基于ARM汽车行驶记录仪关键模块硬件设计

       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的基础上扩展功能。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32位处理器，外围接口丰富，很好的满足了系统要求。

       2 基于ARM内核LPC2294

       ARM是Advanced RISC Machine的缩写，是微处理器行业的一家知名企业，该企业设计了大量性能高、廉价、功耗低的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。

       LPC2294是基于一个支持实时防真和跟踪的16／32位ARM7TDI-S CPU的微控制器，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的加速结构、高速IIC、两路SPI、4路CAN、两路URAT等接口和多达112的GPIO等资源，他们很好的满足了汽车行驶记录仪对系统硬件资源的需求。

       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的仪器，其硬件必须满足汽车复杂工况：

       (1) 电源电压适应性：9～36V，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) 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；目前市场上的USB DEVICE芯片比较多，而HOST要少一些，对于USB HOST芯片的选择，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ISP1160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的要求，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的成本。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。汽车行驶记录仪工作时，由LPC2294通过前端接口电路采集汽车行驶状态的各种信息：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的状态信息以文件的形式传输到U盘，当然，记录仪可以通过两路CAN接口和车上其他带有CAN接口的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的交换机。本文重点介绍电源模块、USB HOST模块、数据存储模块、CAN模块的硬件设计。

       4 电源模块硬件设计

       随着汽车的发展，汽车上的电子设备越来越多，使车内的电磁环境日益复杂。在这比较复杂的环境中，电源性能的好坏直接影响到电子设备的可靠性。汽车电器产生电磁骚扰的最根本原因，就是在其工作过程中产生的di／dt。例如闪光继电器、雨刮器电机、空调、点火系统等工作时，他们产生的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VDl(IN4007)防止反接，这样即使在电源接反的情况下，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，防止汽车在大功率器件工作时产生的高压脉冲对电子设备的损坏；L1和L2是低电感磁条，能有效的损耗骚扰成分的能量，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的损坏。N2(7812)提供12V电压满足前端输入接口采集电路的需要，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的需要。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和存储体的需要，N6前端的8550为控制N6的输入，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根数据线在控制线的控制下与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，LPC2294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总线的电气特性要求在USB收发器之前必须串接22Ω～44Ω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设备使用前必经的过程，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，需要知道这个设备的一些特性和能力，以便载入相应的驱动程序。

       当USB HOST配置完USB设备后，通过描述符提供的信息，识别出Bulk Only的MassStorage设备，然后进入Bulk_Only传输方式，在此方式下，USB与设备之间的所有数据均通过Bulk In和Bulk Out来传输，不再通过控制端点传输任何的数据。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(CommandBlock Wrapper，即命令块分组)是从USB HOST发送到设备的命令，命令的格式遵从接口中的bInterfaceSubClass所指定的命令块，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，执行相应的命令，完成以后向HOST发出反映当前命令执行状态CSW(Command StatusWrapper)， 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设备执行的命令可能为发送数据，则此时需要将特定的数据传送山去，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，对汽车各种状态进行记录的电子装置，各种状态数据存储是汽车行驶记录仪的重要部分，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的数据，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，存储数据的寿命有限，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，普通的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，而且有比较低的成本。硬件原理图如图4所示。

       FRAM(FM24C16)采用I2C接口和LPC2294相连，I2C总线通过两根线——串仃数据(SDA)和串行时钟(SCL)线连接到总线上的任何一个器件，每个器件都有一个唯一的地址，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，连接到总线的器件的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的电源电压。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是一个双全工的串行接口，三线同步的数据传输形式。在一定的数据传输过程中，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的现场总线之一。起先，CAN-bus被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，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在汽车上的应用，具有很多行业标准或者是国际标准，比如国际标准化组织(InternationalOrganization for Standardization) 的 ISO11992、ISO11783以及汽车工程协会(Society of AutomotiveEngineers)的SAE J1939。CAN总线已经作为汽车的一种标准设备列入汽车的整体设计中。CAN模块原理图的电路图如图5所示。

       图5 CAN模块原理图的电路图为LPC2294的两路CAN接口设计硬件原理图。图中，TD1、RD1、TD2、RD2为LPC2294的两路CAN控制器的接口引脚，6N137为高速光电隔离器件，TJA1050为CAN收发器。在CAN总线上的电容和二极管是对应的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的形式，这样，在汽车原型或ECU EMC的评估过程中，可以使CAN总线实现要求更高的抗干扰／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的，收发器板应尽可能放在接近PCB边沿连接器的位置。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的产品。

       在产品的送检、认证和使用过程中，相关模块的硬件设计技术性能和产品指标都达到了产品设计和技术要求，这为产品提供了很好的高端技术含量，使汽车行驶记录仪的要求，此项产品具有很好的市场竞争力。

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