車載防盜與信息娛樂系統(tǒng)集成設計

摘 要： 為了解決汽車被盜的問題，同時滿足車載電子系統(tǒng)功能更加多元化的趨勢，提出一種將汽車防盜和信息娛樂功能集成設計的方法，并結(jié)合CAN總線通信技術，設計和實現(xiàn)了一套集汽車防盜、信息娛樂功能于一體的智能化系統(tǒng)。重點介紹系統(tǒng)的開發(fā)意義，中央控制單元和CAN網(wǎng)絡節(jié)點的軟硬件設計以及實現(xiàn)過程，對系統(tǒng)進行可靠性和功能性分析和測試。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有運行穩(wěn)定、實時性強、可靠性高等優(yōu)點，符合車載電子系統(tǒng)“更安全、更環(huán)保、更節(jié)能”的發(fā)展趨勢，具有廣泛的應用價值。

關鍵詞： 車載防盜； 信息娛樂； 中央控制單元； CAN總線通信； CAN網(wǎng)絡節(jié)點

中圖分類號： TP277?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）09?0147?04

Abstract： To solve the problem of vehicle theft， meet the development trend of diversified in vehicle electronic system function， the method is proposed to design the vehicle theft and infotainment function integrated. Based on CAN bus communication technology， a new intelligent system that consists of vehicle theft and vehicle infotainment is designed and implemented. The significance of the proposed system development is emphasis introduced， the software/hardware design and implementation process of the central control unit and CAN network node are detailed. The reliability and functionality of the system is tested and analyzed， the results show that the system has good stability， better real?time ability， high reliability， extensive value in applications， and satisfies the development trend of “safer， greener and more energy efficient” in vehicle electronic system.

Keywords： vehicle anti?theft； infotainment； central control unit； CAN bus communication； CAN network node

0 引 言

汽車防盜器是一種安裝在車上，用來增加盜車難度，延長盜車時間的裝置，是汽車的保護神。它通過將防盜裝置與汽車電路配接在一起，從而可以達到防止車輛被盜、被侵犯、保護汽車的目的。隨著計算機網(wǎng)絡和嵌入式技術的發(fā)展，汽車防盜系統(tǒng)由傳統(tǒng)的機械式、電子式防盜裝置向智能化程度更高的網(wǎng)絡式防盜系統(tǒng)發(fā)展。

IVI（In?Vehicle Infotainment）車載信息娛樂系統(tǒng)，是采用車載專用中央處理器，基于車身總線系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)服務，形成的車載綜合信息處理系統(tǒng)。IVI能夠?qū)崿F(xiàn)包括三維導航、實時路況、故障檢測、車輛信息、移動辦公等一系列應用，極大地提升車輛電子化、網(wǎng)絡化和智能化水平。

CAN（Controller Area Network）控制器局域網(wǎng)絡，由德國BOSCH公司開發(fā)并最終成為國際標準。在諸多汽車總線中，CAN總線有著重要的地位，是汽車電子裝置之間通信的標準總線，在汽車分布式控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用[1]，擁有以CAN底層協(xié)議為大型貨車和重工機械車輛設計的J1939協(xié)議[2]。本系統(tǒng)提出一種將汽車防盜功能和信息娛樂功能集成設計的方法，有效地利用汽車現(xiàn)有資源，實現(xiàn)了車載電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能上的優(yōu)化。

與市場上現(xiàn)有系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢：

（1） 防盜和信息娛樂系統(tǒng)集成設計，成本低、結(jié)構(gòu)簡化、功能強大；

（2） 采用網(wǎng)絡式防盜系統(tǒng)，具有運行穩(wěn)定、實時性強、可靠性高等優(yōu)點；

（3） 系統(tǒng)CAN總線部分可以與其他車身電子系統(tǒng)相結(jié)合，利于二次開發(fā)。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由中央控制單元和CAN網(wǎng)絡節(jié)點兩部分組成。中央控制單元選用ST公司生產(chǎn)的STM32F103X微處理器作為核心，結(jié)合GPRS無線通信等技術，實現(xiàn)汽車定位、遠程報警以及信息娛樂功能。CAN網(wǎng)絡節(jié)點包括油路節(jié)點、發(fā)電機節(jié)點以及DCM（Door Control Module）車門控制模塊[3]節(jié)點，實現(xiàn)車輛狀態(tài)監(jiān)測與車輛防盜功能。中央控制單元與CAN網(wǎng)絡節(jié)點間通過CAN總線進行通信。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 防盜功能的實現(xiàn)

