基于4G網(wǎng)絡(luò )和CAN總線(xiàn)的遠程數據采集系統

作者 / 劉立國 楊日龍 北京中車(chē)長(cháng)客二七軌道裝備有限公司(北京 100072)

　　劉立國，2010年于華北電力大學(xué)獲得碩士學(xué)位，現為中車(chē)北京二七機車(chē)有限公司工程師，主要研究方向：自動(dòng)化系統控制。

摘要：針對目前電傳動(dòng)礦車(chē)運行環(huán)境差，數據采集困難，維護成本高的特點(diǎn)，設計了一種基于4G網(wǎng)絡(luò )和CAN總線(xiàn)的遠程數據采集系統。該系統采用STM32F405RGT6微控制器進(jìn)行開(kāi)發(fā)，主要由主控模塊、4G通信模塊、SD卡存儲模塊，CAN總線(xiàn)收發(fā)模塊和電源模塊組成，對各模塊的軟、硬件設計做了詳細的介紹。實(shí)際運行證明該系統具有良好的可靠性，為礦車(chē)的遠程監控及故障診斷提供了良好的解決方案。

0 引言

　　露天非公路電傳動(dòng)礦用自卸車(chē)由于惡劣的工作環(huán)境維護成本高。隨著(zhù)工業(yè)4.0概念的提出，礦車(chē)智能化也成了人們關(guān)注的熱點(diǎn)。車(chē)輛運行狀況實(shí)時(shí)監控、車(chē)輛運行數據統計、車(chē)輛歷史運行數據的存儲、車(chē)輛故障的遠程診斷等用戶(hù)需求促使遠程數據采集系統誕生。傳統的基于GPRS的遠程數據傳輸系統^[1-4]性能比較單一，數據傳輸速率慢，實(shí)時(shí)性差，不能滿(mǎn)足礦車(chē)大數據量傳輸的需求。

　　隨著(zhù)4G網(wǎng)絡(luò )的大范圍覆蓋及4G資費的逐年下降，本文提出基于4G網(wǎng)絡(luò )的遠程數據采集系統，系統硬件控制器使用低成本高性能的STM32F4XX系列微控制器作為主控芯片，4G模塊選用全網(wǎng)通模塊SIM7600CE，解決了系統網(wǎng)絡(luò )制式單一問(wèn)題，同時(shí)該模塊使用方便，市場(chǎng)供貨量大，易于采購，系統整體成本低。

1 系統總體設計

　　圖1為系統的總體結構圖，遠程數據采集終端通過(guò)CAN總線(xiàn)采集車(chē)載控制器和牽引逆變器等部件收集的車(chē)輛運行狀態(tài)數據和故障數據，同時(shí)通過(guò)板載的GPS模塊采集車(chē)輛的位置數據，這些數據打包后通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò )發(fā)送到云端服務(wù)器供用戶(hù)遠程訪(fǎng)問(wèn)。

2 系統的硬件設計

　　該系統硬件主要由主控模塊、4G通信模塊、SD卡存儲模塊、CAN總線(xiàn)收發(fā)模塊和電源模塊組成。

　　2.1 主控模塊

　　主控模塊選用意法半導體公司先進(jìn)的基于A(yíng)RM 32位內核的微控制器^[5]STM32F405RGT6。STM32F405XX系列微控制器片內集成了雙路隔離的CAN控制器，支持CAN2.0B協(xié)議;4路隔離的USART，傳輸速率能夠達到10.5 Mbit/s;高達17個(gè)定時(shí)器;SRAM高達192 Kbytes，Flash存儲空間也達到了1 Mbyte，工作主頻達到了168 MHz，滿(mǎn)足系統控制需求，同時(shí)STM32F405XX系列微控制器支持4PIN的SWD下載調試，下載速度能夠達到10 Mbit/s，相對于JTAG的20PIN接口降低了布線(xiàn)難度，同時(shí)減小了電路板的尺寸。

　　2.2 4G通信模塊

　　4G通信模塊選用芯訊通無(wú)線(xiàn)科技有限公司的全網(wǎng)通模塊SIM7600CE，該模塊支持文件系統，支持TCP、UDP、FTP等通信協(xié)議，同時(shí)通過(guò)標準的AT命令能夠實(shí)現文件的上傳下載，使用非常方便^[6-7]。4G模塊通過(guò)USART接口和微控制器相連，由于工作電壓的不同，兩者之間加了一級雙向電壓電平轉換器。

　　2.3 SD卡存儲模塊

　　系統擴展了SD卡存儲模塊，該模塊作為車(chē)輛數據的中間存儲介質(zhì)，當網(wǎng)絡(luò )環(huán)境不佳或者斷網(wǎng)時(shí)車(chē)輛數據便存到SD卡中，網(wǎng)絡(luò )重新建立后這些數據便發(fā)送到云端服務(wù)器，達到本地數據與網(wǎng)絡(luò )數據同步。

　　2.4 CAN總線(xiàn)收發(fā)模塊

　　CAN總線(xiàn)收發(fā)模塊采用廣州金升陽(yáng)科技有限公司的TD301DCAN，該模塊是集成電源隔離、電氣隔離、CAN接口和總線(xiàn)保護器件于一體的CAN接口隔離收發(fā)模塊，隔離電壓高達3000 V DC。CAN接口電路如圖2所示，根據整車(chē)需要，本系統設計了雙路隔離的CAN接口。

