T-BOX車載網(wǎng)聯(lián)終端設(shè)計

吳紀鐸,劉愛松，趙夢海

(聯(lián)創(chuàng)汽車電子有限公司，上海 201206)

0 引言

Telematics BOX(T-BOX)是車輛智能網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)中重要的組成部件。T-BOX主要與控制器局域網(wǎng)(controller area network，CAN)總線、車機、車載信息服務(wù)提供商(telematics service provider，TSP)進行交互，實現(xiàn)車輛智能網(wǎng)聯(lián)的關(guān)鍵功能:①與CAN總線交互。T-BOX通過CAN總線采集車輛控制器的報文并進行解析處理，提取出一些車輛的重要信號及參數(shù)信息；此外，T-BOX接收到的一些指令可被轉(zhuǎn)成相應(yīng)的CAN報文，這些報文通過CAN總線完成對車輛的控制。②與車機進行交互。T-BOX可為車機提供GPS服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等幫助車機實現(xiàn)導(dǎo)航與上網(wǎng)功能。③與TSP進行交互。T-BOX將收集、解析的信號按照規(guī)定的傳輸協(xié)議組包、加密、壓縮處理等，通過無線傳輸技術(shù)發(fā)送至TSP端，TSP端可解析車輛的數(shù)據(jù)并反饋至用戶的手機APP端。另外，TSP端下發(fā)的一些車控指令可通過T-BOX轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的報文完成對車輛的控制，如遠程鎖車、遠程座椅加熱、遠程關(guān)閉發(fā)動機等。

文中基于瑞薩RH850微控制器、TI CC2640R2F藍牙微控制器、高通MDM9628 4G模組微處理器設(shè)計了一款T-BOX車載終端，并對該終端的軟、硬件進行了開發(fā)設(shè)計。實車試驗驗證表明，該T-BOX終端可準確采集、傳輸車輛信息至TSP，TSP也可通過下發(fā)遠程指令至T-BOX終端對車輛進行有效、可靠控制。

1 T-BOX終端整體設(shè)計

文中設(shè)計的T-BOX車載終端主要包含MCU模塊、MPU模塊及藍牙模塊3個模塊，T-BOX終端總體設(shè)計如圖1所示。

圖1 T-BOX終端總體設(shè)計

T-BOX車載終端MCU模塊通過CAN總線技術(shù)與車輛建立通信，MCU CAN模塊連接車輛的總線，將車輛控制器中的CAN報文采集至MCU，MCU再將收集到的車輛控制器報文解析、組包，通過UART(universal asynchronous receiver/transmitter)分發(fā)至MPU模塊。MPU模塊主要完成GPS定位、無線通信等功能，將采集到的GPS信息與MCU發(fā)送的車輛信息按協(xié)議組包后，利用數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)壓縮等技術(shù)通過LTE無線通信發(fā)送至TSP，TSP平臺將收集到的車輛信息進行解密、解析后發(fā)送至用戶的手機APP。MPU模塊同樣可以提供語音服務(wù)，當(dāng)車輛發(fā)生故障時可以通過語音服務(wù)聯(lián)系道路救援機構(gòu)申請道路救援等。當(dāng)用戶想主動查詢車輛狀態(tài)以及實施遠程車輛控制時，可以通過手機APP發(fā)送指令至TSP，TSP將指令按空中協(xié)議組包后發(fā)送至T-BOX終端，T-BOX的MPU模塊解析指令并將指令通過UART發(fā)送至MCU模塊，MCU模塊最終將指令轉(zhuǎn)成相應(yīng)的CAN報文與車輛完成交互。T-BOX的藍牙模塊也可通過藍牙無線通信技術(shù)與用戶手機APP進行交互，可完成藍牙鑰匙管理、藍牙設(shè)備鑒權(quán)、藍牙車輛控制等功能。

2 T-BOX終端硬件設(shè)計

2.1 MCU硬件設(shè)計

MCU模塊以瑞薩公司的RH850芯片作為核心芯片，該芯片具有功耗低、兼容性高等優(yōu)勢。RH850芯片集成了豐富的片上資源，Code Flash容量達到1 M，Data Flash容量達到32 kB，RAM達到128 kB，最高可配置6路CAN控制器；此外，包含13個外部中斷，2路看門狗定時器等。T-BOX MCU模塊硬件設(shè)計如圖2所示。

