汽车互联网智能设备的研究

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汽车互联网智能设备的研究

北方工业大学电子信息工程学院 宁可庆 雷嘉豪 吴小林

设计出了基于嵌入式微处理器的汽车互联网智能设备，通过汽车OBD 接口实现与汽车的通讯和相关数据的采集，并与GPS 定位模块获取到的位置信息进行交融，再经 GPRS 模块传送至数据服务器，再转发至用户手机终端。系统辅助电路由电源管理、FLASH 存储器及人机接口电路等部分组成。

1 引言

OBD （On-Broad Diagnostic System ）即车载诊断系统。汽车如果发现故障，仪表盘上的其中一个指示灯便会被OBD 系统点亮，来提醒驾驶员，并在ECU 中记录一个代码。从ECU 中，诊断设备便可以读出此故障码，维修人员能够根据提示，方便准确地对故障部位进行维护。OBD 的主要功能：统一车种诊断座形状为16PIN ；含有数值分析资料传输功能（DATA LINK CONNCETOR 简称DLC ）；具有行车记录功能；具有重新显示记忆故障码功能；具有可由仪器直接清除故障码功能。

2 汽车互联网设备系统结构

根据设计规划，系统总体框架可分为三大部分，即电源部分，微处理器部分和外围模块部分，结构如图1所示。

（1）电源部分：电源的精度主要对系统的整体性，可靠性有影响，直流电源转换成符合各模块所需的电源，如产生3.5V 和5V 电源，可以降低由电源引起的误差。并且在设计电源部分时，要考虑功率负载均衡的问题。

（2）微处理器部分：本部分负责车载设备的控制与运行，包含CPU 、存储模块和复位模块。CPU 是中央处理单元；存储模块用于存放和保护程序必要数据等；复位模块用于系统自动复位。

（3）外围模块部分：本部分用于各个功能的实现，包含GPRS 模块、GPS 模块、OBD 模块和陀螺仪模块等，他们通过不同的总线与CPU 进行数据传输，在CPU 的控制下完成车辆相关的数据接收和

监控以及网络通讯等功能。

图1 系统结构图

3 汽车互联网设备硬件设计

汽车互联网设备通过与OBD 接口进行连接来获取汽车诊断数据对车辆进行全面地监控，采集汽车的各种动态信息，并对这些信息进行在线或离线的处理，以便发现和确认其异常表现，预测其发展趋势，把通过OBD 接口读取的车辆信息与GPRS 网络发送到运营商网络，运营商网络以TCP 的方式把数据传输到因特网上的远程服务器。远程服务器将信息接收存入数据库后，通过手机终端的APP 连接远程服务器，实现数据的远程访问并显示到手机终端。3.1 电源转换设计

TPS54240器件是一款带集成高端MOSFET 的42 V ，2.5 A 降压型稳压器。 电流模式控制提供简单的外部补偿和灵活的元件选择。低纹波跳脉冲模式可减少无负载，将输出电源电流调节至138μA 。当使能引脚为低电平时，关断电源电流降至1.3μA 。开漏功率良好信号表示输出在其标称电压的94％至107％之内。宽开关频率范围允许外部元件尺寸的效率和优化。 频率折返和热关断可在过载情况下保护器件。所以面对汽车启动时蓄电池的电压剧烈波动，TPS54240也可以有效应对。并且占用PCB 面积相对较少。图2为TPS54240

芯片电路图。

图2 TPS54240芯片电路

3.2 微处理器模块设计

由于汽车互联网智能设备对主控芯片的flash 大小的要求不高，所以CPU 选用STM32F103C8T6芯片。该芯片是中低端32位ARM 微控制器，具有成本低、速度快、资源丰富的特点。资源丰富体现在其一系列丰富的外设接口，包括USTAR 、12C 、18兆位/秒的SPI 、LED 灯、SD 卡槽、红外收发管、小型扬声器等。特别一提的是该芯片对于电压具有很强的兼容性，可搭载3.3V 和5V 两种电压。图3为CPU

芯片的核心电路。

图3 CPU芯片图

3.3 GPS模块电路设计

作为汽车互联网智能设备，其GPS 模块需要具有以下特性，能快速搜索卫星并精准定位，身为车载设备必须性能高、耗能低，支持外设天线。所以选取u-blox 公司设计的NEO-6M 芯片作为GPS 模块的核心。该芯片还拥有高达50个并行通道，体积小，信号追踪快。并且该

