王詩(shī)艦，唐厚君，熊天毅

（上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240）

0 引言

隨著CAN總線在世界范圍內(nèi)的汽車制造中的廣泛推行和發(fā)展，使得各項(xiàng)附加功能部件能作為一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)裝備嵌入到車身中。借助于CAN總線，我們能通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)對(duì)車輛本身進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，同樣能通過(guò)GPS模塊得到車輛的準(zhǔn)確位置后使用通訊模塊與用戶得以聯(lián)系，進(jìn)而通過(guò)通訊模塊直接對(duì)車輛進(jìn)行遠(yuǎn)程操控成為可能。因此，提出了基于CAN總線的汽車遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，將GPS定位以及GSM通訊等功能集成在一起，并用CAN總線與車輛組合，實(shí)現(xiàn)功能。

1 汽車遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

該汽車遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的目的是給予車主能夠更加方便智能的控制汽車，能夠僅通過(guò)手機(jī)就能完成多數(shù)功能，可以使得車主隨時(shí)隨地能對(duì)車輛進(jìn)行控制而沒(méi)有限制，真正實(shí)現(xiàn)人，車的有機(jī)結(jié)合。該系統(tǒng)由通信模塊，GPS定位模塊和控制模塊組成。通信模塊通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)接收用戶發(fā)送的短信，或者得到控制模塊的命令對(duì)用戶發(fā)送指定的短信。GPS定位模塊則以固定的時(shí)間頻率向控制模塊傳送車輛的位置信號(hào)?？刂颇K則與車輛進(jìn)行CAN通信，分析通信模塊得到的來(lái)自用戶的信息，并不斷存儲(chǔ)GPS定位信息，通過(guò)各項(xiàng)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整合，根據(jù)用戶的短信命令控制車輛動(dòng)作，根據(jù)CAN通信得到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)向用戶報(bào)告車輛狀況。該遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)硬件平臺(tái)主要由控制模塊，GSM通信模塊，GPS定位模塊組成。其中，控制模塊在硬件層面上又能分為MCU模塊，電源模塊，CAN通信模塊，RS232設(shè)備接口模塊。

2.1 控制模塊

考慮到設(shè)備的功能需求，系統(tǒng)采用飛思卡爾公司的MC9S08DZ60微控制器為主控制器。MC9S08D系列微控制器單機(jī)內(nèi)嵌CAN的微控制器，并將內(nèi)嵌的CAN，EPROM和片上仿真/調(diào)試模塊組合在一起，集成了所有的功能，符合要求所需。同時(shí)，有著直接面向該MCU的編程調(diào)試軟件CodeWarrior。它具有高度可視化的綜合開(kāi)發(fā)環(huán)境，支持系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，獨(dú)立集成產(chǎn)品以及Processor Expert，使開(kāi)發(fā)人員能夠很方便的構(gòu)建復(fù)雜的應(yīng)用程序。

電源模塊是5 V直流穩(wěn)壓源輸入，主要提供電路中各芯片的工作電壓。其中通過(guò)車載的電源提供12 V電源，12 V電源經(jīng)過(guò)濾波和穩(wěn)壓再由電壓轉(zhuǎn)換芯片LP2985－50生成5V電源。LP2985－50是一款高性能LDO穩(wěn)壓芯片，其輸出為5 V。在滿載時(shí)，壓降僅為280 mV，完全能夠滿足系統(tǒng)需要。為確保輸出穩(wěn)定，在輸出端同樣增加了濾波電容。

如圖2所示，CAN通信模塊采用飛利浦的高速CAN轉(zhuǎn)換芯片TJA1040T，該芯片 TXCAN，RXCAN接 MCU的 CAN控制器，STB1接MCU的IO口，CANH，CANL即為兩條 CAN線，工作時(shí)STB1為高電平，由MCU控制。

圖1 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 CAN模塊，RS232模塊以及電源模塊電路圖

RS232設(shè)備接口模塊主要是控制模塊與通訊模塊以及GPS定位模塊連接所用。RS232是一種使用非常普通的3線制全雙工通信接口。只需要TxD，RxD，GND3根數(shù)據(jù)線就可以完成雙向的數(shù)據(jù)傳遞。為了保證通訊的可靠性，系統(tǒng)采用RS232驅(qū)動(dòng)芯片MAX3232芯片來(lái)進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。MAX3232有2路輸入以及2路輸出端口，并比MX232的工作電壓范圍更寬，消耗的功率更低，更適合系統(tǒng)使用。

