基于4G網(wǎng)絡(luò)和CAN總線的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

作者 / 劉立國 楊日龍 北京中車長客二七軌道裝備有限公司(北京 100072)

　　劉立國，2010年于華北電力大學(xué)獲得碩士學(xué)位，現(xiàn)為中車北京二七機(jī)車有限公司工程師，主要研究方向：自動化系統(tǒng)控制。

摘要：針對目前電傳動礦車運(yùn)行環(huán)境差，數(shù)據(jù)采集困難，維護(hù)成本高的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于4G網(wǎng)絡(luò)和CAN總線的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用STM32F405RGT6微控制器進(jìn)行開發(fā)，主要由主控模塊、4G通信模塊、SD卡存儲模塊，CAN總線收發(fā)模塊和電源模塊組成，對各模塊的軟、硬件設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的介紹。實(shí)際運(yùn)行證明該系統(tǒng)具有良好的可靠性，為礦車的遠(yuǎn)程監(jiān)控及故障診斷提供了良好的解決方案。

0 引言

　　露天非公路電傳動礦用自卸車由于惡劣的工作環(huán)境維護(hù)成本高。隨著工業(yè)4.0概念的提出，礦車智能化也成了人們關(guān)注的熱點(diǎn)。車輛運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)監(jiān)控、車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、車輛歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)的存儲、車輛故障的遠(yuǎn)程診斷等用戶需求促使遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誕生。傳統(tǒng)的基于GPRS的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)^[1-4]性能比較單一，數(shù)據(jù)傳輸速率慢，實(shí)時(shí)性差，不能滿足礦車大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)男枨蟆?/p>

　　隨著4G網(wǎng)絡(luò)的大范圍覆蓋及4G資費(fèi)的逐年下降，本文提出基于4G網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件控制器使用低成本高性能的STM32F4XX系列微控制器作為主控芯片，4G模塊選用全網(wǎng)通模塊SIM7600CE，解決了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)制式單一問題，同時(shí)該模塊使用方便，市場供貨量大，易于采購，系統(tǒng)整體成本低。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　圖1為系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端通過CAN總線采集車載控制器和牽引逆變器等部件收集的車輛運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)，同時(shí)通過板載的GPS模塊采集車輛的位置數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)打包后通過4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到云端服務(wù)器供用戶遠(yuǎn)程訪問。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)硬件主要由主控模塊、4G通信模塊、SD卡存儲模塊、CAN總線收發(fā)模塊和電源模塊組成。

　　2.1 主控模塊

　　主控模塊選用意法半導(dǎo)體公司先進(jìn)的基于ARM 32位內(nèi)核的微控制器^[5]STM32F405RGT6。STM32F405XX系列微控制器片內(nèi)集成了雙路隔離的CAN控制器，支持CAN2.0B協(xié)議;4路隔離的USART，傳輸速率能夠達(dá)到10.5 Mbit/s;高達(dá)17個定時(shí)器;SRAM高達(dá)192 Kbytes，F(xiàn)lash存儲空間也達(dá)到了1 Mbyte，工作主頻達(dá)到了168 MHz，滿足系統(tǒng)控制需求，同時(shí)STM32F405XX系列微控制器支持4PIN的SWD下載調(diào)試，下載速度能夠達(dá)到10 Mbit/s，相對于JTAG的20PIN接口降低了布線難度，同時(shí)減小了電路板的尺寸。

　　2.2 4G通信模塊

　　4G通信模塊選用芯訊通無線科技有限公司的全網(wǎng)通模塊SIM7600CE，該模塊支持文件系統(tǒng)，支持TCP、UDP、FTP等通信協(xié)議，同時(shí)通過標(biāo)準(zhǔn)的AT命令能夠?qū)崿F(xiàn)文件的上傳下載，使用非常方便^[6-7]。4G模塊通過USART接口和微控制器相連，由于工作電壓的不同，兩者之間加了一級雙向電壓電平轉(zhuǎn)換器。

　　2.3 SD卡存儲模塊

　　系統(tǒng)擴(kuò)展了SD卡存儲模塊，該模塊作為車輛數(shù)據(jù)的中間存儲介質(zhì)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不佳或者斷網(wǎng)時(shí)車輛數(shù)據(jù)便存到SD卡中，網(wǎng)絡(luò)重新建立后這些數(shù)據(jù)便發(fā)送到云端服務(wù)器，達(dá)到本地?cái)?shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)同步。

　　2.4 CAN總線收發(fā)模塊

　　CAN總線收發(fā)模塊采用廣州金升陽科技有限公司的TD301DCAN，該模塊是集成電源隔離、電氣隔離、CAN接口和總線保護(hù)器件于一體的CAN接口隔離收發(fā)模塊，隔離電壓高達(dá)3000 V DC。CAN接口電路如圖2所示，根據(jù)整車需要，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了雙路隔離的CAN接口。

