一种多通道数据记录仪系统及其工作方法与流程

本发明涉及多通道数据记录仪，特别是涉及一种多通道数据记录仪系统及其工作方法。

背景技术：

1、数据记录仪俗称黑盒子，是实时记录系统运行信息和控制数据的安全保障设备，当需要进行数据分析或事故原因调查时，将数据取出进行分析，为提高后续设备运行的可靠性提供重要数据。因此在要求高可靠的行业中多有应用，如特种汽车数据记录，航海船只的数据记录，航空飞行器等，基本都配备数据记录仪。

2、当前，许多数据记录设备普遍采用磁带或硬盘作为数据存储介质，并配备有备用电池以确保数据的连续记录。然而，这种设计导致设备体积庞大、重量沉重，不利于在空间和重量受限的应用场景中使用。此外，备用电池长期处于充满电的状态，可能会加速电池老化，从而影响其可靠性和使用寿命。这些因素共同限制了这些数据记录设备在对体积和重量有严格要求，以及对数据记录可靠性要求极高的应用中的使用，例如在大量无人机和无人车等现代智能设备中的应用。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种多通道数据记录仪系统。

2、为了实现本发明的上述目的，本发明提供了一种多通道数据记录仪系统，包括：微控制器、收发器、存储器、监控系统电压器、供电模块，

3、供电模块分别与监控系统电压器、收发器相连，为监控系统电压器、收发器供电；微控制器分别与收发器、存储器、监控系统电压器相连，

4、所述收发器包括rs422收发器，rs232收发器，rs485收发器，can收发器，canfd收发器之一或者任意组合。

5、进一步地，供电模块包括电源多路复用器和线性稳压器，电源多路复用器的电源输出端与线性稳压器的电源输入端相连，线性稳压器的电源输出端输出的电压给监控系统电压器和收发器供电；所述电源多路复用器通过电源适配器供电或usb接口供电。

6、电源多路复用器为数据记录仪提供了一种灵活、可靠且用户友好的电源解决方案，使其能够适应多变的使用环境和电源条件。

7、进一步地，电源多路复用器的电路包括：

8、电源多路复用器u20的状态指示端sta与电阻r74的第一端相连，电阻r74的第二端与电源多路复用器u20的输出端out、电容c74的第一端、有极电容c48的正极、电阻r76的第一端相连，电源多路复用器u20的输出端out输出电源vsys；

9、电容c74的第二端、有极电容c48的负极分别与电源地相连；

10、电阻r76的第二端与led指示灯d17的正极相连，led指示灯d17的负极与电源地相连；

11、电源多路复用器u20的数据输入端d1与电源地相连，

12、电源多路复用器u20的输入电流限制端ilim与电阻r73的第一端相连，电阻r73的第二端与电源地相连；

13、电源多路复用器u20的输入端in1与电容c73的第一端、usb连接器u8的i/o信号输出端vbus相连；

14、电源多路复用器u20的输入端in2、电容c72的第一端接电源vdd5v2，电容c72的第二端与电源地相连。

15、进一步地，有极电容c48为超级电容。

16、进一步地，线性稳压器的电路包括：

17、线性稳压器u55的电源输入端vin、有极电容c85的正极、电容c62的第一端与电源vsys相连，有极电容c85的负极、电容c62的第二端与电源地相连；

18、线性稳压器u55的可调/接地端adj/gnd与电源地相连；

19、线性稳压器u55的电源输出端vout与有极电容c78的正极、电容c64的第一端、电容c79的第一端、电阻r75的第一端相连；线性稳压器u55的电源输出端vout输出电源vcc3v3；

20、有极电容c78的负极、电容c64的第二端、电容c79的第二端与电源地相连；

21、电阻r75的第二端与led指示灯d16的正极相连，led指示灯d16的负极与电源地相连。

22、进一步地，所述电源适配器为直流转换器，直流转换器的电路包括：

23、直流转换器u56的电源输入端vin1、电源输入端vin2、运行状态控制端run、二极管d20的负极、电容c82的第一端、电容c83的第一端、电容c81的第一端、电阻r88的第一端与28v的电源相连；

