基于CAN/GSM的車輛監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展及汽乍保有量和駕駛員總數(shù)的快速增長，道路交通事故數(shù)一直居高不下，道路交通狀況日趨復(fù)雜和惡化。群死群傷特大惡性道路交通事故時(shí)有發(fā)生，給人們的生命安全和家庭幸福造成了極大的影響。因此，加強(qiáng)車輛管理就顯得尤為重要。而交通安全主要由兩方面來保證，一是車輛具有良好的車況，另一方面是駕駛員規(guī)范的操作。因此如何監(jiān)控管理車輛和規(guī)范駕駛員操作是當(dāng)前迫切需要解決的問題。
汽車行駛記錄儀，又稱“汽車黑匣子”，是對車輛行駛速度、時(shí)間、里程以及有關(guān)車輛行駛的其他狀態(tài)信息進(jìn)行記錄、存儲并可通過接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出的數(shù)字式電子記錄裝置。然而行駛記錄儀不能實(shí)時(shí)地向監(jiān)控中心傳回車輛的運(yùn)行情況，屬于事后監(jiān)督，因此在預(yù)防交通安全事故方面所起的作用有限。基于GPS／GSM的車輛監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地獲得車輛的位置、速度等信息，為車輛的實(shí)時(shí)監(jiān)控提供了一種有效途徑。但是GPS卻無法獲得諸如氣壓、水溫、轉(zhuǎn)速等重要車況信息，因此對車輛的監(jiān)控缺乏全面性。

基于CAN／GSM的車輛監(jiān)控管理系統(tǒng)，是為具有CAN總線的汽車開發(fā)的。該系統(tǒng)的車載監(jiān)控設(shè)備首先從車輛的CAN接口上獲得詳細(xì)的車況信息，然后依托我國目前最成熟、應(yīng)用最廣的GSM移動(dòng)通信系統(tǒng)與監(jiān)控中心進(jìn)行通信，來實(shí)現(xiàn)對車輛全面、動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)的監(jiān)控。使用CAN總線，不僅可獲得全面、詳細(xì)的車況信息，而且使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，例如，可以將GPS模塊作為CAN的一個(gè)智能節(jié)點(diǎn)掛接在總線上，這樣系統(tǒng)就具備了監(jiān)控車輛位置的能力。

1 CAN總線技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代汽車中龐大的電子控制裝置之間的通信，減少不斷增加的信號線，因此在信息傳輸方面上必須采用總線的方式進(jìn)行傳輸。CAN(Controller Area Network)總線正是現(xiàn)今流行的一種較為先進(jìn)的、性能出色的現(xiàn)場總線技術(shù)。它是80年代初德國Bosch公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，是一種多主總線，通信接口集成了CAN協(xié)議物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行幀處理。CAN通過對通信數(shù)捌塊進(jìn)行編碼，保證了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的動(dòng)態(tài)性，并使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)。數(shù)槲段長度最多為8個(gè)字節(jié)，保證了通信的實(shí)時(shí)性；而協(xié)議利用CRC檢驗(yàn)提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，能夠保證數(shù)據(jù)通信的可靠性。由于CAN技術(shù)規(guī)范僅包括物理層和數(shù)據(jù)鏈路層說明，并未對應(yīng)用層的功能和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行定義，因此，用戶既可以采用國際CAN總線用戶及制造商協(xié)會或其他一些組織制定的開放式高層協(xié)議，也可以住工程中靈活地實(shí)現(xiàn)自己的應(yīng)用層。在十多年的應(yīng)用過程中，CAN以其極高的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，在工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備的互連方面獲得了廣泛的應(yīng)用，得到了英特爾、摩托羅拉、菲利浦、西門子等百余家國際著名大公司的支持，被公認(rèn)為是最有前途的現(xiàn)場總線之一。本系統(tǒng)利用CAN總線的以上特性，減少了車內(nèi)的線束，解決了眾多節(jié)點(diǎn)之間的通信問題。

2 車輛監(jiān)控管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2．1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)是利用CAN總線技術(shù)采集車輛的各種信息，例如車輛每次的起動(dòng)時(shí)間、行駛里程、行駛時(shí)間、最高車速以及每次最高車速的持續(xù)時(shí)間，儲存停車前20秒的車輛信息。然后利用現(xiàn)存的GSM網(wǎng)絡(luò)，將信息以短消息的形式傳送給監(jiān)控中心，以實(shí)現(xiàn)對車輛的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2．2 硬件設(shè)計(jì)

車載監(jiān)控設(shè)備的主控芯片采用飛思卡爾(Freescale)公司為汽車電子應(yīng)用而開發(fā)的16位單片機(jī)MC9S12HZ。該單片機(jī)與車載監(jiān)控設(shè)備相關(guān)的主要資源有：32～256K的Flash、2～12K的RAM和1～2K的EEPROM；2個(gè)可兼容CAN2．0A、B速率可達(dá)lMb／s的CAN控制器；2個(gè)全雙工異步串行通信接口；32×4段LCD驅(qū)動(dòng)器。
由MC9S12HZ構(gòu)成的車載監(jiān)控設(shè)備硬件連接示意圖如圖2所示。與CAN總線的接口方面，我們采用恩智浦(NXP)公司的高速CAN收發(fā)器TJAl050，為了提高電EMC和ESD性能，在電路中還加入了共模扼流圈L40和ESD保護(hù)二極管D39。

