摘 要： 為了解決汽車(chē)被盜的問(wèn)題，同時(shí)滿(mǎn)足車(chē)載電子系統(tǒng)功能更加多元化的趨勢(shì)，提出一種將汽車(chē)防盜和信息娛樂(lè)功能集成設(shè)計(jì)的方法，并結(jié)合CAN總線(xiàn)通信技術(shù)，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一套集汽車(chē)防盜、信息娛樂(lè)功能于一體的智能化系統(tǒng)。重點(diǎn)介紹系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)意義，中央控制單元和CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)過(guò)程，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行可靠性和功能性分析和測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有運(yùn)行穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，符合車(chē)載電子系統(tǒng)“更安全、更環(huán)保、更節(jié)能”的發(fā)展趨勢(shì)，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 車(chē)載防盜； 信息娛樂(lè)； 中央控制單元； CAN總線(xiàn)通信； CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

中圖分類(lèi)號(hào)： TP277?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）09?0147?04

Abstract： To solve the problem of vehicle theft， meet the development trend of diversified in vehicle electronic system function， the method is proposed to design the vehicle theft and infotainment function integrated. Based on CAN bus communication technology， a new intelligent system that consists of vehicle theft and vehicle infotainment is designed and implemented. The significance of the proposed system development is emphasis introduced， the software/hardware design and implementation process of the central control unit and CAN network node are detailed. The reliability and functionality of the system is tested and analyzed， the results show that the system has good stability， better real?time ability， high reliability， extensive value in applications， and satisfies the development trend of “safer， greener and more energy efficient” in vehicle electronic system.

Keywords： vehicle anti?theft； infotainment； central control unit； CAN bus communication； CAN network node

0 引 言

汽車(chē)防盜器是一種安裝在車(chē)上，用來(lái)增加盜車(chē)難度，延長(zhǎng)盜車(chē)時(shí)間的裝置，是汽車(chē)的保護(hù)神。它通過(guò)將防盜裝置與汽車(chē)電路配接在一起，從而可以達(dá)到防止車(chē)輛被盜、被侵犯、保護(hù)汽車(chē)的目的。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和嵌入式技術(shù)的發(fā)展，汽車(chē)防盜系統(tǒng)由傳統(tǒng)的機(jī)械式、電子式防盜裝置向智能化程度更高的網(wǎng)絡(luò)式防盜系統(tǒng)發(fā)展。

IVI（In?Vehicle Infotainment）車(chē)載信息娛樂(lè)系統(tǒng)，是采用車(chē)載專(zhuān)用中央處理器，基于車(chē)身總線(xiàn)系統(tǒng)和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，形成的車(chē)載綜合信息處理系統(tǒng)。IVI能夠?qū)崿F(xiàn)包括三維導(dǎo)航、實(shí)時(shí)路況、故障檢測(cè)、車(chē)輛信息、移動(dòng)辦公等一系列應(yīng)用，極大地提升車(chē)輛電子化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化水平。

CAN（Controller Area Network）控制器局域網(wǎng)絡(luò)，由德國(guó)BOSCH公司開(kāi)發(fā)并最終成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。在諸多汽車(chē)總線(xiàn)中，CAN總線(xiàn)有著重要的地位，是汽車(chē)電子裝置之間通信的標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)，在汽車(chē)分布式控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]，擁有以CAN底層協(xié)議為大型貨車(chē)和重工機(jī)械車(chē)輛設(shè)計(jì)的J1939協(xié)議[2]。本系統(tǒng)提出一種將汽車(chē)防盜功能和信息娛樂(lè)功能集成設(shè)計(jì)的方法，有效地利用汽車(chē)現(xiàn)有資源，實(shí)現(xiàn)了車(chē)載電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能上的優(yōu)化。

與市場(chǎng)上現(xiàn)有系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢(shì)：

（1） 防盜和信息娛樂(lè)系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)，成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化、功能強(qiáng)大；

（2） 采用網(wǎng)絡(luò)式防盜系統(tǒng)，具有運(yùn)行穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)；