圖2 T-BOX MCU模塊硬件設(shè)計

外部開關(guān)信號輸入包含4路，分別代表icall信號、ecall信號、點火信號以及靜音信號。其中，icall信號、ecall信號為低電平有效；點火信號為高電平有效。當(dāng)車輛的點火鑰匙旋入到ON時，點火開關(guān)閉合，輸入高電平。

模擬/數(shù)字信號輸入有15路，主要包含1路40 PIN連接器輸入、2路充電電源輸入、5路音頻檢測輸入、3路MPU模塊輸入以及4路天線檢測輸入。

充電電池控制接口主要控制T-BOX電池的充電開、關(guān)，在車輛發(fā)動機啟動時開始對電池充電，當(dāng)電池溫度過高(高于60 ℃)或者溫度過低(低于-10 ℃)時停止對電池充電。

看門狗模塊主要包括看門狗使能信號配置、喂狗信號配置、供電使能信號配置以及MCU復(fù)位信號配置。其中，看門狗使能信號為低電平有效；正常工作時，喂狗信號脈沖最小值為0.06 ms，看門狗使能后800 ms內(nèi)需有脈沖信號，之后需在50～100 ms內(nèi)有脈沖信號；供電使能信號在高電平時給看門狗進行供電；MCU復(fù)位信號在低電平時有效。

MCU通過I2C接口與三軸加速度傳感器SMA131相連，傳感器向MCU輸入時鐘信號、數(shù)據(jù)信號以及中斷信號。

MCU共包含3路CAN收發(fā)，CAN收發(fā)器選擇型號為TLE7251VSJ。

MCU通過GPIO口控制SKYA21003射頻開關(guān)的切換，SKYA21003可以對T-BOX的內(nèi)置天線和外置天線進行切換。

MCU通過GPIO口控制三極管開關(guān)來檢測電路的使能，當(dāng)需要檢測時打開使能，不需要時關(guān)閉使能，以減小功耗。T-BOX進入低功耗模式時，需要關(guān)閉USB檢測使能、BOOST使能、電平轉(zhuǎn)換供電、電池充電電源、GPS天線供電。

2.2 MPU硬件設(shè)計

MPU模塊以高通MDM9628芯片為核心，該模塊支持LTE/WCDMA/TD-SCDMA/CDMA/GSM/CDMA多個頻段無線通信，還可提供GNSS(Global Navigation Satellite System)服務(wù)以及語音通話功能。MPU模塊存儲資源與接口資源豐富，擁有256 M的RAM以及512 M的ROM；包含1路USB接口、3路UART接口、1路Audio接口、1路I2C接口等。T-BOX MPU模塊硬件設(shè)計如圖3所示。

圖3 T-BOX MPU模塊硬件設(shè)計

MPU模塊采用UART接口與MCU連接，進行MCU與MPU的數(shù)據(jù)通信；通過WPI/WPO GPIO去支持整個T-BOX休眠與喚醒操作。

SIM卡接口支持移動、聯(lián)通、電信運營商esim卡貼片，接口電路主要包括復(fù)位信號、數(shù)據(jù)信號、時鐘信號。

USB接口設(shè)計主要包含USB差分信號以及USB接口芯片電源控制。其中通過高電平打開USB接口芯片電源，通過低電平關(guān)閉USB接口芯片電源。

MPU模塊支持內(nèi)置音頻CODEC，輸出音頻通過Audio PA放大。音頻輸入、輸出接口主要包含I2C時鐘信號、I2C數(shù)據(jù)信號、PCM時鐘、PCM數(shù)據(jù)輸入輸出等。

MPU模塊天線接口主要包括主集天線、分集天線以及GNSS天線。

2.3 藍牙硬件設(shè)計

藍牙模塊采用的是TI公司的CC2640R2F低功耗藍牙微控制器芯片。該芯片的時鐘頻率可達到48 MHz，具有275 kB的非易失性存儲器以及28 kB的RAM。藍牙模塊通過UART與MCU建立通信，T-BOX BLE硬件設(shè)計如圖4所示。