　　2.5 電源模塊

　　電源模塊提供2組供電電壓，一組為4.1 V，為4G通信模塊供電，另一組為3.3 V，為主控模塊及其他模塊供電。車(chē)載蓄電池提供的24 V電源經(jīng)過(guò)濾波后由DC-DC降壓芯片TPS54560轉換成4.1 V，3.3V電源由TLV1117-33提供。

3 系統軟件設計

　　系統軟件的設計主要包括CAN總線(xiàn)收發(fā)程序，SD卡文件存儲程序，SD卡文件轉發(fā)到4G模塊EFS系統程序，EFS上的文件轉發(fā)到服務(wù)器程序，GPS數據讀取處理程序及一些邏輯控制程序。系統的總控制流程如圖3所示，初始化完成后控制器開(kāi)始接收CAN總線(xiàn)上的報文，同時(shí)將報文存儲到SD卡中。當完成一個(gè)文件后系統檢測EFS剩余空間，在空間夠的情況下系統將SD卡中的文件發(fā)送到EFS中。系統自動(dòng)檢測是否已經(jīng)聯(lián)網(wǎng)，當聯(lián)網(wǎng)成功后系統會(huì )將EFS上的數據發(fā)送到云端服務(wù)器。

　　3.1 CAN總線(xiàn)收發(fā)程序流程

　　CAN總線(xiàn)接收程序流程如圖4所示，CAN總線(xiàn)接口初始化后開(kāi)始等待有無(wú)新的報文，當有新報文到來(lái)時(shí)，報文被存儲在3級郵箱深度的FIFO中，程序通過(guò)讀取FIFO輸出郵箱來(lái)讀取FIFO中最先收到的報文，注意在實(shí)際的情況中必須在FIFO溢出前讀出至少1個(gè)報文，否則下一個(gè)報文到來(lái)將導致FIFO溢出，從而出現報文丟失。

　　CAN總線(xiàn)發(fā)送程序流程如圖5所示，程序選擇一個(gè)空置的郵箱，將要發(fā)送的數據寫(xiě)入此郵箱，然后將發(fā)送中斷標志置位請求發(fā)送，當總線(xiàn)空閑時(shí)CAN發(fā)送模塊便將數據發(fā)送到總線(xiàn)上去，然后清空郵箱，等待下一個(gè)報文的發(fā)送。如果不止一個(gè)報文同時(shí)發(fā)送，還需比較優(yōu)先級，優(yōu)先級高的先發(fā)送。

　　3.2 SD卡文件存儲流程

　　本系統移植了FatFs文件系統，在實(shí)際的操作中只需要操作幾個(gè)函數便可完成SD卡文件的存儲?？刂破鹘邮盏紺AN報文后將報文打包，存入SD卡中。SD卡按時(shí)間以文件形式存儲。圖6為最簡(jiǎn)單的SD卡文件存儲流程，在實(shí)際的應用中還涉及到f_mkdir()、f_lseek()、f_opendir()等函數。

　　3.3 4G模塊相關(guān)程序

　　4G模塊肩負采集GPS信息和上傳CAN數據到云端服務(wù)器等任務(wù)，這些任務(wù)都是通過(guò)AT命令完成?？刂破鞫〞r(shí)向4G模塊發(fā)送指令來(lái)讀取海拔、經(jīng)度、緯度、UTC時(shí)間和運行速度等信息，這些信息也被打包寫(xiě)入SD卡。SD卡上的數據文件從本地發(fā)送到云端服務(wù)器需要有兩個(gè)過(guò)程：一、發(fā)送AT指令將數據文件發(fā)送到4G模塊的EFS;二、發(fā)送AT指令將數據從4G模塊的EFS發(fā)送到云端服務(wù)器。

4 實(shí)際運行測試

　　將模塊掛接在整車(chē)的CAN總線(xiàn)上實(shí)時(shí)運行，同時(shí)將一個(gè)CAN轉USB接口卡也掛接在總線(xiàn)上直接采集CAN報文到電腦，圖7為CAN接口卡直接采集到的數據，圖8為本系統采集完成后上傳到服務(wù)器的文件數據。經(jīng)過(guò)長(cháng)時(shí)間運行，未發(fā)現丟幀和數據錯誤的情況，驗證了系統的可靠性。

5 結束語(yǔ)

　　本文設計的遠程數據采集系統通過(guò)CAN總線(xiàn)采集車(chē)輛的各種狀態(tài)信息，通過(guò)4G模塊將這些信息發(fā)送到云端服務(wù)器供用戶(hù)和生產(chǎn)廠(chǎng)商分析和統計。滿(mǎn)足了用戶(hù)的需求，同時(shí)由于生產(chǎn)廠(chǎng)商能夠得到車(chē)輛運行的實(shí)時(shí)信息，有利于對車(chē)輛各系統的持續改進(jìn)，節約了現場(chǎng)維護成本。本系統有著(zhù)良好的擴展性和適應性，可用于有CAN總線(xiàn)的各個(gè)場(chǎng)合。

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　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第10期第46頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。