基于藍(lán)牙技術(shù)的汽車四輪定位系統(tǒng)無線化設(shè)計
[導(dǎo)讀]本文利用低成本的無線傳輸藍(lán)牙技術(shù)，提出了一種改造現(xiàn)有汽車四輪定位系統(tǒng)的方案，詳細(xì)說明了無線化汽車四輪定位系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計方法。
引 言
近年來，隨著我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展和汽車保有量的大幅增加，汽車檢測技術(shù)也取得了巨大的進(jìn)步，汽車檢測設(shè)備的功能、質(zhì)量都在不斷提高，正逐步向數(shù)字化、智能化、便攜化方向發(fā)展。作為汽車檢測的基本設(shè)備，四輪定位儀是專門用來測量車輪定位參數(shù)的設(shè)備。國內(nèi)市場上常見的四輪定位儀主要是拉線式和無線測量有線傳輸式兩種，未來的發(fā)展趨勢是全無線式。如何利用低成本的無線傳輸技術(shù)改造現(xiàn)有的有線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，就成了工程上很有意義的問題。本文利用低成本的無線傳輸藍(lán)牙技術(shù)，提出了一種改造現(xiàn)有汽車四輪定位系統(tǒng)的方案，詳細(xì)說明了無線化汽車四輪定位系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計方法。
1 傳統(tǒng)設(shè)計的問題和解決方案
1.1 傳統(tǒng)設(shè)計的問題
汽車在出廠時，其懸掛系統(tǒng)的定位角度都是設(shè)定好的，但是車輛在行駛一段時間后，這些定位角度會產(chǎn)生變化。定位系統(tǒng)是1個主控電腦和4個安裝在四輪上的傳感器。檢測時，四輪定位儀測量出汽車現(xiàn)時的四輪定位參數(shù)，將數(shù)據(jù)傳回主控電腦；主控電腦將顯示汽車測量的數(shù)據(jù)列表，并與原廠的數(shù)據(jù)相比較，計算出偏差值，再對小車相關(guān)的部位進(jìn)行恰當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。
傳統(tǒng)的汽車四輪定位儀是依靠有線方式和主電腦通信的，使用起來有諸多限制。四輪定位儀價格昂貴，國產(chǎn)的一般在十幾萬元以上，進(jìn)口的則更貴，一般都在20萬元以上。所以要想將其無線化，最好的方案是保留原有的硬件系統(tǒng)，僅添加無線收發(fā)單元的軟硬件，以免汽車維修站二次投資。
1.2 無線化解決方案
工業(yè)場合經(jīng)常需要無線傳輸數(shù)據(jù)，比如光纖制造時拉伸晶體用的超高溫?zé)釥t需要把溫度數(shù)據(jù)傳送出來。藍(lán)牙模塊體積小，不受障礙物和角度限制，價格也相對低廉，比較適合。除了某些專用的藍(lán)牙模塊以外，大多藍(lán)牙模塊硬件上都提供了數(shù)據(jù)接口，通過RS232串口可以傳輸對速率要求不高的實時數(shù)據(jù)。
本文選擇藍(lán)牙技術(shù)來設(shè)計無線化傳統(tǒng)汽車四輪定位系統(tǒng)。藍(lán)牙工作在免費的ISM頻段，且發(fā)射功率比較小(一般為1～10 mW)，不會對汽車維修站的其他電氣設(shè)備產(chǎn)生無線電干擾，很適合汽車維修場合應(yīng)用。藍(lán)牙采用點對點或者點對多點的主從網(wǎng)絡(luò)方案，藍(lán)牙四輪定位網(wǎng)絡(luò)采用1個主設(shè)備和4個從設(shè)備的方案，如圖1所示。這是由于現(xiàn)代轎車普遍都是前后獨立懸掛，所以前、后車輪各自需要調(diào)整的參數(shù)是獨立的，不能采用一主一從的點對點方案，而要用一主四從的方案。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1 硬件總體設(shè)計
藍(lán)牙主設(shè)備是具有無線收發(fā)功能的主控電腦，負(fù)責(zé)查詢四輪的狀態(tài)，并且向四輪發(fā)送調(diào)整指令；藍(lán)牙從設(shè)備是4個安裝在汽車車輪上的測量傳感儀器，負(fù)責(zé)測量四輪的狀態(tài)參數(shù)，并且把測量得到的參數(shù)無線傳回主控電腦。主控電腦里存儲了該車型的標(biāo)準(zhǔn)資料，它無線接收四輪傳來的數(shù)據(jù)(即汽車現(xiàn)時的四輪定位參數(shù))，并與該車型的存儲值對比算出偏差，做出相應(yīng)判斷，再把調(diào)整指令無線發(fā)送給四輪。據(jù)此要求，硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
2.2 硬件工作流程
