車載平臺(tái)集中控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與技術(shù)研究*

（中國(guó)電子科技網(wǎng)絡(luò)信息安全有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

近年來，國(guó)內(nèi)外各種自然災(zāi)害和突發(fā)事件頻繁發(fā)生，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急通信車輛和指揮控制類車輛的建設(shè)需求越來越被重視。應(yīng)用環(huán)境的特殊性對(duì)應(yīng)急通信指揮車輛的時(shí)域、空域生存與保障能力、機(jī)動(dòng)性與環(huán)境適應(yīng)性提出了越來越嚴(yán)格的要求。為滿足特種環(huán)境下的應(yīng)用需求，車輛不可或缺地需要上裝各類專用的加固車載綜合電源、發(fā)電機(jī)、升降機(jī)構(gòu)、倒伏機(jī)構(gòu)、調(diào)平機(jī)構(gòu)、空調(diào)以及音視頻系統(tǒng)等車載設(shè)備。隨著車輛上裝的設(shè)備越來越多，操作人員需要對(duì)所有車載設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控和操作的工作量和工作難度變得越來越大，也越來越復(fù)雜，對(duì)操作人員的人員數(shù)量和素質(zhì)要求也越來越高。這種背景下，用于簡(jiǎn)化人員操作、集中管理和控制車輛上裝設(shè)備的車輛集中控制系統(tǒng)的需求變得迫切。研究基于應(yīng)急通信車輛的集中控制模式，構(gòu)建多節(jié)點(diǎn)的車載平臺(tái)集中控制系統(tǒng)，對(duì)于簡(jiǎn)化車載設(shè)備操作、提高機(jī)動(dòng)任務(wù)執(zhí)行效率以及實(shí)現(xiàn)車載設(shè)備信息化管控意義重大。

區(qū)別于北美和歐洲已有的底層CAN 總線通信協(xié)議和在CAN 通信協(xié)議基礎(chǔ)上發(fā)展的專有大型貨車和公共機(jī)械車輛的設(shè)計(jì)的J1939 協(xié)議，應(yīng)急通信和指控車輛上裝設(shè)備的通信接口缺乏統(tǒng)一的頂層規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。車載設(shè)備接口種類繁多，涵蓋RS232、RS485、RS422、CAN 以及LAN 在內(nèi)的絕大部分通信接口類型，部分設(shè)備的控制接口甚至是0～5 V或0～10 V 的開關(guān)量或模擬量接口。即便采用了相同的通信接口類型和接線定義的車載設(shè)備，它的通信協(xié)議也會(huì)因?yàn)樵O(shè)備的類型不同甚至是供應(yīng)廠家不同而存在巨大區(qū)別。集中控制系統(tǒng)對(duì)所有車輛上裝設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)視和管控面臨幾個(gè)研究難題。

（1）缺乏頂層規(guī)范約束的條件下，車輛上裝設(shè)備通信接口種類多，定制性較高，集中控制系統(tǒng)需要和所有車載設(shè)備進(jìn)行通信，必須在協(xié)議上適配被控設(shè)備的通信協(xié)議和接口要求，會(huì)使集中控制系統(tǒng)本身的定制性提高。一旦不同車輛上裝設(shè)備不同或同一車輛上裝設(shè)備出現(xiàn)變更，集中控制系統(tǒng)就需要重新適配，難以保證系統(tǒng)的通用性。在被控設(shè)備可變的條件下，保證集中控制設(shè)備的通用性是集中控制系統(tǒng)的研究重點(diǎn)和設(shè)計(jì)難點(diǎn)。

（2）集中控制系統(tǒng)在正常工作過程中需要實(shí)現(xiàn)對(duì)所有車載設(shè)備的監(jiān)視和控制。為保證系統(tǒng)崩潰時(shí)設(shè)備能正常工作，被控設(shè)備本地一般仍會(huì)保留人機(jī)界面和控制接口。如何保證集中控制系統(tǒng)端與設(shè)備本地控制的協(xié)同性以及工作數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，是集中控制系統(tǒng)研制的第二個(gè)研究要點(diǎn)。