24、二极管d20的正极、电容c82的第二端、电容c83的第二端与电源地相连，电容c81的第二端与电源地相连，

25、电阻r88的第二端与直流转换器u56的电源输出端vout1、电源输出端vout2、电容c80的第一端、电容c84的第一端相连，直流转换器u56的电源输出端vout1、电源输出端vout2输出电源vdd5v2；

26、电容c80的第二端、电容c84的第二端与电源地相连；

27、直流转换器u56的开关频率端rt与电阻r81的第一端相连，电阻r81的第二端与电源地相连；

28、直流转换器u56的反馈端fb与电阻r82的第一端相连，电阻r82的第二端与电源地相连；

29、直流转换器u56的操作模式端sync与电阻r83的第一端相连，直流转换器u56的ss与电容c87的第一端相连；

30、电阻r83的第二端、电容c87的第二端与电源地相连。

31、进一步地，微控制器包括：

32、微控制器u2的电池电压输入端vbat、微控制器u2的电源端vdd、电容c32的第一端、电容c33的第一端、电容c34的第一端、电容c35的第一端、电容c36的第一端与电源vcc3v3相连；

33、电容c32的第二端、电容c33的第二端、电容c34的第二端、电容c35的第二端、电容c36的第二端与电源地相连；

34、微控制器u2的参考电压端vref+与电感l12的第一端相连，电感l12的第二端与电源vcc3v3相连，

35、微控制器u2的模拟电源的正电压端vdda与电容c26的第一端、电容c25的第一端、电感l3的第一端相连，电感l3的第二端与电源vcc3v3相连，

36、微控制器u2的模拟电源的接地端vssa、电容c26的第二端、电容c25的第二端与电源地相连；

37、微控制器u2的第二电源端vcap2与电容c29的第一端相连，微控制器u2的第一电源端vcap1与电容c30的第一端相连，电容c29的第二端、电容c30的第二端与电源地相连；微控制器u2的接地端vss与电源地相连；

38、微控制器u2的晶体振荡器的时钟信号输入端ph0-osc_in与晶体振荡器y1的第一端与电容c14的第一端，电容c14的第二端与电源地相连，晶体振荡器y1的第二端、第四端与电源地相连，晶体振荡器y1的第三端与电容c15的第一端相连，电容c15的第二端与电源地相连；

39、微控制器u2的启动模式配置端boot0与电阻r24的第一端相连，电阻r24的第二端与电源地相连，

40、微控制器u2的复位端nrst与系统电压控制器u4的复位控制端相连；当微控制器u2的复位端nrst电压小于或者等于预设电压阈值时，系统电压控制器u4的复位控制端输出低电平复位。

41、进一步地，存储器为emmc存储器，包括：

42、emmc存储器u1b的数据端dat0与电阻r3的第一端、微控制器u2的数据传输端相连，

43、emmc存储器u1b的数据端dat0与电阻r3的第一端、微控制器u2的数据传输端相连，

44、emmc存储器u1b的数据端dat1与电阻r4的第一端、微控制器u2的数据传输端相连，

45、emmc存储器u1b的数据端dat2与电阻r5的第一端、微控制器u2的数据传输端相连，

46、emmc存储器u1b的数据端dat3与电阻r6的第一端、微控制器u2的数据传输端相连，

47、emmc存储器u1b的数据端dat4与电阻r10的第一端、微控制器u2的数据传输端相连，

48、emmc存储器u1b的数据端dat5与电阻r2的第一端、微控制器u2的数据传输端相连，

49、emmc存储器u1b的数据端dat6与电阻r9的第一端、微控制器u2的数据传输端相连，

50、emmc存储器u1b的数据端dat7与电阻r1的第一端、微控制器u2的数据传输端相连，

51、电阻r1的第二端、电阻r2的第二端、电阻r3的第二端、电阻r4的第二端、电阻r5的第二端、电阻r6的第二端、电阻r7的第二端、电阻r8的第二端、电阻r9的第二端、电阻r10的第二端与电源vccq相连；

