基于A(yíng)RM的車(chē)輛工況信息采集終端的設計

摘要：為能對野外作業(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(xiàn)和GPRS數據無(wú)線(xiàn)傳輸等技術(shù)的基礎上，設計了一款基于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)上傳至遠程監控中心，同時(shí)具備人機交互界面和語(yǔ)音通話(huà)功能。試驗測試表明，該車(chē)輛工況信息采集終端運行穩定，達到了預期效果。

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

近年來(lái)，隨著(zhù)國III標準的強制執行，為達到該標準對柴油機燃油經(jīng)濟性和排放效果的要求，電子控制技術(shù)在柴油機控制中得到快速應用和發(fā)展。為能實(shí)時(shí)監測以電控柴油機作為主要動(dòng)力的機車(chē)的位置和運行狀況數，本文應用GPS定位技術(shù)、CAN總線(xiàn)技術(shù)和GPRS數據無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，以基于ARM架構的 S3C4480X芯片作為核心處理器設計了一款可實(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)上傳至遠程監控中心的車(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全球定位系統由24顆分布在6個(gè)傾角為55°的軌道上的衛星、5個(gè)衛星數據監測站3個(gè)衛星控制數據注入站和用戶(hù)接收設備組成。GPS衛星實(shí)時(shí)發(fā)射調制了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。用戶(hù)接收設備任意時(shí)刻可接收4顆以上衛星發(fā)來(lái)的L1載波信號并采用空間距離后方交會(huì )的方法，解算出用戶(hù)接收設備所處位置。假設地面上的用戶(hù)接收設備(坐標位置為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(hù)s1、s2、s3、s4…的坐標位置為(x1、yl、z1)、(x2、y2、z2)、(x3、y3、z3)、(x4、y4、z4)…等衛星發(fā)來(lái)的載波信號。通過(guò)對方程組：

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

用戶(hù)接收設備將按照NMEA0183協(xié)議將最終結果打包成GPGGA、GPCSA、GPGSV、GPRMC、GPVTG和GPGLL7幀數據輸出。

1.2 CAN總線(xiàn)技術(shù)

CAN總線(xiàn)是20世紀80年代德國博世公司為解決汽車(chē)上眾多測量控制部件之間的數據交互問(wèn)題而開(kāi)發(fā)的一種串行數據通信總線(xiàn)，可有效滿(mǎn)足分布式控制和實(shí)時(shí)控制的需求。

作為一種對等網(wǎng)絡(luò )，CAN總線(xiàn)中各節點(diǎn)沒(méi)有主從之分，同時(shí)CAN廢除了傳統的站地址編碼方式，而代之以報文標識符對各節點(diǎn)報文進(jìn)行標識并對各節點(diǎn)報文的優(yōu)先級進(jìn)行定義。CAN總線(xiàn)支持兩種幀格式的報文：標準幀——有11位標識符;擴展幀——有29位標識符。為確保各節點(diǎn)能正確接收所需報文，CAN總線(xiàn)中的各節點(diǎn)通過(guò)其上的屏蔽碼寄存器對總線(xiàn)上的各報文進(jìn)行過(guò)濾以選擇符合自身要求的報文。

如圖1所示為典型的CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，在CAN網(wǎng)絡(luò )中一般選用雙絞線(xiàn)作為傳輸介質(zhì)，雙絞線(xiàn)的特性阻抗一般為120歐。具體設計中，為防止總線(xiàn)上的信號在傳輸過(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疊加形成駐波，進(jìn)而影響總線(xiàn)信號的傳輸質(zhì)量，通常會(huì )在CAN總線(xiàn)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數據無(wú)線(xiàn)傳輸

GPRS通用分組無(wú)線(xiàn)服務(wù)技術(shù)，是GSM網(wǎng)絡(luò )的延續。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)支持節點(diǎn) (SGSN)和網(wǎng)關(guān)支持節點(diǎn)(GGSN)等實(shí)體部件，并對GSM網(wǎng)絡(luò )基站系統的相關(guān)軟硬件進(jìn)行更新升級，最終實(shí)現數據的分組傳輸。

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

2 終端整體架構

如圖2所示為車(chē)輛工況信息采集系統的整體架構。車(chē)輛工況信息采集終端實(shí)時(shí)獲取GPS衛星傳來(lái)的數據報文，并解算出車(chē)輛位置信息;同時(shí)通過(guò)CAN總線(xiàn)定時(shí)讀取車(chē)身上的ECU、TCU等控制器傳來(lái)的反應車(chē)輛運行狀況的信息;之后對獲取的車(chē)輛位置信息和工況信息按照標準的數據幀格式進(jìn)行打包并通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )上傳給監控中心，同時(shí)監控中心可通過(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。來(lái)自車(chē)載電瓶的+12 V直流電源通過(guò)電源轉換電路被轉換為+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(xiàn)電路供電：+4.2 V直流電用于向GPS衛星數據獲取電路和GPRS數據無(wú)線(xiàn)傳輸電路供電;液晶顯示電路直接由+12 V電源供電。GPS衛星數據獲取電路通過(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(xiàn)電路進(jìn)行數據交互以獲取車(chē)輛工況信息。同時(shí)S3C44B0X通過(guò)串口驅動(dòng)智能液晶顯示電路顯示相關(guān)界面輔助用戶(hù)操作，最后S3C44B0X通過(guò)串口向GPRS數據無(wú)線(xiàn)傳輸電路發(fā)送AT指令進(jìn)行數據的無(wú)線(xiàn)發(fā)送，并通過(guò)該電路轉接收監控中心發(fā)來(lái)的指令。

3 硬件電路的設計

在車(chē)輛工況信息采集終端中，GPS衛星數據獲取電路和GPRS數據無(wú)線(xiàn)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行的穩定性和數據報文傳輸的準確率。