2.2 GSM通信模塊

本系統(tǒng)采用的是SIMCOM公司生產(chǎn)的SIM300通信模塊。SIM300具有標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口，可提供語(yǔ)音傳輸、短消息和GPRS無(wú)線上網(wǎng)業(yè)務(wù)。SIM300集成完整的射頻電路、GSM的基帶處理器和強(qiáng)大的TCP/IP協(xié)議棧。SIM300具有單電源供電，工作于三頻模式900/1800/1 900 MHz，并且支持文本和PDU模式的短消息。同時(shí)支持多時(shí)隙GPRS功能和語(yǔ)音以及傳真。本系統(tǒng)利用 SIM300的短消息功能，實(shí)現(xiàn)車輛與用戶之間的通信。SIM300通過(guò)RS232接口連接主控制器，從而進(jìn)行串口通信［1］。

2.3 GPS 定位模塊

本系統(tǒng)采用的是韓國(guó)Jcom公司出品的C3－470C GPS定位模塊。C3－470C使用標(biāo)準(zhǔn)的NMEA 0183輸出格式，RS232總線傳輸，9 600 Kbps。該模塊內(nèi)置了天線，也有外接天線的接口。模塊有電池供電保留歷史信息。該芯片將電路封裝，共有6個(gè)外部端口，由右至左分別為使能端口EN，正電源口VCC，串口發(fā)送口TXA，串口接收口RXA，地GND，啟動(dòng)模式端口BOOT。實(shí)際連線方式為EN口懸空;電源正和電源地分別連接電源模塊的輸出和地;TXA及RXA連接到RS232模塊的MAX3232的一組輸入輸出端口上，然后通過(guò)RS232接口連接主控制器，從而進(jìn)行串口通信［2］。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要包括CAN接受發(fā)送程序，GSM通信程序，GPS數(shù)據(jù)處理程序，主判斷動(dòng)作程序。其中，所有程序都是通過(guò)軟件CodeWarrior用C語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 CAN接受發(fā)送程序設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)使用的微控制器MC9S08DZ60內(nèi)部集成了應(yīng)用了CAN2.0A/B協(xié)議的CAN控制器－－MSCAN模塊，所以在正常運(yùn)行之前，先要對(duì)MSCAN模塊進(jìn)行初始化。置位CANE，寫入處于初始化模式的配置寄存器，最后清除INITRQ，離開(kāi)初始化模式，進(jìn)入正常模式［3］。

當(dāng)CAN端口檢測(cè)到有等待接受的報(bào)文，通過(guò)接受過(guò)濾器匹配比較，將滿足過(guò)濾器條件的報(bào)文傳送到相應(yīng)的接受緩沖器中。接受緩沖器收到傳來(lái)的報(bào)文后，MSCAN會(huì)將接受器標(biāo)志寄存器CANRFLG置1，引起中斷請(qǐng)求，進(jìn)行中斷處理。在中斷處理中，將寄存器中的CAN報(bào)文按照需要保存到相應(yīng)的主程序變量中。最后，清除接收器標(biāo)志位，報(bào)文接受完畢，返回準(zhǔn)備接受下一個(gè)報(bào)文。流程圖見(jiàn)圖3。

圖3 CAN接受流程圖

圖4 CAN發(fā)送流程圖

當(dāng)準(zhǔn)備發(fā)送CAN報(bào)文時(shí)，首先判斷并等待CAN總線空閑，并通過(guò)查詢MSCAN發(fā)送器標(biāo)志寄存器來(lái)確認(rèn)是否有空閑的發(fā)送器緩沖器。當(dāng)還有至少一個(gè)發(fā)送器緩沖器時(shí)，將報(bào)文寫入發(fā)送器緩沖器，并通過(guò)將發(fā)送中斷標(biāo)志位置1發(fā)送報(bào)文。如果同時(shí)不止一個(gè)緩沖器同時(shí)請(qǐng)求發(fā)送，還需比較優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)較高的發(fā)送緩沖器先發(fā)送，此時(shí)由MSCAN自動(dòng)處理順序，依次發(fā)送。報(bào)文發(fā)送成功后，MSCAN會(huì)清除發(fā)送器標(biāo)志位，準(zhǔn)備開(kāi)始下一個(gè)報(bào)文的發(fā)送。流程圖見(jiàn)圖4。

