基于ARM的發(fā)動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

徐鈺琨，趙傳偉

（1.山東科技職業(yè)學(xué)院 電氣工程系，濰坊 261053；2.福田雷沃國(guó)際重工股份有限公司，濰坊 261206）

0 引言

在當(dāng)下的工程機(jī)械產(chǎn)品中，為了滿足按揭銷售與租賃業(yè)務(wù)的需求，主流遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要集中在GPS定位及鎖車兩大功能上[1～3]。隨著市場(chǎng)需求的變化，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)除上述功能外，還要滿足運(yùn)行工況數(shù)據(jù)化，故障檢測(cè)遠(yuǎn)程化等要求。而柴油發(fā)動(dòng)機(jī)作為工程機(jī)械產(chǎn)品的動(dòng)力源，它的性能好壞直接關(guān)系到整機(jī)效率的高低。因此，遠(yuǎn)程監(jiān)控發(fā)動(dòng)機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)（轉(zhuǎn)速、壓力、溫度、耗油量、電瓶電壓等）以及故障代碼具有極其重要的意義。本文根據(jù)產(chǎn)品開發(fā)的需要，結(jié)合目前遠(yuǎn)程監(jiān)控終端系統(tǒng)的新要求，開發(fā)了一套基于ARM的發(fā)動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端系統(tǒng)。此系統(tǒng)采用的主控制器是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32系列微處理器。此處理器具備外圍接口豐富，支持串口和CAN，功耗低等特點(diǎn)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，通過實(shí)際的產(chǎn)品測(cè)試表明：該系統(tǒng)在線率穩(wěn)定，可靠性高，能夠滿足整機(jī)設(shè)備制造商對(duì)于產(chǎn)品遠(yuǎn)程監(jiān)控的需求，并比同類產(chǎn)品具備價(jià)格優(yōu)勢(shì)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

系統(tǒng)主要由三部分組成：發(fā)動(dòng)機(jī)模塊，GPRS模塊和GPS模塊。具體的系統(tǒng)模塊框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模塊框圖

1）發(fā)動(dòng)機(jī)模塊：STM32通過CAN總線與發(fā)動(dòng)機(jī)自帶的控制器進(jìn)行通訊，獲取各種參數(shù)或故障代碼，其通訊協(xié)議為SAE J1939協(xié)議。

2）GPRS模塊：STM32通過串口與其進(jìn)行信息交換。一方面微處理器將采集到的發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)參數(shù)和GPS信息經(jīng)過處理后發(fā)送到GPRS模塊，此模塊將這些數(shù)據(jù)上傳到遠(yuǎn)程的服務(wù)器；另一方面，GPRS模塊接收到服務(wù)器下傳的控制信息后，也可經(jīng)過串口與STM32進(jìn)行通訊，控制發(fā)動(dòng)機(jī)的部分參數(shù)。其通訊采用標(biāo)準(zhǔn)的AT指令。

3）GPS模塊：將定位信息通過串口傳送到STM32。其采用標(biāo)準(zhǔn)的GPS數(shù)據(jù)格式。

2 硬件設(shè)計(jì)

由于工程機(jī)械產(chǎn)品的工作環(huán)境比較惡劣，因此遠(yuǎn)程監(jiān)控終端系統(tǒng)需要有較高的穩(wěn)定性和可靠性，另外當(dāng)整機(jī)不工作時(shí)，遠(yuǎn)程監(jiān)控終端系統(tǒng)的能耗要低，便于延長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間，保證數(shù)據(jù)的及時(shí)上傳。因此，本系統(tǒng)中選取STM32F103CBT6微處理器作為主控制芯片。它的電源管理系統(tǒng)比較可靠，可根據(jù)電源的變化選擇三種低功耗模式。此處理器的封裝形式為L(zhǎng)QFP48，通訊接口比較豐富，具有3個(gè)串口，1個(gè)CAN接口，滿足系統(tǒng)對(duì)于各模塊的通訊要求。另外體積較小，便于集成[4]。

