CN103489230B - 一种新能源汽车can总线数据无线传输车载记录仪装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种将新能源汽车CAN总线数据通过无线传输的车载记录仪装置，将双单片机通信技术、嵌入式Linux技术、3G技术、GPS技术、CAN总线采集技术、USB技术、WIFI技术集成起来，用于新能源汽车数据采集及监控，它将新能源汽车的CAN总线数据、定位信息数据、故障报警信息数据通过3G无线通信网络，以符合国家标准和部标标准的协议格式实时上传至监控中心，监控中心对收到的数据进行存储及后续分析。本发明具备本地存储功能，并且可以解析监控中心下发的控制命令，并作出相应响应，为新能源汽车运营监管和数据分析提供依据。
Description
技术领域：
本发明公开一种新能源汽车CAN总线数据无线传输车载记录仪装置，属于汽车整车控制技术领域。
背景技术：
目前，新能源汽车产业化趋势越来越明显，但我国的新能源汽车却正处于起步阶段，而且新能源汽车相关技术并不完善，整车性能与传统车有着较大差别。而且很多运营的新能源汽车，比如电动出租车、电动公交车和企事业单位电动大巴班车等，大多工作环境恶劣。正因为新能源汽车技术和工作环境的问题，经常会出现各种总线故障错误，如果这些错误信息上传到整车控制器，甚至可以误导整车控制器采取错误动作，使得整车动力总成系统造成紊乱，产生安全隐患。
同时，人们对新能源汽车的安全性和舒适性越来越重视，保障人身及汽车安全、实时监控整车性能状态的车载记录仪系统在新能源汽车产业化方面有着巨大的影响力。现有新能源汽车的车载记录仪系统的主要功能为采集车辆总线数据及车辆的定位信息，并进行本地存储，必要时将本地存储的数据导出，或者通过无线通信网络发送给监控中心。
但是现有的车载记录仪不能确保完整记录新能源汽车的总线数据，如新能源汽车上电（点火）过程及下电（熄火）过程的总线数据无法保存；大多数车载记录仪只采用单一单片机芯片控制系统，无法对不同信号进行单独控制，且不能够根据车辆状态判断车载记录仪是否进入省电模式；大多数车载记录仪只拥有本地存储功能，无法将车辆实时数据上传，实时性较差；并且大多数车载记录仪不符合国标及部标标准，无法进行后期政府机关接管；而且大多数车载记录仪不能接收中心控制命令，不利于车辆运营统一监管；现有车载记录仪也没有本地解析功能，无法判断车辆总线故障标示及监控中心下发的命令报文等。
发明内容
本发明提供了一种将新能源汽车CAN总线数据通过无线传输的车载记录仪装置，解决了现有的车载记录仪不能完整记录车辆的总线数据，无法对不同信号进行单独控制，无法将车辆实时数据上传，实时性较差的问题。
本发明提供的一种新能源汽车CAN总线数据无线传输车载记录仪装置，采用以下技术解决方案：
本装置将双单片机通信技术、嵌入式Linux技术、3G技术、GPS技术、CAN总线采集技术、USB技术、WIFI技术集成起来，用于新能源汽车数据采集及监控，它将新能源汽车的CAN总线数据、定位信息数据、故障报警信息数据通过3G无线通信网络，以符合国家标准和部标标准的协议格式实时上传至监控中心，监控中心对收到的数据进行存储及后续分析。本装置具备本地存储功能，并且可以解析监控中心下发的控制命令，并作出相应响应，为新能源汽车运营监管和数据分析提供依据。
本发明提供的一种新能源汽车CAN总线数据无线传输车载记录仪装置，具体结构如下：
主要由中央处理器(CPU－CentralProcessingUnit)、微控制器(MCU－MicroControlUnit)、3G模块、GPS模块、WIFI模块、带SD控制器的NANDFLASH内存、安全数码(SD－SecureDigital)卡、控制器局部网(CAN－ControllerAreaNetwork)收发器和FRAM模块构成。
