數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和GPS定位在冷藏機(jī)組控制器中的應(yīng)用

董亞楠，陳 龍，許海陽，張克廷，許欽濤，黃正旺

（豫新汽車熱管理科技有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453049）

隨著中國(guó)社會(huì)生活水平的提高、生活方式的轉(zhuǎn)變，國(guó)家對(duì)于人民生活的方方面面越來越重視特別是在食品和醫(yī)藥領(lǐng)域，因此要求在速凍食品、藥品以及疫苗等特殊物品進(jìn)行生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸時(shí)，需要全過程的冷凍、冷藏保鮮，以確保產(chǎn)品的品質(zhì)和安全。而在整個(gè)冷鏈保存過程中，冷藏車輛的運(yùn)輸存在著：貨物存儲(chǔ)溫度不可監(jiān)控，貨物運(yùn)輸路線、時(shí)間不明確，貨物超出要求存儲(chǔ)溫度時(shí)間不可追溯的運(yùn)輸行業(yè)固有的問題，這樣就有可能造成運(yùn)輸?shù)呢浳镆虼鎯?chǔ)溫度未能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)溫度造成易腐品的變質(zhì)從而給客戶用戶帶來經(jīng)濟(jì)損失、身體健康危害，存儲(chǔ)溫度波動(dòng)過大造成藥品及疫苗等特殊物品出現(xiàn)失效、產(chǎn)生有毒物質(zhì)有可能帶來的嚴(yán)重后果。鑒于此，本文將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和GPS定位功能應(yīng)用于車載冷藏機(jī)組控制器系統(tǒng)中，解決現(xiàn)有的車載冷藏機(jī)組控制器運(yùn)行信息不可追溯的問題。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和GPS定位模塊的功能

根據(jù)冷藏機(jī)組控制系統(tǒng)和冷藏機(jī)組控制器使用工況的要求，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和GPS定位模塊應(yīng)具有以下功能：①數(shù)據(jù)能夠直接存儲(chǔ)于USB閃存盤中方便使用；②存儲(chǔ)信息的格式方便用戶在PC端以EXCEL的格式查詢。

1.2 器件的選擇

1）主控芯片：選擇ATMEL公司生產(chǎn)的ATMEGA644PAAU，MCU作為系統(tǒng)控制節(jié)點(diǎn)和操作節(jié)點(diǎn)的中心處理器，其具有以下特點(diǎn)：①ATMEGA644PA-AU具有64KB系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash的高性能，低功耗8位微控制器，2.7～5.5V寬電壓工作，64KB字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，2KB字節(jié)EEPROM，4KB字節(jié)SRAM，32個(gè)通用I／O口線，32 x 8通用工作寄存器+外設(shè)控制寄存器，16 MHz時(shí)可達(dá)16 MIPS吞吐量，用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程。②3個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器，片內(nèi)／外中斷，2路可編程串行USART。③8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益的ADC，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，一個(gè)SPI串行端口。ATMEGA644PA-AU微處理器MCU負(fù)責(zé)了整個(gè)空調(diào)控制系統(tǒng)的控制程序的控制和輸入輸出［1］。

2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)芯片：由于在PC端查詢數(shù)據(jù)只查詢FAT32或者FAT16格式的文件，而使用MCU編程來建立FAT32格式的文件需要占據(jù)大量FLASH的存儲(chǔ)空間，造成MCU選型時(shí)的浪費(fèi)。因此在控制器系統(tǒng)中選用CH376T U盤和SD卡文件管理芯片作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的控制芯片，其具有以下特點(diǎn)：①CH376支持 USB設(shè)備方式和 USB主機(jī)方式，并且內(nèi)置了USB通信協(xié)議的基本固件，內(nèi)置了處理Mass-Storage海量存儲(chǔ)設(shè)備的專用通信協(xié)議的固件，內(nèi)置了FAT16和FAT32以及FAT12文件系統(tǒng)的管理固件，支持常用的 USB存儲(chǔ)設(shè)備（包括U盤／USB、硬盤／USB、閃存盤／USB讀卡器）。②支持1.5Mbps低速和 12Mb／s全速USB通信，兼容USBV2.0，外圍元器件只需要晶體和電容。③自動(dòng)檢測(cè) USB設(shè)備的連接和斷開，提供設(shè)備連接和斷開的事件通知。④內(nèi)置 USB控制傳輸?shù)膮f(xié)議處理器，簡(jiǎn)化常用的控制傳輸。⑤內(nèi)置固件處理海量存儲(chǔ)設(shè)備的專用通信協(xié)議，支持 Bulk-Only傳輸協(xié)議和 SCSI、UFI、RBC或等效命令集的 USB存儲(chǔ)設(shè)備。⑥內(nèi)置FAT16和FAT32以及FAT12文件系統(tǒng)的管理固件，支持容量高達(dá)32GB的U盤。