GSM模塊采用了兩門子的TC35i，該模塊通過40腳的ZIF(Zero Insertion Force)接口與外部控制器建立連接。監(jiān)控系統(tǒng)僅使用了GSM網(wǎng)絡(luò)的SMS業(yè)務(wù)，因此主控芯片與TC35i僅需要其中的TXD和RXD兩個(gè)管腳就夠了，主控制器MC9S12HZ通過AT命令實(shí)現(xiàn)塒TC35i的控制。

單片機(jī)與TC35i之問通過串口進(jìn)行通訊，TC35i支持的自動(dòng)波特率范圍為1200～230400B／s。我們選用9600B／s的波特率。由TC35i手冊可知，其串行接口需要CMOS電平，而MC9S12HZ是TTL電平，因此需要電平轉(zhuǎn)換電路，如圖2所示。監(jiān)控中心由PC機(jī)與TC35i模塊組成，它們之間的電平轉(zhuǎn)換由電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232完成。


2．3 軟件設(shè)計(jì)

在CAN總線上傳輸?shù)能囕v運(yùn)行參數(shù)非常多，數(shù)據(jù)量很大，而GSM網(wǎng)絡(luò)的SMS業(yè)務(wù)傳輸速度有限，因此不可能將CAN總線上的所有信息都傳回監(jiān)控中心。實(shí)際上也沒有必要監(jiān)控所有的車輛運(yùn)行參數(shù)，只要監(jiān)控我們最關(guān)心的、與行車安全關(guān)系最緊密的一些參數(shù)就足夠了。

對于不同的參數(shù)，監(jiān)控的形式是不同的，有些信息需要定時(shí)地進(jìn)行監(jiān)控，比如車輛位置信息，而有些信息只有在超出正常范圍時(shí)才需要發(fā)送，如車速或轉(zhuǎn)速信息等。此外，對于不同車型，需要監(jiān)控的參數(shù)也是有區(qū)別的；或者對于同一個(gè)參數(shù)，在不同的情況下，其監(jiān)控形式和監(jiān)控范圍也會發(fā)生變化。因此要求車載監(jiān)控設(shè)備可以動(dòng)態(tài)地改變監(jiān)控參數(shù)和監(jiān)控形式。

為了實(shí)現(xiàn)對車輛的動(dòng)態(tài)監(jiān)控，在車載監(jiān)控設(shè)備的控制器中建立了一個(gè)監(jiān)控列表。列表中的每一項(xiàng)包含參數(shù)群編號PGN、監(jiān)控參量在該P(yáng)GN中的位置、監(jiān)控的形式及監(jiān)控時(shí)間間隔和監(jiān)控參數(shù)范圍等。這個(gè)參數(shù)列表的項(xiàng)目可以根據(jù)監(jiān)控中心發(fā)來的命令進(jìn)行動(dòng)態(tài)的增加或刪除，從而實(shí)現(xiàn)對車輛的動(dòng)態(tài)監(jiān)控。


車載監(jiān)控設(shè)備的軟件主程序流程如圖3所示。串行通信的收發(fā)程序及CAN總線的監(jiān)聽程序放在中斷程序中完成，當(dāng)接收到相應(yīng)命令或數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū)并設(shè)置相應(yīng)的標(biāo)志位，主程序通過查詢這些標(biāo)志位來執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。主程序首先讀取存儲在片內(nèi)EEPROM中的默認(rèn)臨控列表，并根據(jù)監(jiān)控列表中的PGN，設(shè)置MC9S12HZ的CAN ID報(bào)文標(biāo)識符濾波及掩模寄存器。程序可根據(jù)命令動(dòng)念地修改監(jiān)控參數(shù)列表，并根據(jù)命令決定是否更改EEPROM中的默認(rèn)臨控列表。當(dāng)要監(jiān)控的PGN有新數(shù)據(jù)時(shí)，要判斷該數(shù)據(jù)是否符合發(fā)送條件，這些條件包括定時(shí)間隔到、監(jiān)控變量值是否超正常范圍等，如果符合發(fā)送條件，則將該P(yáng)GN及其對應(yīng)的數(shù)據(jù)添加到發(fā)送列表中。

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)利用CAN總線技術(shù)來獲得車輛的各種詳細(xì)信息，并且應(yīng)用GSM網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通信，不僅實(shí)現(xiàn)了對車輛監(jiān)控參數(shù)的動(dòng)態(tài)設(shè)置，還由于CAN總線技術(shù)的采用，使得通過增加CAN的智能節(jié)點(diǎn)來擴(kuò)展監(jiān)控對象變得很容易。這就大大提高了監(jiān)控系統(tǒng)的靈活性和全面性。同時(shí)利用GSM短消息業(yè)務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，連接簡單，費(fèi)用低廉，覆蓋范圍廣。