詳解如何利用GPS/GPRS技術(shù),設(shè)計CAN總線工程車輛遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)
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隨著工業(yè)現(xiàn)代化的飛速發(fā)展,工程車輛的種類越來越多,功能越來越強(qiáng)大。工程車輛在工程施工中起著舉足輕重的作用,其作業(yè)條件、作業(yè)狀況復(fù)雜多變,工作環(huán)境惡劣,使故障率大大增加。如何通過各種先進(jìn)技術(shù)對工程車輛運(yùn)行參數(shù)實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控及對其進(jìn)行科學(xué)地指揮、調(diào)度,是工程車輛行業(yè)的一個重要的研究課題,具有十分重大的現(xiàn)實(shí)意義。
1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)
本文提出的CAN總線工程車輛遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng),通過車載電子控制裝置ECU的CAN總線獲取車輛運(yùn)行信息,并利用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通信手段對車輛進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控及調(diào)度管理。
工程車輛遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)主要由控制中心和車載移動終端組成。車載終端設(shè)備通過CAN總線接口模塊獲取車輛實(shí)時運(yùn)行參數(shù)信息,合并GPS定位信息后將這些信息通過GPRS將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心,控制中心將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析,并且在屏幕上實(shí)時地顯示每個車輛的具體位置以及其它參量信息。同時控制中心根據(jù)各車輛具體情況下傳相應(yīng)的控制指令,對車輛進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時控制。
圖1 系統(tǒng)整體實(shí)物圖
2 硬件設(shè)計
系統(tǒng)以C8051F040為核心模塊,結(jié)合GPS模塊、GPRS通訊模塊、CAN總線模塊、存儲模塊以及電源模塊等實(shí)現(xiàn)對工程車輛運(yùn)行過程狀態(tài)的監(jiān)控、顯示、記錄和報警,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
2.1 單片機(jī)模塊
本系統(tǒng)選用新華龍公司的C8051F040單片機(jī)作為核心控制單元,該芯片具有與MCS-51完全兼容的指令內(nèi)核,采用流水線處理技術(shù),提高了指令執(zhí)行效率;集成JTAG,支持在線編程;采用低電壓供電(2.7~3.6 V),因?yàn)楣こ誊囕v車載電源為24V,必須經(jīng)過電源轉(zhuǎn)換模塊才能轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)各模塊所需的電壓。具備多種總線接口,兩個UART口可實(shí)現(xiàn)全雙工通信,通信波特率可分別設(shè)定,可分別用于GPS信號的接收和GPRS通訊交互。
此外,它內(nèi)部集成的CAN控制器,符合CAN2.0B協(xié)議,帶有32個消息對象,每個消息對象有獨(dú)立的地址,可以配置為發(fā)送或接收數(shù)據(jù),工作位速率可達(dá)1Mpbs。CAN總線控制器用于和工程車輛的ECU通訊,獲取車輛的實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)。可見,選用該芯片可充分應(yīng)用已有的功能,大大簡化系統(tǒng)外圍電路的設(shè)計。
2.2 GPS定位模塊
工程車輛遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)采用GS-87作為GPS模塊,它是一個高效能、低功耗的智能型衛(wèi)星接收模塊。GS-87工作電壓為3.3V,可以直接與單片機(jī)連接進(jìn)行串口通訊;GS-87遵循NMEA_0183標(biāo)準(zhǔn),定位精度可達(dá)10m以內(nèi),可以滿足對車輛的定位要求。單片機(jī)通過串口與GS-87相連,通過編程對GPS接收到的信息進(jìn)行處理,提取出用戶所需的信息與監(jiān)控中心通信以及存入外擴(kuò)存儲器模塊。
2.3 GPRS通信模塊
工程車輛遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)選用MC55I作為GPRS模塊,它是車載移動終端與監(jiān)控中心建立通信的重要部分。其優(yōu)勢在于永久在線、快速數(shù)據(jù)存儲,其GPRS是按流量計費(fèi),工作電壓為3.3 至4.8V。該模塊內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧,通過串口和單片機(jī)相連,單片機(jī)使用AT指令控制GPRS模塊與監(jiān)控中心服務(wù)器通訊,通過車載移動終端的GPRS模塊向監(jiān)控中心發(fā)送車輛的實(shí)時信息以及接收來自監(jiān)控中心的指令信息。