圖4 T-BOX BLE硬件設(shè)計

藍牙模塊通過UART與MCU進行消息的交互，MCU通過GIPO控制藍牙模塊的復(fù)位、休眠與喚醒。

T-BOX終端硬件實物設(shè)計如圖5所示。

圖5 T-BOX 終端硬件實物設(shè)計

3 T-BOX終端軟件設(shè)計

3.1 MCU軟件設(shè)計

如圖6所示，MCU軟件架構(gòu)設(shè)計由下至上分為5層，分別為Bootloader層、Rtos和HardwareDriver層、Rte層、API/Callback Interface層及APP層。

圖6 T-BOX MCU軟件設(shè)計

Rte層為基礎(chǔ)服務(wù)層，并為APP層提供API。Rte層和APP層中主要模塊功能如下：

(1)OsSysInit：負責(zé)MCU系統(tǒng)初始化。

(2)SysMgrSrv：軟件監(jiān)控服務(wù)模塊，主要負責(zé)監(jiān)控MCU各模塊軟件是否正常運行。

(3)APPMgrSrv：APP Task管理服務(wù)模塊。

(4)BleSrv：低功耗藍牙服務(wù)模塊。

(5)Auxiliary：輔助服務(wù)模塊，如軟件版本信息的管理等。

(6)GsenSrv：Gsensor管理服務(wù)模塊，主要完成三軸加速度信號的采集與處理。

(7)WanSrv：網(wǎng)絡(luò)無線通信管理服務(wù)模塊，接收與管理MPU網(wǎng)絡(luò)模塊同步的一些網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)及參數(shù)配置信息。

(8)DcpdSrv：MCU與MPU 之間的通信服務(wù)模塊，主要負責(zé)MCU模塊通信協(xié)議消息的紛發(fā)與處理。

(9)NVRAMSrv：Dflash管理服務(wù)模塊。

(10)COM：網(wǎng)絡(luò)通信相關(guān)功能處理模塊，如網(wǎng)絡(luò)報文的配置、收發(fā)、解析等。

(11)DIAG：診斷功能處理模塊，包含故障碼診斷、數(shù)據(jù)讀取服務(wù)等。

(12)VCP：遠程車控功能的服務(wù)模塊。

(13)PM：電源管理模塊，負責(zé)整個T-BOX的電源開關(guān)以及MPU模塊、藍牙模塊進入低功耗模式等。

(14)ICT：車輛狀態(tài)、大數(shù)據(jù)、BCALL功能的服務(wù)模塊，主要負責(zé)車輛信號的收集與組包等。

(15)AC：激活配置功能的服務(wù)模塊，主要包括T-BOX配置參數(shù)的獲取、紛發(fā)以及激活T-BOX流程的發(fā)起。

(16)BTC：藍牙車控功能處理模塊，負責(zé)藍牙車控消息的接收與轉(zhuǎn)發(fā)等。

(17)RC：遠程車控功能處理模塊，接收MPU模塊以及藍牙模塊的車控消息并進行解析。

3.2 MPU軟件設(shè)計

如圖7所示，MPU軟件架構(gòu)由下至上同樣分為5層，分別為Linux Os層、Driver層、Service層、API/Callback Interface層以及APP層。

圖7 T-BOX MPU軟件設(shè)計

MPU Service層和APP層中主要模塊功能如下：

(1)Security：提供Openssl等加密算法，負責(zé)通信報文的加密服務(wù)等。

(2)LogMgrSrv：管理日志文件打印、存儲,控制日志文件大小。

(3)GnssSrv：提供GPS相關(guān)服務(wù)。

(4)AdbDemon：ADB守護進程，支持ADB調(diào)試功能。

(5)DcpdSrv：實現(xiàn)與MCU之間的數(shù)據(jù)通信，在MPU側(cè)實現(xiàn)消息的接收與轉(zhuǎn)發(fā)。

(6)SpmSrv：MPU模塊的電源管理，接收MCU模塊發(fā)送的開機、關(guān)機、休眠指令等。

(7)WanSrv：提供網(wǎng)絡(luò)相關(guān)服務(wù)，如撥號、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)獲取、語音、短信服務(wù)等功能。

(8)SysMgrSrv：系統(tǒng)管理進程，負責(zé)啟動其他進程以及其他進程的監(jiān)控，僵尸進程的重啟等。

(9)API/Callback：封裝SDK各個Service功能，為APP層提供統(tǒng)一的標準調(diào)用接口。

(10)AvnSrv：實現(xiàn)與車機的交互，為車機提供上網(wǎng)服務(wù)與定位服務(wù)等。

(11)OtaSrv：建立與TSP后臺的通信，對接其他APP與TSP后臺的交互。

(12)BigdataAPP：實現(xiàn)大數(shù)據(jù)功能，將車輛的數(shù)據(jù)收集、打包、壓縮、加密統(tǒng)一發(fā)送至TSP。