本系統(tǒng)的防盜功能設計是將DCM和GPS定位[4]模塊作為汽車安全狀態(tài)的監(jiān)測節(jié)點。系統(tǒng)設置為防盜模式時，由DCM檢測汽車是否被非法入侵，GPS定位檢測汽車是否被非法移動。在檢測到汽車處于不安全狀態(tài)時，首先啟動GSM/GPRS通信模塊，通過中央控制器控制，利用GSM短信息將GPS定位所得汽車位置經(jīng)緯度發(fā)送到車主手機終端，實現(xiàn)對汽車位置的精確定位；然后啟動車后攝像頭拍攝車后圖像，利用GPRS無線通信技術將圖像發(fā)送到車主手機終端，輔助GPS對汽車位置進行定位；中央控制器通過CAN總線發(fā)送切斷油路和關閉發(fā)電機的信號，從而有效地避免汽車被盜的事件發(fā)生。

1.3 信息娛樂功能的實現(xiàn)

系統(tǒng)設置為正常模式時，LCD模塊顯示主菜單界面，通過觸摸屏和按鍵，進行人機交互和功能體驗。GSM/GPRS/GPS模塊用于實現(xiàn)車載電話、GPS定位等功能；攝像頭模塊用于實現(xiàn)汽車后視功能[5]；MP3模塊用于實現(xiàn)語音播放的功能；LCD模塊用于界面顯示。

2 硬件設計

系統(tǒng)的硬件設計主要包括兩部分，一個是中央控制單元硬件設計，另一個是CAN網(wǎng)絡節(jié)點硬件設計。本系統(tǒng)微控制器選用基于Cortex?M3內(nèi)核的ARM微控制器STM32F103X[6]，具有低成本、低功耗等特點，為注重功耗和效率的系統(tǒng)提供了可行的設計方案[7]。

2.1 中央控制單元硬件設計

中央控制部分主要包括微處理器STM32F103ZET6，通過SPI1接口與微控制器連接的MP3模塊，該模塊核心為VLSI公司生產(chǎn)的VS1053，是一款高性能、低功耗的解碼芯片；通過SPI2接口與微控制器連接的LCD顯示模塊；通過SCCB接口與微控制器連接的攝像頭模塊，該模塊核心為OV公司生產(chǎn)的OV7670，體積小、工作電壓低，提供單片VGA攝像頭和影像處理器的所有功能；通過USART接口與微控制器連接的GSM/GPRS/GPS模塊，該模塊的核心為SIM公司生產(chǎn)的SIM900A，性能穩(wěn)定、外觀精巧、功耗低；STM32自帶bxCAN，即基本擴展CAN，它支持11位的BasicCAN模式及29位的PeliCAN模式[8]，通信速率高達1 Mb/s，支持時間觸發(fā)通信[9]，具有3個發(fā)送郵箱，3級深度的2個接收FIFO。CAN收發(fā)器選用NXP公司的TJA1050，它與“ISO 11898”標準完全兼容，高速度（最高可達1 Mb/s），極低的電磁輻射，沒有供電的節(jié)點不會對總線造成干擾，同時帶有寬共模范圍的差動接收器，抗電磁干擾能力極強，至少可以連接110個節(jié)點，非常適合本系統(tǒng)。中央控制部分的硬件連接圖如圖2所示。

2.2 CAN網(wǎng)絡節(jié)點硬件設計

CAN網(wǎng)絡節(jié)點主要包括微處理器STM32F103C8T6，其片上資源及相關接口足以滿足這部分的功能需求，DCM節(jié)點，油路節(jié)點，發(fā)電機節(jié)點。DCM采用UN4001中控車鎖，12 V供電，具備360°轉(zhuǎn)頭，超強力度，防卡死等優(yōu)點，汽車被非法打開時，通過CAN總線發(fā)送報警信號至中央控制單元；系統(tǒng)中發(fā)電機與油路節(jié)點通過CAN總線接收指令進行動作，設計時只需考慮CAN信號發(fā)送問題，硬件環(huán)境則進行模擬，發(fā)電機采用130號直流電機，電機通過芯片L298N進行驅(qū)動，L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片，控制電壓直流為5 V，電機電壓范圍直流為3～46 V，具有過電壓和過電流保護，抗干擾能力強等優(yōu)點；油路節(jié)點利用蜂鳴器代替，由三極管構(gòu)成蜂鳴器控制電路，通過PB0輸出端口的高低電平來改變蜂鳴器的狀態(tài)，從而模擬油路的開關。CAN網(wǎng)絡節(jié)點硬件連接圖如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計主要包含兩部分：防盜部分的設計及信息娛樂部分的設計。