3）GPS定位芯片：選擇U-BLOX公司生產(chǎn)的NEO-6Q為GPS定位芯片，其具有以下特點(diǎn)：①接收特性：50通道、GPS L1頻率、C／A碼、SBAS：WAAS，EGNOS，MSAS。②定位精度：GPS為2.5m、SBAS為2.0m、SBAS+PPP7＜1m（2D，R50）、SBAS+PPP7＜1m （3D，R50）。③捕捉靈敏度：-162dBm。④定位時(shí)間：冷啟動(dòng)：≤26s、溫啟動(dòng)：≤26s、熱啟動(dòng)：≤1s。⑤最大導(dǎo)航更新率：≤5Hz。⑥速度精度：≤0.1m／s。⑦航向精度：≤0.5°。⑧使用溫度：-40℃至85℃。⑨通信形式：UASRT異步串口通信、USB2.0通信支持速度12Mbit／s、SPI通信。

2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.1 硬件部分

2.1.1 CH376T應(yīng)用電路

本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路由CH376T和其必要的外圍電路組成，芯片CH376T可以直接與MCU和USB接口相連接，可以簡(jiǎn)化硬件電路的設(shè)計(jì)提高其抗干擾能力，其硬件電路原理圖如圖1所示。其中①C7、R3構(gòu)成了CH376T的上電復(fù)位電路。②C9為CH376T使用5V系統(tǒng)時(shí)的退耦電容。③C3、C4為CH376T的主電源退耦電容。④Y1、C5、C6組成CH376T的時(shí)鐘電路，為其系統(tǒng)提供工作時(shí)鐘。⑤Q1、R1、R2、C1、C2構(gòu)成了CH376T和USB插座供電控制，由于CH376T芯片在U盤進(jìn)行熱插拔時(shí)，會(huì)出現(xiàn)CH376T系統(tǒng)U盤初始化錯(cuò)誤，通過USART通信中的復(fù)位命令和使用CH376T的RSTI復(fù)位引腳進(jìn)行復(fù)位，都不能解決U盤初始化的問題，不能正常的讀寫U盤，因此只能使用Q1 PNP三極管對(duì)CH376T和USB的5V端進(jìn)行控制，來實(shí)現(xiàn)當(dāng)熱插拔U盤帶來的無法初始化的問題。其中Q1為PNP型三極管用于控制CH376T和U盤供電。R1為Q1三極管的基極限流電阻。R2為Q1基極上拉電阻用于穩(wěn)定系統(tǒng)上電時(shí)的Q1三極管基極電平，防止出現(xiàn)Q1在MCU上電時(shí)的瞬間I／O口電平不確定而帶來的風(fēng)險(xiǎn)。C1和C2為濾波退耦電容，用于穩(wěn)定輸入CH376和U盤5V電壓。⑥R5電阻為U盤的限流電阻防止U盤損壞，短路而可能造成整個(gè)控制器損壞或者DC-DC電源電路短路保護(hù)影響冷藏運(yùn)輸?shù)氖褂?。C8為U盤的退耦電容用于穩(wěn)定U盤的使用電壓，防止U盤熱插拔時(shí)供電系統(tǒng)瞬間的使用電流增大而造成控制器系統(tǒng)電壓的不穩(wěn)定。⑦R4為CH376T芯片片選接口，用于選擇CH376T工作于哪種通信模式下，接高電平時(shí)選擇USART通信。⑧其USART通信TXD、RXD接口與ATMEGA644PA-AU的PD2、PD3相連接、Q1三極管的基極由PC7端口控制［2］。