（3）集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)車載設(shè)備的集中監(jiān)視和控制，因此通信的安全性成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)。如何平衡集中控制的安全性與設(shè)備操作的便利性之間的沖突，是車輛集中控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)的另一個(gè)難點(diǎn)。

基于以上研究重點(diǎn)和難點(diǎn)，本文首先介紹車輛集中控制系統(tǒng)的基本組成，展示了典型的車輛集中控制系統(tǒng)的組織運(yùn)用方式，提出了一種能夠最大程度優(yōu)化集中控制系統(tǒng)和設(shè)備通用性的系統(tǒng)控制架構(gòu)規(guī)劃。在集中控制設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)過程中，通過選用高速CPU 和雙核協(xié)同工作的方式，最大限度地提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。在軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，通過將接口適配和數(shù)據(jù)分析等定制化較強(qiáng)的工作上移至軟件端，最大程度保留了集中控制設(shè)備硬件的通用性。最后，本文在總結(jié)中提出了集中控制系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化的改進(jìn)思路以及車輛上裝設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)和集中控制系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化的展望。

1 車輛集中控制系統(tǒng)組成

1.1 集中控制系統(tǒng)組成和組織運(yùn)用方式

典型的車輛集中控制系統(tǒng)由車載音視頻監(jiān)控系統(tǒng)、車載供配電系統(tǒng)、車載環(huán)境控制系統(tǒng)、任務(wù)輔助系統(tǒng)、車輛底盤信息系統(tǒng)以及車載任務(wù)系統(tǒng)幾個(gè)主要部分組成。其中，車載音視頻監(jiān)控系統(tǒng)包含車內(nèi)外監(jiān)控、周視攝像頭、倒車影像以及音視頻矩陣等主要設(shè)備組成；供配電系統(tǒng)包含車載發(fā)電機(jī)、車載綜合電源以及車載逆變器等設(shè)備；環(huán)境控制系統(tǒng)包含車載空調(diào)和燃油加熱器等；任務(wù)輔助系統(tǒng)包含升降機(jī)構(gòu)和倒伏機(jī)構(gòu)；車輛底盤信息系統(tǒng)主要是指底盤行車電腦。車輛集中控制設(shè)備以及安裝于車載計(jì)算機(jī)或服務(wù)器上的集中控制上位機(jī)軟件，是車輛集中控制系統(tǒng)的控制主體，向操作者提供統(tǒng)一的人機(jī)交互接口。各車載設(shè)備與集中控制設(shè)備之間按照規(guī)定的通信協(xié)議和接口進(jìn)行通信適配。典型的車輛集中系統(tǒng)組成和組織運(yùn)用方式如圖1 所示。

車載設(shè)備通過專有的通信接口和通信協(xié)議與集中控制設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)互聯(lián)通信。集中控制設(shè)備獲取到車載設(shè)備的控制權(quán)限和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)后，一方面可以通過集中控制設(shè)備本地的液晶觸摸界面向操作者提供第一路人機(jī)交互接口；另一方面，集中控制設(shè)備可以采用TCP/UDP 的方式，通過車載交換機(jī)與車載計(jì)算機(jī)/服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，在顯示器端以B/S 或C/S 的方式對(duì)車載設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視和控制，成為車輛集中控制系統(tǒng)的第二人機(jī)接口。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，典型的車載集中控制設(shè)備需要互聯(lián)通信和控制的設(shè)備以及接口類型如表1 所示。

圖1 車輛集中控制系統(tǒng)構(gòu)成

表1 車載設(shè)備通信接口類型列表

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)規(guī)劃

車載設(shè)備種類多，通信協(xié)議定制化程度高，致使集中控制設(shè)備與被控設(shè)備間的匹配要求較高。相對(duì)于采用調(diào)整硬件并調(diào)整底層驅(qū)動(dòng)的方式保證集中控制設(shè)備適應(yīng)性，采用上位機(jī)軟件進(jìn)行適配的投入更小，配置更靈活，適配成本和風(fēng)險(xiǎn)較低。解決集中控制系統(tǒng)的通用性問題，最首要的問題是解決集中控制設(shè)備硬件的通用性問題。為此，集中控制系統(tǒng)采用三層架構(gòu)進(jìn)行規(guī)劃和實(shí)現(xiàn)，如圖2 所示。

