基于ARM的商用車信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張　毅，許　勇

（桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004）

基于ARM的商用車信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張毅，許勇

（桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004）

針對(duì)傳統(tǒng)商用車車載終端信息顯示不足、車輛數(shù)據(jù)提取困難的現(xiàn)狀,設(shè)計(jì)了一款以S5PV210為主控制器的商用車信息系統(tǒng)。系統(tǒng)通過CAN總線網(wǎng)絡(luò)采集車輛數(shù)據(jù)并根據(jù)J1939協(xié)議進(jìn)行解析，在車載終端即時(shí)顯示并利用3G網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。設(shè)計(jì)了將STM32作為控制器的擴(kuò)展卡，利用加速度傳感器和 RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)駕駛員身份識(shí)別及事故自動(dòng)報(bào)警功能。整個(gè)系統(tǒng)具有簡潔的用戶界面，軟硬件易于擴(kuò)展，可滿足多樣化需求。

車載系統(tǒng)；CAN總線；J1939協(xié)議；遠(yuǎn)程監(jiān)控

0　引言

隨著汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展，車載傳感器和電子控制單元（ECU）大量增加，汽車逐漸走上了智能化的道路。為了解決眾多車載ECU和傳感器之間的數(shù)據(jù)交換，CAN網(wǎng)絡(luò)總線在汽車中得到了廣泛應(yīng)用。車載信息終端作為CAN網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛數(shù)據(jù)的處理、顯示和存儲(chǔ)[1-2]。

目前國內(nèi)主流的車載終端，車載儀表只能顯示少量必要的車輛信息，而車載屏幕又以導(dǎo)航和娛樂為主，使得車輛傳感器和ECU產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)只有通過外接的專業(yè)分析儀器才能讀取解析，無法即時(shí)地在車載終端顯示，更不能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)監(jiān)控；并且由于傳統(tǒng)車載終端的封閉性，很難根據(jù)個(gè)性化需求進(jìn)行二次開發(fā)。

針對(duì)商用車車載終端所遇到的問題，基于ARM處理器和 Linux系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一套具有開放的系統(tǒng)平臺(tái)，良好的交互體驗(yàn)，滿足多樣化需求的車載信息系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車輛數(shù)據(jù)的即時(shí)處理、顯示和遠(yuǎn)程監(jiān)控，并打破了原有系統(tǒng)的封閉性，能夠按照自己的需求選擇性安裝模塊，擴(kuò)展了系統(tǒng)的功能應(yīng)用。

1　功能設(shè)計(jì)

車載信息系統(tǒng)在硬件上分為車載信息終端和擴(kuò)展卡兩大部分。車載信息終端以 Cortext-A8處理器為核心，在實(shí)現(xiàn)車輛導(dǎo)航、多媒體娛樂、3G數(shù)據(jù)連接等通用功能的技術(shù)上，使用SAE J1939協(xié)議對(duì)CAN報(bào)文進(jìn)行解析、存儲(chǔ)并上傳至服務(wù)器端[3]。擴(kuò)展卡針對(duì)多在人煙稀少地區(qū)長時(shí)間行駛的商用車，駕駛員可能因長時(shí)間駕駛出現(xiàn)疲勞，若出現(xiàn)事故無法及時(shí)報(bào)警的情況，以 STM32芯片為核心，實(shí)現(xiàn)了對(duì)駕駛員身份信息識(shí)別、長時(shí)間疲勞駕駛行為警告、事故自動(dòng)報(bào)警等功能。用戶可以根據(jù)自己不同的需求，選擇滿足要求的擴(kuò)展卡，使車載信息系統(tǒng)有豐富的擴(kuò)展性。

2　硬件設(shè)計(jì)

2.1控制器硬件設(shè)計(jì)

