基于汽车行驶记录仪的嵌入式USB主机系统的设计应用

２００６年第５期　农业装备与车辆工程　Ｎｏ．５　２ｏｏ６　（总第１７８期）　ＡＧＲＩＣＵＬＴＵＲＡＬ　ＥＱＵＩＰＭＥＮＴ＆ＶＥＨＩＣＬＥ　ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　（Ｔｏｔａｌｌｙ　１７８）　基于汽车行驶记录仪的嵌入式ＵＳＢ主机系统的设计应用　纪明君　王　健　（１．山东理工大学交通与车辆－Ｆ程学院，山东淄博２５５０４９　２．大连理工大学能源与动力学院，辽宁大连１１６１２４）　摘要：以汽车行驶记录仪为背景，在ＣＨ３７５芯片基础上，给出了一种简单、实用的嵌入式ＵＳＢ主机系统的设计方　案。并详细阐述了ＵＳＢ主机系统的相关协议、硬件接口电路和相应的软件设计方法。　关键词：汽车行驶记录仪；嵌入式ＵＳＢ主机系统；ＣＨ３７５　中图分类号：Ｕ４６３　文献标识码：Ａ　文章编号：１６７３—３１４２（２００６）０５一ｏｏ１７—０４　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ＵＳＢ　Ｈｏｓｔ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｖｅｈｉｃｌｅ　Ｔｒａｖｅｌｉｎｇ　Ｄａｔａ　Ｒｅｃｏｒｄｅｒ　１　２　ｊｉ　Ｍｉｎｇｊｕｎ　Ｗａｎｇ　Ｊｉａｎ　（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｔｒ｛瓶ｃ　ａｎｄ　Ｖｅｈｉｃｌｅ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｚｉｂｏ　２５５０４９，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｎｅｒｇｙ　ａｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｄａｌｉａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌｉａｏｎｉｎｇ　Ｄａｌｉａｎ　１　１　６　１　２４，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ，ａ　ｓａｍｐｌｅ　ａｎｄ　ｕｓｅｆｕｌ　ＵＳＢ　ｈｏｓｔ　ｓｙｓｔｅｍ＇ｄｅｓｉｇｎ　ｓｃｈｅｍｅ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＣＨ３７５　ｆｏｒ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｔｒａｖｅｌ—　ｉｎｇ　ｄａｔａ　ｒｅｃｏｒｄｅｒ　ｉｓ　ｇｉｖｅｎ．Ｉｔ　ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ，ｔｈｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｏｆ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ａｎｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆＵＳＢ　ｈｏｓｔ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：ｖｅｈｉｃｌｅ　ｔｒａｖｅｌｉｎｇ　ｄａｔａ　ｒｅｃｏｒｄｅｒ；ｅｍｂｅｄｄｅｄ　ＵＳＢ　ｈｏｓｔ　ｓｙｓｔｅｍ；ＣＨ３７５　０引言　通用串行总线（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ　Ｓｅｒｉａｌ　Ｂｕｓ—ＵＳＢ），是一　汽车行驶记录仪主要用于对车辆行驶速度、时　种快速、灵活的总线接口。