圖2 集中控制系統(tǒng)架構(gòu)

集中控制系統(tǒng)的設(shè)備實(shí)體層是指車載上裝設(shè)備，主要由車載發(fā)電機(jī)、綜合電源、空調(diào)以及升降桿等組成。設(shè)備實(shí)體層通過通用的通信接口和定義，運(yùn)行各設(shè)備私有的通信協(xié)議與集中控制設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

集中控制系統(tǒng)的接口適配層主要是指集中控制設(shè)備。為保障集中控制系統(tǒng)的通用性，集中控制設(shè)備的通用性和接口的冗余性需要優(yōu)先被保證。在保證接口數(shù)量滿足實(shí)際應(yīng)用需求的前提下，集中控制設(shè)備僅完成各通信接口的數(shù)據(jù)獲取和硬件管理，并通過特定的數(shù)據(jù)通信接口將所采集的數(shù)據(jù)上報(bào)至集中控制軟件進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、處理和顯示。新的設(shè)備接入集中控制系統(tǒng)時(shí)，僅需要匹配集中控制設(shè)備的通信接口類型和接口定義即可實(shí)現(xiàn)接口連通。通過《接口設(shè)計(jì)要求》約束基本數(shù)據(jù)幀和命令幀的幀頭、幀尾、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度以及大小端等通信格式要求，集中控制設(shè)備即可完成數(shù)據(jù)的上傳和命令的下發(fā)，以此實(shí)現(xiàn)車載集中控制設(shè)備的接口通用性。

集中控制系統(tǒng)處理控制層主要是指集中控制上位機(jī)軟件。軟件可通過用戶配置完成集中控制設(shè)備匯總后上傳數(shù)據(jù)的分析、識(shí)別、存儲(chǔ)和處理，以及用戶控制指令的下發(fā)。為提高系統(tǒng)的可安全性，集中控制設(shè)備和集中控制軟件之間避免采用藍(lán)牙、WiFi 等方式，而選用可靠性和安全性相對(duì)較高的有線通信進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。此外，數(shù)據(jù)通信保留加解密接口，必要情況下可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的加密傳輸。同時(shí)，應(yīng)用層為約束集中控制軟件的使用范圍和操作權(quán)限，集中控制軟件設(shè)置用戶登錄、系統(tǒng)配置、端口配置以及日志刪減等用戶管理權(quán)限。

2 集中控制設(shè)備硬件設(shè)計(jì)

2.1 嵌入式控制主板

綜合集中控制設(shè)備成本、提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性等因素，集中控制設(shè)備的主板采用兩片ST 公司高性能ARM-Cortex-M4 內(nèi)核芯片STM32F407 作為核心。該CPU 的外圍接口豐富，每片CPU 在無需外部接口擴(kuò)展芯片進(jìn)行接口擴(kuò)展的條件下，擁有2 路獨(dú)立的CAN 控制器、6 個(gè)UART/USART 接口和1 路10/100M 速率MAC 接口[1]。同時(shí)，該CPU 通過配置內(nèi)部PLL，最高可實(shí)現(xiàn)168 MHz 的高速系統(tǒng)時(shí)鐘[2]。

由于需要集中控制設(shè)備同時(shí)監(jiān)管的串口、CAN口設(shè)備較多，尤其串口通信波特率較低，CPU 即使采用中斷方式，分時(shí)間片處理數(shù)十個(gè)接口數(shù)據(jù)的方式也會(huì)比較消耗系統(tǒng)時(shí)間，造成系統(tǒng)響應(yīng)較慢或數(shù)據(jù)丟失當(dāng)前情況，影響系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。相對(duì)于普通串口，STM32F407 芯片自帶的SPI 接口速率非?？欤容^適合于片間高速通信。為充分利用CPU 資源，系統(tǒng)選用兩片CPU 分別作為主處理器和協(xié)處理器，分別處理通信速率相對(duì)較慢的設(shè)備通信接口任務(wù)。而主處理與協(xié)處理器之間通過42 MHz 的SPI 接口進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)交換。該方式可進(jìn)一步提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。主板硬件原理如圖3 所示。