車載信息終端為實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)流暢運(yùn)行、車輛信息采集、人機(jī)交互等功能，對(duì)主控制器提出了較高要求，系統(tǒng)采用 Samsung公司推出的 32位 RISC微處理器S5PV210作為主控制器。S5PV210使用ARM Cortext-A8內(nèi)核，主頻最高可達(dá)1 GHz，核心板外接 1 GB的 DDR2SDRAM內(nèi)存和1 GB的Nand flash存儲(chǔ)器，可以保證嵌入式Linux系統(tǒng)的流暢運(yùn)行。處理器S5PV210內(nèi)含液晶接口，外接一個(gè)7寸液晶觸摸顯示屏，實(shí)現(xiàn)信息顯示、人機(jī)交互。S5PV210內(nèi)部沒有CAN控制器，需要通過 SPI接口連接獨(dú)立CAN控制器作為車身CAN總線網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)全車信息傳輸與共享。

擴(kuò)展卡采用ST公司推出的STM32F4系列單片機(jī)為控制器[4]，搭載ARM Cortext-M4內(nèi)核，采用Thumb2指令集，具有外設(shè)豐富、性價(jià)比高、功耗低的特點(diǎn)，通過 IIC接口連接加速度傳感器，測量車輛的加速度，通過SPI接口連接RFID讀卡器。系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)框圖

2.2CAN通信模塊

MCP2510是一款由Microchip Technology公司生產(chǎn)的獨(dú)立CAN控制器，支持CAN技術(shù)規(guī)范V2.0A/B，能夠收發(fā)標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀CAN數(shù)據(jù)報(bào)文，擁有SPI接口實(shí)現(xiàn)與主控制器的數(shù)據(jù)傳輸。MCP2510內(nèi)部含有3個(gè)發(fā)送緩沖器、2個(gè)接收緩沖器，并可對(duì)優(yōu)先權(quán)進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)具有靈活的中斷管理能力[5]。

CAN總線驅(qū)動(dòng)器以芯片PCA82C250為核心，具有優(yōu)秀的電磁兼容性，為總線提供差分傳送功能，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在總線上的差分傳送，提高系統(tǒng)的抗噪聲干擾能力。MCP2510外圍電路如圖2所示。

2.33G通信模塊

3G無線通信模塊采用性價(jià)比較高的MG3732，支持WCDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)，具有語音、短信、3G數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)功能，下行峰值數(shù)據(jù)速率可達(dá) 3.6 Mb/s，上行峰值數(shù)據(jù)速率可達(dá)384 kb/s,可以滿足車載終端與服務(wù)器端的通信要求。

2.4RFID讀卡器

模塊采用NXP公司的推出的13.56 MHz非接觸式讀寫卡芯片RC522，具有成本低、體積小的特點(diǎn)，支持ISO14443A的多層應(yīng)用，其內(nèi)部發(fā)送器可驅(qū)動(dòng)讀寫器天線與智能卡的通信，不需要其他電路。接收機(jī)部分提供了功能強(qiáng)大和高效的調(diào)解和譯碼電路[6]。芯片支持常用的SPI接口和UART接口，方便與控制器通信。

2.5加速度傳感器模塊

加速度模塊使用ADI公司的ADXL345三軸、數(shù)字輸出加速度傳感器芯片，基于iMEMS技術(shù)，具有超低功耗、可變量程、高分辨率等特點(diǎn)，測量范圍最高可達(dá)±16 gn(gn為地球重力加速度，通常取 9.8 m/s2)，分辨率達(dá) 13 bit，不僅可以用來檢測靜態(tài)的傾角狀態(tài)，而且可以檢測運(yùn)動(dòng)時(shí)的碰撞加速度。芯片可直接將測量結(jié)果轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，通過 SPI或I2C總線輸出，并支持偏置校正[7]。

3　軟件設(shè)計(jì)

3.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在 PC平臺(tái)的開發(fā)環(huán)境為 VMware Workstation10.0+Ubuntu14.06，在ARM平臺(tái)上移植嵌入式Linux系統(tǒng)與Qt圖形用戶界面應(yīng)用程序開發(fā)框架，運(yùn)用Qt Creator4.0進(jìn)行UI界面設(shè)計(jì)。Qt提供了非常高效、靈活的開發(fā)框架，使用信號(hào)與槽機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)象間的通信[8]。當(dāng)車載終端上電，系統(tǒng)引導(dǎo)程序 u-boot運(yùn)行并調(diào)用Linux內(nèi)核啟動(dòng)，啟動(dòng)成功后操作系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用Qt程序，進(jìn)入主界面。

