摘要：介紹了一種基于GPS/GPRS技術(shù)的CAN總線工程車(chē)輛遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)由CAN總線模塊、GPS模塊及GPRS模塊等組成。系統(tǒng)以C8051F040單片機(jī)為主控制器，通過(guò)GPS的定位以及CAN總線數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)了工程車(chē)輛工作狀態(tài)的監(jiān)控、顯示、記錄和報(bào)警，并實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS模塊上傳到網(wǎng)絡(luò)，在監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)監(jiān)控及調(diào)度管理。

      關(guān)鍵詞：GPRS技術(shù)；CAN總線；工程車(chē)輛；監(jiān)控系統(tǒng)

         CAN bus of engineering vehicles monitoring system

                     based on GPS/GPRS technology

      Abstract: A CAN bus engineering vehicles monitoring system based on GPRS technology was introduced. It is composed of CAN bus module, GPS module and GPRS module. The system takes C8051F040 as master controller, it gets position by GPS module and achieves data acquisition through CAN bus. Then, it achieves engineering vehicles working condition monitoring, display, recording and alarm. And uploads real-time data to network through the GPRS module, and achieves the monitoring and dispatch purposes in the control center.

      Key words: GPRS technology; CAN bus; Engineering vehicle; Monitoring system

      0 引言

      隨著工業(yè)現(xiàn)代化的飛速發(fā)展，工程車(chē)輛的種類(lèi)越來(lái)越多，功能越來(lái)越強(qiáng)大。工程車(chē)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(guò)各種先進(jìn)技術(shù)對(duì)工程車(chē)輛運(yùn)行參數(shù)實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控及對(duì)其進(jìn)行科學(xué)地指揮、調(diào)度，是工程車(chē)輛行業(yè)的一個(gè)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(chē)輛遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)車(chē)載電子控制裝置ECU的CAN總線獲取車(chē)輛運(yùn)行信息，并利用GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信手段對(duì)車(chē)輛進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控及調(diào)度管理。

      工程車(chē)輛遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)主要由控制中心和車(chē)載移動(dòng)終端組成。車(chē)載終端設(shè)備通過(guò)CAN總線接口模塊獲取車(chē)輛實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)信息，合并GPS定位信息后將這些信息通過(guò)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(shí)地顯示每個(gè)車(chē)輛的具體位置以及其它參量信息。同時(shí)控制中心根據(jù)各車(chē)輛具體情況下傳相應(yīng)的控制指令，對(duì)車(chē)輛進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制。圖1所示為系統(tǒng)整體實(shí)物圖。

      2 硬件設(shè)計(jì)

      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(chǔ)模塊以及電源模塊等實(shí)現(xiàn)對(duì)工程車(chē)輛運(yùn)行過(guò)程狀態(tài)的監(jiān)控、顯示、記錄和報(bào)警，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

      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?chē)輛車(chē)載電源為24V，必須經(jīng)過(guò)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(gè)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(hào)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(gè)消息對(duì)象，每個(gè)消息對(duì)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(chē)輛的ECU通訊，獲取車(chē)輛的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)。可見(jiàn)，選用該芯片可充分應(yīng)用已有的功能，大大簡(jiǎn)化系統(tǒng)外圍電路的設(shè)計(jì)。

      2.2 GPS定位模塊

      工程車(chē)輛遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用GS-87作為GPS模塊，它是一個(gè)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?xún)?nèi)，可以滿(mǎn)足對(duì)車(chē)輛的定位要求。單片機(jī)通過(guò)串口與GS-87相連，通過(guò)編程對(duì)GPS接收到的信息進(jìn)行處理，提取出用戶(hù)所需的信息與監(jiān)控中心通信以及存入外擴(kuò)存儲(chǔ)器模塊。

      2.3 GPRS通信模塊

      工程車(chē)輛遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選用MC55I作為GPRS模塊，它是車(chē)載移動(dòng)終端與監(jiān)控中心建立通信的重要部分^[2]。其優(yōu)勢(shì)在于永久在線、快速數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，其GPRS是按流量計(jì)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(guò)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(guò)車(chē)載移動(dòng)終端的GPRS模塊向監(jiān)控中心發(fā)送車(chē)輛的實(shí)時(shí)信息以及接收來(lái)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(duì)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^[3]。

      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(hào)對(duì)系統(tǒng)影響, 單片機(jī)與TJA1050之間通過(guò)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(duì)信號(hào)吸收，以避免信號(hào)反射^[4]。