圖3 嵌入式控制主板硬件

2.2 通信接口處理板

通信接口處理板的主要功能是在嵌入式控制主板的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)串口、CAN 口、LAN 口的接口拓展、電平轉(zhuǎn)換、接口ESD 防護(hù)等功能。

串口本身不具備總線特性，單個(gè)通信接口僅能接入單臺(tái)串口通信設(shè)備。嵌入式主板由于采用了雙核心進(jìn)行處理，兩片CPU 最多可擴(kuò)展出12 路串口。為保證集中控制設(shè)備的通用性，串口數(shù)量需要通過TI 公司的異步通信芯片TL16C554 進(jìn)行進(jìn)一步擴(kuò)展[3]。擴(kuò)展出的一部分串口通過MAX3491 實(shí)現(xiàn)RS422 接口的轉(zhuǎn)換，一部分串口通過MAX3485 實(shí)現(xiàn)RS485 接口的轉(zhuǎn)換，一部分串口通過MAX3232 實(shí)現(xiàn)RS232 接口的轉(zhuǎn)換。在同時(shí)考慮系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求、設(shè)備面板空間、集中控制設(shè)備通信接口冗余數(shù)量等關(guān)鍵因素的前提下，擴(kuò)展出足夠數(shù)量的串行通信接口。

CAN 口本身具備總線特性。嵌入式控制主板本身具備的4 路CAN 接口，每一路CAN 口通過TJ1040T 進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換和隔離后，直接與外部CAN接口設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[4]。一路接口用于發(fā)電機(jī)等專用設(shè)備的CAN 接口通信；一路接口用于與底盤信息系統(tǒng)之間的信息交互，讀取底盤轉(zhuǎn)速、車速等信息。保留兩路CAN 接口用于拓展。

與CAN 接口類似，LAN 口可通過交換機(jī)進(jìn)行物理端口的拓展。網(wǎng)口設(shè)備通過不同的IP 地址和端口號(hào)等與集中控制設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。在缺少外部交換機(jī)的情況下，集中控制設(shè)備內(nèi)置LAN 口擴(kuò)展芯片BCM53115M，將嵌入式控制主板的兩路LAN 口擴(kuò)展成6 路以太網(wǎng)接口，同時(shí)外接6 個(gè)以太網(wǎng)通信接口設(shè)備。通信接口處理板的硬件圖如圖4 所示。

圖4 通信接口處理板

2.3 模擬接口處理板

模擬接口處理板的主要功能是在嵌入式控制主板的GPIO 輸入輸出的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)開關(guān)量、模擬量的電平轉(zhuǎn)換和隔離輸入、輸出。

嵌入式控制主板的開關(guān)量輸出電平為TTL 電平，通過光電隔離和電平放大后，轉(zhuǎn)換為同邏輯的0～10 V 開關(guān)量輸出，與被控設(shè)備電平一致。被控設(shè)備的開關(guān)量輸出到集中控制設(shè)備，需要先經(jīng)過電平變換，后經(jīng)過光耦隔離并傳遞給嵌入式控制主板；嵌入式控制主板的數(shù)模轉(zhuǎn)換DAC 接口輸出0～3.3 V模擬電平，經(jīng)過OPA2227 兩級(jí)精密電壓放大后作為集中控制設(shè)備的模擬量輸出。集中控制設(shè)備模擬接口處理板電路如圖5 所示。

圖5 模擬接口處理板

3 集中控制軟件設(shè)計(jì)

3.1 嵌入式軟件設(shè)計(jì)

車輛集中控制設(shè)備主板采用以STM32F407 為核心的雙CPU 硬件架構(gòu)。嵌入式軟件的功能主要是實(shí)現(xiàn)集中控制設(shè)備主板對(duì)所有外設(shè)備接口的驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)獲取、命令下發(fā)、液晶觸摸屏的驅(qū)動(dòng)和控制等功能。

