張宸宇

摘? 要： 針對(duì)礦山車(chē)輛遠(yuǎn)程監(jiān)控的需求，設(shè)計(jì)了一款基于飛思卡爾MC9S12XET256MAG單片機(jī)的車(chē)載終端。該終端結(jié)合了GPS定位、CAN總線網(wǎng)絡(luò)以及GPRS通信技術(shù)，通過(guò)分析礦山用車(chē)載終端實(shí)際需求，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)傳輸車(chē)輛的GPS數(shù)據(jù)、車(chē)輛的實(shí)時(shí)速度、車(chē)輛電池電壓、車(chē)輛電機(jī)狀態(tài)與車(chē)輛運(yùn)行數(shù)據(jù)，同時(shí)也包括車(chē)輛的駐車(chē)充電數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山車(chē)的遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。測(cè)試結(jié)果表明，該終端能夠滿足車(chē)輛遠(yuǎn)程監(jiān)控需求，且運(yùn)行穩(wěn)定，應(yīng)用前景廣闊。

關(guān)鍵詞： 車(chē)載終端; 單片機(jī); CAN總線; GPRS; GPS

中圖分類(lèi)號(hào)：U469.6? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ?文章編號(hào)：1006-8228（2020）04-54-04

Design of GPRS remote monitoring vehicle mounted terminal of pure electric mine car

Zhang Chenyu

（Faculty of Mechanical Engineering & Automation， Zhejiang Sci-Tech University， Hangzhou， Zhejiang 310018， China）

Abstract： Aiming at the demand of remote monitoring of mine car， this paper designs a vehicle mounted terminal with Freescale MC9S12XET256MAG MCU. The terminal combines GPS positioning， CAN bus network and GPRS communication technology. By analyzing the actual demand of the mine car， the terminal realizes the transmission of the real-time data of GPS， speed， battery voltage， motor status， and traveling， as well as the charging data of the car， to realize the remote monitoring function of mine car. The test results show that the terminal can meet the remote monitoring requirement of the mine car， and the system is stable and the application prospect is broad.

Key words： vehicle mounted terminal; single chip microcomputer; CAN bus; GPRS; GPS

0 引言

新能源車(chē)輛正在全球一體化的環(huán)境下飛速發(fā)展，車(chē)輛電動(dòng)化也已經(jīng)是大勢(shì)所趨，電動(dòng)汽車(chē)從原有的乘用發(fā)展到商用車(chē)領(lǐng)域，再?gòu)纳逃密?chē)向特種車(chē)輛發(fā)展，車(chē)載終端的發(fā)展跟不上電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展的速度，現(xiàn)有的大部分遠(yuǎn)程車(chē)載終端僅適用于常規(guī)乘用車(chē)輛，并未對(duì)礦用車(chē)輛做出相應(yīng)的車(chē)載終端開(kāi)發(fā)[1]。

礦山內(nèi)部路面的道路情況也會(huì)有雪霜等其他復(fù)雜的極端天氣環(huán)境[4]，礦山用車(chē)車(chē)輛容易在行駛過(guò)程中發(fā)生的關(guān)于動(dòng)力系統(tǒng)或者制動(dòng)等問(wèn)題，可能會(huì)威脅到生命安全。這個(gè)時(shí)候，一輛與監(jiān)控終端相連，在行駛過(guò)程中可以實(shí)時(shí)的上傳車(chē)輛行駛數(shù)據(jù)的礦用車(chē)[5-6]，例如單體電池電壓數(shù)據(jù)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)狀態(tài)等，可以有效的降低車(chē)輛在路上損壞的情況，大大的提高了車(chē)輛的安全系數(shù)[8]。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山用車(chē)在行駛過(guò)程的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，本文以飛思卡爾MC9S12XET256MAG單片機(jī)為核心，結(jié)合了CAN總線、GPS定位以及GPRS通信等技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)崟r(shí)采集并上傳車(chē)輛運(yùn)行狀況的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控車(chē)載終端，實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦山車(chē)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能需求[9]。

1 車(chē)載終端整體方案設(shè)計(jì)

根據(jù)車(chē)輛的功能需求，車(chē)載終端需要滿足以下要求：

⑴ 一般信息：車(chē)架號(hào)，IMEI號(hào)，基站信息等;

