嵌入式车辆
前 言
随着GPS定位精度的提高和模块成本的不断下降，一些企业开始采用具有GPS定位功能的车辆行驶记录仪实现对企业车辆的管理，但一直存在着数据下载及任务管理繁琐的难题。如果采用RS-232接口实现数据下载或任务设置需要与笔记本电脑或主机连接，而采用GPRS实现数据远程下载或任务设置又会提高运营费用。针对数据管理的这一难题，本文提出采用目前普遍流行的U盘作为数据管理工具，通过USB HOST接口实现对车辆记录数据的快速下载和出行任务的灵活设置。
硬件结构设计
用于企业车辆管理的行驶记录仪需要具备的基本功能有：数据安全记录、状态检测、工作状态指示、轨迹信息获取、时间信息获取、记录数据下载、任务设置信息上载、电源管理及防破坏等功能。记录仪总体功能结构如图1所示。
图 1 车辆行驶记录仪总体功能结构
GPS 模块定位后，将车辆所在点的经度、纬度、时间和速度等信息通过串口送到微控制器；状态检测模块根据任务设置参数实现对车内传感信息的采集，并将采集数据送到微控制器；铁电存储和Flash数据存储共同完成对车辆行驶信息的存储，铁电存储同时保留任务设置信息；电源管理模块可以防止电源人为切断后数据的丢失，通过启用内部的备用电源实现对设备的安全保护；SL811和微控制器一起实现数据综合管理，包括记录数据的下载和任务设置信息的上载功能；微控制器实现对各种综合信息的处理、压缩、存储，并通过控制模块实现对车辆状态的控制。
uPSD3253微控制器
uPSD3253由两个主要的功能模块组成,即MCU模块和PSD模块。MCU模块包含了标准的8032内核以及外围电路和其他系统支持功能。PSD模块为8032 CPU提供可配置的程序空间（32K Bytes的主Flash和128K Bytes的次Flash）和数据存储空间（32k Bytes RAM），另外它还提供了A、 B、 C、 D是四个通用I/O口端口组以及用于常规逻辑设计的16个PLD宏单元的，可以实现记录仪功能的高度集成和灵活配置。同时，由于该微控制器具有比较丰富的 RAM资源和Flash资源，因此可以在该微控制器上直接运行μC／OS-II实时操作系统，这样大大提高了整个软件系统运行的可靠性。
FRAM+Flash数据存储
为了提高Flash存储空间的利用率以及数据的安全性，数据在进行存储之前要经过压缩和加密。每次任务设置过程中，加密基数不同。为了方便对记录数据的管理，数据在存储器中按记录来存储，每条记录为固定的32个字节，每条记录包含日期、时间、经度、纬度、速度、方位角、传感信息、控制信息、电源信息。数据的记录可以通过事件触发或定时设置触发，这需要通过任务设置信息的具体要求来判断。
数据的存储采用了两级硬件结构，并结合了指针管理技术。本设计采用了三星K9F5608 Flash。Flash的一页为528个字节，其中512个字节用于正常数据存储，其余16个字节用于错误处理。写和读以页为单位，而擦除以块为单位，由于记录数据每条为32个字节，因此存储够16条记录（16*32=512 Bytes）后才能将数据写入Flash，这就需要采用缓存机制。缓存机制的选择可以采用以下三种：
RAM+Flash：这种机制是存取速度快，但要占大量的微控制器资源，而且掉电后数据会丢失，这会导致关键数据无法获取；
EEPROM+Flash：这种机制虽然能够在掉电后保持数据，但存取速度太慢，不适宜高速数据记录，而且记录次数有限；
FRAM+Flash：由于铁电存储器读写速度快，掉电后能够保持数据，而且可以无限次读写，因此非常适合于车辆行驶记录仪中使用。
软件设计
记录仪软件主要包括记录数据的下载和任务设置信息的上载两方面，本设计采用的USB Host通信方式实现对数据的灵活管理和快速传输。在具体设计过程中，应用SL811HS控制芯片和主控uPSD3253 MCU，实现了对U盘的读写操作。SL811HS是嵌入式USB Host/Slave 控制器，它与uPSD3253通过并口进行通信。
通过SL811HS和uPSD3253对U盘的读写层次结构如图2所示，主要分为四个层次。其中：
接口电路操作层：是指uPSD3253根据SL811HS的接口操作时序，对SL811HS的寄存器、接收缓存、发送缓存进行相应的读或写操作。
图2 U盘读写层次结构图
USB协议层：实现对SL811HS硬件的初始化、USB数据的接收、发送以及硬件枚举等过程；
文件操作层：包含文件操作函数集和文件系统函数集两部分。文件操作函数集实现海量存储协议中的命令操作，文件系统函数集实现对FAT表进行定位、搜索、读写等操作；
用户命令接口层：根据通信协议，接收用户命令信息，并对命令信息进行相应处理；
为了确保数据管理的安全性，本设计在通过U盘下载记录数据以及上载设置任务信息之前，先要对U盘进行安全认证，只有带有本系统附加软件处理过的U盘，才能正常使用。
数据下载及任务设置信息上载程序包含以下几部分：
(1) 检测是否有U盘插入---通过中断来触发；
(2) 验证U盘的合法性---与系统密码对比校验；
(3) 检查任务设置信息---将合法的设置信息保存到FRAM中；
(4) 创建新的数据下载文件---在U盘中创建文件，根据时间来命名；
下载最新的记录数据---从Flash读取一页数据到RAM，然后写到新创建的文件中，重复这一过程，直到所有数据都下载完成，数据下载完成后，有相应的指示灯指示。
结 语
嵌入式车辆行驶记录仪的设计充分发挥了uPSD3253微控制器强大的功能、简化了外围电路设计，同时采用嵌入式USB数据管理机制，不仅解决了以往车辆行驶记录仪中数据难以管理的问题，而且大大降低了硬件成本。采用本设计的车辆行驶记录仪已应用到企事业单位的车辆管理中，实现了对车辆运营的透明化管理，节约了运营费用。
本文摘自《EDN电子技术设计》
