一種低功耗工程機械車載終端的設(shè)計與實現(xiàn)

冶志強，王迎超，2，丁永亮，李 娜，2

（1.新疆電子研究所股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆農(nóng)業(yè)大學計算機與信息工程學院，新疆 烏魯木齊 830000）

由于工程機械普遍作業(yè)的環(huán)境惡劣，經(jīng)常遭遇雨水、道路泥濘等各種天氣不利因素，再加上自身體積龐大，振動負荷大等因素，很容易導致車身零部件故障，導致工程無法按時進行，給企業(yè)和用戶帶來一些不必要的經(jīng)濟損失[1-8]。當前，我國關(guān)于工程機械的管理還比較依賴于人工監(jiān)管，借助人工巡檢的方式，對管轄范圍內(nèi)的工程機械進行排查。但是由于目前工程機械種類繁多、更趨于大型化、機電一體化，對于巡檢人員的要求也越來越高，并且人工巡檢由于人為主觀原因也會導致監(jiān)測不準、漏檢等現(xiàn)象發(fā)生[9-15]。因此該文設(shè)計了一款低功耗的工程機械車載終端產(chǎn)品，旨在解決上述問題。

1 系統(tǒng)組成及原理

該文以STM32F407ZET6 芯片作為中央處理單元，結(jié)合定位模塊、通信模塊、傳感器模塊以及電源管理模塊設(shè)計了一款低功耗工程機械車載終端。重點對工程機械的發(fā)動機狀態(tài)、油耗、故障位置等進行監(jiān)測管理。當故障發(fā)生時能夠進行遠程報警并上傳報警故障類型及車輛的位置信息。圖1 為車載終端整體設(shè)計框圖。

圖1 工程機械車載終端整體設(shè)計框圖

車載終端一般由低功耗嵌入式中央處理器、北斗（BD）定位模塊、4G 通信模塊、電源管理模塊等組成，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

1.1 低功耗嵌入式中央處理器

作為一種嵌入式電子設(shè)備，正常工作必定產(chǎn)生功耗。過多的功耗浪費將會使得企業(yè)投入更多的成本。低功耗的設(shè)計可減少系統(tǒng)的電磁輻射，減少能耗浪費，節(jié)約成本。文中從以下三個方面進行低功耗設(shè)計:

1）電源電壓

對于整個終端系統(tǒng)來說，過高的電源電壓會因流入電流增大而導致整個電路功耗提升。因此保持系統(tǒng)在額定的工作電壓下工作可以確保系統(tǒng)不會因為電壓的增大而產(chǎn)生不必要的功耗。

2）時鐘電路

終端系統(tǒng)依據(jù)設(shè)定頻率的大小而進行工作。當時鐘頻率過快時，整個系統(tǒng)將會一直處于高速工作狀態(tài)，很容易造成系統(tǒng)產(chǎn)生大量的功耗。時鐘電路作為調(diào)節(jié)頻率的主要途徑，因此在滿足要求的前提下，盡可能降低系統(tǒng)工作時鐘的頻率。

3）系 統(tǒng)

在非必要的前提下，可停止系統(tǒng)的工作，如關(guān)閉工作時鐘，停止對內(nèi)存的訪問，停止總線定時操作等。

1.2 北斗衛(wèi)星導航

根據(jù)《北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)公開服務(wù)性能規(guī)范3.0版》闡述，北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)由三部分組成，分別是空間段、地面控制段和用戶段[16-18]。

空間段主要由30 顆軌道衛(wèi)星組成，其中包括3 顆靜止軌道衛(wèi)星、24 顆中圓地球軌道衛(wèi)星及3 顆傾斜同步軌道衛(wèi)星。

地面控制段由主控站、注入站和監(jiān)測站組成，主要功能是監(jiān)測衛(wèi)星的運行狀態(tài)、收集衛(wèi)星數(shù)據(jù)、計算導航信息、維護每顆衛(wèi)星能夠正常運轉(zhuǎn)。

用戶段即是各種類型的北斗用戶終端，可以追蹤北斗導航衛(wèi)星，并實時地計算出接收機所在位置的坐標、移動速度及時間。

北斗導航衛(wèi)星的定位原理可分為以下三步:1）確定衛(wèi)星與用戶接收機之間相隔的距離；2）將所有衛(wèi)星的數(shù)據(jù)進行綜合分析；

3）確定接收機的地理信息。

2 終端總體設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

車載信息采集終端借助北斗導航衛(wèi)星定位技術(shù)實現(xiàn)車輛定位，微處理器讀取安裝在工程機械上各傳感器采集的數(shù)據(jù)信息，通過多傳感器數(shù)據(jù)融合方式實現(xiàn)對多個維度信息的綜合分析。利用4G 通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)上傳至監(jiān)管平臺，對正在作業(yè)的工程機械的油耗、蓄電瓶電壓、車輛位置等狀態(tài)信息進行統(tǒng)一、實時信息化管理。具體設(shè)計如圖3 所示。

