史添添，周琳凱，曾奕哲，張育華，曾潔，郭永偉

(1.大連交通大學(xué)，大連 116000； 2.大連理工大學(xué)； 3.鎮(zhèn)江恒馳科技有限公司)

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新能源汽車ECU與手機APP數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)方法*

史添添1，周琳凱1，曾奕哲2，張育華3，曾潔1，郭永偉1

(1.大連交通大學(xué)，大連 116000； 2.大連理工大學(xué)； 3.鎮(zhèn)江恒馳科技有限公司)

本文通過移動手機APP與新能源汽車的ECU之間建立通信，以達到從手機中查看ECU采集到的汽車關(guān)鍵工況參數(shù)的目的。文中ECU的主控制芯片采用MC9S08DZ60，ECU通過串口WiFi模塊并采用WiFi-Direct模式與手機建立通信，并設(shè)計實現(xiàn)了ECU向手機APP端的數(shù)據(jù)傳輸，極大地方便了用戶通過手機實時監(jiān)控自己的車輛。

新能源汽車；ECU；APP；WiFi-Direct；MC9S08DZ60；數(shù)據(jù)傳輸

引 言

在新能源汽車領(lǐng)域快速發(fā)展的同時，由于技術(shù)上的不成熟，其運行安全問題一直是大家關(guān)注的焦點。如果能夠在新能源汽車運行過程中及時觀測到車輛的關(guān)鍵部件數(shù)據(jù)及健康狀況，就能避免部分車輛安全問題。為解決新能源汽車安全性能不穩(wěn)定的問題，本文設(shè)計一套能夠?qū)崟r方便地監(jiān)測車輛的關(guān)鍵數(shù)據(jù)及健康狀況的監(jiān)控系統(tǒng)是十分必要的。本文就是利用新能源汽車ECU的串口WiFi模塊，通過WiFi-Direct模式與手機客戶端建立連接，并將通過串口得到的ECU數(shù)據(jù)傳輸給手機APP，使人們能夠在手機上時時監(jiān)測車輛的關(guān)鍵數(shù)據(jù)及健康狀況，以便在出現(xiàn)異常狀況時采取快速有效的措施。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作過程

本系統(tǒng)由帶有WiFi功能的ECU和帶有車輛信息監(jiān)控APP的移動終端兩部分組成。其中ECU中主要包含MCU、模擬/數(shù)字信號輸入電路、控制輸出電路、WiFi通信模塊；移動終端通常就是一部駕駛?cè)藛T持有的安卓智能手機，新能源車輛信息監(jiān)控APP運行在普通安卓智能手機上，用于實時查看車輛的關(guān)鍵參數(shù)以及部件健康狀況，尤其是動力電池裝置的狀態(tài)監(jiān)控。整個系統(tǒng)的構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

ECU通過車輛上的各種傳感器獲取所需數(shù)字/模擬信號，MCU根據(jù)采集到的車輛參數(shù)來決定對車輛的控制，同時這些參數(shù)也通過串口通信發(fā)送給ECU的WiFi模塊，ECU的WiFi模塊和手機通過WiFi-Direct模式建立連接后，ECU的WiFi模塊會將這些參數(shù)通過TCP協(xié)議發(fā)送到手機端，APP收到數(shù)據(jù)后進行解析并將最終的數(shù)據(jù)顯示在APP中實現(xiàn)人對車輛信息的實時監(jiān)測。在APP中，對關(guān)鍵參數(shù)會設(shè)定一個正常狀況的范圍值，一旦ECU發(fā)送來的數(shù)據(jù)超出正常范圍值，APP就會彈出報警對話框提示車輛使用者及時排查車輛可能發(fā)生的問題，以確保新能源車輛安全可靠地運行。

2 ECU通信硬件電路設(shè)計

2.1 ECU主控制單元的基本電路

圖2 MC9S08DZ60型號MCU的最小系統(tǒng)

作為ECU的控制核心，微控制器的選擇要考慮到各個方面。首先微控制器內(nèi)部的端口資源要能夠滿足新能源汽車控制基本功能的要求；其次，微控制器要擁有良好的電磁兼容特性及快速的運算處理能力。