GPRS模塊的主芯片采用華為的GTM900-C，它具備EGSM900和GSM1800兩個(gè)頻段；接收靈敏度小于-106dBm；標(biāo)準(zhǔn)SIM卡接口（1.8或3V）；GSC射頻天線連接器；短消息業(yè)務(wù)支持MO和MT點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和小區(qū)廣播短消息模式，支持TEXT和PDU GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；GPRS CLASS 10編碼方式CS1，CS2，CS3，CS4，最高速率可達(dá)85.6Kbit/s，支持PBCCH內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議[5]。

GPS模塊的主芯片采用GARMINGPS25LP，其采用全密封方式，其位置精度小于15m，速度精度小于0.1m/s，性價(jià)比較高[6]。

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)模塊電路設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)模塊電路的主體是CAN接口電路，如圖2所示。在此電路中采用型號(hào)為TJA1050的CAN總線收發(fā)器。此收發(fā)器通過它的兩個(gè)有差動(dòng)接收和發(fā)送能力的總線終端可以連接到柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的CAN線回路中，從而使STM32F103CBT6微處理器和發(fā)動(dòng)機(jī)自帶的控制器進(jìn)行通訊。

圖2 CAN接口電路

TJA1050的3號(hào)端口為電源端，采用5V電壓；1號(hào)、4號(hào)端口分別連接STM32F103CBT6的CAN發(fā)送端口（33號(hào)引腳）和CAN接收端口（32號(hào)引腳）；8號(hào)端口為工作模式選擇端口，其連接到地可進(jìn)入高速模式（正常工作模式），總線輸出的信號(hào)有固定的斜率，可以盡快的速度節(jié)能型切換，滿足最大的位速率和最大的總線長(zhǎng)度，而且其循環(huán)延遲最?。?號(hào)和6號(hào)端口對(duì)應(yīng)CANH和CANL，為了滿足發(fā)動(dòng)機(jī)CAN總線網(wǎng)路的要求，在兩個(gè)端口間采用120歐的終端匹配電阻。

2.2 GPRS模塊電路設(shè)計(jì)

GPRS模塊與STM32F103CBT6連接如圖3所示。GTM900-C是華為公司生產(chǎn)的GPRS模塊，它由電源管理單元、串口處理單元、SIM卡處理單元、射頻收發(fā)單元等組成。其15號(hào)端口（IGT）可實(shí)現(xiàn)開關(guān)機(jī)功能，與微處理器的PA4端口相連，由微處理器進(jìn)行控制；17號(hào)～21號(hào)端口為串口，為TTL電平信號(hào)，可直接與微處理器的1號(hào)串口連接；25號(hào)～28號(hào)端口為SIM卡的接口，與標(biāo)準(zhǔn)的SIM卡模塊連接；29號(hào)端口為模塊接地端口，此端口必須和SIM卡模塊的SIMGND相連，保證兩者的電平一致。31號(hào)端口為復(fù)位端口，與微處理器的PA5端口相連接，此端口低電平有效，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)模塊的復(fù)位。

2.3 GPS模塊電路設(shè)計(jì)

圖3 GTM900C與STM32F103CBT6連接電路圖

GPS模塊主要采用GRMIN公司的GPS25LP，它只需要一個(gè)12針的引腳與系統(tǒng)相連，如圖4所示。其中，TXD1和RXD1為串口的通訊端口，為5V的邏輯電平，可直接與STM32F103CBT6的串口1（PA9和PA10端口）相連；端口10為電源端口，采用5V供電。為了保證其工作穩(wěn)定性，通常在端口10和端口8之間加一個(gè)10MF的保持電容。

圖4 GPS25LP接線圖

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)的調(diào)試環(huán)境采用RealView MDK，它是ARM公司專門針對(duì)嵌入式處理開發(fā)的一套軟件，具有完善的設(shè)備調(diào)試和軟件仿真功能。STM32F103CBT6本身帶有的大量固件庫函數(shù)，可以提高代碼質(zhì)量，縮短開發(fā)周期。在本系統(tǒng)中，重點(diǎn)使用flash、DCC、CAN、USART等固件庫。