52、emmc存储器u1b的数据选通时钟端rclk/ds与电阻r14的第一端相连，

53、emmc存储器u1b的时钟信号端clk与电阻r12的第一端相连，电阻r12的第二端与微控制器u2的时钟信号端相连，

54、emmc存储器u1b的控制命令端cmd与电阻r7的第一端相连，emmc存储器u1b的复位信号端rst_n与电阻r8的第一端、电容c75的第一端相连，电容c75的第二端、电阻r14的第二端与电源地相连；

55、emmc存储器u1b的电源端vcc/vddf与电容c1的第一端、电容c2的第一端、电容c3的第一端、电感l1的第一端相连，电容c1的第二端、电容c2的第二端、电容c3的第二端与电源地相连，电感l1的第二端与电源vdd3v3相连；

56、emmc存储器u1b的电源端vccq/vdd与电容c5的第一端、电容c6的第一端、电容c7的第一端、电容c8的第一端、电容c9的第一端、电容c10的第一端、电感l2的第一端相连，电容c5的第二端、电容c6的第二端、电容c7的第二端、电容c8的第二端、电容c9的第二端、电容c10的第二端与电源地相连，电感l2的第二端与电源vdd3v3相连。

57、进一步地，监控系统电压器包括：

58、监控系统电压器u4的手动复位端与电阻r80的第一端相连，监控系统电压器u4的监控电压端sense、监控系统电压器u4的电源端vdd、电容c76的第一端、电容c77的第一端、电阻r80的第二端与电源vcc3v3相连，当检测到电源vcc3v3的电压下降到阈值电压以下，将触发复位。

59、监控系统电压器u4的复位延迟时间端ct与电容c21的第一端相连，

60、电容c76的第二端、电容c77的第二端、电容c21的第二端与电源地相连；

61、监控系统电压器u4的复位端与电阻r79的第一端、电容c18的第一端与微控制器u2的复位信号端相连，将检测到的电源电压信号传输给控制器。电阻r79的第二端与电源vcc3v3相连，电容c18的第二端、监控系统电压器u4的接地端gnd与电源地相连。

62、进一步地，rs422收发器包括：

63、rs422收发器u12的电源端vcc与电阻r54的第一端、电阻r55的第一端、电容c67的第一端、电容c68的第一端、电阻r50的第一端、电感l10的第一端相连，

64、电容c67的第二端、电容c68的第二端与电源地相连，电感l10的第二端与电源vcc3v3相连，

65、rs422收发器u12的接收器输出端ro与电阻r54的第二端、微控制器u2的rs422信号输入端相连，

66、rs422收发器u12的驱动器输入端di与电阻r55的第二端、微控制器u2的使能信号端相连，rs422收发器u12的接地端gnd与电源地相连，

67、rs422收发器u12的双向数据传输端a与电阻r50的第二端、电阻r51的第一端、电阻f3的第一端、瞬态电压抑制器u13的第二数据端i/o2相连，电阻f3的第二端与rs422总线的第一数据线相连；

68、rs422收发器u12的双向数据传输端b与电阻r51的第二端、电阻r56的第一端、电阻f4的第一端、瞬态电压抑制器u13的第一数据端i/o1相连，电阻f4的第二端与rs422总线的第二数据线相连；

69、瞬态电压抑制器u13的接地端gnd与电源地相连；电阻r56的第二端与电源地相连；

70、rs422收发器u12的反转驱动器输出端z与电阻f5的第一端、瞬态电压抑制器u14的第二数据端i/o2相连，电阻f5的第二端与rs422总线的第三数据线相连；

71、rs422收发器u12的非反相驱动器输出端y与瞬态电压抑制器u14的第一数据端i/o1相连、电阻f6的第一端相连，电阻f5的第二端与rs422总线的第四数据线相连；