根據(jù)對控制器的功能需求，選用飛思卡爾公司的MC9S08DZ60微控制芯片作為ECU的主控制單元(MCU)。這款微控制器芯片通過汽車級認(rèn)證，滿足本系統(tǒng)中對硬件電路抗干擾性能的苛刻要求。MC9S08DZ60為64引腳LQFP封裝的芯片，該芯片F(xiàn)lash程序存儲器有60 KB，RAM存儲器有4 KB。內(nèi)部有2 KB的EEPROM存儲器、24通道12位ADC轉(zhuǎn)換器、兩個PWM模塊、兩個模擬比較器、一個I2C、一個SPI、兩個UART、一個CAN通信模塊和53個通用I/O。而且該芯片還有很多的I/O端口，可以滿足對電壓、電流等參數(shù)的采集。由于此芯片資源豐富、穩(wěn)定性好、運算效率高、價格便宜，所以是一款性價比很高的車用微控制器。

MC9S08DZ60主控芯片的最小系統(tǒng)如圖2所示。其串口2(9S08DZ60的TX2和RX2端口)專門用于與WiFi模塊的通信。PTB1和PTB2引腳用于控制WiFi模塊的睡眠喚醒和工作使能。

2.2 WiFi模塊的接口電路

通常具有串口功能的WiFi模塊，其內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議。其硬件構(gòu)成主要是由內(nèi)嵌的微處理芯片和WiFi通信芯片構(gòu)成，微處理器實現(xiàn)裸機驅(qū)動程序和TCP/IP協(xié)議，WiFi芯片則完成數(shù)據(jù)的無線收發(fā)。串口WiFi模塊對外提供UART串口或SPI接口，因而可以通過串口或者SPI接口與ECU中的MCU通信，由此實現(xiàn)ECU與外部移動終端的無線通信。

WiFi模塊選用的是國產(chǎn)的PLJW1A，它是一款高性價比的串口WiFi模塊，也是一個完整且自成體系的WiFi網(wǎng)絡(luò)解決方案，能夠搭載軟件應(yīng)用。當(dāng)PLJW1A在搭載應(yīng)用并作為設(shè)備中唯一的應(yīng)用處理器時，能夠直接從外接閃存中啟動。內(nèi)置的高速緩沖存儲器有利于提高系統(tǒng)性能，并減少內(nèi)存需求。 另外一種情況是，無線上網(wǎng)接入承擔(dān) WiFi 適配器的任務(wù)時，可以將其添加到任何基于微控制器的設(shè)計中，連接簡單易行，只需通過SPI/UART 接口或中央處理器 AHB橋接口即可。

PLJW1A內(nèi)部嵌入了一個超低功率32 位微型CPU，帶有16 位精簡模式。支持多個模擬和數(shù)字接口。主串行接口(SI)能在二、三、四線制總線配置下運行，被用來控制EEPROM 或其他I2C/SPI設(shè)備。多址I2C 設(shè)備共享2 線制總線，多址SPI 設(shè)備共享時鐘和數(shù)據(jù)信號，且根據(jù)芯片的選擇，各自單獨使用由軟件控制的GPIO引腳。

模塊遵循TCP/IP、802.11 b/g/n/e/i WLAN MAC 協(xié)議和WiFi-Direct規(guī)格，不僅支持分散控制功能(DCF)下的基本服務(wù)單元 (BSS) 的操作,還遵循最新的P2P協(xié)議，支持P2P 團體操作(P2P group operation)。WiFi-Direct模式在適當(dāng)?shù)闹噶钕聠?，就會自動完成搜索設(shè)備等P2P功能。本模塊WiFi-Direct模式操作簡便，符合本文中的設(shè)計要求。

圖4 WiFi-Direct的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

本設(shè)計中由于串口WiFi模塊工作電源為3.3 V，而主控制芯片工作電源則為5 V，所以兩者不能直接相連。為此，主控制器與WiFi模塊之間電氣連接必須通過中間的電平轉(zhuǎn)換芯片方可。電平轉(zhuǎn)換芯片選用74LVC4245A。主控制芯片的PTB1和PTB2引腳連接電平轉(zhuǎn)換芯片的輸入端A1和A2，輸出端B1和B2連接WiFi模塊的睡眠喚醒(WKUP)和使能端(WORK_EN)引腳，由此通過主控制芯片可控制WiFi模塊的啟動和睡眠喚醒。主控制芯片的TXD2和RXD2引腳連接電平轉(zhuǎn)換芯片的輸入端A3和A4，輸出端B3和B4連接WiFi模塊的URX和UTX引腳,由此主控制芯片可以通過串口與WiFi模塊進行通信。WiFi模塊與電平轉(zhuǎn)換芯片連接電路圖如圖3所示。

