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(guó) 楊日龍 北京中車(chē)長(zhǎng)客二七軌道裝備有限公司(北京 100072)

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

摘要：針對(duì)目前電傳動(dòng)礦車(chē)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(kāi)發(fā)，主要由主控模塊、4G通信模塊、SD卡存儲(chǔ)模塊，CAN總線收發(fā)模塊和電源模塊組成，對(duì)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(chē)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(dòng)礦用自卸車(chē)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(chē)智能化也成了人們關(guān)注的熱點(diǎn)。車(chē)輛運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)監(jiān)控、車(chē)輛運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、車(chē)輛歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、車(chē)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(chē)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(wèn)題，同時(shí)該模塊使用方便，市場(chǎng)供貨量大，易于采購(gòu)，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(guò)CAN總線采集車(chē)載控制器和牽引逆變器等部件收集的車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)板載的GPS模塊采集車(chē)輛的位置數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)打包后通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到云端服務(wù)器供用戶遠(yuǎn)程訪問(wèn)。

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(chǔ)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(gè)定時(shí)器;SRAM高達(dá)192 Kbytes，F(xiàn)lash存儲(chǔ)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(duì)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(wú)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(guò)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(guò)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(jí)雙向電壓電平轉(zhuǎn)換器。

　　2.3 SD卡存儲(chǔ)模塊

　　系統(tǒng)擴(kuò)展了SD卡存儲(chǔ)模塊，該模塊作為車(chē)輛數(shù)據(jù)的中間存儲(chǔ)介質(zhì)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不佳或者斷網(wǎng)時(shí)車(chē)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(yáng)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(chē)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(chē)載蓄電池提供的24 V電源經(jīng)過(guò)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(chǔ)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(kāi)始接收CAN總線上的報(bào)文，同時(shí)將報(bào)文存儲(chǔ)到SD卡中。當(dāng)完成一個(gè)文件后系統(tǒng)檢測(cè)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(dòng)檢測(cè)是否已經(jīng)聯(lián)網(wǎng)，當(dāng)聯(lián)網(wǎng)成功后系統(tǒng)會(huì)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(kāi)始等待有無(wú)新的報(bào)文，當(dāng)有新報(bào)文到來(lái)時(shí)，報(bào)文被存儲(chǔ)在3級(jí)郵箱深度的FIFO中，程序通過(guò)讀取FIFO輸出郵箱來(lái)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(gè)報(bào)文，否則下一個(gè)報(bào)文到來(lái)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(gè)空置的郵箱，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫(xiě)入此郵箱，然后將發(fā)送中斷標(biāo)志置位請(qǐng)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(gè)報(bào)文的發(fā)送。如果不止一個(gè)報(bào)文同時(shí)發(fā)送，還需比較優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)高的先發(fā)送。

　　3.2 SD卡文件存儲(chǔ)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(gè)函數(shù)便可完成SD卡文件的存儲(chǔ)。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(chǔ)。圖6為最簡(jiǎn)單的SD卡文件存儲(chǔ)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(guò)AT命令完成。控制器定時(shí)向4G模塊發(fā)送指令來(lái)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(xiě)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(gè)過(guò)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(cè)試

　　將模塊掛接在整車(chē)的CAN總線上實(shí)時(shí)運(yùn)行，同時(shí)將一個(gè)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(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，未發(fā)現(xiàn)丟幀和數(shù)據(jù)錯(cuò)誤的情況，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可靠性。

5 結(jié)束語(yǔ)

　　本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)CAN總線采集車(chē)輛的各種狀態(tài)信息，通過(guò)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(chē)輛運(yùn)行的實(shí)時(shí)信息，有利于對(duì)車(chē)輛各系統(tǒng)的持續(xù)改進(jìn)，節(jié)約了現(xiàn)場(chǎng)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(gè)場(chǎng)合。

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　　[7]芯訊通無(wú)線科技有限公司，SIM7500_SIM7600 Series_AT Command Manual_V1.01，上海：芯訊通無(wú)線科技有限公司，2016

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