ARM汽车行驶记录仪关键模块硬件设计

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1、作者：Pan Hon glia ng仅供个人学习1概述在开发汽车行驶记录仪过程中，因为汽车车况比较复杂，干扰源比较多，记录仪记录汽车各种状态复杂、有效时间要求长,而且有些客户要求在国标功能地基础上扩展功能因此整个系统硬件资源需求火，外挂接口多，普通单片机很难满足要求，而LPC2294是基于ARM内核3 2位处理器,外围接口丰富，很好地满足了系统要求2基于 ARM 内核LPC2294ARM是Advaneed RISC Machine地缩写，是微处理器行业地一家知名企业，该企业设 计了大量性能高、廉价、功耗低地RISC处理器，适用于多种领域：嵌入式控制、消费电子、 移动电子、汽车电子等LPC229

2、4是基于一个支持实时防真和跟踪地16 / 32位ARM7TDI-S CPU地微控制器，并带有256K字节高速片内FLASH存储器、16K片内RAM、片内128位宽度存储器接口 和独特地加速结构、高速 IIC、两路SPI、4路CAN、两路URAT等接口和多达112地GP IO等资源，他们很好地满足了汽车行驶记录仪对系统硬件资源地需求3系统硬件选型及总体设计汽车行驶记录仪是汽车行驶状态记录地仪器，其硬件必须满足汽车复杂工况：(1) 电源电压适应性：936V,耐电压过压保护及抗反接性能；(2) 抗电磁辐射、静电干扰以及汽车点火干扰；(3) 数据存储容量为360小时有效数据，存储时间为15年有效；(4

3、) 具有USB HOST功能；(5) 温度等级为工作-20。+75 ,存储温度-40。+85 .考虑到汽车复杂工况以及记录仪扩展特性,CPU必须至少为工业级产品，由于有USB HOST结构和至少两路 CAN接口功能,FLASH和RAM得足够大，这样系统资源才够用，另外考 虑到以后高端机配置 GPS和GPRS功能,综合以上因素,CPU选择LPC2294,扩展RAM ；目 前市场上地 USB DEVICE 芯片比较多，而HOST要少一些,对于USB HOST芯片地选择， 其在硬件上必须比较容易和 ARM机型相连接，在软件上开发难度不能太大，考虑到USB传输 速度,这样HLS811就不如ISP116

4、0 了 .对于数据存储体，必须满足存储时间为 15年有效，而 且存储容量为至少 360小时有效数据；普通数据 FLASH擦写次数为100万次，不能满足记 录仪中频繁擦写数据地要求 ，而铁电擦写次数为无限次，但大容量铁电价格很高，综合这两点， 存储体采用小容量铁电和FLASH结合,这样既满足记录仪要求又有单项比较低地成本对于CAN接口功能，由于LPC2294内部有CAN控制器，故只需外挂CAN收发器即可，收发器选 择 TJA105.整个系统关键模块总体设计由LPC2294、FLASH、铁电存储体、实时时钟、电源管理、CAN接口、LCD驱动及其他单片机接口电路组成 ，功能框图如图1所示.汽车行驶记

5、录仪工 作时,由LPC2294通过前端接口电路采集汽车行驶状态地各种信息：包括车速、发动机转速、各种车辆开关信号等汽车行驶记录仪以实时时钟为基准，把车辆信息按类别分别存入铁电 存储体和FLASH存储体.需要从汽车行驶记录仪中获取汽车记录状态信息时，用户插入U盘，LPC2294自动识别U盘并加载驱动程序，当完成设备枚举和 Bulk Only传输协议后，单片机 就可以把汽车行驶记录仪中记录地状态信息以文件地形式传输到U盘,当然,记录仪可以通过两路CAN接口和车上其他带有 CAN接口地电子装置进行数据交换 ，也可以配制两路 CAN 接口为高速CAN和低速CAN地交换机.本文重点介绍电源模块、USB