72、瞬态电压抑制器u14的接地端gnd与电源地相连。

73、进一步地，rs232收发器包括：

74、rs232收发器的u166的第一个电荷泵电容的正端c1+与电容c91的第一端相连，第一个电荷泵电容的负端c1-与电容c91的第二端相连；

75、rs232收发器的u166的第二个电荷泵电容的正端c2+与电容c88的第一端相连，第二个电荷泵电容的负端c1-与电容c88的第二端相连；

76、rs232收发器的u166的第一发送器信号输入端t1in与电阻r998的第一端相连，电阻r998的第二端与微控制器u2的rs232信号输出端相连；

77、rs232收发器的u166的第一发送器信号输出端r1out与电阻r999的第一端相连，电阻r999的第二端与微控制器u2的rs232信号输入端相连；

78、rs232收发器的电源端vcc、电容c90的第一端与电源vcc3v3相连；

79、rs232收发器的倍压电荷泵电压端口v+与电容c92的第一端相连，

80、rs232收发器的反相电荷泵电压输出端v-与电容c89的第一端相连，

81、电容c90的第二端、电容c92的第二端、电容c89的第二端与电源地相连。

82、进一步地，rs485收发器包括：

83、rs485收发器u15的接收器输出端ro与电阻r62的第一端、微控制器u2的rs485信号输入端相连，

84、rs485收发器u15的驱动器使能端de、接收器使能端/re与电阻r64的第一端、微控制器u2的rs485使能信号端相连，电阻r64的第二端与电源地相连，

85、rs485收发器u15的驱动器输入端di与电阻r63的第一端相连，电阻r62的第二端、电阻r63的第二端与rs485收发器u15的电源端vcc、电阻r57的第一端、电感l11的第一端、电容c69的第一端、电容c70的第一端相连，电感l11的第二端与电源vcc3v3相连，电容c69的第二端、电容c70的第二端相连与电源地相连，

86、rs485收发器u15的双向数据传输端a与电阻r57的第二端、电阻r60的第一端、电阻f7的第一端、瞬态电压抑制器u16的第二数据端i/o2相连，电阻f7的第二端与rs485总线的一个数据线相连；

87、rs485收发器u15的双向数据传输端b与电阻r60的第二端、电阻r65的第一端相连，瞬态电压抑制器u16的第一数据端i/o1、电阻f8的第一端相连，电阻f8的第二端与rs485总线的另一个数据线相连；

88、电阻r65的第二端与电源地相连，瞬态电压抑制器u16的接地端gnd与电源地相连。

89、进一步地，所述多通道数据记录仪系统通过usb otg接口与上位机进行数据传输，usb otg接口包括：

90、usb收发器u7的i/o信号输入端vbus与电阻r33的第一端相连，电阻r33的第二端与电容c40的第一端、usb过噪模块相连，电容c40的第二端与电源地相连；

91、usb收发器u7的使能端reg_en、电源端vdd3v3与电容c38的第一端、电容c39的第一端、电感l6的第一端相连，电感l6的第二端与电源vdd3v3相连；

92、usb收发器u7的外部时钟输出端xo与电阻r35的第一端、晶振x1的第二输出端x2、电容c43的第一端相连，usb收发器u7的接地端gnd2、电容c43的第二端与电源地相连；