     2.4.3 數(shù)據(jù)傳輸線

     目前車(chē)上主要有兩條CAN，一條用于驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高速CAN，速率達(dá)到500kb/s；另一條用于車(chē)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(chēng)為CAN高線和CAN低線。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)CAN主要連接對(duì)象是：發(fā)動(dòng)機(jī)控制器(ECU)、自動(dòng)變速控制器、防抱死制動(dòng)控制器(ABS)、制動(dòng)防滑控制器(ASR)，安全氣囊控制器(SRS)、主動(dòng)懸架控制器、巡航系統(tǒng)控制器、電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制器及組合儀表信號(hào)采集系統(tǒng)等，都是與控制汽車(chē)行駛直接相關(guān)的系統(tǒng)。它們對(duì)信號(hào)的傳輸要求有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性、連續(xù)性和高速性。車(chē)身系統(tǒng)CAN主要連接對(duì)象是：前后車(chē)燈控制開(kāi)關(guān)、電動(dòng)座椅控制開(kāi)關(guān)、中央門(mén)鎖與防盜控制開(kāi)關(guān)、電動(dòng)后視鏡控制開(kāi)關(guān)、電動(dòng)車(chē)窗升降開(kāi)關(guān)、空調(diào)控制開(kāi)關(guān)等。它們對(duì)信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求不高，但數(shù)量較多^[5]。圖3所示為CAN總線通訊模塊原理圖。

      3 軟件設(shè)計(jì)

      3.1 CAN總線中斷收發(fā)任務(wù)

      按照多數(shù)車(chē)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(gè)字節(jié)固定長(zhǎng)度的短幀，每幀數(shù)據(jù)附帶一個(gè)ID號(hào)，根據(jù)不同的ID號(hào)來(lái)區(qū)分不同的數(shù)據(jù)幀。一般來(lái)說(shuō)，ECU一次會(huì)發(fā)出數(shù)個(gè)不同ID號(hào)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(chē)輛實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和故障報(bào)警數(shù)據(jù)，包括：水溫、油溫、油位、油壓、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車(chē)輛傾斜度、報(bào)警值等。同時(shí)發(fā)送消息給各節(jié)點(diǎn)^[6]。CAN總線中斷收發(fā)任務(wù)流程圖如圖4所示。

      3.2 主程序任務(wù)

      給車(chē)載終端上電后，便開(kāi)始各模塊的初始化以及開(kāi)中斷，GPS開(kāi)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(chē)輛實(shí)時(shí)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(kāi)始通過(guò)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(qǐng)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(kù)。遠(yuǎn)程用戶(hù)通過(guò)網(wǎng)頁(yè)形式可瀏覽數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容，進(jìn)而對(duì)工程車(chē)輛進(jìn)行監(jiān)監(jiān)測(cè)和調(diào)度管理。主程序流程圖如圖5所示。

      4 結(jié)論

      該系統(tǒng)硬件上采用模塊化設(shè)計(jì)，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(xiě)，使系統(tǒng)易于維護(hù)和升級(jí)。本系統(tǒng)運(yùn)用GPS定位技術(shù)和GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，結(jié)合車(chē)輛CAN總線，能有效的在遠(yuǎn)程Internet終端上實(shí)時(shí)再現(xiàn)工程車(chē)輛位置和運(yùn)行情況，保證了同步監(jiān)測(cè)的有效性、及時(shí)性和安全性。經(jīng)實(shí)際應(yīng)用測(cè)試，運(yùn)行效果良好，具有良好的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。

      參考文獻(xiàn)

      [1]繆彬彬,殷晨波,王仁群,張淞.采用GPRS技術(shù)的CAN總線塔機(jī)安全監(jiān)控系統(tǒng)[J].現(xiàn)代制造工程,2011(8).

      [2]付強(qiáng)松.基于無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].信息與電子工程,2007(10).

      [3]饒運(yùn)濤.現(xiàn)場(chǎng)總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2007.

      [4]陳崗.基于ARM的工程車(chē)輛運(yùn)行參數(shù)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控及定位調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].信息技術(shù)與信息化,2008(1).

      [5]童長(zhǎng)飛.C8051F系列單片機(jī)開(kāi)發(fā)與C語(yǔ)言編程[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2005:252—253.

      [6]朱建良,王興全.工程車(chē)輛遠(yuǎn)程管理診斷系統(tǒng)終端設(shè)計(jì)[J].中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào),2007,15(3).

      作者資料：肖巍，男，1987年生，在讀碩士研究生， 智能檢測(cè)與故障診斷方向

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