2.4 CAN總線模塊
2.4.1 CAN控制器
本系統(tǒng)采用的C8051F040單片機(jī)已集成CAN2.0B控制器,只需對其寄存器進(jìn)行相應(yīng)的編程操作即可設(shè)置它的工作方式,控制它的工作狀態(tài),進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。
2.4.2 CAN收發(fā)器
C8051F040集成的是CAN控制器,要使CAN總線得以運(yùn)行,還需在單片機(jī)上接CAN收發(fā)器,進(jìn)行電氣轉(zhuǎn)換,將邏輯電平轉(zhuǎn)換為平衡差分碼,常用的CAN收發(fā)器為PHILIPS公司出品的TJA1050。為防止外界強(qiáng)電信號對系統(tǒng)影響, 單片機(jī)與TJA1050之間通過光電隔離器6N137隔離后相連;CAN總線上兩端結(jié)點(diǎn)須加電容電阻對信號吸收,以避免信號反射。
2.4.3 數(shù)據(jù)傳輸線
目前車上主要有兩條CAN,一條用于驅(qū)動系統(tǒng)的高速CAN,速率達(dá)到500kb/s;另一條用于車身系統(tǒng)的低速CAN,速率是100kb/s。它們是雙向的,傳輸相同的數(shù)據(jù),分別被稱為CAN高線和CAN低線。驅(qū)動系統(tǒng)CAN主要連接對象是:發(fā)動機(jī)控制器(ECU)、自動變速控制器、防抱死制動控制器(ABS)、制動防滑控制器(ASR),安全氣囊控制器(SRS)、主動懸架控制器、巡航系統(tǒng)控制器、電動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器及組合儀表信號采集系統(tǒng)等,都是與控制汽車行駛直接相關(guān)的系統(tǒng)。它們對信號的傳輸要求有很強(qiáng)的實(shí)時性、連續(xù)性和高速性。車身系統(tǒng)CAN主要連接對象是:前后車燈控制開關(guān)、電動座椅控制開關(guān)、中央門鎖與防盜控制開關(guān)、電動后視鏡控制開關(guān)、電動車窗升降開關(guān)、空調(diào)控制開關(guān)等。它們對信息傳輸?shù)膶?shí)時性要求不高,但數(shù)量較多。圖3所示為CAN總線通訊模塊原理圖。
圖3 CAN總線通訊模塊原理圖
3 軟件設(shè)計
3.1 CAN總線中斷收發(fā)任務(wù)
按照多數(shù)車用CAN總線的配置,終端的CAN總線也配置成速率250K,工作在基本CAN模式下。CAN總線接收數(shù)據(jù)采用中斷方式,中斷程序把接收到的數(shù)據(jù)放入能容納10幀的接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中,CAN總線任務(wù)掃描緩沖區(qū),并將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)全部取出,以備處理。CAN總線一般傳輸8個字節(jié)固定長度的短幀,每幀數(shù)據(jù)附帶一個ID號,根據(jù)不同的ID號來區(qū)分不同的數(shù)據(jù)幀。一般來說,ECU一次會發(fā)出數(shù)個不同ID號的數(shù)據(jù)幀。根據(jù)廠家的數(shù)據(jù)幀協(xié)議,可以從中獲取車輛實(shí)時運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障報警數(shù)據(jù),包括:水溫、油溫、油位、油壓、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、車輛傾斜度、報警值等。同時發(fā)送消息給各節(jié)點(diǎn)。CAN總線中斷收發(fā)任務(wù)流程圖如圖4所示。
圖4 CAN總線中斷收發(fā)流程
3.2 主程序任務(wù)
給車載終端上電后,便開始各模塊的初始化以及開中斷,GPS開始獲取定位信息,單片機(jī)編程處理接收的數(shù)據(jù)并與CAN總線任務(wù)獲取的車輛實(shí)時工作信息合并,組成一幀數(shù)據(jù)。系統(tǒng)一旦運(yùn)行,GPRS通訊任務(wù)就開始通過AT指令登陸網(wǎng)絡(luò),并保持一直在線,然后準(zhǔn)備接收其它任務(wù)的數(shù)據(jù)發(fā)送請求,并發(fā)送數(shù)據(jù)給遠(yuǎn)程服務(wù)器,由遠(yuǎn)程服務(wù)器按通訊協(xié)議解析后,送進(jìn)數(shù)據(jù)庫。遠(yuǎn)程用戶通過網(wǎng)頁形式可瀏覽數(shù)據(jù)庫內(nèi)容,進(jìn)而對工程車輛進(jìn)行監(jiān)監(jiān)測和調(diào)度管理。主程序流程圖如圖5所示。
圖5 主程序流程圖
4 結(jié)論
該系統(tǒng)硬件上采用模塊化設(shè)計,使得硬件可靠性得到較大提高;軟件上也采用模塊化程序編寫,使系統(tǒng)易于維護(hù)和升級。本系統(tǒng)運(yùn)用GPS定位技術(shù)和GPRS無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),結(jié)合車輛CAN總線,能有效的在遠(yuǎn)程Internet終端上實(shí)時再現(xiàn)工程車輛位置和運(yùn)行情況,保證了同步監(jiān)測的有效性、及時性和安全性。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用測試,運(yùn)行效果良好,具有良好的推廣價值和應(yīng)用前景。