基于嵌入式的汽車狀態(tài)遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)

摘 要： 研究一種基于嵌入式的汽車狀態(tài)遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)，主要對車載嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)兩大系統(tǒng)進行了深入研究，選定車載嵌入式系統(tǒng)使用CAN總線進行通信，無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)以GPRS通信為主，藍牙通信為輔。使用TI公司的OMAP?L137處理器實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯總、發(fā)送以及人機交互等功能。由多個MSP430F169處理器對車輛各大系統(tǒng)進行監(jiān)測，并通過CAN總線方式傳輸至OMAP?L137處理器。以國產(chǎn)哈弗H5為例，對嵌入式遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)進行性能測試，同時使用汽車官方測試儀器進行測試對比。結果表明，該文研究的嵌入式車輛狀態(tài)遠程監(jiān)測系統(tǒng)的檢測結果與官方測試數(shù)據(jù)基本一致，誤差不超過5%，可以滿足遠程監(jiān)測和故障診斷的基本要求。

關鍵詞： 嵌入式系統(tǒng)； 汽車狀態(tài)監(jiān)測； GPRS通信； MSP430F169處理器

中圖分類號： TN931+.3?34； TN876?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）18?0076?04

Abstract： A vehicle condition real?time remote monitoring system based on embedded system is studied in this paper. The embedded vehicle monitoring system and wireless data transmission system were investigated intensively. CAN bus is selected for communication of the vehicle?mounted embedded system， while GPRS communication is taken as the main communication means and Bluetooth communication as supplement for the wireless data transmission system. The OMAP?L137 processor produced by TI is used to achieve data collection， transmission， human?computer interaction and other functions. The major systems of the vehicle are monitored by multiple MSP430F169 processors， and the results are transmitted to the OMAP?L137 processor through the CAN bus. The Harvard H5 is taken as an example to test the performance of the embedded real?time remote monitoring system. The test result is compared with that got by the official automobile test instrument. The comparison results show that the test result got by the embedded vehicle condition remote monitoring system is basically consistent with the official test data （the error is not more than 5%）， which can meet the basic requirements of remote monitoring and fault diagnosis.

Keywords： embedded system； vehicle condition monitoring； GPRS communication； MSP430F169 processor

0 引 言

隨著汽車技術不斷發(fā)展，以及社會的不斷進步，人們越來越注重汽車的可靠性和安全性，對汽車狀態(tài)進行遠程監(jiān)測和故障診斷對于實現(xiàn)車輛安全運行具有重要的作用[1?3]。

發(fā)展汽車運行狀態(tài)遠程監(jiān)測技術能夠幫助汽車生產(chǎn)廠家長期收集大量車輛的相關技術參數(shù)，通過反饋的數(shù)據(jù)能夠了解車輛健康狀況并及時提醒用戶進行保養(yǎng)，另外可以對車輛設計的合理性進行反饋。對于車主而言，汽車運行狀態(tài)遠程監(jiān)測技術可以讓車主準確、直接了解車輛的各種參數(shù)和狀態(tài)，而不需要到專門的檢測部門進行了解，降低不必要的車輛維護成本[4?8]。

1 遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)組成和工作原理

基于嵌入式的汽車狀態(tài)遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)主要由三大部分組成，即車載嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)和遠程服務器?；谇度胧降钠嚑顟B(tài)遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)組成如圖1所示[9]。

通過嵌入式系統(tǒng)建立的汽車狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)能夠對車輛自身的EPS電助力轉向、EBD電制動力分配、TCS牽引控制、電控A/T自動變速、電控懸架、ABS防抱死以及空調通風等主要系統(tǒng)的實時信息進行采集[10]。

無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)能夠通過WiFi、藍牙或GPRS等無線通信技術方法將車輛實時信息發(fā)送至遠程服務器。

遠程服務器記錄存儲并顯示接收到的信息，將有用信息發(fā)送至用戶手機或汽車保養(yǎng)店和汽車生產(chǎn)廠家，并得到車輛健康狀態(tài)和故障診斷的反饋信息。

2 車載嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)硬件設計

由于實現(xiàn)車輛狀態(tài)實時監(jiān)測以及數(shù)據(jù)的無線發(fā)送接收不能夠僅由一個處理器完成，需要多個處理器同時工作，完成不同的任務，因此本文使用TI公司的OMAP?L137處理器實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯總、發(fā)送以及人機交互等功能。由多個MSP430F169處理器對車輛各大系統(tǒng)進行監(jiān)測，并通過總線方式傳輸至OMAP?L137處理器[11]。

嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)的通信接口通?？梢圆捎肦S 485接口方式、無線通信接口以及CAN總線通信等。

（1） RS 485接口方式。由于MSP430F169和OMAP?L137分別能夠模擬標準的UART接口與RS 485接口，所以這二者的通信就可以通過這兩個模擬的接口來實現(xiàn)。這種方法雖然其軟件部分需要一定難度的編程來實現(xiàn)，但是其硬件部分構成簡單易行，使用資源也少。此外，這兩者之間的信號同步問題也需要采用軟件編程來解決，并且MSP430F169對CPU占用很大，在傳輸距離較遠和工作環(huán)境變化太大的條件下其通信性能大打折扣，所以一般需要根據(jù)具體的條件來設計數(shù)據(jù)交換方式。

（2） 無線網(wǎng)絡接口方式。MSP430F169與OMAP?L137間的數(shù)據(jù)交換還可以采用無線網(wǎng)絡接口的方法來實現(xiàn)。雖然該方法有很多的優(yōu)點，但是因為MSP430F169單片機是沒有網(wǎng)絡驅動的，需要在硬件方面另外給它加上，這不僅會令整個系統(tǒng)的硬件、軟件設計增加難度也會因為其所處的汽車系統(tǒng)工作環(huán)境特殊而影響其通信性能。

（3） CAN總線方式。和前面的接口方式相比，CAN總線方式具有其特有的性能，如其接口設計簡便、通信穩(wěn)定、抗各種電磁干擾的能力很強、信息傳輸?shù)木嚯x也較遠等優(yōu)良性能，完全可以滿足本研究所需的通信要求。雖然在嚴格的環(huán)境下CAN總線有可能在系統(tǒng)的反應速度上不能達到最佳效果，但是對車輛狀態(tài)采集頻率是有限的，完全可以在滿足其頻率的條件下進行實時處理。而且每個CAN總線接口都對應著一個信號處理器，在數(shù)據(jù)傳輸中完全能夠通過構建差分連接的方式提高整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。因此本文研究的嵌入式系統(tǒng)采用CAN總線通信方式，其結構如圖2所示。

OMAP?L137可以通過SPI模塊連接外部時鐘信號，最高可以產(chǎn)生50 MHz的同步信號，而且還能采用增加寄存器的方法來為設備提供服務。對MSP430F169而言其SPI模塊也是可以簡單模擬的，通過其8 MHz的主頻率的延時來進行UO口與SPI口之間的相關協(xié)議的適用。同時采用帶有SPI指令接口的MCP2515來為CAN總線的協(xié)議服務。

和MCP2515一樣，MSP430F169也是由OMAP?L137控制，通過SPI通信協(xié)議來交換數(shù)據(jù)。不過MSP430F169的模擬SPI接口由于中斷的時間點有差異導致其信號交換的效率不同，這也就造成了MSP430F169與OMAP?L137在SPI接口上存在可對比的研究依據(jù)，同時也使得整個系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)處理變得更容易調整。由信號調理模塊、在線調試模塊、電源模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊組成的OMAP?L137雙核處理器，其接口具有很好的可拓展性，和MCP2515組成獨立的外部連接接口進而可根據(jù)需要進行拓展，該處理器是本系統(tǒng)的核心處理單元。其具體的原理框架如圖3所示。

系統(tǒng)內部數(shù)據(jù)處理的硬件電路設計中，考慮到各模塊之間的數(shù)據(jù)交換效率，通常使用一個MCP2515和一個TJA1050控制器組成一個總線控制器，然后使得每個這樣的控制器由其相應的MCU來構建，從而實現(xiàn)一個OMAP?L137 與多個MSP430F169 之間的實時通信。