93、usb收发器u7的外部时钟输入端xi与电容c42的第一端、晶振x1的第一输出端x1相连，usb收发器u7的接地端gnd1、电容c42的第二端与电源地相连；

94、usb收发器u7的电源端vdd1_8_2、电源端vdd1_8_1与电容c45的第一端相连，电容c45的第二端与电源地相连；

95、usb收发器u7的电源端vdda1_8与电阻r37的第一端相连，电阻r37的第二端与电源地相连。

96、进一步地，usb过噪模块包括：

97、usb连接器u8的i/o信号输出端vbus与瞬态电压抑制器d19的第五端相连，输出vbus信号；

98、usb连接器u8的数据负端d-与共模滤波器t1的负信号输出端、瞬态电压抑制器d19的第一端相连，

99、usb连接器u8的数据正端d+与共模滤波器t1的正信号输出端、瞬态电压抑制器d19的第六端相连；

100、瞬态电压抑制器d19的接地端与电源地相连；

101、共模滤波器t1的负信号输入端与usb收发器u7的usb差分负信号端dmxl相连；

102、共模滤波器t1的正信号输入端与usb收发器u7的usb差分正信号端dp相连。

103、本发明还提出一种多通道数据记录仪系统的工作方法，包括以下步骤：

104、s1，采集多通道数据，多通道数据包括rs422数据、rs232数据、rs485数据、can数据、can fd数据之一或者任意组合；

105、s2，将数据记录到emmc存储器中；

106、s3，当需要读取数据时，微控制器发送读取命令到emmc存储器，请求所需的数据块或文件；然后emmc存储器将请求的数据发送至微控制器的内存或指定的数据缓冲区；然后微控制器通过usb接口将数据从其内存或缓冲区传输至上位机；在上位机上对数据进行操作和/或管理。

107、进一步地，还包括掉电检测：

108、当监控系统电压器检测到掉电情况时，在掉电瞬间，采用超级电容c48为系统供电；此时，电容c48两端电压开始下降，微控制器通过adc_sys信号周期检测超级电容c48两端上的电压；

109、当检测到的系统电源电压vsys小于或者等于预设电压阈值时，此时处于掉电情况，电源多路复用器u20上的超级电容c48开始为系统供电，此时微处理器u2接收到adc_sys信号，微处理器u2发送信号给上位机，执行紧急关闭文件操作，关闭正在操作的文件。从而实现避免记录的文件异常掉电而遭到破坏，提高了系统文件记录的可靠性。当系统上电时，外部电源通过电源选择和电源多路复用器u20为超级电容c48充电，并限制充电电流，避免输入电源瞬间过载。当电源多路复用器u20的超级电容电量充满后，电容两端维持5v左右的电压。

110、进一步地，当多通道数据记录仪系统启动时，包括以下步骤：

111、s01，系统收到启动指令后，首先对微控制器u2初始化

112、s02，然后sdmmc控制器初始化；微控制器u2内部集成了sdmmc控制器，sdmmc控制器用于控制和管理emmc存储器的硬件接口；

113、s03，对usb otg接口初始化；

114、s04，初始化完成后，系统开始自检，若自检失败，则微控制器的指示灯常亮，并提示系统异常；若自检通过，则进行数据记录状态。

115、进一步地，在掉电后验证数据的完整性：

116、s-a，当检测到掉电时，读取当前处理文件位于数据库的配置信息，所述配置信息包括括索引信息、数据状态；将配置信息打包成掉电保护文件，并使用私钥对掉电保护文件的哈希值进行加密，生成数字签名；

117、s-b，将生成的数字签名与掉电保护文件的创建时间结合，形成校验文件；

118、s-c，将掉电保护文件和校验文件都保存在emmc存储器中；

119、s-d，当电力恢复后，系统重新启动并从emmc存储器中读取掉电保护文件和校验文件；

120、s-e，从校验文件中提取掉电保护文件的创建时间以及数字签名；

121、s-f，检查步骤s-e提取出的创建时间是否与系统的当前时间逻辑上相符；用于确保数据在特定时间点之前是有效的，并且没有被篡改。可以防止重放攻击，即确保数据在创建后到验证时没有被重新使用。

122、s-g，使用公钥对数字签名进行解密，以验证私钥持有者的身份(验证私钥持有者的身份是通过检查数字签名的有效性来实现的。如果一个数字签名能够被某个公钥成功验证，这意味着签名是由对应的私钥创建的。因为只有持有对应私钥的人才能生成有效的签名，所以验证签名的过程实际上就是验证签名者身份的过程。)和掉电保护文件的原始哈希值，解密后得到的是掉电保护文件原始哈希值的明文版本；

