调试操作。
允许断点调试。
当STM32连接到调试器上并开始调试时，调试器将使用内核的硬件调试模块进行调试操作。
STM32支持两种调试接口：
串行接口、JTAG调试接口。
由于调试器使用的是JTAG接口，所以电路设计为20针JTAG接口。
图3.4中的0欧电阻是为了调试方便和兼容设计。
图3.4程序下载电路
4汽车行驶记录仪的软件设计
系统软件采用前后台系统，由于系统中最重要的中断为0.2s中断，而速度采集和模拟量采集总是由硬件实现，通过DMA不停的刷新数据，以保证在0.2s中断发生时所读取的数值为当前值。
主程序是一个死循环，在循环中通过调用相应的处理函数来响应中断，整个主程序被看成是后台系统。
前台系统是各个中断。
前台系统通过中断来响应外部事件；后台系统则管理各个中断所对应的处理函数，并为其分配MCU资源。
这就是通常所说的前后台系统。
一般情况下，后台系统也叫任务处理系统，前台系统也叫事件响应系统。
在程序运行时，后台主程序逐个检查中断标志位，看其是否被置位，然后调用相应的函数完成相应的操作。
图4.1软件系统框图
前台系统由各种中断处理函数成，当中断事件发生时，MCU迅速响应中断，并记录下相应标志位，等待后台系统的查询。
后台系统即主函数是一个无限的死循环，在空闲时间只是在不停的循环查询各个中断事件标志位。
当中断发生且MCU已经响应中断，中断事件相对应的标志位被置位，主函数在最多不超过一个完整的循环时即可对响应的中断做出处理。
汽车行驶记录仪的主函数实现：
SD卡初始化和挂载，数据通信串口的初始化，图像数据的存储，摄像头控制；数据采集；数据计算及数据存储格式转换；定时器中断跳转；中断函数的调用；逻辑判断和跳转执行。
4.1汽车行驶记录仪的主程序设计
本次设计中的简易行车记录仪是一个自动监控系统，随着汽车的运行而自行启动，当系统上电时，汽车行驶记录仪初始化并进行自检，自检成功后，进入正常工作模式。
汽车行驶记录仪的初始化过程在主程序中的体现是完成各个组件的初始化工作，具体包括延时函数的初始化，定时器中断的初始化，串口初始化，内存池初始化，摄像头初始化，SD卡的初始化和挂载等。
车辆在行驶的过程中，摄像头会不间断的进行数据的采集，从而监控车辆行驶过程中的状况，系统的主程序会通过定时器中断对摄像头收集的图像信息数据进行定时的保存。
主程序在每一次循环的时候，都会查询摄像头采集的数据，若查询不到摄像头所采集的数据，则说明摄像头有可能在不正常的工作，则主程序会调用相应的服务子程序进程程序的复位。
每一次循环的最后还要查询各个中断的标识位，如果没有那个终端处理函数就绪，则进入下一次的循环。
如果有某一个中断处理函数标志为就绪，则主程序调用相应的服务子程序。
如果多个中断处理标志为就绪，就按优先级高低顺序的处理各个终端。
主程序还要将处理完的数据按照特定的数据包格式存储到SD卡中，以便将来调用查看。
下图4.2为主程序的流程图。
图4.2主程序流程图
4.2子程序设计
这里主要介绍数据存储的子程序的设计。
STM32内置控制传输的协议处理器，简化常用的控制传输。
内置FAT文件系统管理固件，能支持容量高达8GB的SD卡。
提供文件管理和读写功能：
可以很方便的利用内置固件实现打开、新建或删除文件的功能或者以字节为最小单位或者以扇区为单位对多级子目录下的文件进行读写。
记录仪作为USB主机，主要的功能是往SD卡中存入所采集的数据信息，为了高效的利用SD卡得存储空间，也为了上位机更方便的读取数据，采用CSV作为存储数据的文件格式。
CSV是（逗号分隔值）的英文缩写，是纯文本文件,可以用EXCEL开启。
由于已经有了基于CH376内置固件库的底层硬件驱动子程序，所以可以直接利用提供的程序实现记录仪对SD卡的数据写操作。
初始化，进行任何一项文件操作之前的必要步骤：
首先，CMD_SET_USB_MODE命令，设置为主机模式;
其次，等待SD卡已连接的中断；
最后，CMD_DISK_MOUNT命令，初始化SD卡尝试五次后仍未就绪时放弃；初始化完成后就可以对SD卡进行以下操作：
首先，设置新文件的文件名并创建新文件；
其次，往已创建的文件中写一个字节的数据，查询待写入字节数是否为零，若否则返回继续写下一个字节；
最后，写完所有数据后关闭文件并更新文件的长度。
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