基于ARM的車(chē)輛工況信息采集終端的設(shè)計(jì)

摘要：為能對(duì)野外作業(yè)的車(chē)輛實(shí)時(shí)定位并精確把握其工作狀況，本文在深入研究GPS定位、CAN總線和GPRS數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)燃夹g(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款基于ARM處理器的車(chē)輛工況信息采集終端。該終端可實(shí)時(shí)獲取車(chē)輛位置信息、定時(shí)讀取車(chē)輛工況信息并實(shí)時(shí)上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，同時(shí)具備人機(jī)交互界面和語(yǔ)音通話功能。試驗(yàn)測(cè)試表明，該車(chē)輛工況信息采集終端運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期效果。

關(guān)鍵詞：車(chē)輛工況信息采集終端;ARM;GPS定位;CAN總線;GPRS

近年來(lái)，隨著國(guó)III標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)制執(zhí)行，為達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)柴油機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性和排放效果的要求，電子控制技術(shù)在柴油機(jī)控制中得到快速應(yīng)用和發(fā)展。為能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以電控柴油機(jī)作為主要?jiǎng)恿Φ臋C(jī)車(chē)的位置和運(yùn)行狀況數(shù)，本文應(yīng)用GPS定位技術(shù)、CAN總線技術(shù)和GPRS數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸技術(shù)，以基于ARM架構(gòu)的 S3C4480X芯片作為核心處理器設(shè)計(jì)了一款可實(shí)時(shí)獲取車(chē)輛位置信息、定時(shí)讀取車(chē)輛工況信息并實(shí)時(shí)上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心的車(chē)輛工況信息采集終端。

1 終端主要技術(shù)研究

1. 1 GPS定位原理及定位信息的獲取

GPS全球定位系統(tǒng)由24顆分布在6個(gè)傾角為55°的軌道上的衛(wèi)星、5個(gè)衛(wèi)星數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)站3個(gè)衛(wèi)星控制數(shù)據(jù)注入站和用戶接收設(shè)備組成。GPS衛(wèi)星實(shí)時(shí)發(fā)射調(diào)制了C/A碼和P碼的頻率為1 575.42 MHz(L1)和1 227.60 MHz(L2)的高頻載波信號(hào)。用戶接收設(shè)備任意時(shí)刻可接收4顆以上衛(wèi)星發(fā)來(lái)的L1載波信號(hào)并采用空間距離后方交會(huì)的方法，解算出用戶接收設(shè)備所處位置。假設(shè)地面上的用戶接收設(shè)備(坐標(biāo)位置為x、y、z)于t時(shí)刻開(kāi)始工作，并分別于t1、t2、t3、t4…時(shí)刻接收到距用戶s1、s2、s3、s4…的坐標(biāo)位置為(x1、yl、z1)、(x2、y2、z2)、(x3、y3、z3)、(x4、y4、z4)…等衛(wèi)星發(fā)來(lái)的載波信號(hào)。通過(guò)對(duì)方程組：

(t1、t2、t3、t4…，s1、s2、s3、s4…，(x2、y2、z2)、(x3、y3、z3)、(x4、y4、z4)…等數(shù)據(jù)可從各衛(wèi)星發(fā)來(lái)的報(bào)文中獲取，c——光速)求解可得t時(shí)刻用戶接收設(shè)備的坐標(biāo)值。為提高定位精度，具體應(yīng)用中，用戶接收設(shè)備按照每組4顆的方式將所接收到的衛(wèi)星信號(hào)分為若干組，分別進(jìn)行求解，最后從解算結(jié)果中挑選誤差最小的一組值作為最終結(jié)果。

用戶接收設(shè)備將按照NMEA0183協(xié)議將最終結(jié)果打包成GPGGA、GPCSA、GPGSV、GPRMC、GPVTG和GPGLL7幀數(shù)據(jù)輸出。

1.2 CAN總線技術(shù)

CAN總線是20世紀(jì)80年代德國(guó)博世公司為解決汽車(chē)上眾多測(cè)量控制部件之間的數(shù)據(jù)交互問(wèn)題而開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信總線，可有效滿足分布式控制和實(shí)時(shí)控制的需求。