基于MCP2515能夠調用系統(tǒng)內部的寄存器資源暫時存儲實時分段數(shù)據(jù)流，在暫存數(shù)據(jù)量達到一定閾值時，通過外部中斷信號使得該寄存器與MCU間進行通信。通常會使用TJA1050 來設計與CAN 總線通信的接口電路。在運用一個MCP2515 與一個MCU 之間的數(shù)據(jù)通信時，MCP2515 的數(shù)據(jù)暫存功能有效緩解了總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)木窒蓿ＷC了總線與MCU間的實時數(shù)據(jù)傳送；相反，如果使用一個MCP2515 與多個MCU 之間的數(shù)據(jù)通信時會因為MCP2515緩存能力的有限而造成延時。所以為了避免這種情況發(fā)生，以及由于對一個MCP2515進行太多次中斷申請而導致的數(shù)據(jù)交換障礙，保證系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)傳送、處理效率，采用MCP2515 與MCU一一對應的方式。另外，采用單獨的CAN 收發(fā)器TJA1050還能進一步改善CAN控制器MCP2515 的性能，增強整個系統(tǒng)總線的信號傳輸能力及其效率。

通過以上對MCU 與MCP2515 以及TJA1050間連接關系的分析，可以確定這三者以特定的連接方式進行連接。其中MCU能夠為MCU 與MCP2515的通信提供SPI接口范圍的時鐘信號。但是針對MCU 與MCP2515 和TJA1050 在硬件連接上存在差異，特別采用OMAP?L137上的GPIO和GPIO1_0 引腳作為MCU 與MCP2515 和TJA1050之間連接的通信和中斷的接口。其中MSP430F169 是利用其通用GPIO 的P1_1，P1_2，P2_1，P3_1，P4_1 引腳來和其連接的模擬SPI接口通信和中斷信號作接口。最后，MCP2515控制器還需要使用TJA1050接口為其提供所需的電壓信號，OMAP?L137 端硬件連接實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)交換的原理如圖4所示。

其中MCU_1 為負責實時發(fā)送相關數(shù)據(jù)的ARM92EJ?S，MCU_N為MSP430F169（N=2，3，…，13），MCP2515是擁有特定作用的CAN 協(xié)議控制器，TJA1050則是性能高的CAN 收發(fā)器，CGND的作用是為TJA1050提供接地保護。當收到中斷信號時INT，MCP2515變?yōu)橹粸樘幚砜偩€數(shù)據(jù)的MSP430F169服務。對于OMAP?L137 端接收系統(tǒng)信號時其硬件連接原理如圖5所示[12?13]。

3 無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設計

本文研究的汽車狀態(tài)遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)通過對比多種無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)方案，最終確定通過GPRS/3G網(wǎng)絡將實時數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)椒掌?，服務器將處理?shù)據(jù)發(fā)送至用戶手機和汽車廠家，當車主在車內時，通過藍牙技術向車主手機發(fā)送數(shù)據(jù)。

當車輛啟動后，嵌入式系統(tǒng)即可自動開始讀取車輛實時信息，并定時通過內置GSM模塊向服務器端發(fā)送數(shù)據(jù)，不需要車主使用手機通過藍牙對嵌入式系統(tǒng)進行操作，減少操作不便等問題。

4 實例分析

本文以國產(chǎn)哈弗H5為例，對嵌入式遠程實時監(jiān)測系統(tǒng)進行性能測試。同時使用汽車官方測試儀器進行測試，可以得到使用本文研究的遠程監(jiān)測系統(tǒng)和官方測試數(shù)據(jù)對比如表1所示。

可以看出本文研究的嵌入式車輛狀態(tài)遠程監(jiān)測系統(tǒng)的檢測結果與官方測試數(shù)據(jù)基本一致，誤差不超過5%，可以滿足遠程監(jiān)測和故障診斷的基本要求，手機APP接收到的數(shù)據(jù)如圖6所示。

5 結 論

本文主要對車載嵌入式監(jiān)測系統(tǒng)、無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)兩大系統(tǒng)進行了深入研究，選定車載嵌入式系統(tǒng)使用CAN總線進行通信，無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)以GPRS通信為主，藍牙通信為輔。由于實現(xiàn)車輛狀態(tài)實時監(jiān)測以及數(shù)據(jù)的無線發(fā)送接收不能夠僅由一個處理器完成，需要多個處理器同時工作，完成不同的任務，因此本文使用TI公司的OMAP?L137處理器實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯總、發(fā)送以及人機交互等功能。由多個MSP430F169處理器對車輛各大系統(tǒng)進行監(jiān)測，并通過CAN總線方式傳輸至OMAP?L137處理器。

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