(13)AuxSrv：與Mcu Auxiliary模塊交互，進行版本信息等輔助功能管理。

(14)FotaAPP：負責(zé)遠程刷新升級包下載、解析以及升級策略判斷、遠程診斷功能。

(15)FotaEAPP：升級引擎，執(zhí)行刷新動作。

(16)RvmAPP：實現(xiàn)車輛遠程狀態(tài)監(jiān)控和遠程行程記錄。

(17)AcAPP：負責(zé)接收Mcu Ac模塊的配置信息并執(zhí)行遠程配置業(yè)務(wù)。

(18)bCallAPP：車輛發(fā)生故障時，提供電話服務(wù)申請遠程救援等。

3.3 藍牙軟件設(shè)計

藍牙軟件模塊由下到上主要包括Bootloader層、TI-Rtos/Hardware Driver層、BLE STACK層、ICALL層與APP層，如圖8所示。

圖8 T-BOX 藍牙模塊軟件設(shè)計

主要模塊功能如下：

(1)COM：APP層的通信模塊，負責(zé)與MCU模塊的通信。

(2)PM：APP層的電源模式管理模塊，負責(zé)藍牙模塊的開機、關(guān)機以及進入低功耗模式。

(3)ICALL：APP層與藍牙協(xié)議棧的標準接口。

(4)BLE STACK：藍牙協(xié)議棧層。

4 試驗驗證與分析

為驗證所設(shè)計的T-BOX終端的功能與可靠性，將T-BOX終端裝上某款車型實車進行了試驗驗證。如圖9所示，所設(shè)計的T-BOX終端安裝在車輛的手套箱位置，通過40 PIN線束與實車相連。

圖9 T-BOX與實車相連接

將試驗車輛與該車型的用戶手機APP進行綁定，并完成T-BOX的配置激活操作，這樣可在APP端下發(fā)指令至車輛的T-BOX進行車輛的遠程操作。試驗驗證的內(nèi)容主要包括遠程車輛狀態(tài)查詢與遠程車控指令下發(fā)。

4.1 遠程車輛狀態(tài)查詢試驗驗證

在手機APP端下發(fā)車輛狀態(tài)查詢指令，T-BOX收到遠程查詢指令后，將車輛的狀態(tài)信息發(fā)送至TSP，TSP端再將車輛的狀態(tài)信息同步至用戶的手機APP。

如圖10所示，實車中控顯示屏與手機APP端顯示的車輛可續(xù)航里程均為313 km，實車中控屏與手機APP端顯示的車輛四門狀態(tài)、引擎蓋狀態(tài)信息一致，說明T-BOX終端能夠正確接收、解析手機APP端的車輛查詢指令，并將車輛的狀態(tài)信息準確反饋至手機APP。

圖10 T-BOX車輛狀態(tài)查詢試驗驗證

4.2 遠程車控試驗驗證

在手機APP端執(zhí)行遠程開啟車輛空調(diào)、遠程主副駕駛座椅加熱指令，T-BOX端接收、解析車控指令并轉(zhuǎn)成相應(yīng)的CAN報文對車輛進行控制。

如圖11所示，T-BOX成功執(zhí)行車控指令后，將車控指令的執(zhí)行情況反饋至手機APP端，在APP端顯示出車輛空調(diào)已為開啟狀態(tài)，主、副駕駛座椅為加熱狀態(tài)。

圖11 T-BOX遠程車控試驗驗證

5 結(jié)論

文中以瑞薩RH850芯片、高通MDM9628芯片、TI CC2640R2F芯片為核心設(shè)計了一款T-BOX車載終端，該T-BOX終端總體上分為MCU模塊、MPU模塊以及藍牙模塊。針對各模塊進行了硬件設(shè)計與軟件開發(fā)，并將T-BOX終端接入實車進行功能驗證。試驗驗證表明，設(shè)計的T-BOX終端能夠有效、可靠地與車輛及TSP進行交互，能夠準確接收、解析TSP端的指令并將車輛的信息按照傳輸協(xié)議準確發(fā)送至TSP。