車(chē)載防盜與信息娛樂(lè )系統集成設計

　　汽車(chē)防盜器是一種安裝在車(chē)上，用來(lái)增加盜車(chē)難度，延長(cháng)盜車(chē)時(shí)間的裝置，是汽車(chē)的保護神。它通過(guò)將防盜裝置與汽車(chē)電路配接在一起，從而可以達到防止車(chē)輛被盜、被侵犯、保護汽車(chē)的目的。隨著(zhù)計算機網(wǎng)絡(luò )和嵌入式技術(shù)的發(fā)展，汽車(chē)防盜系統由傳統的機械式、電子式防盜裝置向智能化程度更高的網(wǎng)絡(luò )式防盜系統發(fā)展。

　　IVI（In-Vehicle Infotainment）車(chē)載信息娛樂(lè )系統，是采用車(chē)載專(zhuān)用中央處理器，基于車(chē)身總線(xiàn)系統和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，形成的車(chē)載綜合信息處理系統。IVI能夠實(shí)現包括三維導航、實(shí)時(shí)路況、故障檢測、車(chē)輛信息、移動(dòng)辦公等一系列應用，極大地提升車(chē)輛電子化、網(wǎng)絡(luò )化和智能化水平。

　　CAN（Controller Area Network）控制器局域網(wǎng)絡(luò )，由德國B(niǎo)OSCH公司開(kāi)發(fā)并最終成為國際標準。在諸多汽車(chē)總線(xiàn)中，CAN總線(xiàn)有著(zhù)重要的地位，是汽車(chē)電子裝置之間通信的標準總線(xiàn)，在汽車(chē)分布式控制系統中得到了廣泛的應用，擁有以CAN底層協(xié)議為大型貨車(chē)和重工機械車(chē)輛設計的J1939協(xié)議。本系統提出一種將汽車(chē)防盜功能和信息娛樂(lè )功能集成設計的方法，有效地利用汽車(chē)現有資源，實(shí)現了車(chē)載電子系統結構和功能上的優(yōu)化。

　　與市場(chǎng)上現有系統相比，本系統具有如下優(yōu)勢：

　?。?）防盜和信息娛樂(lè )系統集成設計，成本低、結構簡(jiǎn)化、功能強大；

　?。?）采用網(wǎng)絡(luò )式防盜系統，具有運行穩定、實(shí)時(shí)性強、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)；

　?。?）系統CAN 總線(xiàn)部分可以與其他車(chē)身電子系統相結合，利于二次開(kāi)發(fā)。

　　1 系統總體設計

　　1.1 系統總體結構

　　本系統由中央控制單元和CAN網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)兩部分組成。中央控制單元選用ST公司生產(chǎn)的STM32F103X微處理器作為核心，結合GPRS 無(wú)線(xiàn)通信等技術(shù)，實(shí)現汽車(chē)定位、遠程報警以及信息娛樂(lè )功能。CAN 網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)包括油路節點(diǎn)、發(fā)電機節點(diǎn)以及DCM（Door ControlModule）車(chē)門(mén)控制模塊節點(diǎn)，實(shí)現車(chē)輛狀態(tài)監測與車(chē)輛防盜功能。中央控制單元與CAN網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)間通過(guò)CAN總線(xiàn)進(jìn)行通信。系統的總體結構如圖1所示。

　　圖1 系統總體框圖

　　1.2 防盜功能的實(shí)現

　　本系統的防盜功能設計是將DCM 和GPS 定位模塊作為汽車(chē)安全狀態(tài)的監測節點(diǎn)。系統設置為防盜模式時(shí)，由DCM檢測汽車(chē)是否被非法入侵，GPS定位檢測汽車(chē)是否被非法移動(dòng)。在檢測到汽車(chē)處于不安全狀態(tài)時(shí)，首先啟動(dòng)GSM/GPRS通信模塊，通過(guò)中央控制器控制，利用GSM短信息將GPS定位所得汽車(chē)位置經(jīng)緯度發(fā)送到車(chē)主手機終端，實(shí)現對汽車(chē)位置的精確定位；然后啟動(dòng)車(chē)后攝像頭拍攝車(chē)后圖像，利用GPRS無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)將圖像發(fā)送到車(chē)主手機終端，輔助GPS對汽車(chē)位置進(jìn)行定位；中央控制器通過(guò)CAN總線(xiàn)發(fā)送切斷油路和關(guān)閉發(fā)電機的信號，從而有效地避免汽車(chē)被盜的事件發(fā)生。

　　1.3 信息娛樂(lè )功能的實(shí)現

　　系統設置為正常模式時(shí)，LCD 模塊顯示主菜單界面，通過(guò)觸摸屏和按鍵，進(jìn)行人機交互和功能體驗。GSM/GPRS/GPS模塊用于實(shí)現車(chē)載電話(huà)、GPS定位等功能；攝像頭模塊用于實(shí)現汽車(chē)后視功能；MP3模塊用于實(shí)現語(yǔ)音播放的功能；LCD模塊用于界面顯示。