圖2中的單片機C和測量傳感儀器屬于無線化以前的傳統(tǒng)汽車四輪定位儀。測量儀測得汽車車輪的角度等參數(shù)，通過傳感器發(fā)給單片機C。
四輪的狀態(tài)參數(shù)傳回主控電腦的過程如下：單片機C得到車輪傳感器的數(shù)據(jù)，通過UART口傳給單片機A；單片機A把數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙從設(shè)備無線發(fā)送給主控電腦端的藍(lán)牙主設(shè)備；單片機B從藍(lán)牙主設(shè)備獲得數(shù)據(jù)后，通過轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的RS232串口形式，再通過PC機上的標(biāo)準(zhǔn)9針串口送給主控電腦。主控電腦向四輪發(fā)送調(diào)整命令的流程與此類似。
這樣，只需在傳統(tǒng)的四輪定位系統(tǒng)上附加一些元件就實現(xiàn)了無線化，方便了汽車維修公司。
2.3 藍(lán)牙模塊與單片機接口電路設(shè)計
藍(lán)牙模塊采用CSR公司的Bluecore系列CSR0312。主要技術(shù)規(guī)范如下：
◆遵從藍(lán)牙1.1規(guī)范；
◆射頻輸出為class2級，作用距離10 m；
◆藍(lán)牙1.1認(rèn)證；
◆FCC&ETST認(rèn)證；
◆支持UART接口。
單片機用來存放初始化藍(lán)牙模塊和建立無線ACL數(shù)據(jù)連接的指令代碼，可以說單片機中的軟件是此系統(tǒng)的核心。這里采用AT89S51，該款單片機價格相對低廉。轉(zhuǎn)換芯片采用MAX3232E。
傳輸指令的電路連接如圖3所示。藍(lán)牙模塊的UART接口作為數(shù)據(jù)收發(fā)接口RXD和TXD，與AT89S51的P3.0和P3.1通信。AT89S51通過這兩個接口和藍(lán)牙模塊CSR0312互傳數(shù)據(jù)，并且向其發(fā)送主機控制接口指令。AT89S51的P1.2和P1.3作為擴展的串行接口，和其他單片機通信；P3.2作為外部中斷入口，當(dāng)有數(shù)據(jù)從其他單片機傳過來時，將觸發(fā)中斷開始接收數(shù)據(jù)。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
藍(lán)牙模塊通過主機控制接口HCI和單片機通信，利用主機控制接口指令，藍(lán)牙模塊可以進(jìn)入一種給定的操作模式(比如查詢網(wǎng)絡(luò)中其他設(shè)備，或者建立一個數(shù)據(jù)連接)。這樣就可以用單片機控制藍(lán)牙模塊，實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。建立ACL連接和斷開連接的藍(lán)牙指令分別是：
MOV DPTR，#HCICreateACLConnection
……
MOV DPTR，#HCIDisConnect
……
藍(lán)牙模塊收到#HCICreateACLConnection信號以后，就會進(jìn)入建立ACL連接的模式。
主設(shè)備和從設(shè)備的軟件流程基本一致，不同之處在于：主設(shè)備要查詢從設(shè)備并建立ACL數(shù)據(jù)鏈路，而從設(shè)備沒有這部分工作。主設(shè)備端的程序流程如圖4所示。系統(tǒng)啟動后，主設(shè)備首先要查詢從設(shè)備，收到從設(shè)備的響應(yīng)后，可得知能否和該從設(shè)備建立藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)，并且確定了該藍(lán)牙從設(shè)備代表4個輪胎中的哪一個；然后主設(shè)備發(fā)起連接請求，建立一個無線ACL鏈路，準(zhǔn)備收發(fā)數(shù)據(jù)，采用外部中斷的方式通知有數(shù)據(jù)到來。四輪定位完畢后，主控電腦發(fā)出一個結(jié)束信號，與其相連的藍(lán)牙模塊將該信號解釋為斷開藍(lán)牙連接，通知從設(shè)備撤銷藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)，流程結(jié)束。
4 總 結(jié)
藍(lán)牙模塊作用范圍雖然不大，通常不超過10 m，但是用于四輪定位場合是可以接受的。如果需要，還可以通過提高發(fā)射功率來增加有效距離?？偟膩碚f，藍(lán)牙模塊成本低，組網(wǎng)靈活；與有線四輪定位系統(tǒng)相比，價格沒有大幅度提高，使用靈活性卻大為增加。測試結(jié)果表明，藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用于四輪定位儀，不僅提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和工作效率，也便于設(shè)備的使用，可以很好地適應(yīng)汽車維修場所惡劣的環(huán)境。
