MCU+OpenCPU架构的车载T BOX开发方案

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(t o u g a o.m e s n e t.c o m.c n)2021年第4期
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M C U+O p e n C P U架构的车载T B O X开发方案
顾明,黄强,周明
(中国电子科技集团公司第三十八研究所,合肥230000)
摘要:为了保证T B O X的稳定性与可靠性,同时提高无线通信速率,需要采用4G或更高级别的通信技术㊂本文在4G 通信技术的基础上提供了一套完整的开发方案,即O p e n C P U架构下的方案,采用了M C U+O p e n C P U模块组合开发的方式,M C U端保证T B O X运行的稳定性与可靠性,O p e n C P U端采用的是4G通信技术,保证了通信速率㊂目前该产品已批量生产并给多个主流车厂稳定供货㊂
关键词:O p e n C P U;T B O X;4G通信
中图分类号:T P368.1文献标识码:A
I m p l e m e n t a t i o n o f V e h i c l e T B O X B a s e d o n M C U a n d O p e n C P U A r c h i t e t u r e
G u M i n g,H u a n g Q i a n g,Z h o u M i n g
(T h e38t h R e s e a r c h I n s t i t u t e o f C h i n a E l e c t r o n i c s T e c h n o l o g y G r o u p C o r p o r a t i o n,H e f e i230000,C h i n a)
A b s t r a c t:I n o r d e r t o g u a r a n t e e t h e s t a b i l i t y a n d r e l i a b i l i t y o f T
B O X a n d i m p r o v e t h e w i r e l e s s c o mm u n i c a t i o n r a t e,4G o r h i g h e r c o m-m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y i s n e e d e d.O n t h e b a s i s o f4G c o mm u n i c a t i o n t e c h n o l o g y,t h i s p a p e r p r o v i d e s a c o m p l e t e d e v e l o p m e n t s c h e m e, w h i c h i s b a s e d o n O p e n
C P U a r c h i t e c t u r e.M C U+O p e n C P U m o d u l e i s a d o p t e d t o e n s u r e t h e s t a b i l i t y a n d r e l i a b i l i t y o f T B O X, O p e n C P U u s e s4G c o mm u n i c a t i o n t e c h n o l o g y t o e n s u r e t h e c o mm u n i c a t i o n r a t e.A t p r e s e n t,t h e p r o d u c t h a s b e e n b a t c h p r o d u c t i o n a n d t o a n u m b e r o f m a i n s t r e a m c a r f a c t o r y s t a b l e s u p p l y.
K e y w o r d s:O p e n C P U;T B O X;4G c o mm u n i c a t i o n
0引言
O p e n C P U最初是由中科大的学生在32位的R I S C C P U设计的一个开放式计算机系统,此系统可以允许用户进行部分结构设计㊁模块设计㊁I/O操作等,后来其所有的技术文档和源码都以共享方式在网上公布,成了一个开源的C P U设计,所以命名为O p e n C P U㊂O p e n C P U应用到无线通信模组上,主要是为了使用户可以共享模块内的处理器和F l a s h资源㊂目前很多模组厂商的通信模组就是这样实现的,如移远的4G通信模组E C20等㊂
相比于普通模式下的工作模式,O p e n C P U方案中用户只需要通过串口进行通信模块的控制㊁数据发送与接收等,避免了繁琐的A T指令以及频繁的A P I接口调用等,可以缩短开发周期并节省部分外围组件成本㊂
14G T B O X总体设计
车载通信终端T B O X的主要功能是采集车辆数据信息(如车速㊁里程㊁车辆位置信息㊁电池数据㊁发动机数据等),然后将采集到的数据周期性地上报到企业服务器中,同时车辆用户可以通过手机A P P对车辆进行远程数据监测以及车控(如解锁㊁闭锁㊁远程空调)等相关操作㊂
由于目前O p e n C P U模组大多是工业级的产品,无法达到车规级的要求,另外还缺少C A N通信接口,为了满足可靠性以及接口资源等需求,本文选择M C U+ O p e n C P U架构方式来实现4G T B O X
㊂
图14G T B O X总体设计框图