作為一種對(duì)等網(wǎng)絡(luò)，CAN總線中各節(jié)點(diǎn)沒(méi)有主從之分，同時(shí)CAN廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼方式，而代之以報(bào)文標(biāo)識(shí)符對(duì)各節(jié)點(diǎn)報(bào)文進(jìn)行標(biāo)識(shí)并對(duì)各節(jié)點(diǎn)報(bào)文的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行定義。CAN總線支持兩種幀格式的報(bào)文：標(biāo)準(zhǔn)幀——有11位標(biāo)識(shí)符;擴(kuò)展幀——有29位標(biāo)識(shí)符。為確保各節(jié)點(diǎn)能正確接收所需報(bào)文，CAN總線中的各節(jié)點(diǎn)通過(guò)其上的屏蔽碼寄存器對(duì)總線上的各報(bào)文進(jìn)行過(guò)濾以選擇符合自身要求的報(bào)文。

如圖1所示為典型的CAN總線網(wǎng)絡(luò)，在CAN網(wǎng)絡(luò)中一般選用雙絞線作為傳輸介質(zhì)，雙絞線的特性阻抗一般為120歐。具體設(shè)計(jì)中，為防止總線上的信號(hào)在傳輸過(guò)程中因阻抗不匹配而在網(wǎng)絡(luò)終端發(fā)生反射并與后面的信號(hào)疊加形成駐波，進(jìn)而影響總線信號(hào)的傳輸質(zhì)量，通常會(huì)在CAN總線網(wǎng)絡(luò)的兩端并聯(lián)兩個(gè)阻抗值為120 Ω的電阻，用于阻抗匹配。

1.3 GPRS數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸

GPRS通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)，是GSM網(wǎng)絡(luò)的延續(xù)。GPRS利用GSM網(wǎng)絡(luò)中未使用的TDMA信道，增加了分組控制單元(PCU)、服務(wù)支持節(jié)點(diǎn) (SGSN)和網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)(GGSN)等實(shí)體部件，并對(duì)GSM網(wǎng)絡(luò)基站系統(tǒng)的相關(guān)軟硬件進(jìn)行更新升級(jí)，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分組傳輸。

GPRS采用分組方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，即在GPRS網(wǎng)絡(luò)中，只有在用戶需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交互時(shí)，才臨時(shí)為用戶分配一個(gè)可用信道，數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束后，立即收回該信道，數(shù)據(jù)的發(fā)送接收端同信道沒(méi)有固定的占用關(guān)系。這樣可實(shí)現(xiàn)信道資源的最大化利用。

2 終端整體架構(gòu)

如圖2所示為車(chē)輛工況信息采集系統(tǒng)的整體架構(gòu)。車(chē)輛工況信息采集終端實(shí)時(shí)獲取GPS衛(wèi)星傳來(lái)的數(shù)據(jù)報(bào)文，并解算出車(chē)輛位置信息;同時(shí)通過(guò)CAN總線定時(shí)讀取車(chē)身上的ECU、TCU等控制器傳來(lái)的反應(yīng)車(chē)輛運(yùn)行狀況的信息;之后對(duì)獲取的車(chē)輛位置信息和工況信息按照標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行打包并通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳給監(jiān)控中心，同時(shí)監(jiān)控中心可通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送相關(guān)指令給車(chē)輛工況信息采集終端。

如圖3所示為車(chē)輛工況信息采集終端的整體架構(gòu)。來(lái)自車(chē)載電瓶的+12 V直流電源通過(guò)電源轉(zhuǎn)換電路被轉(zhuǎn)換為+3.3 V和+4.2 V的直流電輸出。其中+3.3 V直流電用于向S3C 44BOX主控芯片和CAN總線電路供電：+4.2 V直流電用于向GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取電路和GPRS數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸電路供電;液晶顯示電路直接由+12 V電源供電。GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取電路通過(guò)串口將獲取的車(chē)輛位置信息傳送給S3C44BOX，S3C44B0X通過(guò)串口與CAN總線電路進(jìn)行數(shù)據(jù)交互以獲取車(chē)輛工況信息。同時(shí)S3C44B0X通過(guò)串口驅(qū)動(dòng)智能液晶顯示電路顯示相關(guān)界面輔助用戶操作，最后S3C44B0X通過(guò)串口向GPRS數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸電路發(fā)送AT指令進(jìn)行數(shù)據(jù)的無(wú)線發(fā)送，并通過(guò)該電路轉(zhuǎn)接收監(jiān)控中心發(fā)來(lái)的指令。

3 硬件電路的設(shè)計(jì)

在車(chē)輛工況信息采集終端中，GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)獲取電路和GPRS數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸電路的抗電磁干擾性能，直接決定車(chē)輛工況信息采集終端運(yùn)行的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)報(bào)文傳輸?shù)臏?zhǔn)確率。