基于ARM的車輛工況信息采集終端的設(shè)計(jì)

楊荃，柴博

（電子科技大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，四川 成都 610000）

近年來，隨著國III標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)制執(zhí)行，為達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和排放效果的要求，電子控制技術(shù)在柴油機(jī)控制中得到快速應(yīng)用和發(fā)展[1]。為能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以電控柴油機(jī)作為主要?jiǎng)恿Φ臋C(jī)車的位置和運(yùn)行狀況數(shù)，本文應(yīng)用GPS定位技術(shù)、CAN總線技術(shù)和GPRS數(shù)據(jù)無線傳輸技術(shù)，以基于ARM架構(gòu)的S3C44B0X芯片作為核心處理器設(shè)計(jì)了一款可實(shí)時(shí)獲取車輛位置信息、定時(shí)讀取車輛工況信息并實(shí)時(shí)上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的車輛工況信息采集終端。

1 終端主要技術(shù)研究

1.1 GPS定位原理及定位信息的獲取

GPS全球定位系統(tǒng)由24顆分布在6個(gè)傾角為55°的軌道上的衛(wèi)星、5個(gè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)站3個(gè)衛(wèi)星控制數(shù)據(jù)注入站和用戶接收設(shè)備組成。GPS衛(wèi)星實(shí)時(shí)發(fā)射調(diào)制了C/A碼和P碼的頻率為 1 575.42 MHz（L1）和 1 227.60 MHz（L2）的高頻載波信號(hào)。用戶接收設(shè)備任意時(shí)刻可接收4顆以上衛(wèi)星發(fā)來的L1載波信號(hào)并采用空間距離后方交會(huì)的方法，解算出用戶接收設(shè)備所處位置。假設(shè)地面上的用戶接收設(shè)備（坐標(biāo)位置為 x、y、z）于 t時(shí)刻開始工作，并分別于 t1、t2、t3、t4…時(shí)刻接收到距用戶 s1、s2、s3、s4…的坐標(biāo)位置為 （x1、y1、z1）、（x2、y2、z2）、（x3、y3、z3）、（x4、y4、z4）…等衛(wèi)星發(fā)來的載波信號(hào)。 通過對(duì)方程組：

（t1、t2、t3、t4… ，s1、s2、s3、s4… ， （x2、y2、z2）、 （x3、y3、z3）、 （x4、y4、z4）…等數(shù)據(jù)可從各衛(wèi)星發(fā)來的報(bào)文中獲取，c——光速）求解可得t時(shí)刻用戶接收設(shè)備的坐標(biāo)值。為提高定位精度，具體應(yīng)用中，用戶接收設(shè)備按照每組4顆的方式將所接收到的衛(wèi)星信號(hào)分為若干組，分別進(jìn)行求解，最后從解算結(jié)果中挑選誤差最小的一組值作為最終結(jié)果[2]。

用戶接收設(shè)備將按照NMEA0183協(xié)議將最終結(jié)果打包成 GPGGA、GPGSA、GPGSV、GPRMC、GPVTG 和 GPGLL7 幀數(shù)據(jù)輸出。

1.2 CAN總線技術(shù)

CAN總線是20世紀(jì)80年代德國博世公司為解決汽車上眾多測(cè)量控制部件之間的數(shù)據(jù)交互問題而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信總線，可有效滿足分布式控制和實(shí)時(shí)控制的需求。

作為一種對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，CAN總線中各節(jié)點(diǎn)沒有主從之分，同時(shí)CAN廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼方式，而代之以報(bào)文標(biāo)識(shí)符對(duì)各節(jié)點(diǎn)報(bào)文進(jìn)行標(biāo)識(shí)并對(duì)各節(jié)點(diǎn)報(bào)文的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行定義[3]。CAN總線支持兩種幀格式的報(bào)文：標(biāo)準(zhǔn)幀——有11位標(biāo)識(shí)符；擴(kuò)展幀——有29位標(biāo)識(shí)符。為確保各節(jié)點(diǎn)能正確接收所需報(bào)文，CAN總線中的各節(jié)點(diǎn)通過其上的屏蔽碼寄存器對(duì)總線上的各報(bào)文進(jìn)行過濾以選擇符合自身要求的報(bào)文。

如圖1所示為典型的CAN總線網(wǎng)絡(luò)，在CAN網(wǎng)絡(luò)中一般選用雙絞線作為傳輸介質(zhì)，雙絞線的特性阻抗一般為120歐。具體設(shè)計(jì)中，為防止總線上的信號(hào)在傳輸過程中因阻抗不匹配而在網(wǎng)絡(luò)終端發(fā)生反射并與后面的信號(hào)疊加形成駐波，進(jìn)而影響總線信號(hào)的傳輸質(zhì)量，通常會(huì)在CAN總線網(wǎng)絡(luò)的兩端并聯(lián)兩個(gè)阻抗值為120Ω的電阻，用于阻抗匹配。

