基于OBD和GPS的車載終端設計

王 佳，董 元，高君語，趙瑪龍，趙耕云

（蘭州工業學院 汽車工程學院，甘肅 蘭州 730050）

車載終端作為汽車運行數據采集設備，是實現汽車遠程監控、管理調度、道路風險預警等多種功能服務的基礎設備[1]。車載終端主要功能是獲取汽車在運行過程中的各種狀態信息數據，上傳至云端功能服務中心，也能接收云端功能服務中心下發的各種數據信息，為駕駛員提供預警信息，對車輛進行遠程控制[2]。

目前，部分國產品牌乘用車已具有車聯網功能，具備全球定位系統（Global Positioning System,GPS）、遠程啟動等功能，為用戶提供了更好的用車體驗。但原車具備的車聯網功能并不能實現與第三方開發的特定云端服務平臺通信，不能為開發更加個性化的車聯網功能提供助力。本文基于汽車車載自動診斷系統（On Board Diagnostics,OBD）技術和GPS技術，設計了一種能夠采集汽車信息數據，并發送到多個云服務器的多車型通用的車載終端。

1 車載終端總體方案設計

車載終端采用模塊化方式設計[3]，主要由微控制器、GPS模塊、4G通信模塊、液晶顯示器（Liquid Crystal Display, LCD）等組成，結構如圖1所示。

圖1 車載終端總體結構

車載終端接入汽車OBD診斷接口，通過控制器局域網絡（Controller Area Network, CAN）總線與汽車電子控制單元（Electronic Control Unit,ECU）建立通信，從CAN總線上接收由汽車ECU發送的CAN報文信息[4]，經過解析后獲得車輛的各項狀態數據，即汽車OBD數據流。同時，車載終端通過GPS模塊采集車輛的實時位置信息，將車輛的各項狀態數據和位置信息顯示在LCD中，并按照設計的通信協議組成一幀數據包，通過4G通信模塊發送至云端。車載終端通過4G通信模塊接收來自云端的信息并進行信息處理及顯示。

2 硬件設計

2.1 MCU選型

車載終端微控制單元（Microcontroller Unit,MCU）選用 STM32F103ZET6單片機，屬于中低端的32位ARM微控制器，其內核是Cortex-M3，具有72 MHz CPU速度，內部含256 KFlash存儲器和1 M閃存，內部資源豐富，功耗低。MCU各主要功能接口規劃如下：

CAN—引腳 PB8(CAN_RX)，PB9(CAN_TX)。用于CAN總線通信。

USART2—引腳 PA2（TX），PA3（RX）。用于4G通信模塊數據通信。

USART3—引腳 PB10（GPS_RX），PB11（GPS_TX）。用于L80 GPS模塊數據通信。

FSMC—用于LCD驅動。

2.2 LCD選型及接口電路設計

LCD液晶屏選用9.37 cm ×5.62 cm（4.3寸）TFT LCD電容觸摸屏，分辨率為800×480，16位真彩顯示。該液晶屏自帶觸摸屏，可以用來作為控制輸入。LCD的驅動芯片為ILI9314，該芯片自帶顯存，顯存總大小172 800字節。STM32通過外部總線連接LCD，通過FSMC驅動LCD，可以提高刷屏速度。電路如圖2所示。

圖2 LCD接口電路

2.3 CAN模塊設計

STM32F103ZET6片內集成有1個CAN模塊，可以實現 CAN總線數據協議。CAN收發器選用TJA1050，TJA1050 是控制器區域網絡協議控制器和物理總線之間的接口，是一種標準的高速CAN收發器，完全符合ISO11898協議標準[5]。TJA1050可以為總線提供差動發送性能，為CAN控制器提供差動接收性能[6]。收發器TJA1050的CAN_H引腳接汽車OBD診斷接口的第6引腳，CAN_L引腳接OBD診斷接口的第14引腳。電路如圖3所示。

圖3 CAN收發器電路

2.4 GPS模塊選型及接口電路設計

GPS模塊選用移遠公司的L80 GPS模塊，采用LCC封裝，如圖4所示。這是一款集成了貼片天線的超緊湊型GPS模塊，擁有極強的捕獲和追蹤能力，水平精度2.5 m，冷啟動時間小于15 s，輸出信號為NMEA-0183標準信號格式[7]。該GPS模塊與STM32單片機的串口USART3連接，接口電路如圖5所示。

圖4 L80 GPS模塊

圖5 L80接口電路

2.5 4G通信模塊選型及接口電路設計

4G通信模塊選用正點原子公司推出的 ATKM751 4G DTU，如圖6所示。該模塊是一款高性能全網通4G DTU產品，支持移動4G/3G網絡，支持TCP/UDP/HTTP/MQTT協議，支持連接原子云、阿里云、百度云等多種云服務器，支持RS232串行接口[8]。通過正點原子提供的 ATK-M751配置軟件發送AT指令將該4G DTU配置為透傳模式，波特率115 200 bps，連接原子云和阿里云。原子云是正點原子推出的物聯網云服務平臺，具有遠程監控、轉發和管理登功能，原子云域名為cloud.alientek.com，端口號59666。本文申請的阿里云服務器公網地址為 47.109.82.205，端口號5000，連接類型TCP。4G DTU通過RS232電平轉換后與STM32F103的串口USART2連接。