3.2 GPS數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)

C3－470C模塊支持NMEA0183的通信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。該協(xié)議采用ASCII碼，其串行通信默認(rèn)參數(shù)為:波特率4 800 bps，數(shù)據(jù)位8bit，開(kāi)始位1bit，停止位1bit，無(wú)奇偶校驗(yàn)。該模塊會(huì)依此發(fā)送$GPGGA，$GPGSA，$GPGSV，$GPRMC等 4條語(yǔ)句。其中$GPRMC模塊語(yǔ)句是推薦最小數(shù)據(jù)量的GPS信息，其中包括UTC時(shí)間，定位狀態(tài)，經(jīng)度，緯度，速度，航向等信息。

當(dāng)控制模塊接受到C3－470C傳來(lái)的通信數(shù)據(jù)時(shí)，主程序進(jìn)入調(diào)用串口中斷接受程序，進(jìn)行中斷處理。在處理中，由于“$”為幀命令起始位，所以可以通過(guò)判斷“$”來(lái)確認(rèn)命令起始位置，再通過(guò)判斷“$GPRMC”確認(rèn)需要的數(shù)據(jù)語(yǔ)句。由于這些信息都會(huì)由“，”分割，所以可以通過(guò)判斷“，”數(shù)量以及每個(gè)信息所處的固定位置可以準(zhǔn)確提取所需信息。通過(guò)這種方法處理這些數(shù)據(jù)，可以從中提取經(jīng)度，緯度，速度，航向等有用信息，供控制器判斷。

3.3 GSM通信程序

SIM300模塊提供的命令接口符合 GSM07.07規(guī)范。GSM07.07中定義的AT Command接口提供了一種移動(dòng)平臺(tái)與數(shù)據(jù)終端設(shè)備之間的通用接口。當(dāng)SIM300模塊收到GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)來(lái)的短消息時(shí)，模塊能夠通過(guò)串口向控制模塊發(fā)送指示消息，提示收到短信。而控制模塊可以通過(guò)串口向SIM300模塊發(fā)送AT指令，SIM300模塊根據(jù)不同的AT指令執(zhí)行不同的動(dòng)作。部分AT指令見(jiàn)表 1［4］。

SIM300發(fā)送短信支持PDU以及TEXT兩種模式。TEXT模式非常簡(jiǎn)單，但是不支持中文短信，因此該系統(tǒng)選擇了使用PDU （protocol data unit）模式發(fā)送短信。PDU模式同時(shí)支持中英文兩種短信，收發(fā)短信包括3種編碼:7位，8位和UCS2編碼。PDU編碼的格式如表 2 所示［5］。

表1 部分AT指令表

表2PDU編碼

其中:SMSC為用戶短信信息中心地址，分為3部分:1個(gè)字節(jié)的長(zhǎng)度控制字，一個(gè)字節(jié)的類型控制字和短信中心號(hào)碼，其中長(zhǎng)度控制字不包含該字自身長(zhǎng)度;DA為目的地址，格式與SMSC一樣;UD為用戶數(shù)據(jù)，長(zhǎng)度由UDL控制。PDU可發(fā)送UCS－2編碼的Unicode字符的用戶數(shù)據(jù)。

當(dāng)控制模塊接收到串口發(fā)來(lái)的信息后，觸發(fā)串口中斷接受程序，設(shè)置變量提示主程序已有新提示信息并將數(shù)據(jù)保存至主程序變量中，供主程序判斷處理。當(dāng)接受到“/r/n”，即回車換行后，表示SIM300的一整條提示信息發(fā)送完畢，則清空緩存量并等待接受下一條信息。

