基于STM32的雙向交互式車載通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

關(guān)曉菡，馬曉

(北方工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100144)

?

基于STM32的雙向交互式車載通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)

關(guān)曉菡，馬曉

(北方工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100144)

提出了一種基于STM32的車載通信系統(tǒng)。該系統(tǒng)由STM32F103ZET6硬件平臺(tái)和μC/OS-III嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)軟件平臺(tái)構(gòu)成，采用GPS定位技術(shù)獲取車輛實(shí)時(shí)位置，CAN總線技術(shù)獲取ADAS設(shè)備的行車預(yù)警信息和車輛狀態(tài)信息，應(yīng)用3G無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)上傳行車預(yù)警特征信息，形成車輛與服務(wù)平臺(tái)雙向交互式通信。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該車載通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了車輛與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)間高速、可靠、實(shí)時(shí)通信，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

車載通信；STM32；μC/OS-III操作系統(tǒng)；CAN總線

引 言

本車載通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基于兩大背景。一方面，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展和各種智能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的普及，為智能汽車的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，而互聯(lián)網(wǎng)汽車作為從智能汽車基礎(chǔ)上發(fā)展而來的新秀[1]，指明了智能汽車的一個(gè)發(fā)展方向。另一方面，近年來，隨著嵌入式技術(shù)、傳感器技術(shù)和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，以預(yù)防交通事故的主動(dòng)安全技術(shù)得到了高速發(fā)展，ADAS設(shè)備的出現(xiàn)大大緩解日趨嚴(yán)重的交通安全問題，車載通信作為ADAS的基礎(chǔ)，具有舉足輕重的作用[2]。

本文給出了一種基于STM32的車載通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，可以實(shí)現(xiàn)車輛實(shí)時(shí)定位、車輛行駛狀態(tài)與各項(xiàng)參數(shù)的獲取、行車記錄儀錄像狀態(tài)控制以及網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控管理等功能。該設(shè)計(jì)既可以用于車輛安全管理、智能交通和互聯(lián)網(wǎng)汽車等方面，又可以用于對(duì)接ADAS設(shè)備。

1 系統(tǒng)框架

車載通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，由微控制器、存儲(chǔ)模塊、ADAS預(yù)警信息采集模塊、電源模塊、3G模塊、定位模塊和行車記錄儀控制模塊組成[3]。該車載通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的是車外網(wǎng)通信，完成車與外界互聯(lián)網(wǎng)的信息交換，即車與網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺(tái)的交互通信；車載通信系統(tǒng)采集車輛實(shí)時(shí)位置、行車預(yù)警信息和車速等各種車輛狀態(tài)信息，根據(jù)車輛的狀態(tài)信息控制行車記錄儀工作狀態(tài)和截取事件視頻，并將這些收集到的車輛實(shí)時(shí)狀態(tài)信息通過3G網(wǎng)絡(luò)傳送到網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控平臺(tái)。

圖1 車載通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

基于STM32F103ZET6的車載通信系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 車載通信系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)

圖3 GPS和3G模塊連接圖

單片機(jī)最小系統(tǒng)由STM32F103ZET6單片機(jī)、晶振電路、復(fù)位電路和JTAG接口電路組成。STM32F103ZET6主頻高達(dá)72 MHz，具有64 KB的SRAM、512 KB的Flash、2個(gè)16位的增強(qiáng)型定時(shí)器[4]、2個(gè)16位的基本定時(shí)器、5個(gè)USART總線、1個(gè)CAN 2.0總線、供電電壓為2.0～3.6 V。系統(tǒng)采用8 MHz和32.768 kHz外部晶振，分別作為系統(tǒng)工作時(shí)鐘和精準(zhǔn)時(shí)鐘源；采用上電自動(dòng)復(fù)位作為系統(tǒng)的復(fù)位電路；JTAG電路用于程序下載和調(diào)試。

2.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

本車載通信系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊包括SDRAM和NAND Flash，實(shí)現(xiàn)程序和告警數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)。外接DDR2 SDROM存儲(chǔ)芯片，作為內(nèi)存用于運(yùn)行系統(tǒng)程序和用戶程序，保證程序運(yùn)行與足夠的內(nèi)存空間；外接512 MB的NAND Flash存儲(chǔ)芯片，用于用戶信息和告警數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)。

