基于AM335X车辆速度显示记录系统设计与实现

余军军，王勇

（四川大学电子信息学院，成都610065）

0 引言

对车辆行驶过程中的速度状态监视、速度数据存储以及结果分析，在测速同时又需要对车辆速度的检测和分析这就需要涉及到多线程支持，并支持在线数据下载、软件更新等。因此系统采用AMM335X作为CPU，AM335X是 TI（德州仪器）基于 ARM Cortex-A8内核的AM335X微处理器,其定位是工业控制MCU。AM335X搭载Linux操作系统，支持多线程，网络通信等。然后通过串口屏将速度等信息实时显示，并使用SD卡将速度数据进行存储，以满足对车辆测速、显示和存储分析的需求。

1 系统总体方案设计

系统主通过主机对速度传感器的输出信号进行采样，并结合设置的轮径值计算车辆当前的速度值。计算后的速度值在显示屏上实时显示，并对异常的速度值进行声光报警。速度数据以间隔1秒钟和20秒钟两种形式存储至主机和显示器的存储模块中，用户可以通过上位机的网络来下载数据，也可以通过读取存储模的SD卡下载数据，以提供使用者进行数据查询。系统框图如图1所示。

2 系统功能

车辆速度显示记录系统主要包括速度传感器，主机、存储设备和显示设备。用来采集、显示和记录车辆的行驶速度，监控车辆超速等异常情况以及下载历史数据。系统主要由主机对两路各自独立的速度传感器的输出信号进行采样，其中一路速度传感器作为冗余备份，当一路速度传感器信号出现故障时，自动切换到另外一路使用。一共有两路传感器输出信号，信号1和信号2，主机只对信号1进行采样，对信号2不采样，系统结合设置的轮径值计算车辆当前的速度值。计算后的速度值可以在显示屏上实时显示，并对异常的速度值进行声光报警。速度数据以1秒钟和20秒钟的时间间隔这两种方式存储至主机和存储设备中，可以通过上位机下载数据，由使用者进行数据查询操作。

2.1 系统原理

速度显示记录系统工作原理框图如图2所示。

2.2 系统拓扑

速度显示记录系统主要包括速度传感器、主机、显示模块和存储模块，系统拓扑如图3所示。

图1

图2

图3

3 系统模块设计

3.1 主机模块

主机是整个系统的核心组成，主要实现采集传感器信号、计算速度值、存储数据、数据通讯等功能。它集成电源模块，并从实现功能上划分为速度测量模块、通讯模块、存储模块、超速报警模块和CPU模块（AM335X），其功能框图如图4所示。

图4

（1）速度测量电路

速度测量电路用于将传感器输出的模拟信号转换为CPU系统模块可识别的数字信号。通过霍尔传感器非接触测量铁磁性信号盘转速，车辆的测速信号盘齿数为80个，按默认车辆车轮轮径84cm计算，车轮周长 l=0.84×π≈2.639m，默认最高车速为120km/h≈33.33m/s，车辆车轮转速=33.33÷2.639≈12.6转/s，传感器输出频率≈12.63×80=1.01kHz。传感器工作频率为0-20kHz,满足使用需求。

速度传感器主要参数如下：

输出大电流12mA-16mA，典型值14mA

小电流4mA-8mA，典型值7mA

负载电阻：≤300Ω

根据上述主要参数，选用100Ω电阻对输出电流进行采样，大电流在电阻上产生的电压为1.2-1.6V，小电流在电阻上产生的电压为0.4-0.8V。采用1V电压与传感器信号进行比较，将模拟信号转换为数字信号输入主机进行采集。速度测量电路原理框图如图5所示。

图5

传感器信号和自检信号通过模拟开关接入比较器，1.2V和0.8V自检信号分别模拟传感器的大电流和小电流所产生的电压，用于验证比较器是否处于正常状态。

（2）速度数据分析

主机对当前计算得出的车辆运行速度进行分析判断。

①主机判断速度值是否大于等于系统中的超速参数值。若判断成立，则进入超速报警处理流程。

②主机判断速度值是否在一段时间5s内上下无序波动。若判断成立，则进入系统采集部分故障处理流程。

③主机接收到显示屏或维护软件下发的“车辆运行检测”信号，判断速度值是否长时间30s波动于0km/h附近（波动范围默认为±2km/h，该数值可通过上位机或显示屏进行参数配置）。若判断成立，则进入系统采集部分故障处理流程。

④主机判断车辆是否处于启车阶段。若判断成立，则进入车辆启车处理流程。

⑤主机判断车辆是否处于停车阶段。若判断成立，则进入车辆停车处理流程。

⑥主机判断车辆停车是否超过5分钟。若判断成立，车速表应停止记录数据，并且将此事件记录，当列车行驶时，它应该再次自动启动。

（3）超速报警处理

主机具有超速报警处理流程，超速阈值存储在主机的存储模块中，该值可以通过上位机和显示屏进行设置。

①当发生超速事件时，对“超速报警”这一事件进行标定，并结合当前的时间信息，保存至存储模块的事件数据区。只记录事件开始时刻和结束时刻的数据。

②当发生超速事件时，主机通过GPIO控制LED和蜂鸣器开始声光报警，显示屏同时切换到超速报警的界面。

③当发生超速事件时，主机持续输出报警信号进行声光报警，直至主机分析到当前的速度值低于超速报警的速度，或主机接收到显示屏下发的“超速报警信号人工切断”信号，主机就会关闭报警信号的输出。