从ＵＳＢ诞生到现在不到　间、里程以及有关车辆行驶的其它状态信息进行记　十年的时间里，伴随着计算机技术的迅猛发展，ＵＳＢ　录、存储，并可通过通信接口实现数据的上载和下　协议从１．１过渡到２．Ｏ，作为其重要指标的传输速度　传。汽车行驶记录仪的使用，对遏制疲劳驾驶、车辆　从１．５Ｍｂｐｓ的低速和１２Ｍｂｐｓ的全速提高到如今的　超速等交通违章、约束驾驶人员的不良驾驶行为、保　４８０Ｍｂｐｓ的高速，至今ＵＳＢ已经占领了ＰＣ及其外　障车辆行驶安全以及道路交通事故的分析鉴定具有　设的市场。在ＵＳＢ系统中居于核心地位的是主机，　重要作用。　主机发起和控制每一次的ＵＳＢ的数据传输，ＵＳＢ设　在汽车行驶记录仪的实际应用中，为了更好地　备只能与主机建立联系，任何两个外设或者两个主　管理车辆信息和分析采集到的数据，常常需要把汽　机无法通信，而目前扮演主机角色的主要是ＰＣ机。　车行驶记录仪中的数据上传给ＰＣ机，这时就需要　随着ＵＳＢ应用领域的逐渐扩大，人们希望ＵＳＢ能　两者之间进行数据通信。其中最常用的通信方式是　脱离ＰＣ机的束缚应用在非ＰＣ机的领域，即在嵌入　基于ＲＳ２３２接口的串行通信，它一般用来维护、设　式系统中实现ＵＳＢ主机的功能。单片机读写Ｕ盘就　定汽车行驶记录仪的固定参数，如果用于数据采集，　是用单片机代替ＰＣ机主机的角色，对Ｕ盘进行读　传输速率则相对较慢，同时基于ＲＳ２３２接口的串行　写等操作。　通信脱离不了ＰＣ机的环境，也给汽车行驶记录仪　目前国内的汽车行驶记录仪的嵌入式ＵＳＢ主　数据的现场采集带来了不便。汽车行驶记录仪读写　机系统的设计研究多是基于ＳＬ８１ｌ基础之上的，该　ｕ盘方案是以Ｕ盘作为中间数据的传输介质，它克　技术是一项成熟、可行的技术。开发基于ＳＬ８ｌ１ＨＳ　服了ＲＳ２３２串行通信用于数据传输的缺点，可以方　芯片的ＵＳＢ主机系统需要编写ＵＳＢ通信的固件程　便快捷地采集汽车行驶记录仪中的数据。　序，开发的难度大，周期长，给开发人员带来相当的　困难。本文所采用的方案是一种基于ＣＨ３７５芯片的　收稿日期：２００６－０２－２８　读写ｕ盘技术，相对比而言，它的开发难度更低，开　作者简介：纪明君（１９７９－），男，山东烟台人，车辆工程硕士研究生，主　发周期更短。该系统具有如下几个特点：　要研究领域为车辆电子　・１７・　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００６年第５期　农业装备与车辆工程　（１）ＣＨ３７５内置了常用的ＵＳＢ固件以及大容量　存储器的通讯协议，开发简单。　（２）ＵＳＢ通信接口是设计的，在单片机系统　２　ＵＳＢ主机硬件接口电路设计　ＣＨ３７５芯片集成‘Ｔ　ＵＳＢ接口ＳＩＥ、数据缓冲　区、并行接口、命令解析器、控制传输协议的处理器，　并且内置了处理Ｍａｓｓ—Ｓｔｏｒａｇｅ海量存储设备专用通　的外挂式海量存储的应用中具有一定的通用性。　（３）程序编写采用的是Ｃ语言，可读性强，移植　性好，容易阅读和维护。　信协议固件的产品，外部单片机可以直接以扇区为　基本单位读写常用的ＵＳＢ存储设备（包括ＵＳＢ硬　盘／Ｕ盘）。它具有８位数据总线和读、写、片选控制　线以及中断输出，可以方便地挂接到单片机／ＤＳＰ／　１系统整体方案设计　为了遏制因超速、疲劳驾驶引发的交通安全事　故，特别是群死群伤的重特大交通事故的发生，　部、交通部和国家经贸委等部门联合制定了《汽车行　驶记录仪国家标准》。