嵌入式車輛

前 言 
隨著GPS定位精度的提高和模塊成本的不斷下降，一些企業開始采用具有GPS定位功能的車輛行駛記錄儀實現對企業車輛的管理，但一直存在著數據下載及任務管理繁瑣的難題。如果采用RS-232接口實現數據下載或任務設置需要與筆記本電腦或主機連接，而采用GPRS實現數據遠程下載或任務設置又會提高運營費用。針對數據管理的這一難題，本文提出采用目前普遍流行的U盤作為數據管理工具，通過USB HOST接口實現對車輛記錄數據的快速下載和出行任務的靈活設置。 

硬件結構設計 

用于企業車輛管理的行駛記錄儀需要具備的基本功能有：數據安全記錄、狀態檢測、工作狀態指示、軌跡信息獲取、時間信息獲取、記錄數據下載、任務設置信息上載、電源管理及防破壞等功能。記錄儀總體功能結構如圖1所示。 



圖 1 車輛行駛記錄儀總體功能結構  
GPS模塊定位后，將車輛所在點的經度、緯度、時間和速度等信息通過串口送到微控制器；狀態檢測模塊根據任務設置參數實現對車內傳感信息的采集，并將采集數據送到微控制器；鐵電存儲和Flash數據存儲共同完成對車輛行駛信息的存儲，鐵電存儲同時保留任務設置信息；電源管理模塊可以防止電源人為切斷后數據的丟失，通過啟用內部的備用電源實現對設備的安全保護；SL811和微控制器一起實現數據綜合管理，包括記錄數據的下載和任務設置信息的上載功能；微控制器實現對各種綜合信息的處理、壓縮、存儲，并通過控制模塊實現對車輛狀態的控制。 
uPSD3253微控制器 

uPSD3253由兩個主要的功能模塊組成,即MCU模塊和PSD模塊。MCU模塊包含了標準的8032內核以及外圍電路和其他系統支持功能。PSD模塊為8032 CPU提供可配置的程序空間（32K Bytes的主Flash和128K Bytes的次Flash）和數據存儲空間（32k Bytes RAM），另外它還提供了A、 B、 C、 D是四個通用I/O口端口組以及用于常規邏輯設計的16個PLD宏單元的，可以實現記錄儀功能的高度集成和靈活配置。同時，由于該微控制器具有比較豐富的RAM資源和Flash資源，因此可以在該微控制器上直接運行μC／OS-II實時操作系統，這樣大大提高了整個軟件系統運行的可靠性。 

FRAM+Flash數據存儲 

為了提高Flash存儲空間的利用率以及數據的安全性，數據在進行存儲之前要經過壓縮和加密。每次任務設置過程中，加密基數不同。為了方便對記錄數據的管理，數據在存儲器中按記錄來存儲，每條記錄為固定的32個字節，每條記錄包含日期、時間、經度、緯度、速度、方位角、傳感信息、控制信息、電源信息。數據的記錄可以通過事件觸發或定時設置觸發，這需要通過任務設置信息的具體要求來判斷。 

數據的存儲采用了兩級硬件結構，并結合了指針管理技術。本設計采用了三星K9F5608 Flash。Flash的一頁為528個字節，其中512個字節用于正常數據存儲，其余16個字節用于錯誤處理。寫和讀以頁為單位，而擦除以塊為單位，由于記錄數據每條為32個字節，因此存儲夠16條記錄（16*32=512 Bytes）后才能將數據寫入Flash，這就需要采用緩存機制。緩存機制的選擇可以采用以下三種： 

RAM+Flash：這種機制是存取速度快，但要占大量的微控制器資源，而且掉電后數據會丟失，這會導致關鍵數據無法獲取； 

EEPROM+Flash：這種機制雖然能夠在掉電后保持數據，但存取速度太慢，不適宜高速數據記錄，而且記錄次數有限； 

FRAM+Flash：由于鐵電存儲器讀寫速度快，掉電后能夠保持數據，而且可以無限次讀寫，因此非常適合于車輛行駛記錄儀中使用。 

軟件設計 

記錄儀軟件主要包括記錄數據的下載和任務設置信息的上載兩方面，本設計采用的USB Host通信方式實現對數據的靈活管理和快速傳輸。在具體設計過程中，應用SL811HS控制芯片和主控uPSD3253 MCU，實現了對U盤的讀寫操作。SL811HS是嵌入式USB Host/Slave 控制器，它與uPSD3253通過并口進行通信。 

通過SL811HS和uPSD3253對U盤的讀寫層次結構如圖2所示，主要分為四個層次。其中： 

  
接口電路操作層：是指uPSD3253根據SL811HS的接口操作時序，對SL811HS的寄存器、接收緩存、發送緩存進行相應的讀或寫操作。 
 
圖2 U盤讀寫層次結構圖  
USB協議層：實現對SL811HS硬件的初始化、USB數據的接收、發送以及硬件枚舉等過程； 
文件操作層：包含文件操作函數集和文件系統函數集兩部分。文件操作函數集實現海量存儲協議中的命令操作，文件系統函數集實現對FAT表進行定位、搜索、讀寫等操作； 

用戶命令接口層：根據通信協議，接收用戶命令信息，并對命令信息進行相應處理； 

為了確保數據管理的安全性，本設計在通過U盤下載記錄數據以及上載設置任務信息之前，先要對U盤進行安全認證，只有帶有本系統附加軟件處理過的U盤，才能正常使用。 

數據下載及任務設置信息上載程序包含以下幾部分： 

(1) 檢測是否有U盤插入---通過中斷來觸發； 

(2) 驗證U盤的合法性---與系統密碼對比校驗； 

(3) 檢查任務設置信息---將合法的設置信息保存到FRAM中； 

(4) 創建新的數據下載文件---在U盤中創建文件，根據時間來命名； 

下載最新的記錄數據---從Flash讀取一頁數據到RAM，然后寫到新創建的文件中，重復這一過程，直到所有數據都下載完成，數據下載完成后，有相應的指示燈指示。 

結 語 

嵌入式車輛行駛記錄儀的設計充分發揮了uPSD3253微控制器強大的功能、簡化了外圍電路設計，同時采用嵌入式USB數據管理機制，不僅解決了以往車輛行駛記錄儀中數據難以管理的問題，而且大大降低了硬件成本。采用本設計的車輛行駛記錄儀已應用到企事業單位的車輛管理中，實現了對車輛運營的透明化管理，節約了運營費用。