2.3 GPS定位模塊和3G模塊

GPS定位模塊完成時(shí)間同步和GPS定位信息的獲取，通過對(duì)外接GPS天線接收的GPS信號(hào)進(jìn)行記錄、解調(diào)和處理，得到GPS衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航報(bào)文，最終獲得車輛的位置數(shù)據(jù)。綜合考慮，GPS定位模塊選擇UBLOX公司的NEO-6M模組。3G模塊選擇中興的移動(dòng)通信模塊MT3732，MT3732 是一款基于展訊SC8802G平臺(tái)的TD-SCDMA/GSM 雙模無線模塊，支持下行 HSDPA2.8 Mbps、上行2.2 Mbps[5]。GPS和3G模塊的連接電路圖如圖3所示。

2.4 預(yù)警信息采集模塊

STM32F103單片機(jī)內(nèi)部自帶一個(gè)CAN控制器，能發(fā)送和接收標(biāo)準(zhǔn)、擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀以及遠(yuǎn)程幀，所以該系統(tǒng)不需要外接CAN控制器。CAN收發(fā)器選用TJA1050，該器件是一款帶隔離的高速通用CAN收發(fā)器芯片，完全兼容ISO11898標(biāo)準(zhǔn)，速率可達(dá)到1 Mbps。

2.5 行車記錄儀控制模塊

在單片機(jī)處理器控制下實(shí)現(xiàn)行車記錄儀供電以及嚴(yán)重告警條件下對(duì)行車記錄儀工作狀態(tài)的改變。車輛發(fā)生嚴(yán)重告警情況下，通過USART2給行車記錄儀發(fā)送中斷信號(hào)，使行車記錄儀工作在中斷模式，實(shí)現(xiàn)行車記錄儀對(duì)事故視頻的裁剪與存儲(chǔ)，以便發(fā)生事故時(shí)能快速定位事故圖像。行車記錄儀供電電路圖如圖4所示。

2.6 電源模塊設(shè)計(jì)

面對(duì)汽車復(fù)雜的電磁兼容環(huán)境，設(shè)計(jì)的電源模塊必須具有強(qiáng)大的電磁兼容能力，傳統(tǒng)的DC-DC電路無法滿足車載環(huán)境，因此，改進(jìn)型的轉(zhuǎn)換電路應(yīng)運(yùn)而生。汽車上供電電壓為+12 V，系統(tǒng)中各模塊需要的有+5 V、+3.3 V、+1.8 V和+1.2 V電壓，因此，需要通過電壓轉(zhuǎn)換電路將+12 V的電壓轉(zhuǎn)換為+5 V、+3.3 V、+1.8 V和+1.2 V電壓。在汽車電子模塊中，改進(jìn)型的12～5 V的轉(zhuǎn)換電源電路的結(jié)構(gòu)如圖5所示，這部分電路可分為防反接保護(hù)、浪涌抑制和低壓轉(zhuǎn)換等三個(gè)部分[6]。

圖4 行車記錄儀供電電路圖

圖5 改進(jìn)型12～5 V的轉(zhuǎn)換電源電路

防反接保護(hù)電路主要由D28構(gòu)成，該電路是根據(jù)汽車電子模塊必須具有防電源反接功能而設(shè)計(jì)的。D28組成的反接保護(hù)電路，只適用于電流不大的邏輯電源供電線上。

浪涌抑制電路主要由D29、L1、RS、C155和C3構(gòu)成，主要用來抑制電源電壓上的各種浪涌波形和靜電。D29是浪涌電壓抑制器，采用大功率TVS管(瞬態(tài)抑制二極管)或MOV管(壓敏電阻)，主要用來吸收能量較大的浪涌脈沖，如ISO7637中的脈沖5b和其他電源線上的正弦脈沖干擾；L1共模電感，限制邏輯電流變化的速度，以提高模塊的電磁兼容特性。

