基于單片機的汽車遠程監測車載終端硬件設計*

謝富強，唐耀庚，曹云建

(南華大學 電氣工程學院,湖南 衡陽421001)

隨著我國汽車工業的快速發展，國產汽車的技術性能已變得越來越好，同時故障診斷的難度也越來越大。傳統的人工手持式檢測儀已經無法滿足大規模汽車故障檢測的需求。汽車故障診斷就是利用ECU（電子控制單元）監視電子控制系統各組成部分的工作情況，發現故障后自動啟動故障處理程序[1-2]。由于駕駛員的檢測和修理經驗在車輛出現電控系統故障時往往是無能為力的。為了解決這個問題，可以通過GPRS(通用分組無線業務）無線通信與遠程的服務器連接，維修人員或專業人員即可通過服務器控制故障診斷設備讀取汽車的診斷數據從而判斷或解決汽車故障[2-4]。本文設計了一種基于Cortex-M3的汽車故障遠程監測系統，實現對汽車24小時不間斷的故障預警、故障診斷與監控管理，能夠較快地掌握汽車狀態信息[5]。

1 汽車故障遠程監測系統結構與功能

汽車故障遠程監測系統總體上可以分為兩大部分，第一部分是車載終端系統，第二部分包括服務器端數據庫和客戶端遠程監測軟件等軟件系統[6]。系統總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構

基于Cortex-M3開發的車載終端 (即車載嵌入式系統),兼容基于K線的KWP2000和基于CAN線的IS015765故障診斷通信協議,可獲取汽車的基本信息和故障信息，實現對汽車各相關部件狀態的實時數據采集、解析、發送和存儲等功能[7]?；贑語言開發的服務器端和客戶端軟件主要負責數據的解析、分類、存儲、查詢及呈現等功能。服務端通過對車載終端的監聽，接收終端發來的診斷數據，按照已制定的終端與服務器通信協議對數據進行解析、分類等處理之后，存入數據庫特定的表中以供客戶端查詢。客戶端通過Internet訪問服務器，從相應的表中提取數據，經過計算之后呈現給用戶。系統的總體組成如圖2所示，車載終端包括MCU、CAN控制器、CAN收發器、藍牙模塊、存儲設備、GPRS模塊、SIM卡、TF卡和電源等。

圖2 監測系統總體組成

車載采集終端硬件電路設計采用了模塊化的設計方式，即將終端劃分為4個部分：OBD接口部分、電源部分、MCU部分和無線通信部分。

2 車載終端硬件設計

2.1 MCU選型與系統電路設計

在選擇微處理器時要考慮的因素很多，不僅僅是從純粹的硬件接口出發，還需要考慮相關的嵌入式操作系統、配套的開發工具、仿真工具以及工程師對微處理器的了解程度和軟件支持情況等。采用基于ARM Cortex-M3內核的STM32F103系列芯片作為車載終端的控制核心，得益于Cortex-M3內核多項新型增強架構，具有超低功耗、性能優異、集成度好、接口方便、開發容易等諸多優點。選取型號為STM32F103CBT6的芯片，片內存儲容量為128 KB，已能夠滿足應用要求。微控制器是車載終端的控制核心，根據程序執行相關指令，驅動各個外圍模塊。MCU系統電路原理如圖3所示。外接晶振的震蕩頻率為8 MHz,可以匹配等效阻抗，電路也采用了較為通用的形式。與8 M晶振并聯的電阻R4的阻值為1 MΩ。晶振兩端的電容取值與晶振有關，一般可取20 pF，實驗證明其滿足設計需求。

2.2 OBD接口電路設計

OBD接口部分的核心功能是使車載終端通過CAN總線或K總線獲取汽車的實時數據，同時作為車載電源為車載終端提供能量的通道，還用于車載終端與汽車的連接與固定。

OBD接口電路如圖4所示。車載終端采用標準16 Pin的OBD接口，此處只用到了其中的7個引腳?？紤]到終端在工作過程中可能會存在較多的干擾信號，可在OBD接口的地引腳與屏蔽引腳間添加磁珠L1，用于抑制高頻噪聲和尖峰干擾，還具有吸收靜電脈沖的功能。由于終端采集數據主要通過CAN總線及K總線進行，為使系統更加穩定，避免靜電的影響，分別在CAN總線和K總線末端添加ESD(靜電防護)器件，如圖5所示。

圖3 STM32F103CBT6系統電路

圖4 OBD接口電路

圖5 總線的ESD防護

2.3 CAN總線采集器電路

車載終端數據的采集主要是通過CAN總線實現的，因此對CAN總線的保護非常重要，CAN總線采集器電路設計如圖6所示。這里使用了分裂終端接法，即在總線終端節點使用兩個相同的電阻，叫做分裂終端電阻，接地端接在兩個終端電阻之間。這樣做的好處是可抑制共模干擾，保證正常通信。在總線上加共模磁珠L1與濾波電容C5、C6構成的低通濾波電路，對低頻噪聲有明顯的抑制作用。為抑制干擾信號，CAN_P和CAN_N采用差分走線的方式。采用VP230作為CAN總線收發器。VP230具有很高的阻抗，在總線上最多可以掛接120個節點，兼容ISO11898標準，具有待機電流很低的優點。

2.4 外圍通信電路設計

2.4.1 藍牙模塊電路設計

圖6 CAN總線采集器電路

藍牙模塊的主要作用是向虛擬串口打印車載終端的運行狀態，作為輔助調試工具，或者連接手機等移動設備，通過移動設備向車載終端發送指令，獲取相關汽車行駛信息。采用一款基于CSR31A2的HC-07系列藍牙模塊作為近距離無線通信的載體。這款藍牙模塊的靈敏度可達-80 dBm,內置了2.4 GHz天線，具有標準的HCI端口(UART或 USB)，兼容 USB2.0通信標準。

