基于CAN總線模塊的工程車輛遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著工業(yè)現(xiàn)代化的飛速發(fā)展，工程車輛的種類越來(lái)越多，功能越來(lái)越強(qiáng)大。工程車輛在工程施工中起著舉足輕重的作用，其作業(yè)條件、作業(yè)狀況復(fù)雜多變，工作環(huán)境惡劣，使故障率大大增加。如何通過(guò)各種先進(jìn)技術(shù)對(duì)工程車輛運(yùn)行參數(shù)實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控及對(duì)其進(jìn)行科學(xué)地指揮、調(diào)度，是工程車輛行業(yè)的一個(gè)重要的研究課題，具有十分重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本文提出的CAN總線工程車輛遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)車載電子控制裝置ECU的CAN總線獲取車輛運(yùn)行信息，并利用GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信手段對(duì)車輛進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控及調(diào)度管理。

工程車輛遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)主要由控制中心和車載移動(dòng)終端組成。車載終端設(shè)備通過(guò)CAN總線接口模塊獲取車輛實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)信息，合并GPS定位信息后將這些信息通過(guò)GPRS將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心，控制中心將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并且在屏幕上實(shí)時(shí)地顯示每個(gè)車輛的具體位置以及其它參量信息。同時(shí)控制中心根據(jù)各車輛具體情況下傳相應(yīng)的控制指令，對(duì)車輛進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制。

圖1 系統(tǒng)整體實(shí)物圖

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以C8051F040為核心模塊，結(jié)合GPS模塊、GPRS通訊模塊、CAN總線模塊、存儲(chǔ)模塊以及電源模塊等實(shí)現(xiàn)對(duì)工程車輛運(yùn)行過(guò)程狀態(tài)的監(jiān)控、顯示、記錄和報(bào)警，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.1 單片機(jī)模塊

本系統(tǒng)選用新華龍公司的C8051F040單片機(jī)作為核心控制單元，該芯片具有與MCS-51完全兼容的指令內(nèi)核，采用流水線處理技術(shù)，提高了指令執(zhí)行效率；集成JTAG，支持在線編程；采用低電壓供電（2.7～3.6 V），因?yàn)楣こ誊囕v車載電源為24V，必須經(jīng)過(guò)電源轉(zhuǎn)換模塊才能轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)各模塊所需的電壓。具備多種總線接口，兩個(gè)UART口可實(shí)現(xiàn)全雙工通信，通信波特率可分別設(shè)定，可分別用于GPS信號(hào)的接收和GPRS通訊交互。

此外，它內(nèi)部集成的CAN控制器，符合CAN2.0B協(xié)議，帶有32個(gè)消息對(duì)象，每個(gè)消息對(duì)象有獨(dú)立的地址，可以配置為發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，工作位速率可達(dá)1Mpbs。CAN總線控制器用于和工程車輛的ECU通訊，獲取車輛的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)。可見(jiàn)，選用該芯片可充分應(yīng)用已有的功能，大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)外圍電路的設(shè)計(jì)。

2.2 GPS定位模塊

工程車輛遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用GS-87作為GPS模塊，它是一個(gè)高效能、低功耗的智能型衛(wèi)星接收模塊。GS-87工作電壓為3.3V，可以直接與單片機(jī)連接進(jìn)行串口通訊；GS-87遵循NMEA_0183標(biāo)準(zhǔn)，定位精度可達(dá)10m以內(nèi)，可以滿足對(duì)車輛的定位要求。單片機(jī)通過(guò)串口與GS-87相連，通過(guò)編程對(duì)GPS接收到的信息進(jìn)行處理，提取出用戶所需的信息與監(jiān)控中心通信以及存入外擴(kuò)存儲(chǔ)器模塊。

2.3 GPRS通信模塊

工程車輛遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選用MC55I作為GPRS模塊，它是車載移動(dòng)終端與監(jiān)控中心建立通信的重要部分。其優(yōu)勢(shì)在于永久在線、快速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，其GPRS是按流量計(jì)費(fèi)，工作電壓為3.3 至4.8V。該模塊內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，通過(guò)串口和單片機(jī)相連，單片機(jī)使用AT指令控制GPRS模塊與監(jiān)控中心服務(wù)器通訊，通過(guò)車載移動(dòng)終端的GPRS模塊向監(jiān)控中心發(fā)送車輛的實(shí)時(shí)信息以及接收來(lái)自監(jiān)控中心的指令信息。

2.4 CAN總線模塊

2.4.1 CAN控制器

本系統(tǒng)采用的C8051F040單片機(jī)已集成CAN2.0B控制器，只需對(duì)其寄存器進(jìn)行相應(yīng)的編程操作即可設(shè)置它的工作方式，控制它的工作狀態(tài)，進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。