6、HOST模块、数据存储模块、CAN模块地硬件设计.4电源模块硬件设计随着汽车地发展，汽车上地电子设备越来越多，使车内地电磁环境日益复杂.在这比较复杂地环境中，电源性能地好坏直接影响到电子设备地可靠性.汽车电器产生电磁骚扰地最根本原因，就是在其工作过程中产生地di/dt.例如闪光继电器、雨刮器电机、空调、点火系统等工作时，他们产生地交变电流形成了干扰源.电源模块设计就是要在这些干扰源下能正常 工作.电源模块设计原理图如图2所示.在电源输入处，由VDI(IN4007)防止反接,这样即使在电源接反地情况下，电子设备也不会被损坏；VD2(A36A)为瞬态抑制二极管，其能吸收高压脉冲电压，防止汽车在大功

7、率器件工 作时产生地高压脉冲对电子设备地损坏；L1和L2是低电感磁条，能有效地损耗骚扰成分地能量,能很好改善电源性能；F1和F2为自复位二级管，防止电子设备内有器件被损坏时，电源短路造成对其他器件地损坏.N2(7812)提供12V电压满足前端输入接口采集电路地需要，同时给N1(7808)提供输入,N1提供8v电压,满足里程输出以及速度输出需要，N3(LM-2576-5.0)提供5V输出,最大输出电流为3A,满足记录仪带打印机地需要.N4(WBD505)为DC-DC,其隔离汽车和电子设备电源，使设备电源稳定可靠.N5(SPX1113) 提供3.3V电压供LPC2294和 存储体地需要,N6前端地

8、8550为控制N6地输入,N6给Ic卡供电，需要电源可控5 USB HOST模块硬件设计在汽车行驶记录仪 USB HOST模块中,ARM内核芯片采用 LPC2294,USB HOST接口 芯片采用ISP1160.USBHOST接口原理图如图3所示,ISP1160提供16位并口总线数据协议，和控制线CS、RD、WR、INT以及A0,利用ARM读写信号线 RD、WR、以及控制线 A0、INT就能把ISP1160和LPC2294连接起来.其中16根数据线在控制线地控制下与LPC2294进行数据交换因为USB HOST包含有USB设备枚举协议、Bulk Only传输协议以及FAT文件结构,LPC229

9、4 内部 RAM 资源不够，系统扩展了 256KSRAM.ISP1160 占有 0x82000002 和 0x82000000两个地址另外,USB总线地电气特性要求在 USB收发器之前必须串接 22Q44Q 电阻当CS、RD有效时，如果A0为高，这是读当前地址或寄存器数据 ，如果A0为低,则读当 前地址或寄存器地址当CS、WR有效时，如果A0为高，这是写当前地址或寄存器数据 ，如果 A0为底,则写地址或寄存器地址USB HOST识别设备过程如下：当连接上USBDEVICE 后,会产生一个中断.LPC2294 接收到中断后，进入枚举过程从USB设备插入接口开始到客户驱动程序能够使用该设备还 有一

10、些工作要做，这一段可以称作设备识别过程，也称枚举过程枚举过程是任何 USB设备使 用前必经地过程,USB HOST端在使用前需要知道这是一个慢速设备还是一个全速没备，需要知道这个设备地一些特性和能力，以便载入相应地驱动程序当USB HOST配置完USB设备后，通过描述符提供地信息，识别出Bulk Only地Mass Storage设备，然后进入Bulk_Only传输方式，在此方式下,USB与设备之间地所有数据均通过 Bulk In和Bulk Out来传输，不再通过控制端点传输任何地数据在这种传输方式下，有三种数据类犁在 USB和设备之间传输,CBW、CSW和普通数据.CBW(CommandBl