　　2 硬件設計

　　系統的硬件設計主要包括兩部分，一個(gè)是中央控制單元硬件設計，另一個(gè)是CAN 網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)硬件設計。本系統微控制器選用基于Cortex？M3 內核的ARM 微控制器STM32F103X，具有低成本、低功耗等特點(diǎn)，為注重功耗和效率的系統提供了可行的設計方案。

　　2.1 中央控制單元硬件設計

　　中央控制部分主要包括微處理器STM32F103ZET6，通過(guò)SPI1 接口與微控制器連接的MP3 模塊，該模塊核心為VLSI 公司生產(chǎn)的VS1053，是一款高性能、低功耗的解碼芯片；通過(guò)SPI2 接口與微控制器連接的LCD 顯示模塊；通過(guò)SCCB 接口與微控制器連接的攝像頭模塊，該模塊核心為OV公司生產(chǎn)的OV7670，體積小、工作電壓低，提供單片VGA 攝像頭和影像處理器的所有功能；通過(guò)USART接口與微控制器連接的GSM/GPRS/GPS模塊，該模塊的核心為SIM公司生產(chǎn)的SIM900A，性能穩定、外觀(guān)精巧、功耗低；STM32自帶bxCAN，即基本擴展CAN，它支持11 位的BasicCAN 模式及29 位的PeliCAN模式，通信速率高達1 Mb/s，支持時(shí)間觸發(fā)通信，具有3 個(gè)發(fā)送郵箱，3 級深度的2 個(gè)接收FIFO。CAN 收發(fā)器選用NXP 公司的TJA1050，它與“ISO 11898”標準完全兼容，高速度（最高可達1 Mb/s），極低的電磁輻射，沒(méi)有供電的節點(diǎn)不會(huì )對總線(xiàn)造成干擾，同時(shí)帶有寬共模范圍的差動(dòng)接收器，抗電磁干擾能力極強，至少可以連接110個(gè)節點(diǎn)，非常適合本系統。中央控制部分的硬件連接圖如圖2所示。

　　圖2 中央控制部分硬件連接圖

　　2.2 CAN網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)硬件設計

　　CAN網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)主要包括微處理器STM32F103C8T6，其片上資源及相關(guān)接口足以滿(mǎn)足這部分的功能需求，DCM 節點(diǎn)，油路節點(diǎn)，發(fā)電機節點(diǎn)。DCM 采用UN4001中控車(chē)鎖，12 V供電，具備360°轉頭，超強力度，防卡死等優(yōu)點(diǎn)，汽車(chē)被非法打開(kāi)時(shí)，通過(guò)CAN總線(xiàn)發(fā)送報警信號至中央控制單元；系統中發(fā)電機與油路節點(diǎn)通過(guò)CAN 總線(xiàn)接收指令進(jìn)行動(dòng)作，設計時(shí)只需考慮CAN 信號發(fā)送問(wèn)題，硬件環(huán)境則進(jìn)行模擬，發(fā)電機采用130號直流電機，電機通過(guò)芯片L298N進(jìn)行驅動(dòng)，L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅動(dòng)芯片，控制電壓直流為5 V，電機電壓范圍直流為3~46 V，具有過(guò)電壓和過(guò)電流保護，抗干擾能力強等優(yōu)點(diǎn)；油路節點(diǎn)利用蜂鳴器代替，由三極管構成蜂鳴器控制電路，通過(guò)PB0輸出端口的高低電平來(lái)改變蜂鳴器的狀態(tài)，從而模擬油路的開(kāi)關(guān)。CAN網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)硬件連接圖如圖3所示。

　　圖3 CAN網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)硬件連接圖

　　2.3 硬件實(shí)物圖

　　根據上述介紹，最終完成的主要硬件圖如圖4所示。

　　圖4 硬件實(shí)物圖

　　3 系統軟件設計

　　系統的軟件設計主要包含兩部分：防盜部分的設計及信息娛樂(lè )部分的設計。

　　3.1 系統防盜功能程序設計

　　防盜報警部分的程序流程圖如圖5所示。

　　圖5 防盜功能程序流程圖

　　如圖5所示，系統上電后，對程序進(jìn)行初始化，配置相關(guān)寄存器和I/O口。開(kāi)啟防盜模式，GPS定位和DCM開(kāi)始工作，GPS定位值30 s刷新一次，當前后兩次定位差值大于50 m時(shí)，車(chē)輛被盜；防盜模式下，DCM 檢測到車(chē)門(mén)被打開(kāi)，車(chē)輛被盜。確定車(chē)輛被盜后，啟動(dòng)GSM通信功能，發(fā)送報警短信至車(chē)主手機，并將GPS定位出的汽車(chē)位置經(jīng)緯度周期性發(fā)送給車(chē)主，實(shí)時(shí)監控汽車(chē)位置。之后啟動(dòng)后車(chē)門(mén)上的CMOS攝像頭進(jìn)行拍照，開(kāi)啟GPRS 功能，將拍攝的照片通過(guò)GPRS 網(wǎng)絡(luò )周期性發(fā)送至車(chē)主手機，輔助GPS 對汽車(chē)進(jìn)行跟蹤。通過(guò)CAN 總線(xiàn)，由控制器向汽車(chē)油路節點(diǎn)和發(fā)電機節點(diǎn)分別發(fā)送切斷油路和關(guān)閉發(fā)電機的信號，使汽車(chē)不能正常行駛，從而實(shí)現汽車(chē)防盜報警的功能。