圖1 CH376T硬件電路原理圖

2.1.2 NEO-6Q應(yīng)用電路

本文設(shè)計(jì)的GPS定位電路由NEO-6Q和其外圍電路組成，其硬件電路原理圖如圖2所示。

其中R6為天線的阻抗匹配電阻，L1為增加天線的物理長(zhǎng)度，C10為退耦電容。

2.2 軟件部分

2.2.1 CH376T軟件設(shè)計(jì)

圖2 NEO-6Q硬件電路原理圖 ［3］

本文中采用CH376T U盤及SD卡文件管理芯片進(jìn)行U盤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，其可以在U盤內(nèi)建立txt、doc、xls、csv格式的文件，在存儲(chǔ)文件類型上，txt和doc格式的文件其中存入的數(shù)據(jù)，不能以表格的形式展現(xiàn)，不利于用戶的數(shù)據(jù)的查詢和管理。xls格式的文件在程序書寫上較為復(fù)雜，不適用于MCU的系統(tǒng)中，因此本文選用的是逗號(hào)分隔符csv格式的文件，其可以用Excel表格的格式展開方便用戶管理和查詢。在程序書寫上只需要將各個(gè)不同的數(shù)據(jù)使用逗號(hào)和雙引號(hào)分開，就可以將不同的數(shù)據(jù)分別展現(xiàn)在不同的表格的格中，簡(jiǎn)化了程序的書寫難度，有利于較少使用MCU中的FLASH［4］。例如：本文中的程序中SIM900A_Send_str（strlen（" "日期"，"時(shí)間"，"箱體溫度¨"，"除霜溫度"，"出風(fēng)口溫度¨"，" 系統(tǒng)電壓"，" 系統(tǒng)壓力"，" 設(shè)定溫度¨"，"），" " 日期"，"時(shí)間"，"箱體溫度¨"，"除霜溫度¨"，"出風(fēng)口溫度¨"，"系統(tǒng)電壓"，"系統(tǒng)壓力"，"設(shè)定溫度"，"）。其中使用strlen庫(kù)函數(shù)計(jì)算輸入的字符串的長(zhǎng)度。其程序流程圖如圖3所示［5］。在CH376T的控制上使用ATMEGA644PA-AU中的USART1異步串口通信方式進(jìn)行，按照其要求的串口通信的操作規(guī)范進(jìn)行，其串口初始化程序如圖4所示。

圖3 CH376T程序流程圖 ［6］

圖4 USART1串口初始化程序圖

2.2.2 NEO-6Q軟件設(shè)計(jì)

本文中采用的GPS定位芯片為U-BLOX公司的NEO-6Q的芯片，在硬件電路中選用的通信方式為異步串口通信，通信波特率為9600b／s。NEO-6Q芯片采用的通信協(xié)議為NMEA 0183是美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì) （National Marine Electronics Association）為海用電子設(shè)備制定的標(biāo)準(zhǔn)格式，目前已成了GPS導(dǎo)航設(shè)備統(tǒng)一的RTCM （Radio Technical Commission for Maritime services）標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。其通信的幀格式要求為：采用ASCII碼，其串行通信默認(rèn)參數(shù)為：波特率=9600b／s；數(shù)據(jù)位=8bit；開始位=1bit；停止位=1bit；無奇偶校驗(yàn)位［7-8］。

本文中采用NMEA 0183協(xié)議中的$GPGGA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG的語句來讀取GPS的定位信息，其中通過$GPRMC獲取UTC時(shí)間、定位狀態(tài)、經(jīng)緯度，$GPGGA獲取定位衛(wèi)星個(gè)數(shù)，$GPVTG獲取運(yùn)行速度 （km／h），$GPGSV獲取信噪比信息。通過ATMEGA644PA-AU單片機(jī)中USART0的異步串口實(shí)現(xiàn)通信。其程序流程圖如圖5所示，串口初始化程序如圖6所示。

圖5 NEO-6Q程序流程圖［9］

圖6 USART0串口初始化程序圖

3 功能測(cè)試

本文采用實(shí)際車輛運(yùn)行測(cè)試的方式來確認(rèn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和GPS定位功能在車載冷藏機(jī)組控制器中的功能是否實(shí)現(xiàn)和其運(yùn)行的可靠性。測(cè)試使用的控制器如圖7所示，圖中控制器的液晶顯示屏的第一行用于顯示系統(tǒng)的各個(gè)溫度點(diǎn)溫度、電壓、系統(tǒng)功能設(shè)定、GPS信息 （時(shí)間、經(jīng)度、緯度）、系統(tǒng)故障信息，第二行用于顯示制冷、制熱圖標(biāo)、蒸發(fā)風(fēng)扇圖標(biāo)、定位衛(wèi)星個(gè)數(shù)、車輛運(yùn)行速度信息、USB閃存盤運(yùn)行存儲(chǔ)圖標(biāo)。

測(cè)試地點(diǎn)從河南省新鄉(xiāng)市起至江蘇省鹽城市止，全程約843km途經(jīng)多個(gè)省市。本次測(cè)試數(shù)據(jù)記錄間隔1min，其車輛運(yùn)行圖如圖8所示。部分測(cè)試數(shù)據(jù)如圖9所示。

圖7 控制器局部硬件圖

圖8 測(cè)試運(yùn)行圖

通過實(shí)車運(yùn)行的測(cè)試整個(gè)控制功能運(yùn)行正常、可靠達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，能夠滿足冷藏機(jī)組實(shí)際要求的需要。

4 結(jié)語

本文將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和GPS定位的功能引進(jìn)車載冷藏機(jī)組控制器系統(tǒng)中，在保證冷藏機(jī)組控制器正常制冷功能的前提下，增加了歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)的查詢，能夠有效地保證客戶對(duì)貨物品質(zhì)的監(jiān)控，提高貨物安全系數(shù)，對(duì)以后的車載冷藏機(jī)組控制器的開發(fā)、優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。

圖9 部分測(cè)試數(shù)據(jù)圖