圖6 ATK-M751 4G DTU

3 軟件設計

由于車載終端功能較多，且對實時性要求較高，故在車載終端 STM32F103ZET6單片機的程序框架中引入華為LiteOS操作系統，可以實現多任務調度，大幅提高中央處理器（Central Processing Unit, CPU）的運行效率。設計編寫主程序，首先進行底層硬件初始化，包括串口初始化設置、CAN初始化設置、可變靜態存儲控制器（Flexible Static Memory Controlle, FSMC）初始化設置、LCD初始化設置。初始化完成后，根據車載終端的功能需求創建相應的任務，并分配優先級，每個任務只執行其中一個功能，如表1所示。

表1 車載終端功能及優先級劃分

創建的TaskGPS任務用于處理從串口USART3接收的GPS信息。L80-R模塊輸出9種信息類型，TaskGPS任務只接收“$GPGLL”和“$GNGLL”兩種信息類型，其余情況不接收。接收的數據按信息類型格式分割后提取出經度數據和緯度數據。

創建的TaskOBD任務用于獲取從CAN總線得到的汽車OBD數據流。該任務設計編寫有實現ISO15765-4、SAEJ1939、ISO14230等多種汽車診斷協議的程序，可以通過汽車OBD診斷接口與汽車ECU交互，讀取國內常見品牌汽車的OBD數據流，因此，車載終端具有一定的通用性。

創建的TaskTCP任務用于建立4G DTU模塊和云服務器之間的TCP通信。該任務將TaskGPS任務中獲得的經緯度數據和TaskOBD任務中獲得的汽車OBD數據流按定義的標準數據包格式打包后，通過串口USART2發送到4G DTU，再由4G DTU發送到云服務器。設計的標準數據包格式為$NLDS，[IMEI]，[緯度]，[經度]，[參數 0]，[參數 1]，[參數 2]，[參數 3]，[參數 4]，[參數 5]*[校驗值]。其中“IMEI”為選用的4G DTU模塊的國際移動設備識別碼，具有唯一性，可防止云服務器誤接收其他終端發送的數據，“$NLDS”是數據包的功能標識符，便于云服務器準確接收并分析處理數據包。同時，由于4G 數據傳輸單元（Data Transfer unit, DTU）模塊配置在透傳模式下，能夠接收從云服務器發出的控制命令。TaskTCP任務從串口USART2接收4G DTU轉發的自云服務器發出的控制命令，并進行處理，將以“#GYCMD”開頭的標準格式控制命令存儲在緩存區域中，非標準格式的控制命令丟棄不保存。

創建的TaskLCD任務用于LCD顯示功能。該任務將前面三個任務獲得的經緯度數據、汽車OBD數據流、向云服務器發送的標準數據包、接收到的控制命令數據顯示在LCD中，并根據相關數據的變化情況實時更新。

創建的四個任務在LiteOS操作系統的管理調度下各自循環運行，相互聯系但互不干擾。車載終端程序流程如圖7所示。

圖7 車載終端程序流程圖

4 試驗驗證

試驗車采用長城哈弗H6 SUV，試驗地點位于蘭州市安寧區安寧堡附近道路。熱車后，開始試驗，將汽車OBD診斷接口通過延長線引出，車載終端的CAN_H線（圖中紅色導線）接于OBD診斷接口的第6針腳，CAN_L線（圖中藍色導線）接于OBD診斷接口的第14陣腳。

試驗車在怠速情況下，車載終端LCD顯示的車速為0 km/h，發動機轉速為817 r/min，與汽車儀表顯示數據相同，油量、水溫、油軌壓力、進氣溫度等數據基本符合車輛的實際工作狀態。經度和緯度數據由WGS-84坐標換算為BD-09坐標后通過百度地圖定位，與車輛實際所處位置基本一致。

試驗車在一擋低速行駛狀態下，車載終端LCD顯示的車速、發動機轉速等數據隨著汽車行駛狀態的變化而變化，且與汽車儀表盤顯示數據的基本一致，經緯度數據隨著車輛的位置變化而不斷更新。

在試驗過程中，同時登錄原子云服務器和阿里云服務器。原子云服務器接收到的標準數據包如圖10所示，原子云服務器發送的提示信息“#GYCMD，前方道路擁堵請繞行，*51”，車載終端能夠實時接收并顯示在LCD上，如圖8、圖9所示。在阿里云服務器中，網絡調試助手接收到的數據包如圖11，兩個云服務器同步接收到數據包。

圖8 車輛怠速狀態

圖9 車輛一擋低速行駛狀態

圖10 原子云服務器

圖11 阿里云服務器

更換試驗車型，車載終端分別接入馬自達 6轎車和奔馳E200K轎車的OBD診斷接口進行試驗，取得了相同了試驗效果。

經過試驗驗證，車載終端能夠采集多種品牌車輛的狀態數據和位置數據，并將相關數據信息同步發送到原子云服務器和阿里云服務器，能夠接收云服務器發送的簡短指令，并顯示在LCD上。車載終端運行穩定，功能正常。

5 結論

本文以 STM32F103ZET6單片機為核心，設計了一款結合GPS模塊和4G DTU模塊，具有一定通用性的車載終端。針對車載終端進行了詳細的硬件設計和軟件設計，并將車載終端接入實車進行了功能驗證試驗，試驗表明，設計的車載終端能夠可靠地讀取車輛OBD數據，能夠準確地獲得車輛的定位數據，并將獲得的數據信息實時發送到多個云服務器，能夠可靠地接收云服務器發送的提示信息。本文設計的車載終端運行穩定，功能可靠，可以作為實現汽車遠程監控、管理調度、道路預警等多種功能服務的車載基礎設備。