（3） 系統(tǒng)CAN總線(xiàn)部分可以與其他車(chē)身電子系統(tǒng)相結(jié)合，利于二次開(kāi)發(fā)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)由中央控制單元和CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)兩部分組成。中央控制單元選用ST公司生產(chǎn)的STM32F103X微處理器作為核心，結(jié)合GPRS無(wú)線(xiàn)通信等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)定位、遠(yuǎn)程報(bào)警以及信息娛樂(lè)功能。CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括油路節(jié)點(diǎn)、發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)以及DCM（Door Control Module）車(chē)門(mén)控制模塊[3]節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛狀態(tài)監(jiān)測(cè)與車(chē)輛防盜功能。中央控制單元與CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間通過(guò)CAN總線(xiàn)進(jìn)行通信。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 防盜功能的實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)的防盜功能設(shè)計(jì)是將DCM和GPS定位[4]模塊作為汽車(chē)安全狀態(tài)的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)設(shè)置為防盜模式時(shí)，由DCM檢測(cè)汽車(chē)是否被非法入侵，GPS定位檢測(cè)汽車(chē)是否被非法移動(dòng)。在檢測(cè)到汽車(chē)處于不安全狀態(tài)時(shí)，首先啟動(dòng)GSM/GPRS通信模塊，通過(guò)中央控制器控制，利用GSM短信息將GPS定位所得汽車(chē)位置經(jīng)緯度發(fā)送到車(chē)主手機(jī)終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)位置的精確定位；然后啟動(dòng)車(chē)后攝像頭拍攝車(chē)后圖像，利用GPRS無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)將圖像發(fā)送到車(chē)主手機(jī)終端，輔助GPS對(duì)汽車(chē)位置進(jìn)行定位；中央控制器通過(guò)CAN總線(xiàn)發(fā)送切斷油路和關(guān)閉發(fā)電機(jī)的信號(hào)，從而有效地避免汽車(chē)被盜的事件發(fā)生。

1.3 信息娛樂(lè)功能的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)設(shè)置為正常模式時(shí)，LCD模塊顯示主菜單界面，通過(guò)觸摸屏和按鍵，進(jìn)行人機(jī)交互和功能體驗(yàn)。GSM/GPRS/GPS模塊用于實(shí)現(xiàn)車(chē)載電話(huà)、GPS定位等功能；攝像頭模塊用于實(shí)現(xiàn)汽車(chē)后視功能[5]；MP3模塊用于實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播放的功能；LCD模塊用于界面顯示。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括兩部分，一個(gè)是中央控制單元硬件設(shè)計(jì)，另一個(gè)是CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)微控制器選用基于Cortex?M3內(nèi)核的ARM微控制器STM32F103X[6]，具有低成本、低功耗等特點(diǎn)，為注重功耗和效率的系統(tǒng)提供了可行的設(shè)計(jì)方案[7]。

2.1 中央控制單元硬件設(shè)計(jì)

中央控制部分主要包括微處理器STM32F103ZET6，通過(guò)SPI1接口與微控制器連接的MP3模塊，該模塊核心為VLSI公司生產(chǎn)的VS1053，是一款高性能、低功耗的解碼芯片；通過(guò)SPI2接口與微控制器連接的LCD顯示模塊；通過(guò)SCCB接口與微控制器連接的攝像頭模塊，該模塊核心為OV公司生產(chǎn)的OV7670，體積小、工作電壓低，提供單片VGA攝像頭和影像處理器的所有功能；通過(guò)USART接口與微控制器連接的GSM/GPRS/GPS模塊，該模塊的核心為SIM公司生產(chǎn)的SIM900A，性能穩(wěn)定、外觀精巧、功耗低；STM32自帶bxCAN，即基本擴(kuò)展CAN，它支持11位的BasicCAN模式及29位的PeliCAN模式[8]，通信速率高達(dá)1 Mb/s，支持時(shí)間觸發(fā)通信[9]，具有3個(gè)發(fā)送郵箱，3級(jí)深度的2個(gè)接收FIFO。CAN收發(fā)器選用NXP公司的TJA1050，它與“ISO 11898”標(biāo)準(zhǔn)完全兼容，高速度（最高可達(dá)1 Mb/s），極低的電磁輻射，沒(méi)有供電的節(jié)點(diǎn)不會(huì)對(duì)總線(xiàn)造成干擾，同時(shí)帶有寬共模范圍的差動(dòng)接收器，抗電磁干擾能力極強(qiáng)，至少可以連接110個(gè)節(jié)點(diǎn)，非常適合本系統(tǒng)。中央控制部分的硬件連接圖如圖2所示。