圖1 CAN總線網(wǎng)絡(luò)Fig.1 CAN bus network

1.3 GPRS數(shù)據(jù)無線傳輸

GPRS通用分組無線服務(wù)技術(shù)，是GSM網(wǎng)絡(luò)的延續(xù)。GPRS利用GSM網(wǎng)絡(luò)中未使用的TDMA信道，增加了分組控制單元 （PCU）、服務(wù)支持節(jié)點(diǎn) （SGSN）和網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)（GGSN）等實(shí)體部件，并對(duì)GSM網(wǎng)絡(luò)基站系統(tǒng)的相關(guān)軟硬件進(jìn)行更新升級(jí)，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分組傳輸[4]。

GPRS采用分組方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，即在GPRS網(wǎng)絡(luò)中，只有在用戶需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時(shí)，才臨時(shí)為用戶分配一個(gè)可用信道，數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，立即收回該信道，數(shù)據(jù)的發(fā)送接收端同信道沒有固定的占用關(guān)系。這樣可實(shí)現(xiàn)信道資源的最大化利用。

2 終端整體架構(gòu)

如圖2所示為車輛工況信息采集系統(tǒng)的整體架構(gòu)。車輛工況信息采集終端實(shí)時(shí)獲取GPS衛(wèi)星傳來的數(shù)據(jù)報(bào)文，并解算出車輛位置信息；同時(shí)通過CAN總線定時(shí)讀取車身上的ECU、TCU等控制器傳來的反應(yīng)車輛運(yùn)行狀況的信息；之后對(duì)獲取的車輛位置信息和工況信息按照標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行打包并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳給監(jiān)控中心，同時(shí)監(jiān)控中心可通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送相關(guān)指令給車輛工況信息采集終端。

圖2 車輛工況信息采集系統(tǒng)的整體架構(gòu)Fig.2 The overall structure of vehicle working condition information collection system

如圖3所示為車輛工況信息采集終端的整體架構(gòu)。來自車載電瓶的+12 V直流電源通過電源轉(zhuǎn)換電路被轉(zhuǎn)換為+3.3 V和+4.2 V的直流電輸出。其中+3.3 V直流電用于向S3C44B0X主控芯片和CAN總線電路供電；+4.2 V直流電用于向GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取電路和GPRS數(shù)據(jù)無線傳輸電路供電；液晶顯示電路直接由+12 V電源供電。GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取電路通過串口將獲取的車輛位置信息傳送給S3C44B0X，S3C44B0X通過串口與CAN總線電路進(jìn)行數(shù)據(jù)交互以獲取車輛工況信息，同時(shí)S3C44B0X通過串口驅(qū)動(dòng)智能液晶顯示電路顯示相關(guān)界面輔助用戶操作，最后S3C44B0X通過串口向GPRS數(shù)據(jù)無線傳輸電路發(fā)送AT指令進(jìn)行數(shù)據(jù)的無線發(fā)送，并通過該電路轉(zhuǎn)接收監(jiān)控中心發(fā)來的指令。

圖3 車輛工況信息采集終端的整體架構(gòu)Fig.3 The overall structure of vehicle working condition information collection terminal

3 硬件電路的設(shè)計(jì)

在車輛工況信息采集終端中，GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取電路和GPRS數(shù)據(jù)無線傳輸電路的抗電磁干擾性能，直接決定車輛工況信息采集終端運(yùn)行的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸?shù)臏?zhǔn)確率[5]。

3.1 GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取電路

如圖4所示，為GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取電路。集成模塊MIC29302為電壓轉(zhuǎn)換模塊，將來自車載電瓶的+12 V直流電轉(zhuǎn)換為+4.2 V的直流電供GS89模塊使用，模塊的1引腳（EN，高電平有效）為輸出使能引腳，S3C44B0X通過控制該引腳上的高低電平控制MIC29302輸出電壓的有無。電容C562X、C564X以及電阻R550X、R551X組成地分離電路，將GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取電路的供電電源和參考地與終端中其它電路進(jìn)行隔離，降低其它電路對(duì)GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取電路造成的電磁干擾。GS89模塊為GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取電路的核心器件，該模塊完成對(duì)衛(wèi)星報(bào)文的接收、解頻并計(jì)算出車輛當(dāng)前的經(jīng)度、緯度、高度等位置信息，之后按照NMEA0183協(xié)議將數(shù)據(jù)通過串口以 4 800 bps的速率輸出給 S3C44B0X。電路中 R502X、Q501X、R505X以及R507X組成了信號(hào)放大電路，通過該電路可對(duì)來自S3C44B0X通用I/O口的高低電平進(jìn)行放大，實(shí)現(xiàn)對(duì)GS89模塊的有效復(fù)位。

圖4 GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取電路Fig.4 GPSsatellite data acquisition circuit