中央处理器的SPI模块与微控制器的SPI模块1连接，实现SPI通信功能，用于收发中央处理器对微控制器的控制信号及CAN总线数据；3G模块与中央控制器的USB模块连接，通过USB通信实现中央处理器与3G模块间的数据传输功能，用于通过3G无线网络发送中央处理器的数据；GPS模块与中央处理器的UART模块连接，通过UART通信实现GPS模块与中央处理器的数据传输功能，用于接收GPS模块发出的定位信息；WIFI模块与中央处理器的USBOTG连接，通过USBOTG通信实现WIFI模块与中央处理器间的数据传输功能；带SD控制器的NANDFLASH内存与中央处理器的SDHC模块1连接，实现SD通信功能，用于NANDFLASH内存与中央处理器间的数据传输；安全数码卡与中央处理器的SDHC2模块连接，实现SD通信功能，用于SD卡与中央处理器键的数据传输；控制器局部网收发器分别与微控制器的CAN模块、中央处理器的CAN模块1及CAN模块2连接，实现CAN总线通信功能，用于微控制器及中央处理器接收新能源汽车的CAN总线数据；FRAM与微控制器的SPI模块2连接，通过SPI通信实现微控制器对FRAM的数据存取功能；新能源汽车的ACC点火信号及紧急报警信号与微控制器的GPIO模块连接，实现微控制器对ACC点火信号及紧急报警信号的接收功能，用于判断新能源汽车当前状态（参见图1）。
本发明装置由新能源汽车蓄电池（12V/24V）供电，为了在车辆不被使用的情况下减小蓄电池的电能消耗，本装置将ACC点火开关接至MCU的控制端，当本发明的MCU检测到ACC点火开关关闭超过10分钟，MCU将CPU断电，同时MCU进入DeepSleepMode深度睡眠模式，此时的工作电流降为1mA以内（正常工作电流为0.5A），从而确保设备在深度睡眠状态下对新能源汽车蓄电池的影响。当ACC接通或者总线上有CAN总线数据输入，MCU检测到对应信号会自动从深度睡眠模式转变为正常工作模式，接通CPU电源，系统正常工作，采集并发送车辆数据，从而确保在车辆接通ACC点火后整个车载记录仪设备处于正常工作状态。
本发明装置工作过程如下：
新能源汽车CAN总线同时接至微控制器（MCU－MicroControlUnit）和中央处理器（CPU－CentralProcessingUnit）的CAN收发器，新能源汽车刚接通ACC上电（点火）启动过程，微控制器MCU判断ACC信号，此时本发明的中央处理器CPU并未完成嵌入式Linux操作系统启动以及外围设备加载，CPU暂时无法接收存储CAN总线数据，在这个过程中，本装置将CPU初始化过程中接收到的CAN总线数据存储到MCU控制的FRAM铁电存储器当中，待CPU的操作系统启动完成后，再由MCU将CPU初始化过程中保存到FRAM的车辆CAN总线数据通过SPI接口传输给CPU，最后CPU通过3G无线网络将总线数据发送至监控中心，同时将数据存储到设备上的SD卡存储器中。当新能源车辆断开ACC下电（熄火）过程中，MCU并不会立即停止对CPU供电，而是等待车辆已经无总线数据发送后经过一段时间才断开CPU电源，从而确保车辆在上电和下电过程中总线数据不丢失。
同时在3G网络良好情况下，本装置通过3G无线通信模块，实时发送新能源汽车的CAN总线数据和GPS定位数据，当本装置判断到中心服务器没有对发送的数据回复正确响应或者3G无线通信网络信号不良，无法将数据传输至中心服务器，此时CPU将CAN总线数据和GPS定位数据存储至本地SD存储卡，待中心服务器正常或者无线网络信号良好，再将盲区数据上传至中心服务器存储，从而确保车辆数据的连续完整性。
本发明由新能源汽车蓄电池（12V/24V）供电，车辆接通ACC（点火信号），同时MCU将接收到的总线数据保存到FRAM铁电存储器中，MCU判断ACC信号并将CPU上电，驱动CPU初始化，CPU加载Linux操作系统，加载设备驱动模块，如3G模块、GPS模块，CAN总线通信模块等，系统正常工作后自动加载车辆数据采集程序，程序启动后给MCU端发送控制命令，MCU将存储的车辆总线数据按照时间顺序发送给CPU，车载设备的CPU通过GPS模块采集车辆定位信息，通过CAN总线通信模块采集车辆的总线信息。并且车载记录仪本身具有数据本地解析功能，自动判断总线故障码，并在相应的故障位进行标示。
车载记录仪装置在中心备案，将装置的标示信息录入中心服务器，车机按照国家标准（JT/T808）协议格式通过联通WCDMA3G无限网络通信模块发送鉴权报文，中心判断鉴权报文正确性予以回复应答，应答成功后车载记录仪将采集到的数据打包通过3G网络上传到中心服务器数据库存储。当设备处于信号不良地区时，系统发出的消息报文没有收到中心服务器的应答，系统自动将采集的数据写入本地SD数据存储单元作为盲区数据备份，待系统无线通信信号良好时将盲区数据上传至中心服务器。
