目录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.1.1 研究背景 1
1.1.2 研究意义 2
1.2国内外研究的现状 2
1.2.1总线技术发展 3
1.2.2 车载数据采集与通信装置 3
2 系统方案 5
2.1车载数据采集与通信装置整体架构 5
2.2 硬件模块选型 6
2.2.1工控主板 6
2.2.2 3G无线路由 7
2.2.3 GPS模块 8
1 绪论
1.1课题研究背景及意义
1.1.1 研究背景
汽车电子化是现代汽车发展的重要标志。电子技术可以说是解决汽车所面临的诸多问题的最佳解决方案。电控喷油、电子点火、自动变速、电子转向助力、巡航自控、通信导航、移动办公、车载娱乐等各个方面都是汽车电子化的良好体现。汽车电子系统在整车中所占的比例正逐年增大，其成本在汽车整车成本中所占比例也相应逐步提高。80%以上的汽车创新技术和23%以上的高端汽车总体制造成本都来自于汽车电子化的设计和使用。汽车电子化对提高汽车的动力性、经济性、安全性以及改善汽车行驶的稳定性和乘坐的舒适性都有重大作用，对于推动汽车工业技术以及电子工业技术的高速发展也具有极其重要的作用。无论是市场重心向发展中国家转移，还是技术重心向电子技术倾斜，都势必将影响到汽车电子发展的方向。近几年来，中国汽车市场持续高速增长的同时，对于汽车安全、节能、环保以及智能化、信息化的要求日益严格，这些都成为促进我国汽车电子市场快速发展的原动力，引起全球汽车电子产业的关注。车载网络技术作为汽车电子的重要组成部分，也己成为国内汽车电子厂商的关注热点。网络通讯己经促使汽车进入网络化、数字化时代。生产商不断把这些技术融入到诸如电子刹车系统、驾驶系统以及新兴的混合驱动系统等领域。很多汽车的控制系统、驾驶系统、信息系统、传感执行系统、娱乐系统、GPS等都是通过总线例如CAN总线联系在一起，使汽车成为一个智能平台。
1.1.2 研究意义
随着CAN总线在汽车控制系统中的大规模应用,整车几乎全部的控制和状态信息都依赖CAN总线传输。通过采集和分析CAN总线上的信号,便可得到各个子系统的运行状态和各个部件的实时参数,这使得数据采集系统的设计变的简单灵活Ш。EOU(ElectonicContolUnjt电子控制单元)标定则是汽车设计过程中一项重要的工作,研究人员可根据控制对象和控制要求修改EU内部的控制参数以达到较好的控制效果;基于CAN总线的ECU标定工具是把标定命令通过AN总线输给EOUJECU根据命令调用相应的标定处理程序来实现标定过程,这种方式提高了标定效率和标定操作的可靠性。
现有的CAN总线数据采集和标定设备，是将CAN信号收发芯片封装成CAN通信卡AN通信卡再通过等总线接口与计算机连接,在计算机端设计监控和标定界面，实现与CAN总线的通信和EU标定。这些设备都是采用通用型设计,软件较复杂，集成度高,在用于具体的监控项目时需要进行复杂的二次开发,因此灵活性不好,难以深入地进行CAN总线性能测试与分析。针对这些产品的不足,利用US高速的通信性能和灵活的连接特性代替传统总线接口作为AN设备与计算机相连接的总线接口，这将不仅保证了通信的性能，又避免了独占计算机的硬件接口，还增加了CAN设备连接的灵活性,因此在CAN总线的研究中,有必要开发一种新型的基于CAN总线和USB接口的数据采集与ECU标定设备。
1.2国内外研究的现状
目前，对于总线网络通信的研究，主要分为两个方向:一类是对总线本身的研究，关于总线特性和不同总线间的比较，实现基于某种总线的网络;另一类是对总线通信协议和标准的研究，致力于总线标准化的工作：
1.2.1总线技术发展
目前常用的汽车总线有CAN,LIN,F1exRay,MOST和应用于军事领域的1553B等。在上面这些主要的总线系统标准中，CAN拥有最长的历史，在全球汽车电子行业中具有最高的渗透率，同时也是最早被我国一家汽车制造企业所使用的总线系统。LIN总线系统是一种较低成本的解决方案，主要应用在简单的车载系统或者是对数据传输速率或系统反应速度要求不高的场合，例如对座位和车窗的控制。相对于CAN来说，LIN总线更简便易用、成本低，是低速网络的另一种选择方案。在欧洲，LIN总线己经被普遍采用，并在北美最先获得了设计大奖。F1exRay是汽车总线系统中最高级的标准，它速度快、稳定性强，深受国际汽车行业的推崇。