軟件框架采用主函數(shù)和中斷函數(shù)的結(jié)構(gòu)。其中，在主函數(shù)中對(duì)各種功能模塊進(jìn)行初始化，并實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)計(jì)算；中斷函數(shù)主要實(shí)現(xiàn)CAN、USART兩大模塊的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。中斷的優(yōu)先級(jí)依次為CAN、USART2、USART1。

3.1 CAN數(shù)據(jù)接收

為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，如上所述，CAN報(bào)文的接收采用中斷方式。因此，在主函數(shù)的CAN初始化過程中應(yīng)該通過調(diào)用STM32固件庫函數(shù)voidCAN_IT-Config來開啟CAN1的中斷，在接收時(shí)通過判斷其標(biāo)志位來確定是否產(chǎn)生的中斷，以此進(jìn)入中斷函數(shù)對(duì)收到的報(bào)文進(jìn)行處理。即：在接收一個(gè)報(bào)文時(shí)，其標(biāo)識(shí)符首先與配置在標(biāo)識(shí)符列表模式下的過濾器相比較，若匹配，報(bào)文就被存放到相關(guān)聯(lián)的FIFO中，并且所匹配的過濾器的序號(hào)被存入過濾器匹配序號(hào)中。若不匹配，報(bào)文標(biāo)識(shí)符立即再與配置在屏蔽位模式下的過濾器進(jìn)行比較，如果報(bào)文標(biāo)識(shí)符與過濾器中的任何標(biāo)識(shí)符都不匹配，那么硬件就丟棄該報(bào)文，且不會(huì)對(duì)軟件有任何打擾。數(shù)據(jù)接收模塊流程如圖5所示。

圖5 CAN數(shù)據(jù)接收流程

圖6 GPS數(shù)據(jù)接收流程

3.2 J1939協(xié)議解析

由于柴油發(fā)動(dòng)機(jī)采用J1939協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此STM32通過CAN中斷接收到報(bào)文后，必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析。J1939協(xié)議是美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)（Society of Automotive Engineers，簡(jiǎn)稱SAE）發(fā)布的以CAN 2.0B協(xié)議為基礎(chǔ)的車輛網(wǎng)絡(luò)串行通訊和控制協(xié)議。它是目前車輛應(yīng)用最廣泛的協(xié)議之一，有9個(gè)子標(biāo)準(zhǔn)，其中J1939-71標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)參數(shù)的地址、名稱、數(shù)據(jù)格式以及發(fā)送優(yōu)先級(jí)等做了詳細(xì)的定義。它采用PDU（Protocol Data Unit協(xié)議數(shù)據(jù)單元）傳送信息，每個(gè)PDU相當(dāng)于CAN協(xié)議中的一幀。由于每個(gè)CAN幀最多可傳輸8個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)，因此PDU的傳輸具有很高的實(shí)時(shí)性。PDU是由29位標(biāo)識(shí)符和8個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)組成的[7]?，F(xiàn)以J1939中對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)溫度的定義（如表1所示）進(jìn)行數(shù)據(jù)解析說明。

如果計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度，按照J(rèn)1939協(xié)議中的要求，計(jì)算公式為：發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度=原始數(shù)×分辨率+偏移量。假如此時(shí)字節(jié)1的原始數(shù)為7Dh（說明：h為十六進(jìn)制，b為二進(jìn)制，d為十進(jìn)制），則7Dh =125d。查對(duì)應(yīng)分辨率表格為1oC/位，偏移量為-40oC。因此，發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度=125×1-40=85oC。按照此思路，便可以從J1939協(xié)議的應(yīng)用層中解析出發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速、機(jī)油壓力、水溫、燃油量等各種參數(shù)[8]。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)溫度參數(shù)定義格式

3.3 GPS數(shù)據(jù)接收

如前所述，GPS模塊主要采用GRMIN公司的GPS25LP。GPS模塊會(huì)每秒鐘發(fā)出數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包遵循NMEA-0183協(xié)議，協(xié)議中有準(zhǔn)確的經(jīng)緯度信息。通過數(shù)據(jù)解析，數(shù)據(jù)傳輸通常有GPGGA和GPRMC兩種格式。為了減少GPS模塊的數(shù)據(jù)傳輸負(fù)擔(dān)，通常采用GPRMC格式。