3.1 系統(tǒng)防盜功能程序設計

防盜報警部分的程序流程圖如圖5所示。

如圖5所示，系統(tǒng)上電后，對程序進行初始化，配置相關寄存器和I/O口。開啟防盜模式，GPS定位和DCM開始工作，GPS定位值30 s刷新一次，當前后兩次定位差值大于50 m時，車輛被盜；防盜模式下，DCM檢測到車門被打開，車輛被盜。確定車輛被盜后，啟動GSM通信功能，發(fā)送報警短信至車主手機，并將GPS定位出的汽車位置經(jīng)緯度周期性發(fā)送給車主[10]，實時監(jiān)控汽車位置。之后啟動后車門上的CMOS攝像頭進行拍照，開啟GPRS功能，將拍攝的照片通過GPRS網(wǎng)絡周期性發(fā)送至車主手機，輔助GPS對汽車進行跟蹤。通過CAN總線，由控制器向汽車油路節(jié)點和發(fā)電機節(jié)點分別發(fā)送切斷油路和關閉發(fā)電機的信號，使汽車不能正常行駛，從而實現(xiàn)汽車防盜報警的功能。

3.2 系統(tǒng)信息娛樂功能程序設計

信息娛樂部分的程序流程圖如圖6所示。

如圖6所示，系統(tǒng)上電后，首先初始化子程序，對相關I/O口和寄存器進行配置。然后開啟LCD模塊，進入菜單界面；點擊汽車后視系統(tǒng)，攝像頭模塊啟動，將車后影像顯示在LCD上；點擊MP3播放器，系統(tǒng)開始搜索SD卡中的語音播放文件，選擇文件進行播放；點擊GPS定位服務，GPS定位功能啟動，將汽車位置信息顯示在LCD上；點擊車載電話，GSM通信功能啟動，可以進行撥打電話、發(fā)送短信。圖7是信息娛樂系統(tǒng)人機交互界面。

4 系統(tǒng)測試

4.1 防盜功能測試及分析

系統(tǒng)防盜功能的測試包括CAN通信測試和中央單元測試。DCM、油路、發(fā)電機節(jié)點通過CAN總線與主控單元進行通信，測試步驟如下：

（1） 中央單元作為發(fā)送節(jié)點，其他節(jié)點作為接收節(jié)點，各個節(jié)點接收中央單元發(fā)出的控制指令，根據(jù)指令給出對應的功能操作。

（2） 中央單元作為接收節(jié)點，DCM作為發(fā)送節(jié)點，向中央單元發(fā)送反饋指令，中央單元根據(jù)指令給出對應的功能操作。中央單元測試主要是對GSM/GPRS報警功能進行測試，在系統(tǒng)檢測到汽車被盜時，啟用GSM通信功能，發(fā)送報警短信至車主手機，并將GPS定位出的汽車位置經(jīng)緯度周期性發(fā)送給車主。

（3） 開啟GPRS功能，將車后攝像頭拍攝的照片通過GPRS網(wǎng)絡周期性發(fā)送至車主手機終端。

4.2 信息娛樂功能測試及分析

系統(tǒng)信息娛樂功能測試，主要是對車載電話、GPS定位、后視系統(tǒng)、MP3播放器四個部分進行測試。考慮到某些情況下，車主無法通過自帶的移動設備與外界聯(lián)絡，就可以通過車載電話實現(xiàn)撥打電話和發(fā)送短信的功能，作為車主的備用電話來使用。GPS定位能準確地顯示汽車的經(jīng)緯度，結(jié)合Google地圖可以實現(xiàn)汽車導航功能。后視系統(tǒng)在10 km/h車速下進行測試，拍攝畫面清晰、實時性強。MP3播放器音量輸出幅值高，聲音飽滿，操作簡便。圖10是車載電話的操作界面。

5 結(jié) 語

本文提出一種將汽車防盜功能和信息娛樂功能集成設計的方法，并依據(jù)CAN通信及GPRS通信等技術，有效利用汽車現(xiàn)有資源，設計和實現(xiàn)了一套集汽車防盜、信息娛樂功能于一體的智能化系統(tǒng)，完成了車載電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能上的優(yōu)化。通過對系統(tǒng)軟硬件的設計及對系統(tǒng)的實際測試，系統(tǒng)信息娛樂部分運行穩(wěn)定、操作簡便，防盜部分具有高速、實時、可靠等優(yōu)點。本系統(tǒng)CAN總線部分可以與車身其他電子系統(tǒng)相互通信，對車載電子系統(tǒng)的開發(fā)具有較深遠的意義。

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