⑵ 定位需求。經(jīng)緯度，GPS速度等;

⑶ 車(chē)輛日常監(jiān)控需求。車(chē)輛主動(dòng)將車(chē)輛上的重要數(shù)據(jù)上傳到云，如電池?cái)?shù)據(jù)、電機(jī)數(shù)據(jù)等。

車(chē)載終端的整體設(shè)計(jì)方案如下： CAN總線網(wǎng)絡(luò)將獲取的車(chē)輛電機(jī)狀態(tài)、電池狀態(tài)以及故障信息等車(chē)輛運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳給主控芯片;GPS定位模塊將獲取車(chē)輛的位置信息，GPS速率和GPS航向等發(fā)送至MCU。MC9S12XET256MAG將獲取到的車(chē)輛狀態(tài)信息和車(chē)輛位置信息通過(guò)UART串口經(jīng)GPRS模塊傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)[10-11]。車(chē)載終端總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 車(chē)載終端硬件設(shè)計(jì)

2.1 GPS定位模塊硬件設(shè)計(jì)

GPS定位模塊負(fù)責(zé)接收車(chē)輛的定位數(shù)據(jù)、GPS速率GPS航向。本車(chē)載終端采用SIM28M作為GPS定位接收模塊，SIM28M是專(zhuān)門(mén)針對(duì)車(chē)輛監(jiān)控設(shè)計(jì)的定位芯片。SIM28M跟蹤和采集的靈敏度均可以達(dá)到-160dBm，不僅是導(dǎo)航項(xiàng)目和定位服務(wù)的理想選擇，也已經(jīng)是同類(lèi)GPS導(dǎo)航產(chǎn)品中的佼佼者，而且SIM28M的外圍電路接口簡(jiǎn)單，故在此選用SIM28M定位芯片。如圖2所示為GPS電路模塊。

2.2 GPRS通信模塊硬件設(shè)計(jì)

GPRS通信模塊建立車(chē)載終端系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)的通信，實(shí)現(xiàn)車(chē)載終端系統(tǒng)與遠(yuǎn)程監(jiān)控中心信息的交互，車(chē)載終端的服務(wù)產(chǎn)品為礦山車(chē)，而礦山車(chē)往往運(yùn)行在一些偏遠(yuǎn)的山區(qū)，其網(wǎng)絡(luò)通訊信號(hào)通常會(huì)比城鎮(zhèn)弱很多。因此需要一個(gè)強(qiáng)有力的硬件支撐。廣和通G510模塊可以被集成進(jìn)任何需要通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)漠a(chǎn)品或者系統(tǒng)中。因此，將G510作為通信核心單元集成至我們的GPRS模塊中，不僅實(shí)現(xiàn)了本車(chē)載終端與監(jiān)控平臺(tái)通信功能，同時(shí)也可以大大提高車(chē)載終端的通訊能力，即使是在礦山車(chē)所運(yùn)行的偏遠(yuǎn)地帶。圖3為GPRS的電源模塊，電源轉(zhuǎn)換芯片NCV5662DSADJR4G將輸入電壓6.6V轉(zhuǎn)5V向GPRS模塊供電，二極管D8防反向，此外，還能防止接入高電壓以后輸入電源的電容損壞。

2.3 CAN總線通信模塊硬件設(shè)計(jì)

CAN總線通信模塊將車(chē)輛CAN總線采集到的車(chē)輛數(shù)據(jù)信息分兩路CAN電路，分別通過(guò)高速CANH和低速CANL發(fā)送至主控芯片，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛CAN數(shù)據(jù)通信。CAN總線通信模塊設(shè)計(jì)選擇TJA1042T/1J控制器，TJA1042T/1J是NXP擴(kuò)展高速CAN收發(fā)器系列產(chǎn)品，在汽車(chē)上具有極強(qiáng)的適用和通用性。之外，TJA1042T/1J在低功耗模式中通常會(huì)低至10μA。TJA1042T/1J內(nèi)置CAN總線協(xié)議，在外部總線驅(qū)動(dòng)下可以輕松構(gòu)建CAN總線智能節(jié)點(diǎn)。CAN總線電路模塊如圖4所示。

3 車(chē)載終端軟件設(shè)計(jì)