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芯片兼容3.3V 、5V 电平，方便与电源，主芯片进行连接。该模块通过串口与处理器连接，图4为GPS 模块NEO-6M

连接电路图。

图4 NEO-6M芯片图

3.4 GPRS模块电路设计

GPRS 通信选用SIM900模块。SIM900是ALIENTEK 开发的一款高性能GPRS 模块，接口丰富，功能完善。具有较小尺寸并同时兼容3.3V/5V 单片机系统。该模块通过串口与处理器相连接，图5为SIM900A

芯片图。

图5 SIM900A芯片图

3.5 陀螺仪电路设计

汽车互联网智能设备中大多采用微机电陀螺仪（MEMS ）。本设计中选用MPU-6050芯片作为GPS 模块中的陀螺仪部分。MPU-6050可准确追踪快速与慢速动作。VDD 供电电压为3.3V ±5%。具有一定的防抖性。该模块通过IIC 总线与处理器连接，图6为MPU-6050与CPU

连接电路图。

图6 陀螺仪MPU-6050芯片图

4 汽车互联网设备软件开发

由于主控芯片选用STM32F103C8T6，所以开发系统选用Keil C51。该平台是美国Keil software 公司出品的51系列兼容单片机C 语言软件开发系统。它提供了包括C 编译器、库管理、链接器、宏汇编等在内的完成开发方案。

流程结构分为首次上电和日常行车两部分。首次上电监测目的在于检验本OBD 是否兼容该品牌汽车。每一次上电时，应先检验电平

电压，若电平电压小于11.5V 则车辆可能无法正常运转，为减小电平负载安全着车进行断电操作。若电平电压正常则判断是否为第一次上电，首先发送上电帧给控制芯片，计时15分钟若反馈为低电压，说明OBD 兼容该品牌汽车，可以着车，否则为不支持，OBD 停止工作。若判断为非第一次上电则说明已经进行过兼容判断，进入静车状态。

在首次注册后，每次着车要进行着车监测，目的在于防止因OBD 负载导致的电平电压不足以至于无法正常启动汽车。首先判断电平电压，若电平电压低于11.5V 则断电。若电平电压正常则监测发动机转速，若发动机转速为零，则说明发动机存在故障，无法正常着车，若一切正常则启动汽车。

灭车时要进行灭车监测，首先判断电平电压，若低于11.5V 则断电，若电平电压过低则OBD 自动断电并发送熄火帧。熄火十分钟后进入静车状态进入静车状态，静车状态进入省点模式，不再实时发送汽车信息，若熄火未满十分钟检测到打火帧则着车。总状态流程图如图7

所示。

图7 总状态流程图

5 汽车互联网智能设备测试与分析

在实验验证阶段，主要对汽车互联网智能设备进行测试。验证对于汽车OBD 模拟器的CAN 报文接发能力、GPS 模块能否正常且准确定位以及GPRS 能否正常工作。

为满足测试条件实验使用一条OBD 接口的连接线与汽车OBD 模拟器进行连接，采用12V 为OBD 进行供电。

OBD 通信模块测试：在功能测试中我们使用了汽车电脑模拟器，汽车电脑模拟器带有汽车诊断插座，通过OBD 数据电源线连接OBD 接口设备，它能实时模拟汽车驾驶的各种事件，如点火开关、车速、发动机转速等等。汽车互联网智能设备终端若能正确区分总线类型，正确接收数据并能解析出其含义，则说明OBD 数据解析正确。

GPS 模块测试：主控芯片通过与GPS 模块引脚连接进行通信。主板供电后GPS 模块会立即搜索卫星，并向主控芯片发送数据。在实际测试时，测试板与电脑相连接，打开调试工具，可以收到汽车互联网智能设备发送的GPS 数据。

GPRS 模块测试：调试GPRS 模块时，接通汽车互联网智能设备，并插入SIM 卡，GPRS 会发送数据和位置信息。OBD 需通过USB 线与PC 机相连接，使用调试助手接受串口数据可以收到GPRS 发送AT 命令的反馈，可以看到反馈证明汽车互联网智能设备正在正常工作。

6 总结

本文设计了基于OBD 的车载远程数据终端。在车辆上使用车载远程数据终端获取车辆的行驶信息和位置信息，通过GPRS 网络将信息上传到服务器，手机终端连接服务器并显示信息。实现车载远程数据终端的软硬件设计和远程服务器的开发，使之可以解决车辆的行驶数据读取、故障读取、信息传输、数据存储与显示的问题。