低壓轉(zhuǎn)換電路主要由LM2676-5、CT3、C2和穩(wěn)壓管D2構(gòu)成，低壓轉(zhuǎn)換電路主要實(shí)現(xiàn)12～5 V的轉(zhuǎn)換。電壓轉(zhuǎn)換芯片LM2676-5后的穩(wěn)壓管D2，主要是防止模塊在睡眠時(shí)注入5 V邏輯電平的電流過大，從而引起5 V電壓邏輯電平的上升，損壞邏輯芯片；CT3去耦電容，一般采用大容量的電解電容，主要作用類似微型電池，在電壓跌落時(shí)，起到電量緩沖的作用。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

μC/OS-III嵌入式實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)是Micrium公司開發(fā)的第三代可固化、可升級(jí)、可裁剪、搶占式的系統(tǒng)內(nèi)核，源碼遵循ANSI C標(biāo)準(zhǔn)。該操作系統(tǒng)的任務(wù)個(gè)數(shù)無限制，支持現(xiàn)代實(shí)時(shí)內(nèi)核操作系統(tǒng)所期待的大部分功能。本文的軟件開發(fā)環(huán)境是Keil MDK，版本號(hào)是V4.7.2。

μC/OS-III可以移植到不同的處理器上，和處理器相關(guān)的代碼使用匯編和C混合編程來實(shí)現(xiàn)。μC/OS-III只要滿足如下條件，就可以被移植到STM32平臺(tái)上：

① 處理器帶有支持標(biāo)準(zhǔn)C的工具鏈，并且需要支持32位數(shù)據(jù)；

② 中斷能夠被關(guān)閉和打開，能夠提供10～1000 Hz的周期中斷作為系統(tǒng)時(shí)鐘節(jié)拍源；

③ 處理器有棧指針寄存器，并且其他所有的寄存器能夠被存儲(chǔ)和恢復(fù)；

④ 處理器能夠支持足夠的尋址空間。

STM32F103單片機(jī)使用的是Cortex-M3內(nèi)核，都能夠滿足這幾個(gè)條件，所以μC/OS-III能夠移植到STM32F103平臺(tái)[7]。μC/OS-III操作系統(tǒng)移植時(shí)需要修改的模塊和文件如表1所列。

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用任務(wù)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)應(yīng)用任務(wù)程序是建立在操作系統(tǒng)之上的，控制著系統(tǒng)的運(yùn)作和行為，在系統(tǒng)能正常啟動(dòng)及相關(guān)驅(qū)動(dòng)開發(fā)完成后，對(duì)相關(guān)工作流程進(jìn)行整理，開發(fā)出對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)應(yīng)用任務(wù)軟件[8]。車載通信系統(tǒng)的系統(tǒng)應(yīng)用任務(wù)主要分為以下5個(gè)：3G消息處理任務(wù)、GPS數(shù)據(jù)處理任務(wù)、消息上傳任務(wù)、定時(shí)處理任務(wù)和行車記錄儀交互及關(guān)機(jī)任務(wù)，程序總體流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)總體流程圖

需要改動(dòng)的模塊需要改動(dòng)的文件基本功能μC/OSIII內(nèi)核相關(guān)代碼①os_cpu.h②os_cpu_a.asm③os_cpu_c.c①CPU相關(guān)配置以及os_cpu_a.asm和os_cpu_c.c兩個(gè)文件中函數(shù)的聲明②CPU相關(guān)匯編函數(shù)定義及聲明,如關(guān)中斷,前導(dǎo)零指令的調(diào)用③CPU相關(guān)C語言函數(shù)定義及聲明CPU相關(guān)代碼①cpu_c.c②cpu_a.asm③cpu.h①CPU相關(guān)C語言代碼,如中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)置②臨界區(qū)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)③定義與CPU相關(guān)的宏定義BSP(板級(jí)支持包)①bsp.c②bsp.h①初始化系統(tǒng)時(shí)鐘②初始化32位計(jì)數(shù)器以提供時(shí)間戳