该标准于２００３年４月１５日　以ＧＢ／Ｔｌ９０５６—２００３国标号发布。《汽车行驶记录仪　国家标准》要求产品应具有超速、疲劳驾驶、事故疑　点和驾驶员身份记录、ＵＳＢ总线接口、显示和打印　等多项功能。　汽车行驶记录仪基本功能模块包括数据采集模　块、存储模块、人机接口模块、数据通信模块，功能框　图如图１所示。　数据采集模块　人机交互模块　ｌ汽车速度信号　一　■。　＿●广＿　键盘　Ｉ汽车状态开关　■’　１６位　＿Ｉ＿Ｉ　．－Ｊ液晶显示屏　ｌ实时时钟ｌ一　－　Ｍｓ单片机　ｐ４３０　数据通信模块　ｌ　＿一卜Ｊ　ＲＳ２３２接口　数据存储模块　１　Ｆ　存储器ｌ＋’　—●’　＿●一　＋ｌ　Ｃ主Ｈ３机７５模Ｕ块ＳＢ　图１汽车行驶记录仪功能框图　数据采集模块完成汽车行驶时各种数据的采　集；存储模块完成采集的数据的保存；人机交互模块　完成系统操作、信息显示等；数据通信模块完成了数　据的交流，其中嵌入式ＵＳＢ主机部分实现对Ｕ盘的　识别和文件读写功能，以便把采集到的数据通过Ｕ　盘上传到上位机，通过上位机软件对采集到的数据　进行分析、管理。　需要指出的是，本系统由于采用了ＭＳＰ４３０Ｆ４４９　单片机及ＣＨ３７５芯片，与其他单片机读写Ｕ盘的方　案相比，不但降低了整个系统的开发难度，还兼顾了　性能及价格上的优势。　・１８・　ＭＣＵ／ＭＰＵ等控制器的系统总线上。图２为ＣＨ３７５　接口示意图。　本地端　＜／１　Ｄｒ７一ｏ１　卜＼　＞　计算机或　控制器　、　ＵＳＢ设备　单片机　ＩＮＴ＃Ｉ　　ｌＤ　例如：　一—＿１　ＣＨ３７５　Ｊ一　ＵＳＢ打印机　ＤＳＰ　ＭＣＵ　．１接口芯片１．旦．　ＵＳＢ闪存盘　ＭＰＵ　Ａ０下　一　外置硬盘　等　ＲＤ＃　　ｌ１　：　Ｕ盘／闪盘等　ＷＲ＃　ｌ　二　图２　ＣＨ３７５接口示意图　ＣＨ３７５芯片在本地端提供了通用的被动并行　接Ｅｌ，包括：８位双向数据总线Ｄ７－Ｄ０、读选通输入　ＲＤ＃、写选通输入ＷＲ＃、片选输入Ｃｓ｝｝、中断输出　ＩＮＴ＃以及地址输入线Ａ０。ＣＨ３７５芯片的ＲＤ＃和　ＷＲ＃可以分别连接到单片机的读选通输出引脚和写　选通输出引脚。Ｃ　用于当单片机具有多个外围器件　时进行设备选择。ＩＮＴ＃可以连接到单片机的中断输　入引脚，中断请求是低电平有效。当ＣＳ＃和ＲＤ＃以　及Ａ０都为低电平时，ＣＨ３７５中的数据通过Ｄ７￣Ｄ０　输出；当ＣＳ＃和ＷＲ＃以及Ａ０都为低电平时，Ｄ７～ＤＯ　上的数据被写入ＣＨ３７５芯片中；当ＣＳ＃和ＷＲ＃都　为低电平而Ａ０为高电平时，Ｄ７～ＤＯ上的数据被作为　命令码写入ＣＨ３７５芯片中。ＣＨ３７５芯片的ＵＤ＋和　ＵＤ一引脚应该直接连接到ＵＳＢ总线上。ＣＨ３７５芯片　正常工作时需要外部为其提供１２ＭＨｚ的时钟信号，　外围电路只需要在Ｘｌ和ＸＯ引脚之间连接一个标称　频率为１２ＭＨｚ的晶体，并且分别为ｘｌ和ＸＯ引脚　对地连接一个容量为３０ｐＦ的高频振荡电容。ＣＨ３７５　芯片支持５Ｖ电源电压或者３．３Ｖ电源电压。当使用　５Ｖ工作电压时，ＣＨ３７５芯片的ＶＣＣ引脚输入外部　５Ｖ电源，并且Ｖ３引脚应该外接容量为０．１ｕＦ左右　的电源退耦电容，具体连接请参见图３。　维普资讯 http://www.cqvip.com