如圖6 所示，系統(tǒng)上電時(shí)，嵌入式軟件首先進(jìn)行系統(tǒng)時(shí)鐘、定時(shí)器、中斷以及中斷優(yōu)先級(jí)配置等初始化工作。系統(tǒng)在讀取到有上位機(jī)對(duì)端口的配置信息時(shí)，根據(jù)配置信息對(duì)外設(shè)端口進(jìn)行參數(shù)配置，初始化各端口的波特率、IP 地址、MAC 地址以及端口號(hào)等信息。初始化完成后，主CPU 和協(xié)CPU的嵌入式軟件進(jìn)入循環(huán)讀取通信接口數(shù)據(jù)并交互上報(bào)的流程。每個(gè)CPU 完成各自接口數(shù)據(jù)讀取，通過SPI 進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，并由主CPU 完成數(shù)據(jù)匯總和上傳。每個(gè)循環(huán)周期內(nèi)完成一次所有通信接口數(shù)據(jù)的讀取、一次SPI 主從數(shù)據(jù)交互、一次匯總數(shù)據(jù)并上報(bào)集中控制軟件的工作。另外，集中控制設(shè)備自帶的液晶觸摸屏驅(qū)動(dòng)分配由協(xié)CPU 進(jìn)行顯示驅(qū)動(dòng)和控制命令讀取。嵌入式軟件按照指定頻率更新液晶屏顯示信息[5]。集中控制設(shè)備液晶顯示的設(shè)備工作參數(shù)和上位機(jī)軟件端顯示的工作參數(shù)，以被控設(shè)備上報(bào)的參數(shù)為準(zhǔn)；集中控制上位機(jī)軟件的控制命令、集中控制設(shè)備本地觸摸屏的觸控命令和被控設(shè)備本地的控制命令優(yōu)先級(jí)，則是最后發(fā)的一次命令有效，保障系統(tǒng)控制的一致性。

圖6 嵌入式軟件設(shè)計(jì)

3.2 人機(jī)交互軟件設(shè)計(jì)

為保證集中控制設(shè)備的通用性，集中控制設(shè)備端僅完成接口驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)獲取等工作，而數(shù)據(jù)分析、告警和端口配置更改等任務(wù)全部由集中控制軟件完成。在完成數(shù)據(jù)顯示和用戶指令下發(fā)的同時(shí)，集中控制軟件端需要完成系統(tǒng)日志記錄的功能，實(shí)現(xiàn)集中控制系統(tǒng)運(yùn)行過程中歷史故障記錄和操作記錄的反查，提高系統(tǒng)的可維護(hù)性。集中控制人機(jī)交互軟件流程如圖7 所示。

圖7 人機(jī)交互軟件流程

4 結(jié)語(yǔ)

車輛集中控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，大幅提高了車載設(shè)備集中操作和監(jiān)控的便利性，提高了車輛智能化水平和任務(wù)執(zhí)行效率。由于車載設(shè)備通信接口和通信協(xié)議定制化程度較高的情況真實(shí)存在，為了盡可能提高集中控制系統(tǒng)的通用性和操作便利性，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)箱、標(biāo)準(zhǔn)化板卡和標(biāo)準(zhǔn)化接口進(jìn)行集中控制設(shè)備設(shè)計(jì)，使集中控制設(shè)備達(dá)到高通用性的要求，而將系統(tǒng)中各設(shè)備通信協(xié)議的定制性適配由集中控制設(shè)備上移至集中控制軟件端。實(shí)際使用過程中，僅需要根據(jù)上裝設(shè)備的數(shù)量、類型和通信協(xié)議配置集中控制軟件端的端口參數(shù)配置，即可實(shí)現(xiàn)集中顯示控制的功能。

在后續(xù)研究過程中，為了車載平臺(tái)類設(shè)備建立統(tǒng)一的通信協(xié)議和通信標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)各車載設(shè)備建立相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)，可進(jìn)一步對(duì)集中控制設(shè)備進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)，從而為車輛集中控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化打下基礎(chǔ)。