3G消息處理任務(wù)主要用于對(duì)3G模塊接收消息的處理，包括短信以及TCP消息；GPS數(shù)據(jù)處理任務(wù)主要是對(duì)獲取的GPS消息進(jìn)行處理，包括衛(wèi)星授時(shí)獲取準(zhǔn)確的實(shí)時(shí)時(shí)間，以及車輛的實(shí)時(shí)位置；消息上傳任務(wù)主要完成行車預(yù)警消息的上傳，包括車輛實(shí)時(shí)位置、車速和行車預(yù)警信息等車輛狀態(tài)信息；定時(shí)處理任務(wù)主要用于定時(shí)上傳車輛的實(shí)時(shí)位置，以及定時(shí)更改LED燈的狀態(tài)，方便觀察設(shè)備模塊運(yùn)行狀態(tài)；行車記錄儀交互及關(guān)機(jī)任務(wù)主要用于對(duì)行車記錄儀設(shè)備進(jìn)行相關(guān)的控制，對(duì)汽車熄火信號(hào)進(jìn)行監(jiān)控，以備及時(shí)關(guān)閉設(shè)備。模擬CAN預(yù)警軟件如圖7所示。

圖7 模擬CAN預(yù)警軟件

4 系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證設(shè)備的氣候和機(jī)械載荷，進(jìn)行高低溫可靠性測(cè)試、疲勞老化測(cè)試和機(jī)械振動(dòng)測(cè)試。使用模擬CAN告警軟件持續(xù)發(fā)送告警信息10小時(shí)進(jìn)行老化測(cè)試，在-40～80 ℃的環(huán)境下進(jìn)行存儲(chǔ)、工作、耐溫度循環(huán)、熱沖擊和振動(dòng)測(cè)試。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)收集到的告警數(shù)據(jù)如圖8所示。

為了測(cè)量設(shè)備的電磁兼容特性，進(jìn)行了沿電源線的瞬態(tài)傳導(dǎo)抗干擾測(cè)試(ISO7637-2)，按照測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)分別進(jìn)行5種脈沖波形的測(cè)試。脈沖1是模擬汽車上電感性負(fù)載電源斷開連接時(shí)，其他電源端所產(chǎn)生的瞬態(tài)現(xiàn)象，如圖9所示，這個(gè)脈沖將影響直接與這個(gè)電感性負(fù)載并聯(lián)在一起的電子模塊工作[9]。實(shí)驗(yàn)脈沖4是模擬內(nèi)燃機(jī)的起動(dòng)電機(jī)或者打開大的負(fù)載電路通電時(shí)，產(chǎn)生的電源電壓的降低。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果顯示，該車載通信系統(tǒng)能完全通過5種脈沖波形的測(cè)試，系統(tǒng)各項(xiàng)功能均能得到實(shí)現(xiàn)，符合ISO7637的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。脈沖4實(shí)際波形及參數(shù)如圖10所示。

圖8 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)平臺(tái)收集告警數(shù)據(jù)

圖9 脈沖1實(shí)際波形及參數(shù)

圖10 脈沖4實(shí)際波形及參數(shù)

結(jié) 語

[1] 曹祎遐,李永超.互聯(lián)網(wǎng)汽車重新定義生活[J].上海信息化,2014(7):20-23.

[2] 張翔.2014年汽車ADAS技術(shù)的最新發(fā)展[J].汽車

Two-way Interactive Vehicle Communication System Based on STM32

Guan Xiaohan,Ma Xiao

(College of Electronical and Information Engineering,North China University of Technology,Beijing 100144,China)

A kind of vehicle communication system based on STM32 is proposed.The system is consist of STM32F103ZET6 hardware platform and μC/OS-III embedded real-time operating system software platform.The system uses GPS location technology to obtain the real-time location of vehicle,and uses the CAN bus technology to obtain the ADAS devices driving early warning information and the vehicle state information.The 3G wireless network transmission technology is used to transfer the traffic warning feature information,which forms two-way interactive communication between the vehicle and the services platform.The experimental results show that the vehicle communication system can achieve high-speed,reliable and real-time communication between the vehicle and the network service platform,which has high practical value.

vehicle communication;STM32;μC/OS-III operating system;CAN bus

TP315

A