近年來，隨著我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展和汽車保有量的大幅增加，汽車檢測技術(shù)也取得了巨大的進(jìn)步，汽車檢測設(shè)備的功能、質(zhì)量都在不斷提高，正逐步向數(shù)字化、智能化、便攜化方向發(fā)展。作為汽車檢測的基本設(shè)備，四輪定位儀是專門用來測量車輪定位參數(shù)的設(shè)備。國內(nèi)市場上常見的四輪定位儀主要是拉線式和無線測量有線傳輸式兩種，未來的發(fā)展趨勢是全無線式。如何利用低成本的無線傳輸技術(shù)改造現(xiàn)有的有線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，就成了工程上很有意義的問題。本文利用低成本的無線傳輸藍(lán)牙技術(shù)，提出了一種改造現(xiàn)有汽車四輪定位系統(tǒng)的方案，詳細(xì)說明了無線化汽車四輪定位系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計方法。
1 傳統(tǒng)設(shè)計的問題和解決方案
1.1 傳統(tǒng)設(shè)計的問題
汽車在出廠時，其懸掛系統(tǒng)的定位角度都是設(shè)定好的，但是車輛在行駛一段時間后，這些定位角度會產(chǎn)生變化。定位系統(tǒng)是1個主控電腦和4個安裝在四輪上的傳感器。檢測時，四輪定位儀測量出汽車現(xiàn)時的四輪定位參數(shù)，將數(shù)據(jù)傳回主控電腦；主控電腦將顯示汽車測量的數(shù)據(jù)列表，并與原廠的數(shù)據(jù)相比較，計算出偏差值，再對小車相關(guān)的部位進(jìn)行恰當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)。
傳統(tǒng)的汽車四輪定位儀是依靠有線方式和主電腦通信的，使用起來有諸多限制。四輪定位儀價格昂貴，國產(chǎn)的一般在十幾萬元以上，進(jìn)口的則更貴，一般都在20萬元以上。所以要想將其無線化，最好的方案是保留原有的硬件系統(tǒng)，僅添加無線收發(fā)單元的軟硬件，以免汽車維修站二次投資。
1.2 無線化解決方案
工業(yè)場合經(jīng)常需要無線傳輸數(shù)據(jù)，比如光纖制造時拉伸晶體用的超高溫?zé)釥t需要把溫度數(shù)據(jù)傳送出來。藍(lán)牙模塊體積小，不受障礙物和角度限制，價格也相對低廉，比較適合。除了某些專用的藍(lán)牙模塊以外，大多藍(lán)牙模塊硬件上都提供了數(shù)據(jù)接口，通過RS232串口可以傳輸對速率要求不高的實時數(shù)據(jù)。
本文選擇藍(lán)牙技術(shù)來設(shè)計無線化傳統(tǒng)汽車四輪定位系統(tǒng)。藍(lán)牙工作在免費的ISM頻段，且發(fā)射功率比較小(一般為1～10 mW)，不會對汽車維修站的其他電氣設(shè)備產(chǎn)生無線電干擾，很適合汽車維修場合應(yīng)用。藍(lán)牙采用點對點或者點對多點的主從網(wǎng)絡(luò)方案，藍(lán)牙四輪定位網(wǎng)絡(luò)采用1個主設(shè)備和4個從設(shè)備的方案，如圖1所示。這是由于現(xiàn)代轎車普遍都是前后獨立懸掛，所以前、后車輪各自需要調(diào)整的參數(shù)是獨立的，不能采用一主一從的點對點方案，而要用一主四從的方案。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計
2.1 硬件總體設(shè)計
藍(lán)牙主設(shè)備是具有無線收發(fā)功能的主控電腦，負(fù)責(zé)查詢四輪的狀態(tài)，并且向四輪發(fā)送調(diào)整指令；藍(lán)牙從設(shè)備是4個安裝在汽車車輪上的測量傳感儀器，負(fù)責(zé)測量四輪的狀態(tài)參數(shù)，并且把測量得到的參數(shù)無線傳回主控電腦。主控電腦里存儲了該車型的標(biāo)準(zhǔn)資料，它無線接收四輪傳來的數(shù)據(jù)(即汽車現(xiàn)時的四輪定位參數(shù))，并與該車型的存儲值對比算出偏差，做出相應(yīng)判斷，再把調(diào)整指令無線發(fā)送給四輪。據(jù)此要求，硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
2.2 硬件工作流程
圖2中的單片機C和測量傳感儀器屬于無線化以前的傳統(tǒng)汽車四輪定位儀。測量儀測得汽車車輪的角度等參數(shù)，通過傳感器發(fā)給單片機C。