3.2CAN報(bào)文的解析

3.2.1SAE J1939協(xié)議介紹

SAE J1939是美國汽車工程師協(xié)會(huì)(SAE)以CAN2.0B規(guī)范為基礎(chǔ)制定的車輛多層通信協(xié)議，以支持車輛CAN節(jié)點(diǎn)之間的通信。該協(xié)議在商用車中得到廣泛應(yīng)用，速率設(shè)定為250 kb/s。它在CAN2.0B的基礎(chǔ)上定義了數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)管理層，使CAN網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)異性能更大程度地發(fā)揮。

數(shù)據(jù)鏈路層定義了信息幀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和編碼規(guī)則，包括通信優(yōu)先權(quán)、傳輸方式、通信要求、總線仲裁等，它負(fù)責(zé)將CAN擴(kuò)展幀的29位標(biāo)識(shí)符重新分組定義,使報(bào)文的標(biāo)識(shí)符能夠描述報(bào)文的全部特征[9]。J1939幀與CAN擴(kuò)展幀格式對(duì)照表如表1所示。SAEJ1939協(xié)議在應(yīng)用層規(guī)定了車輛控制與通信用到的各種參數(shù)，包括信號(hào)的可疑參數(shù)編號(hào)（SPN）和參數(shù)組編號(hào)（PGN）。常用參數(shù)信息如表2所示。

3.2.2解析報(bào)文

當(dāng)通過CAN網(wǎng)絡(luò)接收到CAN擴(kuò)展幀報(bào)文，根據(jù)表1中 J1939幀與CAN擴(kuò)展幀的對(duì)應(yīng)關(guān)系提取 PGN的值，PGN=R+DP+PF+PS，其中R為保留位，DP為數(shù)據(jù)頁，PF為協(xié)議數(shù)據(jù)單位，PS為特定協(xié)議數(shù)據(jù)單元。得到PGN的值后，在表2中查找PGN中所包含的參數(shù)及位置，獲取參數(shù)的數(shù)值，根據(jù)分辨率進(jìn)行計(jì)算，得到物理值。

表1　J1939幀與CAN擴(kuò)展幀格式對(duì)照

表2　常用參數(shù)PGN與SPN數(shù)據(jù)表

3.3擴(kuò)展卡程序設(shè)計(jì)

當(dāng)選擇開啟擴(kuò)展功能，擴(kuò)展卡上電啟動(dòng)，STM32需要先配置 SPI接口以實(shí)現(xiàn)與 RFID讀卡模塊的通信，配置 IIC接口以實(shí)現(xiàn)與 ADXL加速度傳感器模塊的通信。程序流程如圖3所示。

圖3　擴(kuò)展卡程序設(shè)計(jì)流程圖

ADXL345芯片上電之后，需要延時(shí) 1.1 ms，然后對(duì)寄存器進(jìn)行初始化配置，分別設(shè)置量程為 16 g，13位全分辨率輸出，數(shù)據(jù)輸出速率為200 Hz。為了減少車輛震動(dòng)對(duì)測試結(jié)果的影響，對(duì)連續(xù)的5個(gè)測量數(shù)據(jù)取平均值與門限值進(jìn)行比較。當(dāng)檢測到加速度數(shù)據(jù)超過了設(shè)置的門限值，就認(rèn)為發(fā)生了碰撞事故，觸發(fā)中斷信號(hào)，車載終端接收到中斷信號(hào)后會(huì)通過3G網(wǎng)絡(luò)發(fā)出報(bào)警信號(hào)通知遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

RFID讀卡模塊需要讀取駕駛員攜帶的智能卡 ID進(jìn)行身份識(shí)別。模塊運(yùn)行時(shí)會(huì)一直進(jìn)行尋卡操作，判斷天線范圍內(nèi)是否有智能卡。當(dāng)檢測到智能卡后需要進(jìn)行防沖撞處理，選卡和驗(yàn)證卡片，驗(yàn)證通過后讀取智能卡的ID號(hào)。讀取到的ID號(hào)在車載終端的駕駛員信息數(shù)據(jù)庫中查詢，顯示記錄駕駛員信息。

