電動汽車車載終端系統設計

蘇 濤

（合肥工業大學 電氣與自動化工程學院，合肥 230009）

我國最新頒布的新能源汽車發展政策，明確規定：新生產的新能源汽車必須通過車載終端對車輛實時數據進行采集，并將采集到的實時數據發送到企業平臺，實現對車輛的遠程監控[1]。電動汽車作為新能源汽車的一種，是未來汽車發展的主流方向。對于電動汽車來說，對車輛運行數據的監控，有助于掌握車輛的運行狀況和故障信息，提高電動汽車運行的安全性，同時運行數據的采集對電動汽車的優化設計具有重要的意義。

文獻[2-3]提出基于GPRS無線通信技術和CAN總線技術的電動汽車監控終端，實現了對電動汽車運行數據的采集和遠程傳輸。文獻[4]提出基于RFID，GPS和傳感器技術的物流車車載終端系統，實現了車輛識別、實時定位等功能。文獻[5]提出基于ARM平臺和嵌入式Android操作系統的車載終端，實現了電動汽車與電網之間信息和能量的相互交互。文獻[6]介紹了基于北斗定位模塊和GPRS通信模塊的車載終端系統，同時采用擴展卡爾曼濾波算法提高系統的定位精度。

為滿足電動汽車遠程監控中的信息交互需求，結合CAN總線、北斗定位、AES加密及4G通信等技術，設計了電動汽車車載終端系統，用于純電動汽車的智能化監控管理。

1 車載終端系統原理

車載終端系統是車輛監控系統的重要組成部分之一[8]。車輛監控系統結構如圖1所示。

圖1 車輛監控系統結構Fig.1 Vehicle monitoring system structure

根據車載終端系統數據的流向，分析車載終端系統的工作原理如下：車載終端系統通過CAN通信模塊獲取車輛的實時運行信息，包括電機數據、電池數據及故障信息等[9]；通過北斗定位模塊獲取車輛的定位數據，將采集到的數據按照規定的通信協議打包后加密，然后通過4G通信模塊發送到遠程監控中心，實現對車輛的實時監測。遠程監控中心通過無線網絡將控制指令發送到車載終端系統[10]，車載終端系統再通過CAN通信模塊將控制指令轉發到CAN總線上的節點，實現對車輛的遠程控制。

根據車載終端系統的工作原理，文中設計了電動汽車的車載終端系統。系統的硬件結構如圖2所示，其主要組成模塊包括：

1）主控制器模塊 作為車載終端系統的核心，是實現車載終端系統功能的關鍵；將車載終端系統采集的數據按照通信協議打包加密后發送給無線通信模塊，同時響應遠程監控中心發送來的控制指令。

2）4G通信模塊 建立車載終端系統與遠程監控中心的通信，實現車載終端系統與遠程監控中心信息的交互。

3）北斗定位模塊 負責接收車輛的定位數據。

4）CAN通信模塊 與電動汽車CAN網絡相連接，負責采集車輛實時運行信息及向CAN總線上的節點發送控制指令。

圖2 車載終端系統硬件結構Fig.2 Hardware structure of vehicle terminal system

2 車載終端硬件設計

2.1 主控制器模塊

主控制器模塊采用FreeScale MC9S12XE系列單片機中的MC9S12XEP100，用于接收車輛實時運行信息、定位數據，并按照規定的協議重新打包數據后加密。此外，還用于控制4G通信模塊，完成相應的發送、接收任務。

MC9S12XEP100單片機有64 kB的RAM，1 MB的 Flash，4 kB的 EEPROM，8路 SCI通信接口、3路SPI通信接口、2路IIC通訊接口、5路CAN通訊接口[11]。片上資源豐富可以滿足系統需求，同時其內部集成了MSCAN控制器，便于系統的硬件設計。