圖3 WiFi模塊與電平轉(zhuǎn)換芯片連接電路圖

3 軟件設(shè)計

WiFi Alliance于2010年10月發(fā)布WiFi-Direct白皮書， WiFi-Direct標(biāo)準(zhǔn)是指允許無線網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備無需通過無線路由器即可相互連接。WiFi-Direct技術(shù)以WiFi既有技術(shù)為基礎(chǔ)，讓W(xué)iFi裝置在沒有路由器、熱點的情況下，仍能建立Peer to Peer的無線連接。能讓設(shè)備之間互動，傳輸內(nèi)容，速度最高為250 Mbps，最遠距離約為300公尺。

如“俱樂部”模式。在我們?nèi)粘Ｉ町?dāng)中所了解的俱樂部，就是有同一愛好的人聚集在一起，相互交流思想與經(jīng)驗，共同進步。教師在體育教學(xué)當(dāng)中也可以建立起“俱樂部”的教學(xué)模式，將體育課程的教學(xué)內(nèi)容分成不同的俱樂部項目，讓學(xué)生進行項目的自主選擇，在同一俱樂部的學(xué)生便是一個小組。具有同一愛好的學(xué)生在一起進行運動項目的活動組織、形式的探討，在必要的時候教師可以給予相應(yīng)的幫助，使得學(xué)生的自主能力性能夠更大限度的發(fā)揮出來，培養(yǎng)起學(xué)生的創(chuàng)新能力與組織創(chuàng)造能力。學(xué)生通過相互之間緊密的聯(lián)系與合作，促進了自身體育運動的興趣發(fā)展與技能發(fā)展，使得學(xué)生更加積極主動的參與到體育運動當(dāng)中來。

WiFi-Direct設(shè)備通過組建小組(以一對一或一對多的拓?fù)湫问?來建立連接，圖4為WiFi-Direct的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，小組的工作形式與基礎(chǔ)設(shè)施BSS類似。由一部WiFi-Direct設(shè)備負(fù)責(zé)整個小組，包括控制哪部設(shè)備加入、小組何時啟動和終止等。在本文中屬于一對一的P2P連接模式，WiFi模塊作為GroupOwner，而手機端作為GroupClient。

3.2 主控制器軟件部分

MCU是ECU中的核心部分，當(dāng)MCU從傳感器中獲取到車輛相關(guān)數(shù)據(jù)后，通過WiFi模塊開啟WiFi-Direct模式并主動搜索附近可配對設(shè)備(手機)，搜索到設(shè)備后主動邀請該設(shè)備加入P2P連接小組，一旦連接建立ECU通過WiFi模塊向手機端發(fā)送TCP數(shù)據(jù)，手機接收數(shù)據(jù)后對其解析最終顯示給用戶。當(dāng)發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)后會檢測ECU與手機的P2P連接是否斷開，如果連接斷開則重新獲取數(shù)據(jù)并開始掃描設(shè)備，如果連接沒有斷開則繼續(xù)向手機發(fā)送新一幀數(shù)據(jù)。主控制器程序設(shè)計流程如圖5所示。

圖5 主控制器程序設(shè)計流程

3.3 手機監(jiān)控APP

本文中的手機APP軟件系統(tǒng)開發(fā)選擇開放的Android手機操作系統(tǒng)，手機軟件系統(tǒng)選用C/S架構(gòu)模式，然后按照MVC模式詳細(xì)設(shè)計各個功能模塊。手機軟件總體系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可對新能源汽車進行智能化管理，通過每輛新能源汽車的ECU并借助于其本身嵌入的WiFi通信模塊，將其采集到車輛各種關(guān)鍵參數(shù)及工況信息，通過WiFi模塊傳輸?shù)绞褂谜呤謾C終端。手機軟件前臺能夠?qū)⑿履茉雌嚨年P(guān)鍵參數(shù)及工況信息顯示處理，并在后臺建立數(shù)據(jù)庫，根據(jù)時間記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。用戶可以查詢在手機中保存的車輛歷史數(shù)據(jù)。