車(chē)載終端系統(tǒng)的包括一個(gè)主程序及其子程序模塊。本車(chē)載終端系統(tǒng)的軟件模塊主要軟件模塊包括：各個(gè)模塊的初始化程序、GPS定位數(shù)據(jù)處理程序、CAN總線通信程序、以及GPRS無(wú)線通信程序等模塊。

3.1 CAN總線通信模塊軟件設(shè)計(jì)

車(chē)載終端系統(tǒng)接收到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心發(fā)送來(lái)的控制指令后，車(chē)載終端系統(tǒng)設(shè)置接收節(jié)點(diǎn)的ID，并將控制指令轉(zhuǎn)發(fā)到CAN總線上，CAN總線上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)CAN報(bào)文的ID判斷是否接收。CAN數(shù)據(jù)接收流場(chǎng)如圖5所示。

3.2 GPS模塊軟件設(shè)計(jì)

GPS定位信息報(bào)文解析主要負(fù)責(zé)接收GPS模塊發(fā)送的報(bào)文信息，根據(jù)報(bào)文協(xié)議提取車(chē)輛監(jiān)控信息并放入發(fā)送緩沖區(qū)。監(jiān)控信息包括速度信息、經(jīng)緯度信息等。由于終端通過(guò)GPS獲得的量主要是位置信息和速度信息。在車(chē)載終端中，定位數(shù)據(jù)處理的過(guò)程在UART串口2的中斷處理函數(shù)中完成，其整體設(shè)計(jì)的程序流程如圖6所示。

3.3 GPRS模塊軟件設(shè)計(jì)

SIM28M采用串口（UART）完成與MCU的通信，通過(guò)串口發(fā)送AT指令實(shí)現(xiàn)GPRS模塊與TCP連接和數(shù)據(jù)發(fā)送。定周期發(fā)送在PIT時(shí)間中斷處理函數(shù)內(nèi)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)完成發(fā)送前的準(zhǔn)備工作且定時(shí)器時(shí)間到后，在中斷函數(shù)內(nèi)，向指定串口發(fā)送相應(yīng)緩沖區(qū)內(nèi)數(shù)據(jù)。串口發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖如圖7所示。

4 驗(yàn)證測(cè)試

本車(chē)載終端的軟件通過(guò)Freescale CodeWarrior軟件連接USBDM仿真器給車(chē)載終端燒寫(xiě)程序。第一部先給車(chē)載終端上電，并且連接好程序燒寫(xiě)器，上電POWER燈均亮，顯示正常。第二步通過(guò)Freescale CodeWarrior軟件連接BDM下載器給車(chē)載終端燒寫(xiě)程序。在程序燒寫(xiě)以后，對(duì)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏y(cè)試。將車(chē)載終端通過(guò)USBCAN收發(fā)與電腦連接，通過(guò)電腦上的CANTest向車(chē)載終端模擬發(fā)送車(chē)輛ECU數(shù)據(jù)。結(jié)果顯示在前端界面接收到模擬的車(chē)輛數(shù)據(jù)，本文所設(shè)計(jì)的車(chē)載終端能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)車(chē)輛的即時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)以及車(chē)輛定位數(shù)據(jù)進(jìn)行即時(shí)監(jiān)控的需求。如圖8所示為監(jiān)控平臺(tái)所接收到的車(chē)輛模擬數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

為了解決對(duì)礦山用車(chē)在行駛過(guò)程中的車(chē)輛數(shù)據(jù)監(jiān)控問(wèn)題，本文基于GPRS網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)了一款針對(duì)礦山車(chē)的車(chē)載終端，完成了車(chē)載終端的軟硬件電路設(shè)計(jì)，對(duì)制作的車(chē)載終端進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試以及驗(yàn)證工作。結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的車(chē)載終端實(shí)現(xiàn)了對(duì)礦山車(chē)的車(chē)輛實(shí)時(shí)行駛數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。通過(guò)對(duì)車(chē)輛數(shù)據(jù)監(jiān)控的遠(yuǎn)期數(shù)據(jù)累積，終端可以通過(guò)對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的分析來(lái)評(píng)估駕駛習(xí)慣，以及通過(guò)能耗和殘值的分析來(lái)為車(chē)輛維護(hù)提供數(shù)據(jù)支撐。

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