2.2 CAN通信模塊

在電動汽車中，電動汽車各個控制器之間大多可以通過CAN總線實現信息共享。因此，車載終端系統可以通過CAN總線獲取車輛的實時運行信息，并通過CAN總線向車載CAN網絡中的節點發送控制指令。在此CAN總線通信采用標準幀格式，遵循CAN 2.0B規范。

CAN通信模塊的接口芯片選用TLE6250G。TLE6250G是英飛凌公司的、應用于汽車高速數據傳輸CAN上的集成總線收發器。該芯片具有電磁兼容性好、信號傳輸速率高等優點，其設計滿足IS011898標準。為了提高車載終端系統的抗干擾能力，將CAN引腳通過高速光耦6N137與總線收發器TLE6250G相連，實現信號的隔離。

2.3 北斗定位模塊

車載終端系統通過北斗定位模塊獲取車輛的定位數據。在此選用和芯星通公司的UM220定位芯片。UM220是專門針對車輛監控推出的定位芯片。UM220具有尺寸小、重量輕、功耗低、可靠性高等優點[12]。同時，芯片的外圍電路設計簡單，無需外接CPU進行控制。北斗定位模塊電路如圖3所示。單片機通過UART接口與模塊之間進行通信，便于信息處理。

2.4 4G通信模塊

圖3 UM220模塊電路Fig.3 UM220 module circuit

4G通信模塊是整個系統通信基礎。它實現了車載終端系統與遠程監控中心無線通信，在此采用中興公司的4G通信模塊ME3760。該模塊內部集成了TCP/IP協議棧，功能強大，數據傳輸服務上行速率可達10 Mb/s和下行速率可達150 Mb/s，傳輸速度快，滿足車載終端系統對實時性和可靠性的需求。系統中的4G通信模塊通過異步串口與主控制器連接，通過AT指令控制模塊連接到因特網，實現無線通訊功能。ME3760模塊的電路如圖4所示。

圖4 ME3760模塊電路Fig.4 ME3760 module circuit

3 車載終端軟件設計

3.1 系統主程序總體流程

車載終端系統軟件結構包括一個主程序和若干子程序。系統的總體程序設計如圖5所示。

圖5 系統的總體程序設計流程Fig.5 System overall program design flow chart

車載終端系統子程序主要包括以下8個部分：①初始化子程序 用于車載終端系統初始化，包括單片機串口初始化、變量初始化等；②4G模塊聯網子程序 為單片機向4G通信模塊發送AT指令建立與遠程監控中心的網絡連接；③北斗定位數據接收子程序 用于讀取串口的北斗定位數據，提取系統所需的經緯度、時間、速度數據，并保存在相應的變量中；④CAN數據接收子程序 用于接收CAN總線上的車輛實時運行信息，并保存在相應的變量中；⑤CAN數據發送子程序 用于轉發監控管理中心的控制指令到CAN總線上的指定節點；⑥數據打包子程序 按照規定的通信協議打包車輛的實時運行信息、定位數據；⑦AES加密子程序 用于將打包好的明文數據加密處理為密文數據；⑧數據發送子程序 用于將加密后的密文數據通過4G網絡發送到遠程監控中心。

3.2 CAN通信子程序

CAN通信子程序包括CAN數據接收子程序和CAN數據發送子程序。車載終端系統接收到遠程監控中心發送來的控制指令后，車載終端系統設置接收節點的ID，并將控制指令轉發到CAN總線上，CAN總線上的各個節點根據CAN報文的ID判斷是否接收。CAN總線上節點將實時運行信息發送到CAN總線上，車載終端系統根據ID判斷是否接收，車載終端系統CAN總線數據接收采用中斷方式。

3.3 北斗定位數據接收子程序

NMEA0183是美國國家海洋電子協會為海用電子設備制定的標準格式。目前GPS模塊輸出的語句都是NMEA0183格式，我國北斗衛星導航系統也遵循這一世界公認的標準[13]。系統中使用北斗推薦的定位信息語句，其語句格式為$BDRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，M，<10>，<11>*hh。其具體含義見表1。

