無線技術在汽車電控系統(tǒng)中的應用

李湘江，南金瑞，楊世文，祝麗

（1.中北大學 機械與動力工程學院，山西 太原 030051；2.北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081；3.北京睿日車心科技有限公司，北京 100081）

無線技術在汽車電控系統(tǒng)中的應用

李湘江1，南金瑞2，楊世文1，祝麗3

（1.中北大學 機械與動力工程學院，山西 太原 030051；2.北京理工大學 機械與車輛學院，北京 100081；3.北京睿日車心科技有限公司，北京 100081）

為了解決傳統(tǒng)汽車中組合開關線束復雜、價格昂貴的問題，設計并搭建了一個基于無線局域網(wǎng)絡的電氣機構控制系統(tǒng)。選用車載電腦為人車交互窗口來完成人車對話，以新力維無線模塊WM001S為載體實現(xiàn)無線控制信號與汽車CAN總線的連接，這樣就實現(xiàn)了控制開關與汽車ECU的通信。再通過ECU來實現(xiàn)對電氣機構的控制，從而達到了借助無線網(wǎng)絡來控制汽車電氣機構的目的。實驗結果證明，該系統(tǒng)最大響應時間為200ms、操作簡單、工作穩(wěn)定可靠、大大降低了線束的復雜程度以及布置線束的空間要求。

線束；電氣機構；車載電腦；無線模塊；控制信號；CAN總線

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2014)10-04-03

引言

隨著計算機技術的發(fā)展和人民對汽車依賴程度的大幅提高，電子產(chǎn)品在汽車上的應用也是越來越廣泛。其中無線技術在汽車發(fā)展過程中的影響也是越來越大，這都是得益于無線網(wǎng)絡平臺搭建簡單快捷、攜帶方便等優(yōu)點[1]。利用無線通信技術可以刪減掉組合開關及其相應線束，取而代之的是車載觸屏電腦和無線收發(fā)模塊。這樣就可以避開線束復雜、維修不便和線束空間布置難度高這些難題，同時也可以達到降

低成本的目的。

用戶通過車載電腦的觸屏人機交互界面向無線模塊實時發(fā)送指令代碼，借助于無線模塊WM001S來接收指令代碼，然后利用串口通訊將無線指令代碼傳輸給單片機，通過單片機來實現(xiàn)將無線指令代碼翻譯為CAN報文的任務。由于目前大多數(shù)嵌入式微控制器都不帶CAN總線，必須用外部總線來擴展CAN總線接口芯片，從而使電路復雜化[2]。為了簡化外圍電路，選擇有CAN總線接口的NEC系列單片機78F0884A將無線指令翻譯為CAN報文。

1、系統(tǒng)整體設計

該系統(tǒng)設計方案主要目的是實現(xiàn)車載WiFi無線網(wǎng)絡和CAN總線網(wǎng)絡的連接與通信，最大優(yōu)點是充分利用了WiFi傳播速率快、網(wǎng)絡可靠性高這一特性[3]，確保整個系統(tǒng)可靠性高、功耗低、響應時間短。

系統(tǒng)主要包括車載觸屏電腦、WiFi收發(fā)模塊（新力維WM001S模塊）、中央處理單元、CAN總線、車載主控制模塊、車載子控制模塊和車身電氣機構。其中車載主控制模塊、車載子控制模塊、車身電氣機構和CAN總線是樣車現(xiàn)有的硬件。本課題主要研究對象就是將車載電腦和WiFi收發(fā)模塊建立起連接并編寫人機交互界面，同時還要完成中央處理單元電路的設計和處理單元主芯片78F0884A中程序的編寫，按照協(xié)議將無線指令翻譯為CAN報文，保證車身電氣機構能按照指令完成相應動作。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