纪明君等：基于汽车行驶记录仪的嵌入武ＵＳＢ主机系统的设计应用　２００６年５月　图３　ＣＨ３７５硬件接口电路　在实际应用中，为了确保在Ｕ盘插拔过程中　ＣＨ３７５芯片和单片机的电源电压保持不变，防止因　为电压降的缘故导致ＣＨ３７５复位或者单片机复位，　要在主电源上并联较大的储能电源，在Ｕ盘插入时　提供足够的瞬时电流，减少对主电源的影响；再一个　最简单的办法就是单独给ＵＳＢ插座供电，这样，即　使Ｕ盘刚插上时存在电容充电过程，也不会影响　ＣＨ３７５与单片机。　在系统的印刷电路板设计时要重视电路板的电　磁兼容性问题，ＵＳＢ差模信号线Ｄ＋和Ｄ一的长度一　定要尽量短且保持平行。时钟晶振应尽量远离ＵＳＢ　信号线及其它系统的Ｉ／Ｏ信号线。为了保持系统的　稳定与可靠性，其它如复位电路、中断电路等的设计　也要遵循一定的原则。　４程序设计　单片机读写Ｕ盘方案程序的编写采用的平台是　ＩＡＲ　Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ，使用的语言是高级语言　Ｃ，Ｃ语言可以灵活、方便、高效地编写复杂的程序，　虽然Ｃ语言生成的代码执行效率不如汇编语言高，　但是，随着高性能单片机的发展，现在所追求的不是　如何减少代码长度和怎样增加代码执行速度，而是　更加关心如何实现复杂的算法，如何保持各子程序　之间的相关关系并进行连接，以及怎样正确而快速　实现总的程序。　由于ＣＨ３７５内置了常用的ＵＳＢ固件以及大容　量存储器的通讯协议，ＣＨ３７５的固件开发相对简　单，主要包括：ＭＳＰ４３０Ｆ４４９引脚与库文件的对应链　接；单片机ＲＡＭ对ＵＳＢ主机系统的ＲＡＭ分配；读　写ｕ盘操作的代码编写。流程见图４。　ＣＨ３７５的库文件向我们开放了一个函数　ＷｒｉｔｅＣＨ３７５Ｃｍｄ（ＵＩＮＴ８　ｍＣｍｄ），通过修改这个函数　ｆ检测到ｕ盘插入ｆ　Ｉ．－　初始化寄存器并准备接受数据　Ｊ　Ｎ　图４　Ｕ盘采集数据流程图　ＭＳＰ４３０单片机的引脚　ＣＨ３７５芯片的引脚　Ｐ１．４　ＩＮ　Ｐ１｜３　Ａ０　Ｐ１．２　ＣＳ社　Ｐ１．１　ＷＲ＃　Ｐ１．０　ＲＤ＃　Ｐ４口　Ｄ７一Ｄ０　图５硬件引脚连接示意图　的引脚定义，就可以实现库文件与实际应用硬件的　逻辑对应。在图５所示的硬件连接示意图下，函数　ｘＷｒｉｔｅＣＨ３７５Ｃｍｄ的代码为：　ｖｏｉｄ　ｘＷｒｉｔｅＣＨ３７５Ｃｍｄ（ＵＩＮＴ８　ｍＣｍｄ）　｛　Ｐ１ＤＩＲ　０ｘ０Ｆ；　设置Ｐ１口Ａ０，ＣＳ，ＷＲ，ＲＤ为输出　控制信号丰／　Ｐ４ＯＵＴ＝ｍＣｍｄ；／　向ＣＨ３７５的并口输出数据　／　（下转第２８页）　．１９．　维普资讯 http://www.cqvip.com

２００６年第５期　农业装备与车辆工程　遥控车辆摄像机监视系统，使精力尽量集中在被监　视的目标，改善了监控和遥控操作的协调性，有效提　高了遥控操作的效率，该视频监视系统的研究对解　决远程遥控作业工程车辆的视频监视问题，提高作　业质量与效率，保障作业安全有重要意义。　参考文献　ｆ１１李玉善，邹广德．遥控推耙机作业视频监视系统Ⅱ］．山东理工大学　图３云台控制系统方框图　学报（自然科学版），２００４，５：５３—５６．　【２】张惠斌，周振丰．遥控焊弧机器人头盎式立体电视监视系统Ｕ］．机　改进，提出了以偏差角大小为依据，采用分段控制的　嚣人．１９９５，７：２３５—２３９．　方案，即在大偏差角时采用ＰＤ控制，在保证系统平　［３】徐旭明．基于临场感的遥操作系统研究与实现［Ｄ】．清华大学硕士　稳的情况下加速动态响应速度，以免由于积分作用　论文，１９９７，５．　ｆ４１樊铁锟，丁冬花．ＴＨＭＲ—Ｖ视觉临场感遥控系统的设计与实现　使系统稳定性降低，超调量增大；当系统进入稳态后　Ｕ　汁算机工程与应用，２００３　４：１３５—１３７．　增加积分环节，形成ＰＩＤ控制，以减少系统的稳态　［５】　ＲｏｄｒｉｇｕｅｓＣＣ．　