3.4 主判斷動(dòng)作程序

在初始化各項(xiàng)配置寄存器以及變量后，判斷是否有GMS模塊的新提示信息，若有則判斷是否提示收到短信，若是則以AT命令通訊GMS模塊輸出短信內(nèi)容，并判斷是否為預(yù)設(shè)內(nèi)容，根據(jù)預(yù)設(shè)短信的要求執(zhí)行預(yù)定程序，如發(fā)送CAN報(bào)文，或發(fā)送GPS地址的SMS短信等等。最后判斷所接受的CAN報(bào)文，同樣如需要?jiǎng)幼鲃t按所對(duì)應(yīng)的預(yù)設(shè)程序進(jìn)行。返回最初判斷GMS模塊是否有新提示信息，循環(huán)運(yùn)行。流程圖見(jiàn)圖5。

4 實(shí)際功能測(cè)試

作為測(cè)試實(shí)驗(yàn)，將汽車遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)與一套由CAN指令控制的車門控制系統(tǒng)通過(guò)CAN線相連。該車門控制系統(tǒng)通過(guò)CAN指令完成開(kāi)關(guān)車門，車窗動(dòng)作［6］。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)發(fā)送特定的手機(jī)短信，可以準(zhǔn)確的控制車身控制系統(tǒng)進(jìn)行開(kāi)關(guān)車門鎖，升降車窗等動(dòng)作。同樣，通過(guò)手機(jī)發(fā)送特定短信，可以成功收到由GPS定位模塊所定位的經(jīng)度緯度。在實(shí)驗(yàn)中，完成的功能為:（1）遠(yuǎn)程遙控車輛的門窗上鎖以及開(kāi)關(guān)，（2）查詢汽車的具體位置。

5 系統(tǒng)的功能升級(jí)設(shè)計(jì)

圖5 主程序流程圖

由于該系統(tǒng)與CAN總線相連，所以對(duì)于整個(gè)車輛的狀態(tài)能有較全面的把握。同時(shí)，在升級(jí)功能方面，只要將新的功能部件嵌入CAN總線，可以直接通過(guò)CAN總線直接把握到該功能部件，從而方便的面對(duì)該功能部件添加新的功能，真正做到人車同步。

系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的功能有:（1）通過(guò)報(bào)警傳感器得到報(bào)警信號(hào)，自動(dòng)發(fā)送警報(bào)信息到車主手機(jī);（2）遠(yuǎn)程遙控車輛喇叭響起，以便在停車場(chǎng)內(nèi)找尋車輛;（3）遠(yuǎn)程遙控車輛的空調(diào)系統(tǒng)開(kāi)啟;（4）當(dāng)遇到緊急情況時(shí)一鍵向預(yù)置手機(jī)報(bào)告GPS位置并請(qǐng)求幫助。

以上功能只是實(shí)現(xiàn)功能的一部分，更多的功能根據(jù)車輛的實(shí)際情況可以自由組合設(shè)置。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的汽車遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)通過(guò)CAN總線得到車輛的各項(xiàng)信息并發(fā)送動(dòng)作消息，通過(guò)GMS模塊與用戶交流溝通，通過(guò)GPS模塊定位車輛的位置，涵蓋了用戶在遠(yuǎn)程控制方面對(duì)汽車的各項(xiàng)要求，并能方便的根據(jù)不同用戶的不同車型提供不同的功能，有很好的擴(kuò)展性。該系統(tǒng)在很大程度上方便了車主的使用，同時(shí)在汽車防盜方面也將起到重要的作用。

［1］楊凱悅.遠(yuǎn)程汽車狀態(tài)監(jiān)控及故障診斷系統(tǒng)的研究［D］.上海:上海交通大學(xué)，2012.

［2］范鵬.基于CAN總線的網(wǎng)絡(luò)化車身控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.上海:上海交通大學(xué)，2012.

［3］張穎超，楊宇峰，葉小嶺，等.基于CAN總線的汽車信號(hào)記錄儀的設(shè)計(jì)［J］.儀表技術(shù)與傳感器 ，2009 ，46（1）:40－42.

［4］中興通訊股份有限公司.中興通訊ME3000模塊AT指令集手冊(cè)（V2.00）［Z］.深圳:中興通訊股份有限公司，2008.

［5］吳振陸，付學(xué)堯.基于GSM網(wǎng)絡(luò)及RFID技術(shù)的汽車防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.裝備制造技術(shù)，2010，38（5）:97 －99.

［6］范鵬，唐厚君，葉子晟，基于CAN總線的車門控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電氣自動(dòng)化，2012，34（2）:59－61.