　　2.5 電源模塊

　　電源模塊提供2組供電電壓，一組為4.1 V，為4G通信模塊供電，另一組為3.3 V，為主控模塊及其他模塊供電。車載蓄電池提供的24 V電源經(jīng)過濾波后由DC-DC降壓芯片TPS54560轉(zhuǎn)換成4.1 V，3.3V電源由TLV1117-33提供。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要包括CAN總線收發(fā)程序，SD卡文件存儲程序，SD卡文件轉(zhuǎn)發(fā)到4G模塊EFS系統(tǒng)程序，EFS上的文件轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器程序，GPS數(shù)據(jù)讀取處理程序及一些邏輯控制程序。系統(tǒng)的總控制流程如圖3所示，初始化完成后控制器開始接收CAN總線上的報(bào)文，同時(shí)將報(bào)文存儲到SD卡中。當(dāng)完成一個文件后系統(tǒng)檢測EFS剩余空間，在空間夠的情況下系統(tǒng)將SD卡中的文件發(fā)送到EFS中。系統(tǒng)自動檢測是否已經(jīng)聯(lián)網(wǎng)，當(dāng)聯(lián)網(wǎng)成功后系統(tǒng)會將EFS上的數(shù)據(jù)發(fā)送到云端服務(wù)器。

　　3.1 CAN總線收發(fā)程序流程

　　CAN總線接收程序流程如圖4所示，CAN總線接口初始化后開始等待有無新的報(bào)文，當(dāng)有新報(bào)文到來時(shí)，報(bào)文被存儲在3級郵箱深度的FIFO中，程序通過讀取FIFO輸出郵箱來讀取FIFO中最先收到的報(bào)文，注意在實(shí)際的情況中必須在FIFO溢出前讀出至少1個報(bào)文，否則下一個報(bào)文到來將導(dǎo)致FIFO溢出，從而出現(xiàn)報(bào)文丟失。

　　CAN總線發(fā)送程序流程如圖5所示，程序選擇一個空置的郵箱，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入此郵箱，然后將發(fā)送中斷標(biāo)志置位請求發(fā)送，當(dāng)總線空閑時(shí)CAN發(fā)送模塊便將數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上去，然后清空郵箱，等待下一個報(bào)文的發(fā)送。如果不止一個報(bào)文同時(shí)發(fā)送，還需比較優(yōu)先級，優(yōu)先級高的先發(fā)送。

　　3.2 SD卡文件存儲流程

　　本系統(tǒng)移植了FatFs文件系統(tǒng)，在實(shí)際的操作中只需要操作幾個函數(shù)便可完成SD卡文件的存儲。控制器接收到CAN報(bào)文后將報(bào)文打包，存入SD卡中。SD卡按時(shí)間以文件形式存儲。圖6為最簡單的SD卡文件存儲流程，在實(shí)際的應(yīng)用中還涉及到f_mkdir()、f_lseek()、f_opendir()等函數(shù)。

　　3.3 4G模塊相關(guān)程序

　　4G模塊肩負(fù)采集GPS信息和上傳CAN數(shù)據(jù)到云端服務(wù)器等任務(wù)，這些任務(wù)都是通過AT命令完成。控制器定時(shí)向4G模塊發(fā)送指令來讀取海拔、經(jīng)度、緯度、UTC時(shí)間和運(yùn)行速度等信息，這些信息也被打包寫入SD卡。SD卡上的數(shù)據(jù)文件從本地發(fā)送到云端服務(wù)器需要有兩個過程：一、發(fā)送AT指令將數(shù)據(jù)文件發(fā)送到4G模塊的EFS;二、發(fā)送AT指令將數(shù)據(jù)從4G模塊的EFS發(fā)送到云端服務(wù)器。

4 實(shí)際運(yùn)行測試

　　將模塊掛接在整車的CAN總線上實(shí)時(shí)運(yùn)行，同時(shí)將一個CAN轉(zhuǎn)USB接口卡也掛接在總線上直接采集CAN報(bào)文到電腦，圖7為CAN接口卡直接采集到的數(shù)據(jù)，圖8為本系統(tǒng)采集完成后上傳到服務(wù)器的文件數(shù)據(jù)。經(jīng)過長時(shí)間運(yùn)行，未發(fā)現(xiàn)丟幀和數(shù)據(jù)錯誤的情況，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性。

5 結(jié)束語

　　本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過CAN總線采集車輛的各種狀態(tài)信息，通過4G模塊將這些信息發(fā)送到云端服務(wù)器供用戶和生產(chǎn)廠商分析和統(tǒng)計(jì)。滿足了用戶的需求，同時(shí)由于生產(chǎn)廠商能夠得到車輛運(yùn)行的實(shí)時(shí)信息，有利于對車輛各系統(tǒng)的持續(xù)改進(jìn)，節(jié)約了現(xiàn)場維護(hù)成本。本系統(tǒng)有著良好的擴(kuò)展性和適應(yīng)性，可用于有CAN總線的各個場合。

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　　本文來源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第10期第46頁，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。