2.4.2 GPRS無線通信電路設計

GPRS模塊采用由SIMCom提供的SIM900A模塊。SIM900A是一個2頻GSM/GPRS模塊,工作的頻段為EGSM 900 MHz和DCS 1 800 MHz。模塊內嵌了TCP/IP協議，擴展的AT指令使用起來更加方便。設計電路中采用排阻代替很多獨立的電阻。這樣可以減小整個PCB板的面積，降低布板難度，還能減少因獨立電阻之間阻值差異而帶來的誤差。為了使輸入電壓波形更加平穩，在VBAT腳使用了3個0.1 μF的鉭電容并聯，在布板時，鉭電容應盡可能靠近VBAT引腳。

2.4.3 USB接口電路設計

USB是車載終端與PC之間重要的通信接口，也可由USB接口提供5 V電源。終端軟件升級時需要將終端連接PC，將升級文件復制進TF卡。為了USB通信的穩定性，需要添加USB專用ESD器件 NUP2201，對USB接口進行保護。另外，數據線也采用差分走線的方式。

2.4.4 TF+SIM卡座電路設計

采用了TF+SIM組合卡座，外接電阻也均采用排阻的形式，大大減小了PCB板的面積。

2.5 電源設計

電源有兩種方案可以選擇：(1)使用一組開關電源和一組線性穩壓器串聯的形式;(2)采用兩組開關電源獨立進行供電。由于GPRS模塊SIM900A所使用的4 V輸入電壓有點特殊，可選的LDO（低壓差線性穩壓器）型號太少，缺乏常用型號支持。電源需要給不同的模塊提供能源，而不同的模塊對電源的要求是不同的，因此采用多路獨立供電的方案。

SIM900A模塊采用單電源供電。考慮到輸入電壓為12 V，輸出電壓為4 V,相差較大,故采用開關穩壓器LM2596-ADJ。由于采用的是開關電源，即使車輛電瓶電壓降至7 V或更低，只要在2～3 A放電情況下電瓶電壓能比 4 V高1.7 V(即維持在 5.7 V左右),還是可以供上電的,因此完全滿足設計需要。

電源入口處的P6SMB24是一個TVS(瞬態電壓抑制器)器件，對防雷、防浪涌有一定作用。除了SIM900A模塊外，車載終端所涉及的主要功能模塊(包括微處理器)的供電電壓均為3.3 V，稱之為主電路供電電壓。為了匹配精確、穩定的3.3 V核心供電電壓，本項目采用了一款電壓轉換芯片MC34063AD。圖7所示為主電路供電電源電路圖。

圖7 主電路供電電源電路

3 實驗測試

通過對車載終端各功能模塊的測試及對測試結果的分析表明，硬件系統能夠滿足對汽車數據的采集、發送等設計要求，GPRS模塊的工作情況也較為穩定，沒有出現大量數據丟失的情況。監測系統能夠在汽車啟動或熄火狀態下對汽車進行實時監測，實現了對歷史數據的回溯、解析、查看等功能，能夠快速監測汽車狀態的變化。模擬測試階段需要由USB取電，MC34063正常工作時，用萬用表測試各引腳電壓，表1為測量結果。SIM900A模塊采用單電源供電，圖 8所示為 SIM900A正常工作時的電壓波形。為了測試藍牙模塊功能是否正常，需要用到串口調試助手和藍牙調試軟件這兩個工具。由終端藍牙打印信息可以清楚地判斷終端工作狀態是否正常，是終端調試的一個重要工具。

本設計模式將GPRS技術、ARM技術及Internet技術三者結合應用于汽車故障數據實時采集領域，實驗測試結果表明其效果良好。該汽車故障遠程監測系統還可以進一步改進，在車載終端軟件升級方面，可考慮改用藍牙升級的方法。現有的SIM900A模塊程序運行雖然穩定但是很臃腫，而且發送的數據量稍大，增加了系統運行的成本。另外由于模塊自身連接等問題，易造成發數失敗或者后臺收不到數據，而通過復位模塊、重新連接等方法解決，耗時較長，可考慮采用新的方法解決連接耗時問題。

表1 MC34063測試結果

圖8 SIM900A工作時的電壓跌落

[1]孟磊.基于OBD-II的車載遠程故障診斷系統設計[D].武漢：武漢理工大學，2012.

[2]蔡黎,代妮娜,鄧明,等.基于 OBD協議的Android平臺汽車虛擬儀表設計[J].電子技術應用,2012,38(1)：69-72.

[3]張瑞.基于 QNX的智能車載 3G遠程診斷系統[J].電子技 術 應 用,2013,39(5)：121-126.

[4]曹云建,唐耀庚,謝宇希.基于 OBD的汽車遠程監測系統設計[J].工業控制計算機，2012,25(12)：95-96.

[5]Zeng Ruili,Xiao Yunkui,Zhou Jianxin,et al.Research on automobile remote faulty diagnosis and maintenance system[J].Electronic Measurement Technology,2009,32(7)：129-131.

[6]彭剛,春志強.基于ARM Cortex-M3的 STM32系列嵌入式微控制器應用實踐[M].北京：電子工業出版社,2011.

[7]SELIG M,SHI Z,BALL A,et al.A modern diagnostic approach for automobile systems condition monitoring[C].25th International Congress on Condition Monitoring and Diagnostic Engineering,2012：1324-1328.