GPS數(shù)據(jù)接收流程如圖6所示。STM32利用中斷模式接收GPS25LP傳來的數(shù)據(jù)，然后判斷是否為GPRMC格式，如果格式正確，則開始接收數(shù)據(jù)并存在緩存中。當(dāng)數(shù)據(jù)全部接收完畢，退出中斷程序。部分程序如下：

3.4 GPRS初始化程序

GTM900C與STM32之間通過USART2進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，程序中采用常用的AT指令。但在數(shù)據(jù)發(fā)送之間，需要對(duì)GPRS模塊初始化。所謂的初始化就是GTM900C建立TCP鏈接的過程，通常由眾多的AT命令子程序組成。具體的流程圖如圖7所示。

首先是驗(yàn)證GTM900C是否正常，通過AT指令進(jìn)行測(cè)試來實(shí)現(xiàn)。如果測(cè)試成功，為了減少無用的返回字符串，要對(duì)其執(zhí)行“關(guān)回顯”的命令?；仫@的意思是給它發(fā)條指令它會(huì)原封不動(dòng)的回發(fā)一條已發(fā)的指令，“關(guān)回顯”可以使串口專心監(jiān)測(cè)GTM900C實(shí)際返回的參數(shù)。

其次是判斷SIM卡是否插入，檢查信號(hào)強(qiáng)度以及網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)狀態(tài)等。這是為GTM900C建立TCP鏈接做準(zhǔn)備。因?yàn)橹挥性诰W(wǎng)絡(luò)已經(jīng)注冊(cè)完畢的狀態(tài)下，GTM900C才能建立TCP鏈接，而建立的快慢與信號(hào)強(qiáng)度有關(guān)。

最后是通過配置APN，進(jìn)入TCP/IP功能和建立TCP鏈接。如果對(duì)具有固定IP地址服務(wù)器來說，GTM900C按照以上三個(gè)步驟即可。而對(duì)于非固定IP地址的服務(wù)器，還需要經(jīng)過域名解析獲得服務(wù)器的IP地址，然后才能建立TCP鏈接。

圖7 GPRS模塊初始化的程序流程圖

4 測(cè)試驗(yàn)證

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，在福田雷沃重工的FR630D旋挖鉆機(jī)產(chǎn)品上進(jìn)行測(cè)試。一是可靠性測(cè)試，讓裝有此終端（如圖8所示）的5臺(tái)整機(jī)分別連續(xù)工作200小時(shí)，監(jiān)控其運(yùn)行情況，通過PC端的監(jiān)控軟件可以看到發(fā)動(dòng)機(jī)的參數(shù)可實(shí)時(shí)顯示。二是功能性測(cè)試，測(cè)試GTM900C與服務(wù)器之間的連接，通過設(shè)置TCP的地址，讓GPRS的發(fā)送數(shù)據(jù)與服務(wù)器建立連接，然后通過服務(wù)器將所有數(shù)據(jù)用圖文表現(xiàn)出來，體現(xiàn)可讀性。如圖9所示。

圖8 遠(yuǎn)程監(jiān)控終端

圖9 PC端監(jiān)控顯示界面

5 結(jié)束語

本論文通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控的終端系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足了當(dāng)下整機(jī)產(chǎn)品對(duì)于此系統(tǒng)的要求。硬件方面，基于STM32的終端系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)可以看出，在功耗和可靠性方面有著高性價(jià)比。軟件部分，通過STM32豐富的固件庫函數(shù)，可以提高軟件質(zhì)量，縮短開發(fā)周期。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)對(duì)整機(jī)廠提出的運(yùn)行工況數(shù)據(jù)化，故障檢測(cè)遠(yuǎn)程化有著積極地作用。在后續(xù)的研究中，要對(duì)GPRS信號(hào)的穩(wěn)定性進(jìn)一步研究，提高系統(tǒng)在線率。

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