表1 北斗推薦定位信息Tab.1 Beidou recommended positioning information

北斗定位數據接收子程序流程如圖6所示。首先對北斗模塊進行初始化，然后讀取串口開始接收數據，判斷數據幀是否為“$”，如果是則判斷接收的幀頭是否為$BDRMC，再判斷數據是否有效，若有效則提取所需要的數據。

圖6 北斗定位數據接收流程Fig.6 Beidou location data receiving process

3.4 AES加密子程序

AES（advanced encryption standaed）確定分組密碼Rijndael為其算法。該算法為對稱加密算法，加密的密鑰與解密的密鑰相同，AES算法的密鑰長度和數據塊的長度可以被設計為128，192，256 bit[14]。AES算法在結構上采用代替置換網絡構成輪變換，結合了一系列數學運算，通過多輪迭代后得到加密后的數據[15]。系統中，AES算法數據塊長度和密鑰長度均采用128 bit，其加密流程如圖7所示。

圖7 AES算法加密流程Fig.7 AES algorithm encryption flow chart

目前，現有的所有破譯方法對AES均無法構成有效威脅，AES算法的安全性極強，同時其加密形式具有靈活簡單的特點。因此，車載終端系統采用AES算法用于4G網絡數據的傳遞，有效地提高了數據傳輸的安全性。

3.5 4G通信模塊子程序

4G通信模塊主要建立車載終端系統與遠程監控中心的無線網絡連接，實現兩者之間信息的交互。

車載終端系統將采集的車輛數據打包加密后，通過4G通信模塊發送到遠程監控中心服務器，并接收遠程監控中心發送過來的控制指令。在整個系統軟件的設計中，建立與遠程監控中心的TCP/IP連接及數據的上傳、接收非常重要。通過AT指令完成4G通信與遠程監控中心無線網絡的連接、車輛數據的上傳、遠程監控中心指令的接收，系統軟件設計中所涉及的主要AT指令見表2。

表2 AT指令Tab.2 AT command form

4 測試驗證

所設計車載終端系統采集車輛的實時運行信息、定位數據上傳到遠程監控中心，并在遠程監控中心客戶端顯示數據的解析結果；同時接收遠程監控中心發送過來的控制指令并響應指令。

在實驗室環境下進行的車載終端系統模擬測試如圖8所示。在實驗室中由一臺計算機模擬遠程監控中心，使用HTML+CSS+JavaScript設計開發遠程客戶端，顯示數據的解析結果，并在室內測試靜止狀態下車載終端系統數據傳輸的可靠性；使用另外一臺計算機運行CANTest軟件，并通過USB轉CAN模塊與車載終端系統連接，驗證車載終端系統采集車輛實時運行信息及響應遠程監控中心控制指令的功能。測試結果顯示，該車載終端系統可以實現車輛實時運行信息和定位數據的可靠傳輸，準確響應遠程監控中心控制指令，等基本功能，實現了與遠程監控中心信息的交互。

圖8 電動汽車車載終端系統的模擬測試Fig.8 Simulation test of vehicle terminal system of electric vehicle

5 結語

通過對CAN總線、北斗定位、AES加密及4G通信等技術的研究，設計了一種電動汽車車載終端系統。其中，車載終端系統分別通過CAN通信模塊和北斗定位模塊獲取了車輛的實時運行信息和定位數據；通過4G通信模塊建立與遠程監控中心的無線網絡連接，實現與遠程監控中心信息的交互；通過使用AES加密算法對傳輸的數據進行加密，提高了數據傳輸的安全性。最后，通過實驗室模擬試驗，驗證了該車載終端系統可以實現車輛實時運行信息和定位數據可靠傳輸、準確響應遠程監控中心指令等基本功能，實現與遠程監控中心信息的交互。所設計的電動汽車車載終端系統為車輛監控系統的重要組成部分，可為電動汽車的進一步優化設計提供數據來源，有助于推動電動車產業的發展。另外，該車載終端系統在車輛防盜報警中也起到一定的作用。

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