　　3.2 系統信息娛樂(lè )功能程序設計

　　信息娛樂(lè )部分的程序流程圖如圖6所示。

　　圖6 信息娛樂(lè )程序流程圖

　　如圖6所示，系統上電后，首先初始化子程序，對相關(guān)I/O口和寄存器進(jìn)行配置。然后開(kāi)啟LCD模塊，進(jìn)入菜單界面；點(diǎn)擊汽車(chē)后視系統，攝像頭模塊啟動(dòng)，將車(chē)后影像顯示在LCD上；點(diǎn)擊MP3播放器，系統開(kāi)始搜索SD卡中的語(yǔ)音播放文件，選擇文件進(jìn)行播放；點(diǎn)擊GPS定位服務(wù)，GPS定位功能啟動(dòng)，將汽車(chē)位置信息顯示在LCD上；點(diǎn)擊車(chē)載電話(huà)，GSM通信功能啟動(dòng)，可以進(jìn)行撥打電話(huà)、發(fā)送短信。圖7是信息娛樂(lè )系統人機交互界面。

　　圖7 信息娛樂(lè )系統人機交互界面

　　4 系統測試

　　4.1 防盜功能測試及分析

　　系統防盜功能的測試包括CAN通信測試和中央單元測試。DCM、油路、發(fā)電機節點(diǎn)通過(guò)CAN總線(xiàn)與主控單元進(jìn)行通信，測試步驟如下：

　?。?）中央單元作為發(fā)送節點(diǎn)，其他節點(diǎn)作為接收節點(diǎn)，各個(gè)節點(diǎn)接收中央單元發(fā)出的控制指令，根據指令給出對應的功能操作。

　?。?）中央單元作為接收節點(diǎn)，DCM 作為發(fā)送節點(diǎn)，向中央單元發(fā)送反饋指令，中央單元根據指令給出對應的功能操作。中央單元測試主要是對GSM/GPRS 報警功能進(jìn)行測試，在系統檢測到汽車(chē)被盜時(shí)，啟用GSM通信功能，發(fā)送報警短信至車(chē)主手機，并將GPS定位出的汽車(chē)位置經(jīng)緯度周期性發(fā)送給車(chē)主。

　?。?）開(kāi)啟GPRS功能，將車(chē)后攝像頭拍攝的照片通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )周期性發(fā)送至車(chē)主手機終端。

　　圖8 是利用GPRS 網(wǎng)絡(luò )發(fā)送的圖片，圖9 是GSM 報警短信息。

　　圖8 GPRS網(wǎng)絡(luò )信息

　　圖9 GSM短信息

　　4.2 信息娛樂(lè )功能測試及分析

　　系統信息娛樂(lè )功能測試，主要是對車(chē)載電話(huà)、GPS定位、后視系統、MP3播放器四個(gè)部分進(jìn)行測試?？紤]到某些情況下，車(chē)主無(wú)法通過(guò)自帶的移動(dòng)設備與外界聯(lián)絡(luò )，就可以通過(guò)車(chē)載電話(huà)實(shí)現撥打電話(huà)和發(fā)送短信的功能，作為車(chē)主的備用電話(huà)來(lái)使用。GPS定位能準確地顯示汽車(chē)的經(jīng)緯度，結合Google地圖可以實(shí)現汽車(chē)導航功能。后視系統在10 km/h車(chē)速下進(jìn)行測試，拍攝畫(huà)面清晰、實(shí)時(shí)性強。MP3播放器音量輸出幅值高，聲音飽滿(mǎn)，操作簡(jiǎn)便。圖10是車(chē)載電話(huà)的操作界面。

　　圖10 車(chē)載電話(huà)

　　5 結語(yǔ)

　　本文提出一種將汽車(chē)防盜功能和信息娛樂(lè )功能集成設計的方法，并依據CAN 通信及GPRS通信等技術(shù)，有效利用汽車(chē)現有資源，設計和實(shí)現了一套集汽車(chē)防盜、信息娛樂(lè )功能于一體的智能化系統，完成了車(chē)載電子系統結構和功能上的優(yōu)化。通過(guò)對系統軟硬件的設計及對系統的實(shí)際測試，系統信息娛樂(lè )部分運行穩定、操作簡(jiǎn)便，防盜部分具有高速、實(shí)時(shí)、可靠等優(yōu)點(diǎn)。本系統CAN 總線(xiàn)部分可以與車(chē)身其他電子系統相互通信，對車(chē)載電子系統的開(kāi)發(fā)具有較深遠的意義。