作为F1exRay的核心成员，飞利浦半导体和宝马、戴姆勒一克莱斯勒、通用汽车、大众汽车、博世和飞思卡尔等公司一起，努力推动F1exRay的标准化和推广工作。但目前国内对F1exRay的研究还处于起步阶段。MOST主要应用在网络音频/视频领域。与汽车控制系统关系一般不大，通常作为汽车的附加功能出售。1553B总线是MIL-STD-1553B的简称，其全称是飞机内部时分制指令响应式多路传输数据总线，是美军于1973年8月最先制定的数据总线传输标准。1553B总线标准是一种满足实时性、数据完整性和系统高可靠性要求的通用机载串行多路总线标准。美国从70年代起几乎所有的军用飞机都采用了1553B总线。1553B总线标准在其它国家的军用航空领域也得到了广泛应用。
1.2.2 车载数据采集与通信装置
车载数据采集与通信装置利用无线网络(3G)及全球卫星定位技术(GPS)可以 向远程监控点实时传递大型工程车辆的工作参数数据和GPS数据(包括时间、经 度、纬度、速度、方向角)，监控车辆所在地点、车速、车辆重要部件状态(如风 压、发动机各参数)等。支持远程和本地配置，为增加系统灵活性，即当外界需求变化时，工控主板的嵌入式开发软件能够对变化有较强的适应能力，如：可以更 改数据上传频率，配置数据采集模块、采集通道，实现数据采集模块即插即用，配置3G无线路由相关参数等。车载数据采集与通信装置整体结构功能拓扑图如图2.3所示：
图2.3 车载数据采集与通信装置整体结构功能拓扑图
针对上述整体需求，数据采集与通信装置的设计包括硬件和软件两个方面，具体设列车运行时，经常需要对机车车载设备的状态进行监控，也需要对部分设备的电压电流信号进行采集。计思想如下：机车车载设备上有4-20mA的模拟信也有DC12V/DC24V/DC110V等开关数字信号，本课题要求设计机车车载设备模拟信号和数字信号采集模块的硬件电路并编写程序代码，实现对4-20mA的模拟量和DC24V等开关数字信号进行采集，并将采集的信号通过CAN总线发送。
2 系统方案
2.1车载数据采集与通信装置整体架构
车载数据采集与通信装置负责采集CAN实时数据和GPS数据，并进行数据 预处理，系统参数配置中转，同时向车载电脑传送实时数据，通过3G无线路由向远程监控中心传送实时数据。车载数据采集与通信装置采集大型工程车辆的设备状态信息和施工作业数据，还有包括时间、经度、纬度、速度、方向在内的GPS地理位置信息。这些数据消息通过网口通信可以发送到车载终端显示设备，通过3G无线传输到远程监控点。外界对采集量的需求变化时，可以通过软件强大的配置功能实现增加或删除，系统支持远程和本地配置。比如可以更改数据发送的频率、配置3G无线路由的相关参数和CAN采集模块的采集量、采集通道。车载数 据采集与通信装置的整体框架如图2.1所示。
图2.1 车载数据采集与通信装置的整体框架图
从车载数据采集与通信装置的整体架构图中看到，整个装置包括工控主板、3G无线路由、GPS模块、交换机、电源模块和蓄电池。本文研制的车载数据采集与通信装置是应用于工业现场领域的，属于工程项目范畴，所以整个装置必须达到工业级标准，适用于工业现场环境。基本要求为：(1)高可靠性。整个装置要应用到工业现场，其环境是比较恶劣的，温度高，电磁干扰较强，湿度，抗压、抗震、腐蚀性都是需要考虑的，所以车载数据采集与通信装置的设计必须考虑这些因素的影响。对于车载数据采集与通信装置所要实现的功能，即数据采集、无线通信、GPS定位和电源管理控制功能，我们可以研制一整块硬件主板集成这些功能组件，但在可靠性上很难达到要求，很难达到工业级的水平。因此，对功能组件分别进行了分块选型，选择既能满足功能需求，又是工业级标准的硬件模块，从而实现装置的整体设计。这里的工控主板、3G无线路由、GPS模块、交换机和蓄电池都是直接进行选型，而电源模块需要实现装置的多种电源输出控制功能以及蓄电池的充放电管理，所以需要具体进行精心设计来达到工业级的标准。(2)短时间性。车载数据采集与通信装置的功能强大，硬件组件较多，所以硬件和软件的研发周期是非常长的。为了缩短研发时间，提高项目完成速度，进行硬件功能组件的直接选型而非具体硬件主板设计是有必要的。硬件功能组件的选型不仅要考虑组件本身的性能指标和功能需求，还要考虑与其他组件是否兼容匹配，整个装置硬件的调试工作能否顺利进行。当工控主板、3G无线路由、GPS模块、交换机和蓄电池选型完成后，就大大缩短了整个装置的研发周期，提高了效率。