WiFi模塊與手機APP是通過WiFi-Direct模式建立通信，Android對WiFi Direct有很好的支持，并提供了相應(yīng)的類和接口。本文中手機端作為P2P小組中的GroupClient，當(dāng)被搜索到后需要接收ECU端的連接邀請。手機端通過WiFi-Direct配對建立連接，并接收顯示數(shù)據(jù)的流程圖如圖6所示。其流程如下：

① App中的Activity組件通過調(diào)用WifiP2pManager類的discoverPeers()方法開始掃描設(shè)備；

② 成功掃描到可用設(shè)備后，App的廣播組件BroadcastReceiver會收到P2P可連接設(shè)備列表已改變的通知，此時ECU主動發(fā)出P2P連接邀請，BroadcastReceiver又會收到P2P可連接設(shè)備的連接邀請的通知，收到此通知后會在Activity中彈出對話框讓用戶來選擇是否接受連接邀請，用戶點擊接受后，手機端將會作為GroupClient與ECU成功配對；

圖6 手機端通過WiFi-Direct配對 建立連接并接收顯示數(shù)據(jù)的流程

③ 配對成功后，在App的Service組件中根據(jù)WifiP2pInfo類的groupOwnerAddress方法獲取到ECU端的IP然后通過Socket使手機APP與ECU端建立TCP連接；

④ 建立連接后ECU端通過WiFi模塊向手機發(fā)送車輛相關(guān)數(shù)據(jù)，APP在Service組件每收到一幀數(shù)據(jù)后，通過Handler類來傳遞給顯示界面并更新顯示的數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)測試

圖7所示為手機監(jiān)控APP的WiFi-Direct連接界面，當(dāng)ECU端掃描到手機設(shè)備并發(fā)出連接邀請后，就會在本界面彈出對話框，需要用戶點擊接收方可建立P2P連接。

圖8所示為手機監(jiān)控APP的車輛數(shù)據(jù)顯示界面，當(dāng)手機端收到ECU發(fā)來的TCP車輛數(shù)據(jù)后，經(jīng)過后臺解析最終顯示在界面上，每當(dāng)ECU傳來新一幀車輛數(shù)據(jù)，該界面都會自動刷新車輛參數(shù)的值。

圖7 模擬ECU與手機進行通信測試

圖8 車輛數(shù)據(jù)顯示界面

結(jié) 語

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正滲透到各個領(lǐng)域，尤其是新能源汽車領(lǐng)域。本文利用WiFi-Direct技術(shù)實現(xiàn)新能源汽車ECU與手機APP的通信，使得人們使用智能手機就可以隨時隨地對新能源車輛關(guān)鍵參數(shù)進行時時地監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)并排查可能會發(fā)生的安全問題。

[1] 劉洪濤, 鄒南.ARM處理器開發(fā)詳解[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2012:46-49.

[2] 吳晶晶．純電動汽車車載信息的采集與遠程監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)[D]．江西：南昌大學(xué)，2011: 4-5.

[3] 陳皓, 趙祥模, 惠飛, 等. 一種基于WiFi Direct的車路信息交互方法[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)， 2015(9):154-158.

[4] 李沁璘.基于Android的車輛監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].大眾科技,2016,18(2).

[5] 明日科技.Android從入門到精通[M].北京：北京清華大學(xué)出版社,2012.

史添添、周琳凱(在讀碩士)，主要研究方向為車輛信息及控制技術(shù)。

Data Transmission Implementation Method of New Energy Vehicles ECU with Mobile Phone APP

Shi Tiantian1,Zhou Linkai1,Zeng Yizhe2,Zhang Yuhua3,Zeng Jie1,Guo Yongwei1

(1.Dalian Jiaotong University,Dalian 116000,China;2.Dalian University of Technology;3.Hents Technologies Inc.)

By establishing a communication between the APP of mobile phone and ECU of new energy vehicles,the key working parameters of the new energy vehicles can be get,which are displayed on the phone.The main control chip of ECU uses the MC9S08DZ60 is used as the main control chip of ECU.Then the ECU can establish communication with the phone through the WiFi module using the WiFi-Direct mode.The data transmission from ECU to the end of the phone APP is realized.Therefore,the users can monitor their vehicles in real time by the mobile phone.

new energy vehicles;ECU;APP;WiFi-Direct;MC9S08DZ60;data transmission

2015年江蘇省科技計劃項目(項目編號：BE2015132);中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃(2015J002-E)。

TP216.1

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?迪娜

2016-07-15)