3.2 GPRS數(shù)據(jù)無線傳輸電路

如圖5所示，為GPRS數(shù)據(jù)無線傳輸電路。電路中C666X和C667X主要用于濾除VBAT上的紋波。GPRS數(shù)據(jù)無線傳輸電路的核心器件為SIM900，該模塊通過其上的RXD和TXD引腳實(shí)現(xiàn)與S3C44B0X的數(shù)據(jù)交互：來自S3C44B0X的AT指令經(jīng)由該模塊的RXD引腳被接收和處理并進(jìn)一步通過GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳給監(jiān)控中心；來自監(jiān)控中心的指令經(jīng)由該模塊的天線被接收、解頻和處理之后通過該模塊的TXD引腳將數(shù)據(jù)發(fā)送給S3C44B0X。并由于本設(shè)計(jì)所選用的GPRS天線的阻抗值為50Ω，為防止GPRS信號(hào)在傳輸過程中因天線阻抗值與傳輸線的特性阻抗不匹配而造成信號(hào)反射，降低GPRS信號(hào)質(zhì)量，在繪制PCB電路板時(shí)，必須確保用于連接GPRS天線與SIM900的RF_ANT引腳的電氣線的特性阻抗值為50Ω。電路中的NCWZ07為高速電平轉(zhuǎn)換芯片，通過該芯片可將SIM900輸出的4.2 V串行信號(hào)轉(zhuǎn)換為S3C44B0X可接收的3.3 V串行信號(hào)，實(shí)現(xiàn)SIM900和S3C44B0X的無障礙通信；電路中的MOLEX-91228為SIM卡座，用于安裝SIM卡為防止來自SIM900的特高頻信號(hào)在傳至SIM卡時(shí)形成信號(hào)反射，降低信號(hào)質(zhì)量，這里選用22Ω的電阻R614X和R613X對(duì)二者進(jìn)行阻抗匹配。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)車輛工況信息采集終端硬件結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用需求，車輛工況信息采集終端的應(yīng)用軟件主要由包括以下幾個(gè)應(yīng)用程序：通話程序、GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取程序、車輛工況信息獲取程序、GPRS數(shù)據(jù)上傳程序、監(jiān)控中心指令獲取程序以及圖形界面顯示程序。如圖6為系統(tǒng)軟件的主流程圖，系統(tǒng)上電后，首先對(duì)S3C44B0X芯片以及GPS、GPRS模塊進(jìn)行初始化操作，發(fā)出開機(jī)提示音，并驅(qū)動(dòng)液晶屏進(jìn)入定位信息界面 ，之后等待各應(yīng)用程序?qū)?yīng)的中斷發(fā)生，一旦有中斷產(chǎn)生，CPU即會(huì)跳去執(zhí)行相應(yīng)的中斷處理程序。為確保高實(shí)時(shí)性的應(yīng)用程序能第一時(shí)間占用CPU資源，程序設(shè)計(jì)過程中，對(duì)不同應(yīng)用程序?qū)?yīng)的中斷的優(yōu)先級(jí)做了如下定義，如表1，優(yōu)先級(jí)值越小對(duì)應(yīng)的優(yōu)先級(jí)越高。為為車輛工況信息采集終端的功能預(yù)留升級(jí)空間，本設(shè)計(jì)中，各中斷的優(yōu)先級(jí)值并未連續(xù)占用。

圖5 GPRS數(shù)據(jù)無線傳輸電路Fig.5 GPRSwireless data transmission circuit

圖6 系統(tǒng)軟件主流程圖Fig.6 The main flow chart of system software

程序中，S3C44B0X與SIM900模快的數(shù)據(jù)交互是通過AT指令完成的[6]。在進(jìn)行數(shù)據(jù)無線發(fā)送時(shí)，首先要發(fā)送如下AT指令，建立移動(dòng)場(chǎng)景：

“AT+CSTT=CMNET，“”，“”設(shè)置 GPRS 網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)名稱，用戶名和密碼。命令執(zhí)行正確返回“OK”否則返回“ERROR”。

表1 中斷優(yōu)先級(jí)分配表Tab.1 Interrupt priority allocation table

“AT+CIICR”激活移動(dòng)場(chǎng)景，發(fā)起GPRS連接。命令執(zhí)行正確返回“OK”否則返回“ERROR”。

“AT+CIFSR”獲取本地IP，命令執(zhí)行正確返回本地IP地址，否則返回“ERROR”。

“AT+CIPSTART=“UDP/TCP”，“××.×××.××.×××”，“80××”UDP或TCP連接，命令執(zhí)行正確返回“CONNECT OK”否則返回“+CME ERROR”。

“AT+CIPSEND”回車，>需要發(fā)送的車輛位置和工況數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)發(fā)送成功，返回“SEND OK”否則返回“SEND FAIL”。

5 結(jié)束語

試驗(yàn)測(cè)試表明本文所設(shè)計(jì)的車輛工況信息采集終端的定位精度小于10 m圓周誤差，車輛工況信息讀取速度為360幀/小時(shí)，GPRS[7-8]數(shù)據(jù)無線上傳穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)效果。在貨車、工程車、農(nóng)用車等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。

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