2、系統(tǒng)硬件設計

2.1 WiFi模塊電路設計

WiFi模塊通過內(nèi)置天線接收電腦發(fā)出的無線指令，然后通過UART串行口將數(shù)據(jù)傳輸給78F0884A。為了降低開發(fā)成本，我們選擇WM001S模塊作為我們的無線模塊。本模塊內(nèi)置完整的TCP/IP協(xié)議棧，支持TCP、UDP、DNS等通訊協(xié)議，這里采用TCP無線通訊協(xié)議。為了保證網(wǎng)絡的穩(wěn)定可靠，該模塊必須連接符合IEEE802.11g/802.11b標準2.4G天線。另外，本模塊還有一個更大的優(yōu)點就是由于模塊本身支持串口透明傳輸和自動工作模式，因此可以實現(xiàn)串口即插即用。WiFi模塊MCU電路原理圖如圖2所示。

在這種工作模式下，只需要設置好網(wǎng)絡名稱（SSID）、安全模式密鑰、TCP/UDP連接參數(shù)等必須參數(shù)即可安全使用，其中TCP/UDP連接參數(shù)包括協(xié)議類型（選擇TCP協(xié)議）、連接類型、目的地址和目的端口。無線指令代碼從車載電腦通過模塊內(nèi)置天線傳輸?shù)侥K內(nèi)部，根據(jù)設定的數(shù)據(jù)幀觸發(fā)長度（這里設置為5個字節(jié)）來自動組幀，在接收到幀尾標志位后馬上觸發(fā)發(fā)送流程。

2.2 主芯片數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路圖

主芯片78F0884A主要任務就是完成串口通信數(shù)據(jù)幀對CAN報文的轉(zhuǎn)換，這部分的轉(zhuǎn)換就是依靠單片機里面的程序來實現(xiàn)的。該電路最小系統(tǒng)主要包括復位電路、晶振外圍電路、程序燒寫電路和串口通信電路。

3、系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)程序主要包括數(shù)據(jù)模塊處理程序和上位機程序兩大部分，模塊處理程序由串行口通訊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、CAN通訊幾個部分組成。

3.1 數(shù)據(jù)模塊處理程序

目前，C語言是在國內(nèi)外廣泛使用的一種計算機語言[4]，所以模塊采用C語言編程，在PMPlus環(huán)境下進行編譯、燒寫和調(diào)試。單片機實時監(jiān)測是否接收到無線模塊發(fā)送過來的串口通訊數(shù)據(jù)幀，一旦收到串口通訊數(shù)據(jù)幀，馬上根據(jù)協(xié)議

將相應的數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換為CAN報文數(shù)據(jù)幀，然后執(zhí)行CAN報文的發(fā)送。根據(jù)協(xié)議，同樣有一個CAN報文來應答，單片機再將這個應答報文轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)幀，通過串口發(fā)送出去，借助WiFi網(wǎng)絡將狀態(tài)傳送到人機交互界面進行顯示，提高系統(tǒng)的可視化程度。程序的流程圖如圖4所示。

3.2 上位機程序的設計

人機交互界面采用Labview圖形化編程工具調(diào)用串口調(diào)試助手來編寫，串口調(diào)試助手控件借助于計算機和無線模塊之間創(chuàng)建的WiFi網(wǎng)絡，實時通過串行口進行數(shù)據(jù)的傳遞和接收。由于該模塊主要是為了降低組合開關及其線束生產(chǎn)成本，同時也為了降低組合開關線束空間布置難度而設計出來的，所以模塊本身功能主要為車身電器。每當按下一個控制開關，就會通過串口調(diào)試助手控件利用WiFi網(wǎng)絡向無線模塊發(fā)送一幀串行通信數(shù)據(jù)。串行數(shù)據(jù)幀包括發(fā)送數(shù)據(jù)幀和接收數(shù)據(jù)幀，不同的數(shù)據(jù)幀有著相同的幀格式，唯一不同的是幀格式中數(shù)據(jù)的不同。

表1 發(fā)送幀格式(Format of the send frame)