圖3 硬件設(shè)計框圖

2.2 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計部分采用模塊化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計。主要包含系統(tǒng)初始化、4G 接收、Socket 重連接、定時器、北斗接收、油位采集、電壓采集模塊。軟件整體設(shè)計方案如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)軟件設(shè)計方案

4G 接收：主要完成車載終端采集信息的接收、心跳包的發(fā)送以及數(shù)據(jù)的上傳。

Socket 重連接：主要完成當服務(wù)器與4G 之間發(fā)生斷連時，自動進行兩者之間的重連接。

定時器：定時采集油位、發(fā)動機狀態(tài)及位置信息。

北斗接收：主要接收工程機械在某一時間內(nèi)的位置信息，通過采集時間與經(jīng)緯度信息實現(xiàn)。部分代碼如下：

油位采集：完成對工程機械油耗的監(jiān)測，對油耗異常情況進行預(yù)警。

電壓采集：主要借助發(fā)動機狀態(tài)與蓄電瓶電壓的關(guān)系曲線，通過得到的蓄電瓶電壓值來表示當前的發(fā)動機狀態(tài)信息。

2.3 主要功能

1）發(fā)動機工作狀態(tài)采集

單一地從發(fā)動機本身來遠程判定是否工作存在諸多困難。發(fā)動機的工作狀態(tài)與車載蓄電瓶的電壓緊密相關(guān)，兩者關(guān)系如圖5 所示。從圖中可以看出，發(fā)動機在發(fā)動前的蓄電瓶電壓為U0。當啟動發(fā)動機時，蓄電瓶電壓會短時間降到U1。發(fā)動機處于工作狀態(tài)時，蓄電瓶維持發(fā)動機的工作狀態(tài)，電壓為U2。發(fā)動機熄停后，電壓恢復到U3。因此，通過采集蓄電瓶的電壓來判斷發(fā)動機的啟停。由表1 可以看出，對于發(fā)動機的啟動、運行、停止工作都有非常明顯的劃分范圍，因此借助蓄電瓶的電壓狀態(tài)來間接判斷發(fā)動機狀態(tài)是可行的，需要說明的是工程機械一般為兩節(jié)12 V 蓄電瓶串聯(lián)。

表1 12 V蓄電瓶電壓區(qū)間劃分表

圖5 發(fā)動機狀態(tài)與蓄電瓶電壓關(guān)系圖

2）終端輸入電壓保護

輸入電壓過大會導致電路的破壞或者元器件的損壞，因此有必要對輸入電壓進行保護，即電平電壓高于正常區(qū)間時自動切斷取電。在該文中，通過搭建如圖6 所示的電路，來完成對輸入電壓的過壓、防反接的保護。

圖6 車載電池保護電路

其中，虛線框T1 內(nèi)為防反接保護電路，當電源反接時，Q1 NMOS 處于截止，只有當NMOS 的Vgs 電壓大于其閾值電壓時，才導通。T2 虛線框內(nèi)為蓄電池過放保護電路，當蓄電池電壓處于正常區(qū)間，穩(wěn)壓二極管D1 擊穿導通，Q2 NPN 三極管與Q3 PMOS 場效應(yīng)管都導通，只有當蓄電池電壓低于穩(wěn)壓二極管D1 的穩(wěn)壓值（24 V）時（低于23.6 V 時蓄電瓶電壓處于偏低狀態(tài)），三極管Q2 截止，Q3 PMOS 也處于截止狀態(tài)，因此電流無法通過Q3 場效應(yīng)管，實現(xiàn)欠壓保護功能。需要說明的是在選擇場效應(yīng)管時，其VDSS電壓要高于蓄電瓶的最大電壓，同時其導通電阻要小，以進一步降低功耗。此外虛線框T3 內(nèi)電路提供過流、過壓保護功能。

3）油耗監(jiān)測

對于油耗的實時監(jiān)測有助于管理方及時預(yù)防油箱破裂、漏油等問題的出現(xiàn)，進而能夠節(jié)省更多的資源。油位傳感器輸出信號一般為0～5 V、0.5～4.5 V或4～20 mA 的模擬量信號或通過RS485 串行通信的方式輸出油位信息。該文采用RS485（F3 協(xié)議）串行通信方式，完成對油耗的監(jiān)測。其中，油位傳感器采用SFP 系列壓力式液位傳感器，主要性能參數(shù)如表2所示。

表2 SFP系列壓力式液位傳感器參數(shù)