2.2 硬件模块选型
2.2.1工控主板
STM32系列专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计的ARM Cortex®-M0，M0+，M3, M4和M7内核 （ST’s product portfolio contains a comprehensive range of microcontrollers, from robust, low-cost 8-bit MCUs up to 32-bit ARM-based Cortex®-M0 and M0+, Cortex®-M3, Cortex®-M4 Flash microcontrollers with a great choice of peripherals. ST has also extended this range to include an ultra-low-power MCU platform）。按内核架构分为不同产品：主流产品（STM32F0、STM32F1、STM32F3）、超低功耗产品（STM32L0、STM32L1、STM32L4、STM32L4+）、高性能产品（STM32F2、STM32F4、STM32F7、STM32H7），主板的外观图如图2.2所示：
图2.2 EPCM-8960工控机主板外观图
2.2.2 3G无线路由
3G是英文3rdGeneration的缩写，指第三代移动通信技术，是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。相比于以GSM为代表的2G，主要以数字语音传输技术为核心，以及介于2G与3G之间的过渡类型2．5G，主要以GPRS为代表，3G它能够处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。为了提供这种服务，无线网络必须能够支持多种速率的信息传输。一般情况下，室内的传输速率是2Mbps(兆字节/秒)，室外的速率是384kbps(千字节/秒)，车行的速率是144kbps。2000年5月国际电信联盟将无线传输的接口标准分为三大类，即TD-SCDMA、WCDMA和CDMA2000，对应我国的通信商家移动、联通和电信[30]。车载数据采集与通信装置采用F3623CDMA20001XEVDOROUTER无线路由。它是一种互联网无线通信路由器，利用公用CDMA20001XEVDO网络为用户提供无线长距离数据传输功能。目前，电信的3G网络的覆盖率是最高的，相比于移动3G网络传送速度快，相比于联通3G网络资费低，所以选择了电信制式的F3623无线路由。通过F3623无线路由，工控主板将大型工程车辆的工况数据消息和GPS地理位置信息发送到远程监控点，另外将音视频信号也发送到监控点便于实时在线监控。
2.2.3 GPS模块
GPS即全球定位系统，由美国的24颗卫星组成进行全球定位地理位置信息确定。最早的GPS只用于军事领域，对军事飞机、战舰、军车和人员进行定位，并对军事打击目标进行精确定位。后来GPS慢慢的可以为民用，在监测监控领域、汽车领域、通信领域已经普及使用。GPS不仅能确定物体的经度纬度，还能提供移动速度、方向和时间信息。
GPS模块接收大型工程车辆的地理位置信息，包括时间、经度、纬度、速度、方向角。车载数据采集与通信装置采用的GPS模块，由顶板和底板组成，采用直插式结构，顶板有TTL电平的串口，可以直接和各种微处理器连接，预留了ARM开发板的接的和电脑连接，即使电脑没有串口，也可以通过USB接口做开发。模块有后备电池，在GPS模块断电后保存当前的星历，两个小时之内再次启动GPS模块，可实现1秒钟快速定位。
该GPS模块的主芯片为瑞士u-blox公司的NEO-5Q，此芯片为独立多功能型GPS组模。以ROM为基础架构，体积小，成本低，并具有很多优点。采用最新的KickStart微弱信号提取技术，即使在比较偏僻的场所和天线尺寸不够的条件下，也可以保证极佳的定位速度和初始定位性能。具有50个通道卫星接收功能，100万个以上的相关系引擎，可同步追踪GPS及伽利略导航卫星信号，提供了UART、USB、IIC、SPI等多种接口。该GPS模块如图2.3所示：
)