發(fā)送數(shù)據(jù)幀的幀格式包括幀頭、控制字、數(shù)據(jù)區(qū)和幀尾4個部分，每個幀之間的區(qū)別就在數(shù)據(jù)區(qū)上。數(shù)據(jù)區(qū)包括3個字節(jié)，每個字節(jié)有8個bit，每個bit代表一個功能，功能的狀態(tài)用0和1來區(qū)分。這樣，3個字節(jié)就可以實現(xiàn)24個功能。

表2 接收幀格式(Format of the receive frame)

接收數(shù)據(jù)幀和發(fā)送數(shù)據(jù)幀有著相同的定義，不同的是幀頭、控制字和幀尾的值二者不同，目的就是為了區(qū)分一個數(shù)據(jù)幀的傳送方向。

4、實驗結果與分析

為了驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，特地用人機交互面板向模塊發(fā)送了右轉(zhuǎn)向燈開、右轉(zhuǎn)向燈關、近光燈開和近光燈關4個指令。

表3 指令實驗代碼

在實驗過程中，對右轉(zhuǎn)向燈和近光燈電平進行了跟蹤顯示。首先發(fā)送右轉(zhuǎn)向燈開指令代碼，轉(zhuǎn)向燈開始工作。再發(fā)送近光燈開指令代碼，近光燈開始工作。隨后分別發(fā)送關閉近光燈和關閉轉(zhuǎn)向燈指令代碼，測得的波形如圖5 所示。

通過對實驗結果的分析，可以看出系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性都比較高，而且響應時間在200ms以內(nèi)，足以滿足車身電氣元件的要求。

5、結束語

設計借助于無線模塊的便捷性，結合汽車CAN總線使用的普遍性，實現(xiàn)了將二者統(tǒng)一起來對汽車車身電氣機構的控制目的。對系統(tǒng)進行了實驗驗證，結果表明各項實驗參數(shù)均能滿足實車要求。與傳統(tǒng)控制模塊相比，該模塊具有結構簡單、成本低廉、性能可靠穩(wěn)定等優(yōu)點。

[1]王友山，李操．基于無線通信技術的汽車多點溫控系統(tǒng)[J]．中國科技信息，2012（19）:92-99．

[2]周明元，陳立輝，張宇時．基于CAN總線的無線數(shù)據(jù)采集模塊設計[J]．農(nóng)業(yè)科技與裝備，2011（6）:81-83．

[3]丁瑩．WiFi技術在智能車圖像傳輸中的應用[J]．科技視界，2012 （28）:102-103．

[4]譚浩強．C程序設計[M]．清華大學出版社，2005．

The application of wireless technology in automobile electronic control system

Li Xiangjiang1, Nan Jinrui2, Yang Shiwen1, Zhu Li3
(1.School of Mechanical and Power Engineering,North University of China, Shanxi Taiyuan 030051; 2.School of Mechanical Engineering,Beijing Institute of Technology, Beijing 100081; 3.RCTECH, Beijing 100081)

In order to simplify the harness of the combination switch,and reduce the cost about automobile-manufacturing,a system was designed and built to control the auto electrical mechanism,which was based on wireless network.Taking the board computer as the window to make sure the communication go with a swing between the vehicle and the driver,with the wireless module which was called Seanywell- WM001S as the carrier to implement the wireless control signal connect with the CAN bus successfully,then the communication between the control signal and the vehicle ECU was set up,at the last via the ECU to accomplish the control function of the electrical mechanism,of course,the communication between the switch and ECU was come true.As the auto electrical mechanism were under the control of the ECU,so the purpose that via wireless network to control the electrical mechanism was achieved.Test results proved that the maximal response time of the system is 200ms,in addition,the system is easy to operate and has high reliability,greatly reduce the complexity of the harness and the difficulty to allot the space for the harness.

harness; electrical mechanism; board computer; wireless module; control signal; CAN bus

U463.6

A

1671-7988(2014)10-04-03

李湘江，碩士研究生，就讀于中北大學機械與動力工程學院。

項目名稱：基于SOC卡爾曼濾波估計的電動汽車電池管理系統(tǒng)。