四輪的狀態(tài)參數(shù)傳回主控電腦的過程如下：單片機C得到車輪傳感器的數(shù)據(jù)，通過UART口傳給單片機A；單片機A把數(shù)據(jù)通過藍(lán)牙從設(shè)備無線發(fā)送給主控電腦端的藍(lán)牙主設(shè)備；單片機B從藍(lán)牙主設(shè)備獲得數(shù)據(jù)后，通過轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的RS232串口形式，再通過PC機上的標(biāo)準(zhǔn)9針串口送給主控電腦。主控電腦向四輪發(fā)送調(diào)整命令的流程與此類似。
這樣，只需在傳統(tǒng)的四輪定位系統(tǒng)上附加一些元件就實現(xiàn)了無線化，方便了汽車維修公司。
2.3 藍(lán)牙模塊與單片機接口電路設(shè)計
藍(lán)牙模塊采用CSR公司的Bluecore系列CSR0312。主要技術(shù)規(guī)范如下：
◆遵從藍(lán)牙1.1規(guī)范；
◆射頻輸出為class2級，作用距離10 m；
◆藍(lán)牙1.1認(rèn)證；
◆FCC&ETST認(rèn)證；
◆支持UART接口。
單片機用來存放初始化藍(lán)牙模塊和建立無線ACL數(shù)據(jù)連接的指令代碼，可以說單片機中的軟件是此系統(tǒng)的核心。這里采用AT89S51，該款單片機價格相對低廉。轉(zhuǎn)換芯片采用MAX3232E。
傳輸指令的電路連接如圖3所示。藍(lán)牙模塊的UART接口作為數(shù)據(jù)收發(fā)接口RXD和TXD，與AT89S51的P3.0和P3.1通信。AT89S51通過這兩個接口和藍(lán)牙模塊CSR0312互傳數(shù)據(jù)，并且向其發(fā)送主機控制接口指令。AT89S51的P1.2和P1.3作為擴展的串行接口，和其他單片機通信；P3.2作為外部中斷入口，當(dāng)有數(shù)據(jù)從其他單片機傳過來時，將觸發(fā)中斷開始接收數(shù)據(jù)。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計
藍(lán)牙模塊通過主機控制接口HCI和單片機通信，利用主機控制接口指令，藍(lán)牙模塊可以進(jìn)入一種給定的操作模式(比如查詢網(wǎng)絡(luò)中其他設(shè)備，或者建立一個數(shù)據(jù)連接)。這樣就可以用單片機控制藍(lán)牙模塊，實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。建立ACL連接和斷開連接的藍(lán)牙指令分別是：
MOV DPTR，#HCICreateACLConnection
……
MOV DPTR，#HCIDisConnect
……
藍(lán)牙模塊收到#HCICreateACLConnection信號以后，就會進(jìn)入建立ACL連接的模式。
主設(shè)備和從設(shè)備的軟件流程基本一致，不同之處在于：主設(shè)備要查詢從設(shè)備并建立ACL數(shù)據(jù)鏈路，而從設(shè)備沒有這部分工作。主設(shè)備端的程序流程如圖4所示。系統(tǒng)啟動后，主設(shè)備首先要查詢從設(shè)備，收到從設(shè)備的響應(yīng)后，可得知能否和該從設(shè)備建立藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)，并且確定了該藍(lán)牙從設(shè)備代表4個輪胎中的哪一個；然后主設(shè)備發(fā)起連接請求，建立一個無線ACL鏈路，準(zhǔn)備收發(fā)數(shù)據(jù)，采用外部中斷的方式通知有數(shù)據(jù)到來。四輪定位完畢后，主控電腦發(fā)出一個結(jié)束信號，與其相連的藍(lán)牙模塊將該信號解釋為斷開藍(lán)牙連接，通知從設(shè)備撤銷藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)，流程結(jié)束。
4 總 結(jié)
藍(lán)牙模塊作用范圍雖然不大，通常不超過10 m，但是用于四輪定位場合是可以接受的。如果需要，還可以通過提高發(fā)射功率來增加有效距離?？偟膩碚f，藍(lán)牙模塊成本低，組網(wǎng)靈活；與有線四輪定位系統(tǒng)相比，價格沒有大幅度提高，使用靈活性卻大為增加。測試結(jié)果表明，藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用于四輪定位儀，不僅提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和工作效率，也便于設(shè)備的使用，可以很好地適應(yīng)汽車維修場所惡劣的環(huán)境。
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