123、s-h，对读取的掉电保护文件执行相同的哈希算法，生成一个新的哈希值；

124、s-i，将重新计算得到的哈希值与步骤s-g得到的原始哈希值进行比较；

125、如果两个哈希值匹配，这表明掉电保护文件在掉电期间未被篡改，验证成功；如果不匹配，说明数据可能已被篡改，验证失败；

126、通过这个过程，系统能够验证掉电保护文件的完整性和真实性，确保数据在掉电期间保持安全和未被更改；

127、进一步地，s-a中的数字签名的计算公式为：

128、

129、其中，ds为数字签名；

130、e()为加密运算；

131、sk表示私钥；

132、h()表示哈希函数；

133、p为素数；

134、为逐元素相加运算；

135、mod为取模运算；

136、index,state分别表示对掉电时正在处理的数据的索引信息和数据状态，作为掉电保护文件；其中数据库中表的索引信息包括主键、外键、索引等，数据状态为在掉电时数据库中数据的当前状态，为待处理、正在被处理、已经处理完成；分别用不同的数值表示。

137、rand1表示第一随机参数，为随机的正整数；

138、rand2表示第二随机参数；

139、k为一个大于e的数，e为自然常数。

140、此时，s-b的校验文件为ds||t，其中||表示串联操作，t表示掉电时的时间戳。

141、进一步地，s-g中的解密运算包括：

142、f＝s(pk,ds′)＝[pk×h(index′,state′)]emodp

143、其中，s为解密运算；

144、ds′为电力恢复后读取的数字签名；

145、(index′,state′)为电力恢复后读取的掉电保护文件；

146、pk为公钥。

147、综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的多通道数据记录仪具有多种数据接口接入，且具有掉电保护功能，还具备重量轻，体积小，长期工作安全可靠等优点。

148、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种多通道数据记录仪系统，其特征在于，包括：微控制器、收发器、存储器、监控系统电压器、供电模块，

2.根据权利要求1所述的一种多通道数据记录仪系统，其特征在于，供电模块包括电源多路复用器和线性稳压器，电源多路复用器的电源输出端与线性稳压器的电源输入端相连，线性稳压器的电源输出端输出的电压给监控系统电压器和收发器供电；所述电源多路复用器通过电源适配器供电或usb接口供电。

3.根据权利要求1所述的一种多通道数据记录仪系统，其特征在于，电源多路复用器的电路包括：

4.根据权利要求3所述的一种多通道数据记录仪系统，其特征在于，有极电容c48为超级电容。

5.根据权利要求1所述的一种多通道数据记录仪系统，其特征在于，线性稳压器的电路包括：

6.根据权利要求1所述的一种多通道数据记录仪系统，其特征在于，所述电源适配器为直流转换器，直流转换器的电路包括：

7.根据权利要求1所述的一种多通道数据记录仪系统，其特征在于，微控制器包括：

8.一种多通道数据记录仪系统的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的一种多通道数据记录仪系统的工作方法，其特征在于，还包括掉电检测：

10.根据权利要求8所述的一种多通道数据记录仪系统的工作方法，其特征在于，当多通道数据记录仪系统启动时，包括以下步骤：

技术总结
本发明提出了一种多通道数据记录仪系统及其工作方法，所述系统包括：微控制器、收发器、存储器、监控系统电压器、供电模块，供电模块分别与监控系统电压器、收发器相连，为监控系统电压器、收发器供电；微控制器分别与收发器、存储器、监控系统电压器相连，所述收发器包括RS422收发器，RS232收发器，RS485收发器，CAN收发器，CANFD收发器之一或者任意组合。本发明的多通道数据记录仪具有多种数据接口接入，且具有掉电保护功能，还具备重量轻，体积小，长期工作安全可靠等优点。

技术研发人员：李普军,刘亚良,董言,高文丽
受保护的技术使用者：陕西嵌图电子科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23