2.2 CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要包括微處理器STM32F103C8T6，其片上資源及相關(guān)接口足以滿(mǎn)足這部分的功能需求，DCM節(jié)點(diǎn)，油路節(jié)點(diǎn)，發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)。DCM采用UN4001中控車(chē)鎖，12 V供電，具備360°轉(zhuǎn)頭，超強(qiáng)力度，防卡死等優(yōu)點(diǎn)，汽車(chē)被非法打開(kāi)時(shí)，通過(guò)CAN總線(xiàn)發(fā)送報(bào)警信號(hào)至中央控制單元；系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)與油路節(jié)點(diǎn)通過(guò)CAN總線(xiàn)接收指令進(jìn)行動(dòng)作，設(shè)計(jì)時(shí)只需考慮CAN信號(hào)發(fā)送問(wèn)題，硬件環(huán)境則進(jìn)行模擬，發(fā)電機(jī)采用130號(hào)直流電機(jī)，電機(jī)通過(guò)芯片L298N進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，控制電壓直流為5 V，電機(jī)電壓范圍直流為3～46 V，具有過(guò)電壓和過(guò)電流保護(hù)，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；油路節(jié)點(diǎn)利用蜂鳴器代替，由三極管構(gòu)成蜂鳴器控制電路，通過(guò)PB0輸出端口的高低電平來(lái)改變蜂鳴器的狀態(tài)，從而模擬油路的開(kāi)關(guān)。CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件連接圖如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包含兩部分：防盜部分的設(shè)計(jì)及信息娛樂(lè)部分的設(shè)計(jì)。

3.1 系統(tǒng)防盜功能程序設(shè)計(jì)

防盜報(bào)警部分的程序流程圖如圖5所示。

如圖5所示，系統(tǒng)上電后，對(duì)程序進(jìn)行初始化，配置相關(guān)寄存器和I/O口。開(kāi)啟防盜模式，GPS定位和DCM開(kāi)始工作，GPS定位值30 s刷新一次，當(dāng)前后兩次定位差值大于50 m時(shí)，車(chē)輛被盜；防盜模式下，DCM檢測(cè)到車(chē)門(mén)被打開(kāi)，車(chē)輛被盜。確定車(chē)輛被盜后，啟動(dòng)GSM通信功能，發(fā)送報(bào)警短信至車(chē)主手機(jī)，并將GPS定位出的汽車(chē)位置經(jīng)緯度周期性發(fā)送給車(chē)主[10]，實(shí)時(shí)監(jiān)控汽車(chē)位置。之后啟動(dòng)后車(chē)門(mén)上的CMOS攝像頭進(jìn)行拍照，開(kāi)啟GPRS功能，將拍攝的照片通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)周期性發(fā)送至車(chē)主手機(jī)，輔助GPS對(duì)汽車(chē)進(jìn)行跟蹤。通過(guò)CAN總線(xiàn)，由控制器向汽車(chē)油路節(jié)點(diǎn)和發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)分別發(fā)送切斷油路和關(guān)閉發(fā)電機(jī)的信號(hào)，使汽車(chē)不能正常行駛，從而實(shí)現(xiàn)汽車(chē)防盜報(bào)警的功能。

3.2 系統(tǒng)信息娛樂(lè)功能程序設(shè)計(jì)

信息娛樂(lè)部分的程序流程圖如圖6所示。

如圖6所示，系統(tǒng)上電后，首先初始化子程序，對(duì)相關(guān)I/O口和寄存器進(jìn)行配置。然后開(kāi)啟LCD模塊，進(jìn)入菜單界面；點(diǎn)擊汽車(chē)后視系統(tǒng)，攝像頭模塊啟動(dòng)，將車(chē)后影像顯示在LCD上；點(diǎn)擊MP3播放器，系統(tǒng)開(kāi)始搜索SD卡中的語(yǔ)音播放文件，選擇文件進(jìn)行播放；點(diǎn)擊GPS定位服務(wù)，GPS定位功能啟動(dòng)，將汽車(chē)位置信息顯示在LCD上；點(diǎn)擊車(chē)載電話(huà)，GSM通信功能啟動(dòng)，可以進(jìn)行撥打電話(huà)、發(fā)送短信。圖7是信息娛樂(lè)系統(tǒng)人機(jī)交互界面。

4 系統(tǒng)測(cè)試

4.1 防盜功能測(cè)試及分析

系統(tǒng)防盜功能的測(cè)試包括CAN通信測(cè)試和中央單元測(cè)試。DCM、油路、發(fā)電機(jī)節(jié)點(diǎn)通過(guò)CAN總線(xiàn)與主控單元進(jìn)行通信，測(cè)試步驟如下：

（1） 中央單元作為發(fā)送節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)作為接收節(jié)點(diǎn)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)接收中央單元發(fā)出的控制指令，根據(jù)指令給出對(duì)應(yīng)的功能操作。