4）雙模定位

定位的設(shè)計主要需要考慮的因素包括定位精度、跟蹤靈敏度、功耗等。中科微的ATGM336H-5N-31北斗及GPS 雙模定位模塊具有高靈敏度、低功耗、低成本等優(yōu)勢可實現(xiàn)優(yōu)于2.5M（CEP50）的車輛定位能力。該模塊通過UART 作為主要輸出通道，按照NMEA0183 的協(xié)議格式輸出定位信息。同時，由于模塊內(nèi)置天線檢測及天線短路保護功能，當天線意外短路時，限制天線的電源電流（50 mA）以保護天線。當天線三個端口的狀態(tài)發(fā)生變化時，可以將相關(guān)信息從端口導出到監(jiān)測平臺，實現(xiàn)北斗衛(wèi)星在線監(jiān)測。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 低功耗設(shè)計

1）硬件方面

工程機械車載信息采集終端供電由車載蓄電瓶提供，因此在車輛熄火狀態(tài)下采用低功耗的設(shè)計尤為重要。為了最大化的節(jié)能，除了合理優(yōu)化軟件控制策略外，硬件方面也采用低功耗設(shè)計，因此該文采用的供電方案如圖7 所示。在硬件上的低功耗設(shè)計分為兩部分，分別是采用DC-DC 電源模塊和采用DC-LDO 的方式，主要是為了有效降低功耗及電源紋波。

圖7 供電方案

①DC-DC 電源

工程機械車載蓄電瓶電壓范圍通常為21.6～29.6 V，而該設(shè)計中終端模塊負載電平為5 V 或3.3V。DC-DC 電源芯片相對于LDO 芯片轉(zhuǎn)換效率更高，因此該設(shè)計采用DC-DC 穩(wěn)壓器為蓄電瓶降壓。TI的TPS5430因其具有寬電壓（5.5～36 V）輸入、大電流（持續(xù)3 A）輸出、轉(zhuǎn)換效率高（95%）等優(yōu)勢，因此該文采用TPS5430 作為DC-DC 的電源芯片。

②DC-LDO

相對于DC-DC 芯片的高效率，LDO 穩(wěn)壓器具有穩(wěn)壓精度高、輸出紋波低的特性。因此對紋波要求苛刻的4G 模組、BD/GPS 模組等終端核心電路單元采用LDO 供電。該設(shè)計采用三顆不同的LDO 穩(wěn)壓芯片，其中LDO2 及LDO3 具有關(guān)斷使能引腳功能，當設(shè)備處于休眠時可切斷4G 模組及BD/GPS 雙模定位模組電源，進一步降低功耗。

2）軟件方面

低功耗軟件設(shè)計包含兩個方面，一方面，該文采用的編程環(huán)境RT-Thread 自身帶有低功耗的設(shè)計，通過使用RT-Thread 的電源管理組件，在IDLE 任務(wù)中通過對CPU、時鐘和設(shè)備等進行管理，從而有效降低系統(tǒng)的功耗；另一方面，當高優(yōu)先級任務(wù)運行結(jié)束或被掛起時，系統(tǒng)將進入IDLE 任務(wù)中。在IDLE任務(wù)完成之后，它將通過判斷功能辨別整個車載系統(tǒng)是否處于待機狀態(tài)，以此來降低功耗。在進入休眠狀態(tài)時，某些硬件模塊將根據(jù)芯片的狀態(tài)關(guān)閉。這時在電源模塊控制中將通過系統(tǒng)定時器計算下一個延遲點，并設(shè)置低功率定時器，使設(shè)備能夠在該點上喚醒并進行后續(xù)工作[19]。

3.2 通信網(wǎng)絡(luò)

為了確保在傳輸過程中，數(shù)據(jù)格式不發(fā)生變化，支持不同運營商的網(wǎng)絡(luò)制式，且能夠兼容EDGE 和GSM/GPRS 網(wǎng)絡(luò)。該文采用EC20 模組作為4G 通信單元。

3.3 多線程共享技術(shù)

為了更好地利用系統(tǒng)資源，最大化地利用單片機，在信息采集過程中采用多線程技術(shù)，充分利用單片機的空閑時間，在最短的時間內(nèi)實現(xiàn)全多點數(shù)據(jù)采集，提高數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的整體效率。由于所有線程都具有統(tǒng)一的內(nèi)存，因此不需要專門的數(shù)據(jù)傳輸、文件共享和共享機制，這將有助于解決不同任務(wù)之間的業(yè)務(wù)和操作協(xié)調(diào)、數(shù)據(jù)交互和資源分配問題。

4 結(jié)論

該文針對目前工程機械領(lǐng)域所面臨的一些問題，提出了一種低功耗的工程機械車載終端信息采集方式，對該終端的整體結(jié)構(gòu)、主要功能、關(guān)鍵技術(shù)及軟件設(shè)計進行了分析探討，并在此基礎(chǔ)上搭建了遠程監(jiān)管平臺。目前，車載終端已經(jīng)投入運行，運行狀態(tài)穩(wěn)定可靠，為企業(yè)和用戶提供了非常大的便利。此外，該款車載終端的設(shè)計也存在一些不足，比如在低功耗的設(shè)計方面，依舊存在可提升的空間，在下一步的研究中，將繼續(xù)采用更優(yōu)的方法來解決低功耗的問題。