3.4遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程服務(wù)器端軟件選擇LabVIEW作為開發(fā)工具，使用圖形化編程語言編寫程序，可用來方便快捷地創(chuàng)建用戶界面。在界面中使用百度地圖靜態(tài)圖 API植入百度地圖，可以直觀地監(jiān)測車輛位置。百度地圖靜態(tài)圖API可實(shí)現(xiàn)將百度地圖以圖片形式嵌入到網(wǎng)頁中。服務(wù)地址：http://api.map.baidu.com/staticimage/v。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)界面如圖4所示。

圖4　遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)界面

4　系統(tǒng)功能測試

CAN總線系統(tǒng)使用CAN分析儀CANalyst-II搭建的模擬車輛 CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測試，CAN分析儀根據(jù)J1939協(xié)議設(shè)置多種CAN報(bào)文的幀ID和數(shù)據(jù)域，500 ms為周期循環(huán)發(fā)送來模擬商用車的CAN節(jié)點(diǎn)發(fā)送車輛信息，如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、基于車輪的車速、平均燃油經(jīng)濟(jì)性[10]。通過模擬的車身CAN總線網(wǎng)絡(luò)，車載終端的CAN節(jié)點(diǎn)成功讀取到了CAN報(bào)文并根據(jù)J1939協(xié)議解析出車輛信息，在車載終端顯示并通過3G網(wǎng)絡(luò)在遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)成功接收到車輛的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)。

事故自動(dòng)報(bào)警功能通過飛思卡爾智能車模型搭載的測試平臺(tái)進(jìn)行測試，由于汽車模型較小，擴(kuò)展卡作為一個(gè)獨(dú)立的模塊單獨(dú)進(jìn)行測試，把擴(kuò)展卡固定在智能車上，使用小車電池通過電壓轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為 3.3 V給擴(kuò)展卡供電，當(dāng)有警報(bào)時(shí)，用LED閃爍指示。為了減小測試實(shí)驗(yàn)的破壞性，設(shè)置自動(dòng)報(bào)警加速度門限值為 1 g。用無線遙控器控制小車進(jìn)行模擬碰撞實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過多次模擬實(shí)驗(yàn)，都自動(dòng)觸發(fā)了報(bào)警；在沒有碰撞的情況下，沒有發(fā)生誤報(bào)警。

5　結(jié)束語

車載信息系統(tǒng)基于ARM處理器，分別進(jìn)行了車載終端與擴(kuò)展卡的設(shè)計(jì)。以J1939協(xié)議為核心，通過對(duì)車載CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理與解析，使車載終端與遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)都能夠即時(shí)獲取車輛信息；并針對(duì)商用車提供了駕駛員身份識(shí)別、事故自動(dòng)報(bào)警等功能；通過軟硬件設(shè)計(jì)，把車載信息系統(tǒng)的通用功能與個(gè)性需求分模塊實(shí)現(xiàn)，具有了豐富的多樣性與擴(kuò)展性，為商用車車載信息系統(tǒng)提供了一種新的解決方案。

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Design of commercial vehicle information system based on ARM

Zhang Yi，Xu Yong
（School of Electronic Engineering and Automation，Guilin University of Electronic Technology，Guilin 541004，China）

Due to the situation that traditional commercial vehicle terminal information is displaying is insufficient and vehicle data extraction is difficult,a system is designed based on S5PV210 controller.Vehicle data collected via CAN bus network and resolved using J1939 protocol and it can display in car terminal and achieve remote monitoring system by 3G network.An expansion card is designed based on STM32 controller to achieve the driver identification,accident automatic alarm function using the acceleration sensor and RFID technology.The whole system has simple user interface，hardware and software are easy to expand to meet the diverse needs.

vehicle system；CAN bus；J1939 protocol；remote monitoring

TP277

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.05.016

2016-01-08)

張毅（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向：汽車電子技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)等。

許勇（1955-），男，教授，主要研究方向：汽車電子技術(shù)、工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)等。

中文引用格式：張毅，許勇.基于 ARM的商用車信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(5)：57-59，67.

英文引用格式：Zhang Yi，Xu Yong.Design of commercial vehicle information systems based on ARM[J].Application of Electronic Technique，2016，42(5)：57-59，67.