（2） 中央單元作為接收節(jié)點(diǎn)，DCM作為發(fā)送節(jié)點(diǎn)，向中央單元發(fā)送反饋指令，中央單元根據(jù)指令給出對(duì)應(yīng)的功能操作。中央單元測(cè)試主要是對(duì)GSM/GPRS報(bào)警功能進(jìn)行測(cè)試，在系統(tǒng)檢測(cè)到汽車(chē)被盜時(shí)，啟用GSM通信功能，發(fā)送報(bào)警短信至車(chē)主手機(jī)，并將GPS定位出的汽車(chē)位置經(jīng)緯度周期性發(fā)送給車(chē)主。

（3） 開(kāi)啟GPRS功能，將車(chē)后攝像頭拍攝的照片通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)周期性發(fā)送至車(chē)主手機(jī)終端。

4.2 信息娛樂(lè)功能測(cè)試及分析

系統(tǒng)信息娛樂(lè)功能測(cè)試，主要是對(duì)車(chē)載電話(huà)、GPS定位、后視系統(tǒng)、MP3播放器四個(gè)部分進(jìn)行測(cè)試?？紤]到某些情況下，車(chē)主無(wú)法通過(guò)自帶的移動(dòng)設(shè)備與外界聯(lián)絡(luò)，就可以通過(guò)車(chē)載電話(huà)實(shí)現(xiàn)撥打電話(huà)和發(fā)送短信的功能，作為車(chē)主的備用電話(huà)來(lái)使用。GPS定位能準(zhǔn)確地顯示汽車(chē)的經(jīng)緯度，結(jié)合Google地圖可以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)導(dǎo)航功能。后視系統(tǒng)在10 km/h車(chē)速下進(jìn)行測(cè)試，拍攝畫(huà)面清晰、實(shí)時(shí)性強(qiáng)。MP3播放器音量輸出幅值高，聲音飽滿(mǎn)，操作簡(jiǎn)便。圖10是車(chē)載電話(huà)的操作界面。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文提出一種將汽車(chē)防盜功能和信息娛樂(lè)功能集成設(shè)計(jì)的方法，并依據(jù)CAN通信及GPRS通信等技術(shù)，有效利用汽車(chē)現(xiàn)有資源，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一套集汽車(chē)防盜、信息娛樂(lè)功能于一體的智能化系統(tǒng)，完成了車(chē)載電子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能上的優(yōu)化。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)及對(duì)系統(tǒng)的實(shí)際測(cè)試，系統(tǒng)信息娛樂(lè)部分運(yùn)行穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)便，防盜部分具有高速、實(shí)時(shí)、可靠等優(yōu)點(diǎn)。本系統(tǒng)CAN總線(xiàn)部分可以與車(chē)身其他電子系統(tǒng)相互通信，對(duì)車(chē)載電子系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)具有較深遠(yuǎn)的意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 馬軻，諸志龍.CAN總線(xiàn)的汽車(chē)行駛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及應(yīng)用[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2011（6）：102?103.

[2] 金樹(shù)軍.基于AT90CAN128的CAN總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（9）：93?96.

[3] 陶金，陳文鑫，王景成.SPI接口在車(chē)門(mén)控制模塊中的應(yīng)用[J].微型電腦應(yīng)用，2010，26（4）：18?20.

[4] 姚芬.城市GPS控制網(wǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（12）：57?60.

[5] 劉曉杰，宋希庚，薛冬新.多功能汽車(chē) GPRS防盜報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].測(cè)試技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，24（3）：205?210.

[6] 吳昌東.基于GPS與GPRS的嵌入式車(chē)載防盜系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā)[D].南京：南京理工大學(xué)，2014.

[7] 黃友，張向文，許勇.基于CAN和GPRS技術(shù)的汽車(chē)防盜系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2013，21（8）：2168?2170.

[8] 丁瑞，王浩楓，陳偉，等.DSP下CAN總線(xiàn)雙冗余通信機(jī)制的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2014，35（8）：2732?2736.

[9] 王愛(ài)林，劉榮華，嚴(yán)頂.基于STM32的CAN?USB轉(zhuǎn)換模塊[J].儀表技術(shù)與傳感器，2012（6）：69?70.

[10] 劉楊，程勇，紀(jì)少波，等.基于GPRS與CAN總線(xiàn)的純電動(dòng)汽車(chē)無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)平臺(tái)的開(kāi)發(fā)[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，41（6）：109?114.