如图1所示,4G T B O X主要由M C U和C P U (O p e n C P U)两大模块组成,M C U模块通过C A N总线获取当前车辆数据信息,将信息打包以后通过串口发送给C P U模块,C P U模块通过T C P/I P协议将数据上报给企
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业平台,企业平台同时将接收到的数据同步到手机A P P 上,方便车主进行实时的数据监控,同时车主可以使用手
机A P P 对该车辆进行远程控制等操作
[1-3]
㊂2 4G T B O X 硬件设计
如图2所示,4G 模块采用的是O p
e n C P U (移远E C 20模块),M C U 采用S 32K 144作为主控制芯片㊂4G 模块通
过S I M 卡可进行无线通信操作(如数据上报和远程升级包下载等),4G 模块主要控制W i F i 模块通信㊁E MM C 模
块存储㊁U S B 通信以及以太网通信等,同时还连接了音频解码器模块,用户可通过该模块进行语音通话等操作,最
典型的如打电话㊁E C A L L ㊁B C A L L 等操作㊂另外,
G P S 模块直接与4G 模块连接,由4G 模块直接获取G P S 数据并将当前位置信息数据打包上传到企业平台
㊂图2 4G T B O X 硬件设计框图
M C U 端主要通过C A N 模块进行车辆数据采集与
T B O X 自身C A N 报文数据发送,通过I /O 接口进行车辆K L 15上电检测㊁按键检测㊁气囊信号检测以及L E D 的
控制等,通过S P I 总线与外部N O R F l a s h 进行数据读写,通过B L E 蓝牙模块进行短距离操控,通过6轴传感器进行碰撞和车辆侧翻检测等㊂当T B O X 休眠时,4G 模块
可以通过I /O 口对M C U 进行唤醒,
从而唤醒整个T B O X ;当T B O X 准备进入休眠状态时,M C U 端通过I /O
口拉低4G 模块的休眠引脚,使得4G 模块进入低功耗模式(此时仍可以通过短信进行唤醒)㊂另外,系统还配置了
600m A h 的备用电池,此备用电池在T B O X 正常工作
时不工作,当T B O X 检测到车辆主供电电源断电时(此时一般都是发生了严重事故),T B O X 会自动切换供电电源,由备用电池进行供电,并进入紧急模式,将当前的车
辆数据上报给企业平台,便于技术人员对事故进行分析排查等㊂
3 4G T B O X 软件设计
根据软件功能总体定义和分析,系统软件分为C P U
端软件系统架构和M C U 端软件系统架构,
下面进行详细说明㊂
3.1 C P U 端软件系统架构设计
C P U 端软件运行于E C 20提供的L i n u x 环境,
采用模块化设计,系统功能通过需求分析和分解划分为独立的运行模块㊂系统主要的模块包括:O T A C l i e n t 下载管理(
服务器下载)㊁O T A S e r v e r 下载管理(M C U 升级文件传输)㊁与M C U 通信过程管理㊁与M P 5交互过程管理㊁
服务器端通信管理㊁数据采集模块㊁数据上报模块㊁国标数据处理模
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块㊁车控管理模块㊁W i F i 管理模块㊁拨号管理模块㊁G P S 位置服务模块等㊂系统的各个模块都是独立的线程,线程直接采用全局缓冲区和自定义消息进行信息交互和通信,保证了各个线程之间的独立性,以及系统运行的可靠性与健壮性㊂C P U 端软件系统架构如图3所示
㊂
图3 C P U
端软件系统架构
图4 M C U 端软件架构
3.2 M C U 端软件系统架构设计
M C U 端软件架构为典型的前后台式架构,
如图4所示,采用模块化的软件设计方法将系统功能分解为多个子模块,每个模块对应一个状态机㊂系统在初始化完成之后即进入主循环,各状态机根据在程序中的前后位置依次获
得C P U 时间循环运行㊂主程序功能主要包括与4G 模块交互任务管理㊁电源系统管理㊁O T A 下载/刷新㊁U D S 诊断㊁C A N 网络管理以及系统状态管理功能等㊂
M C U 端软件由两大部分软件构成,一个是B o o t -L o a d e r 程序,
另一个是主程序㊂引导程序负责系统软件升级,升级分为U D S 本地升级和远程下载后从F l a s h 读取程序数据升级㊂引导程序在程序上电时立即启动,首先检测有没有远程升级标志,若标志存在,则从片外F l a s h 加载升级程序到片内F l a s h ,并跳转到新程序运行;否则在3s 内检测有没有U D S 本
地升级请求,如果有,则停留在B o o t L o a d e r 里面进行本地升
级,升级完成后跳转到新程序,如果没有U D S 本地升级请求,则3s 后跳转至原主程序运行㊂
4 结 语
通过M C U+O p
e n C P U 架构方式实现的4G T B O X 目前已经量产,并在主流车厂的多款车型中装配㊂目前看来,该方案下的T B O X 能够很好地完成数据上报以及车控等远程指令,车辆运行中T B O X 丢包率也大大减少,另外,升级包的下载速度明显得到提升,大大提高了整车O T A 功能的实现效率
㊂
参考文献
[1]高夕冉.面向车联网的车载T B O X 的设计[D ].
天津:天津理工大学,2018.
[2]许茜.车联网通信渠道关键技术[C ]
//第十四届沈阳科学学术年会论文集(理工农医),2017.
[3]郝铁亮.车联网技术研究[J ].汽车实用技术,2017(20)
:141143.
顾明(工程师),主要从事新能源汽车智能网联方面的软件开发工作;黄强㊁周明(高级工程师),主要从事新能源汽车智能网联方面的软件架构设计工作㊂
(责任编辑:薛士然 收稿日期:2020-09-23
)。