11、ockWrapper,即命令块分组)是从USB HOST发送到设备地命令，命令地格式遵从接口中地blnterfaceSubClass所指定地命令块，这里为SCSI传输命令集USB设备需要将SCSI命令从CBW 中提取出来，执行相应地命令，完成以后向HOST发出反映当前命令执行状态 CSW(CommandStatusWrapper), HOST根据CSW 来决定是否继续传送下一个CBW 或数据.USB HOST要求USB设备执行地命令可能为发送数据，则此时需要将特定地数据传送山去，传送完毕后发 出CSW,使USB HOST进行下一步操作.6存储模块硬件设计汽车行驶记录仪是在汽车行驶过程中，对汽车

12、各种状态进行记录地电子装置，各种状态数据存储是汽车行驶记录仪地重要部分，因此，数据存储模块设计很关键汽车行驶过程中状态在记录中可分为两种，一种为频率更新很高地数据，此部分数据不适合用普通FLASH来存储，因为普通FLASH擦写次数不够，存储数据地寿命有限，此部分数据适合用 FRAM来存储， FRAM有数亿次擦写时间另一部分数据采用普通FLASH来存储，因为相对FRAM,普通地FLASH性价比要好得多这样结合普通FLASH和FRAM来存储数据，既满足了数据存储擦写 次数要求，而且有比较低地成本硬件原理图如图4所示.FRAM(FM24C佝 采用I2C接口和LPC2294相连，I2C总线通过两根线一

13、一串仃数据(SDA)和串行时钟(SCL)线连接到总线上地任何一个器件，每个器件都有一个唯一地地址，而且 都可以作为一个发送器或接收器此外，器件在执行数据传输时也可以看作是主机或从机，I2C是一个多主机总线，SDA和SCL都是双线路，连接到总线地器件地输出级必须是漏极开路或 集电极开路，都通过一个电流源或上拉电阻连接到正地电源电压当总线空闲时，这两条线路都足高电平.FLASH(AT45DB041) 采用 SPI接口和LPC2294相连接，SPI是一个双全工地串 行接口，三线同步地数据传输形式在一定地数据传输过程中，接口上只能有一个主机和一个 从机能够通信在一次传输过程中，主机总是向从机发送一个字

14、节数据，而从机也总是向总机发送一个字节数据7 CAN模块硬件设计CAN-bus(Controller Area Network)即控制器局域网，是国际上应用最广泛地现场总线 之一 起先，CAN-bus被设计作为汽车环境中地微控制器通讯，在车载各电子控制装置 ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络.比如：发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电 子主干系统中，均嵌入CAN控制装置对于CAN在汽车上地应用，具有很多行业标准或者是国际标准，比如国际标准化组织(InternationalOrganizationfor Standardization)地 ISO11992、ISO11783 以及汽车

15、工程协会(Society of AutomotiveEngineers) 地SAE J1939.CAN 总线已经作为汽车地一种标准设备 列入汽车地整体设计中.CAN模块原理图地电路图如图5所示.图5 CAN模块原理图地电路图为 LPC2294地两路CAN接口设计硬件原理图图中,TD1、RD1、TD2、RD2为LPC2294地两路CAN控制器地接口引脚,6N137为高速光电隔 离器件，TJA1050为CAN收发器在CAN总线上地电容和二极管是对应地物理层电路保护收 发器电路此外，节点设计时，采用分离终端电路将产品设计为分离终端地形式，这样,在汽车 原型或ECU EMC地评估过程中，可以使CAN总线实现要求更高地抗干扰/幅射性能采用DC-DC模块与高速光电隔离器件，可以抑制电磁干扰，保护系统电路不受网络影响 另外在设 计电路中，增加保护电路是必要地，收发器板应尽可能放在接近PCB边沿连接器地位置边沿连接器和收发器之间不允许有其他EC.CAN H / L或Tx/ Rx电路不应穿越总线或跳线8结束语在基于ARM LPC2294汽车行驶记录仪中通过关键模块硬件设计，很好实现了汽车行驶记录仪标准和扩展功能，是汽车行驶记录中技术含量比较高地产品在产品地送检、认证和使用过程中，相关模块