（4）车辆启车和停车处理

①主机判断车辆处于启车状态后，对启车前的最后一个“0km/h”值进行“开始行车”事件标定，并保持至存储模块的速度数据区。

②主机判断车辆处于停车状态后，对启车前的第一个“0km/h”值进行“结束行车”事件标定，并保持至存储模块的速度数据区。

（5）事件记录

通过分析车辆的速度数据，判断是否为某一事件发生，若发生则将事件的对应标志记录并存储下来，对应的事件标志如表1所示。

表1 事件标志对应

（6）故障记录

通过分析车辆的速度数据，判断是否为某一故障发生，若发生则将故障的对应标志记录存储下来，对应的故障标志如表2所示。

表2 故障标志对应

3.2 显示模块

显示模块主要完成速度值的实时显示、车辆参数设置和超速报警等。显示屏的亮度可以调节，分5个亮度等级。通过显示屏进行参数设置前，需要输入登录口令才能进行设置。显示模块通过RS485串口接收来自主机的速度值以及历史里程等值，同样通过RS485串口发送通过显示屏进行设置的参数值给主机。由于RS485串口是半双工的，主机或显示模块在同一时刻只能接收数据或者发送数据，因此为了避免在发送和接收数据的时候出现冲突，当显示屏处于速度和里程显示界面的时候，主机不断地发送数据，显示模块处于接收数据的状态，当显示屏处于参数设置的界面时，主机暂停数据发送的工作，切换到接收数据的状态，这样就避免了由于RS485半双工通讯导致的数据冲突。显示模块的主界面（显示速度和里程等信息）如图6所示，显示模块的参数设置界面如图7所示。

（1）速度显示

显示模块以虚拟仪表界面的方式实时显示车辆当前的速度、里程等信息。实时速度以模拟指针和数字两种方式显示给用户。设置的最高速度以红底白字的数字在数字速度的右边显示，累计历史里程显示在实时速度的下方。

（2）超速报警显示

报警模块实时监控主机的报警信号。若产生超速报警的信号，立即进入报警状态，声光报警开启，显示模块界面切换到超速报警手动关闭界面，如图8所示，可以通过“Artificial over speed alarm shutoff”按钮手动关闭超速报警。若超速报警信号消失，则关闭声光报警，并将显示模块的画面切换到主界面。

（3）显示模块参数设置

显示屏可进行设置的参数如表3所示。当前参数的值显示在CURRENT列，如图9所示，需要更改参数值则点击SET列的输入框进行设置。当参数设置成功后，CURRENT列对应的参数值就会发生改变。

表3 显示模块可设置的参数列表

3.3 存储模块

存储模块位于显示模块下方，存储模块采用SD卡存储，支持热插拔。存储模块使用AM335X通过RS485串口和主机进行通讯，接收从主机发送来的速度等信息数据并存储到SD中。存储方式为先进先出的循环存储方式。当存储空间容量达到85%时，控制LED灯闪烁以提醒用户更换SD卡或清理SD卡的存储空间。数据的存储格式为“里程速度事件/故障标志时间”。

4 系统软件设计

4.1 总体软件

车辆速度显示记录系统软件分为主机软件、存储模块软件两部分。主机软件为嵌入式软件，主机软件为整个系统核心，系统所有功能均由主机软件控制；存储模块软件也为嵌入式软件，主要负责数据存储等功能。

4.2 主机软件

图6

图7

图8

主机软件分为传感器数据读取、速度计算分析、显示模块通讯、显示模块通讯、参数修改、超速报警处理、启车停车处理、故障处理和数据存储功能。主机软件用于读取传感器得到的脉冲数，并对计算得出的速度进行分析，判断车辆当前状态及设备工作是否正常，并存储车辆当前的状态信息，用户可使用维护软件通过网络或操作显示模块对设备参数进行设置，车辆状态数据可通过维护软件进行下载，也可以通过显示模块显示。主机软件框图如图9所示。

图9

4.3 显示存储模块软件

显示存储模块软件分为数据处理、主机通讯、数据存储、触摸屏操作、界面显示和报警状态读取功能。显示模块软件用于控制显示模块界面显示、切换，读取触摸屏信息，并转换为相应指令发送给主机，对主机发送的显示数据进行存储。显示存储模块软件框图如图10所示。

5 结语

本文对基于AM335X芯片的车辆速度显示记录系统核心技术、整体框架以及详细内容给出了全面的分析，并给出了系统的硬件和软件设计过程，并且经过实验进行验证本次设计基本能够完成所需功能。与传统相比，本文设计的车辆速度显示记录系具有以下优点：采用Linux操作系统多线程编程，不仅实现了基本的速度采集功能，同时将速度实时显示到显示模块，并且记录速度等数据，同时也对速度数据进行分析，对超速等异常情况的监控；通过网络可以在上位机进行软件的更新和历史数据的下载等。此系统结构简单、设计合理、维护方便。

图10

参考文献：

[1]谢勇.一种新型的电感式位移传感器.传感器技术，1999，18（2）：22-24

[2]严蔚敏，吴伟民.数据结构（C语言版）[M].北京：清华大学出版社，1997.

[3]弓雷.ARM嵌入式Linux系统开发详解[M].北京：清华大学出版社，2014.

[4]W.Richard Stevens.UNIX环境高级编程.尤晋元，张亚英，戚正伟译.北京：人民邮电出版社，2011.