2.4.2 CAN收發(fā)器

C8051F040集成的是CAN控制器，要使CAN總線得以運(yùn)行，還需在單片機(jī)上接CAN收發(fā)器，進(jìn)行電氣轉(zhuǎn)換，將邏輯電平轉(zhuǎn)換為平衡差分碼，常用的CAN收發(fā)器為PHILIPS公司出品的TJA1050。為防止外界強(qiáng)電信號(hào)對(duì)系統(tǒng)影響， 單片機(jī)與TJA1050之間通過(guò)光電隔離器6N137隔離后相連；CAN總線上兩端結(jié)點(diǎn)須加電容電阻對(duì)信號(hào)吸收，以避免信號(hào)反射。

2.4.3 數(shù)據(jù)傳輸線

目前車上主要有兩條CAN，一條用于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高速CAN，速率達(dá)到500kb/s；另一條用于車身系統(tǒng)的低速CAN，速率是100kb/s。它們是雙向的，傳輸相同的數(shù)據(jù)，分別被稱為CAN高線和CAN低線。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)CAN主要連接對(duì)象是：發(fā)動(dòng)機(jī)控制器（ECU）、自動(dòng)變速控制器、防抱死制動(dòng)控制器（ABS）、制動(dòng)防滑控制器（ASR），安全氣囊控制器（SRS）、主動(dòng)懸架控制器、巡航系統(tǒng)控制器、電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器及組合儀表信號(hào)采集系統(tǒng)等，都是與控制汽車行駛直接相關(guān)的系統(tǒng)。它們對(duì)信號(hào)的傳輸要求有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性、連續(xù)性和高速性。車身系統(tǒng)CAN主要連接對(duì)象是：前后車燈控制開(kāi)關(guān)、電動(dòng)座椅控制開(kāi)關(guān)、中央門鎖與防盜控制開(kāi)關(guān)、電動(dòng)后視鏡控制開(kāi)關(guān)、電動(dòng)車窗升降開(kāi)關(guān)、空調(diào)控制開(kāi)關(guān)等。它們對(duì)信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求不高，但數(shù)量較多。圖3所示為CAN總線通訊模塊原理圖。

圖3 CAN總線通訊模塊原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 CAN總線中斷收發(fā)任務(wù)

按照多數(shù)車用CAN總線的配置，終端的CAN總線也配置成速率250K，工作在基本CAN模式下。CAN總線接收數(shù)據(jù)采用中斷方式，中斷程序把接收到的數(shù)據(jù)放入能容納10幀的接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，CAN總線任務(wù)掃描緩沖區(qū)，并將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)全部取出，以備處理。CAN總線一般傳輸8個(gè)字節(jié)固定長(zhǎng)度的短幀，每幀數(shù)據(jù)附帶一個(gè)ID號(hào)，根據(jù)不同的ID號(hào)來(lái)區(qū)分不同的數(shù)據(jù)幀。一般來(lái)說(shuō)，ECU一次會(huì)發(fā)出數(shù)個(gè)不同ID號(hào)的數(shù)據(jù)幀。根據(jù)廠家的數(shù)據(jù)幀協(xié)議，可以從中獲取車輛實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障報(bào)警數(shù)據(jù)，包括：水溫、油溫、油位、油壓、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車輛傾斜度、報(bào)警值等。同時(shí)發(fā)送消息給各節(jié)點(diǎn)。CAN總線中斷收發(fā)任務(wù)流程圖如圖4所示。

圖4 CAN總線中斷收發(fā)流程

3.2 主程序任務(wù)

給車載終端上電后，便開(kāi)始各模塊的初始化以及開(kāi)中斷，GPS開(kāi)始獲取定位信息，單片機(jī)編程處理接收的數(shù)據(jù)并與CAN總線任務(wù)獲取的車輛實(shí)時(shí)工作信息合并，組成一幀數(shù)據(jù)。系統(tǒng)一旦運(yùn)行，GPRS通訊任務(wù)就開(kāi)始通過(guò)AT指令登陸網(wǎng)絡(luò)，并保持一直在線，然后準(zhǔn)備接收其它任務(wù)的數(shù)據(jù)發(fā)送請(qǐng)求，并發(fā)送數(shù)據(jù)給遠(yuǎn)程服務(wù)器，由遠(yuǎn)程服務(wù)器按通訊協(xié)議解析后，送進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)。遠(yuǎn)程用戶通過(guò)網(wǎng)頁(yè)形式可瀏覽數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容，進(jìn)而對(duì)工程車輛進(jìn)行監(jiān)監(jiān)測(cè)和調(diào)度管理。主程序流程圖如圖5所示。

圖5 主程序流程圖

4 結(jié)論

該系統(tǒng)硬件上采用模塊化設(shè)計(jì)，使得硬件可靠性得到較大提高；軟件上也采用模塊化程序編寫，使系統(tǒng)易于維護(hù)和升級(jí)。本系統(tǒng)運(yùn)用GPS定位技術(shù)和GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，結(jié)合車輛CAN總線，能有效的在遠(yuǎn)程Internet終端上實(shí)時(shí)再現(xiàn)工程車輛位置和運(yùn)行情況，保證了同步監(jiān)測(cè)的有效性、及時(shí)性和安全性。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，運(yùn)行效果良好，具有良好的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。
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