Ａｎ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｔｅｌｅｐｒｅｓｅｎｃｅ　误差，提高控制精度，即采用积分分离式ＰＩＤ控制　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ：Ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ　Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔｓ　ｉｎ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｈａｎｄｌｉｎｇ　Ｔａｓｋｓ，　算法。　ＩＣＲＡ　９５．１　９９５．２１　１　５－２１　２０．　［６】ＫｉｍＷＳ，ＢｅｊｃｚｙＡＫ　Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ａ　Ｈｉｇｈ—ｆｉｄｅｌｉｙｔ　Ｐｒｅｄｉｃｔｉｖｅ／　５结论　Ｐｒｅｖｉｅｗ　Ｄｉｓｐｌａｙ　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｆｏｒ　Ｔｅｌｅｒ０ｂｏｔｉｃ　Ｓｅｒｖｉｃｉｎｇ　ｉｎ　Ｓｐａｃｅ．　通过设计这种带有跟踪操作者头部运动功能的　ＩＥＥＥＴｒａｎｓ，ＯｎＰＡＭＩ，１９９３，９（５）：６９８—７０４　（上接１９页）　Ｐ４ＤＩＲ＝０ｘＦＦ；／木写操作所以数据输出￥／　软件采用Ｃ语言在ＩＡＲ　Ｅｍｂｅｄｄｅｄ　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ开发　ＰＩＯＵＴ　ＯｘＯＦ；，半指向ＣＨ３７５芯片的命令端口，　环境下编写、编译和调试，实现了汽车行驶记录仪Ｕ　Ａ０（Ｐ１．３）：１；　／　盘的数据采集，方便了汽车行驶记录仪与ＰＣ机数　ＰＩＯＵＴ＆＝０ｘＦ９；，木输出有效写控制信号，写　据分析软件之问的数据传输，有较高的应用价值。对　ＣＨ３７５芯片的命令端口木／　其他应用场合下的嵌入式ＵＳＢ主机开发设计具有　Ｐ１ＯＵＴ　ｌ＿０ｘ０７；／冰输出无效的控制信号，完成操作　一定的参考价值。　ＣＨ３７５芯片木／　参考文献　Ｐ１ＯＵＴ＆＝０ｘＦＴ；／木输出Ａ０（Ｐ１．３）＝０，可选操作木／　【１　Ｊ马伟．计算机ＵＳＢ系统及其主从机设计ｆＭ】．北京：北京航空航天　Ｐ４ＤＩＲ＝０；　禁止数据输出木／　大学出版社．２００４年１月．　Ｊ　ｆ２１崔立超，王侃伟，方宗德．基于ＳＬ８１１ＨＳ芯片的ＵＳＢ主机系统的　ＭＳＰ４３０Ｆ　９具有２ＫＢ的ＲＡＭ，满足了ＣＨ３７５　设计应用机械设计与制造，２００５年７月，（７）：６４－６６．　读写Ｕ盘１ＫＢ的ＲＡＭ需求，避免了硬件系统ＲＡＭ　３李庆超，邢文生．在单片机上扩展ＵＳＢ接口的设计与实现．计算机　的扩展，从而一定程度上节省了成本，降低了开发难　辅助工程，２００４年９月，（３）：７２～７５．　李海军．基于ＵＳＢ总线接口芯片ＣＨ３７５的虚拟仪器设计．三峡大　度。笔者根据ＣＨ３７５提供的库函数，只用了几百行的　学学报，２００５年４月．（２）：１６８　１７Ｏ．　代码就实现了读写Ｕ盘的功能，经测试稳定可用。　ｆ５】中华人民共和国国家标准，ＧＢ／Ｔ１９０５６—２００３，汽车行驶记录仪北　５结论　京：国家质量监督检验检疫总局，２００３年４月．　Ｉ６】南京沁恒电子有限公司．ＵＳＢ总线接口芯片　基于汽车行驶记录仪的嵌入式ＵＳＢ主机系统　ＣＨ３７５．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．Ｗｉｎｃｈｉｐｈｅａｄ．ｃｏｍ／ｐｒｏｄｕｃｔ／　・２８・