中心服务器可以设置需要采集的车辆CAN总线数据信号量，并已报文形式发送至车载记录仪，车载记录仪解析采集配置报文，提取需要采集的总线数据，以协议规定的报文形式上传至中心。
中心服务器收到车载记录仪上传的数据包后，通过中心服务软件解析数据包，并在电脑监控客户端上实时显示车辆的位置、实时总线数据及故障信息。其中GPS定位信息用于车辆的位置定位监控；总线信息用于上位机数据分析和总线诊断；故障信息用于车辆故障的实时观测，并作出相应操作。
本发明还具有WIFI模块，可以与手机笔记本电脑等移动设备互联，进行必要信息交互，如SD卡上的CAN总线数据、装置配置等，方便进行。
本发明电动汽车的车载记录仪装置功能特点如下：
1、严格按照国标JT808-2011《道路运输车辆卫星定位系统终端通讯协议及数据格式》、部标标准设计，确保系统的可靠性和安全性，后期与政府监管对接；
2、车载设备采用嵌入式Linux（内核版本2.6.35.3）操作系统，确保系统稳定可靠，以及后期的应用扩展；
3、报警故障检测，对新能源汽车的CAN总线数据进行本地解析，判断是否为故障码，如果判断为故障，则将故障位标示，将带有故障信息的协议报文发送至中心，中心做进一步处理，确保车辆及驾驶人员安全；
4、设备接收监控中心控制，监控中心下发控制命令，如新能源汽车CAN总线数据采集配置、最高车速限定、固定路线限定及固定区域限定等，本车载记录仪能接收以上消息命令，并按照相应的控制命令执行不同操作，当车载记录仪判断新能源汽车运行状态超出中心下发的限定值，本车载记录仪将发送报警信息至监控中心，有利于车辆监管与控制；
5、判断新能源汽车上的操作信号，如ACC点火、Emergency紧急报警等，不同情况下做出不同操作；
6、预留3路CAN总线接收模块（CPU端两个、MCU端一个），确保新能源汽车CAN总线数据采集要求；
7、拥有WIFI模块，方便车载记录仪与电脑手机等设备进行数据短距离无线传输共享；
本发明积极效果在于：
采用双单片机芯片控制，分别采集保存新能源车辆不同时间段的总线数据，可确保新能源车辆数据总线传输的完整性。可以将总线数据通过3G模块实时发送至监控中心服务器，可实时监控新能源汽车总线数据参数以及故障错误，由监控终端实时发现问题，第一时间作出相应调度操作，避免造成严重后果。此外，本发明还实现了车载记录仪通过MCU自动判断车辆点火状态，在车辆熄火一段时间后进入省电模式，确保车辆在闲置时处于低功耗状态。整车实时数据采集及存储功能，为之后精确判断故障提供真实的数据依据，并且可以为整车性能分析作参考。而轻便、快捷、经济、可移动的SD卡接口，WIFI无线传输接口，也为专业分析人士提供了极大的方便。
附图说明
图1为本发明结构框图；
图2为本发明电路原理图。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，车载记录仪装置主要由中央处理器、微控制器、3G模块、GPS模块、WIFI模块、带SD控制器的NANDFLASH内存、安全数码卡、控制器局部网收发器和FRAM模块构成。中央处理器的SPI模块与微控制器的SPI模块1连接，实现SPI通信功能，用于收发中央处理器对微控制器的控制信号及CAN总线数据；3G模块与中央控制器的USB模块连接，通过USB通信实现中央处理器与3G模块间的数据传输功能，用于通过3G无线网络发送中央处理器的数据；GPS模块与中央处理器的UART模块连接，通过UART通信实现GPS模块与中央处理器的数据传输功能，用于接收GPS模块发出的定位信息；WIFI模块与中央处理器的USBOTG连接，通过USBOTG通信实现WIFI模块与中央处理器间的数据传输功能；带SD控制器的NANDFLASH内存与中央处理器的SDHC模块1连接，实现SD通信功能，用于NANDFLASH内存与中央处理器间的数据传输；安全数码卡与中央处理器的SDHC2模块连接，实现SD通信功能，用于SD卡与中央处理器键的数据传输；控制器局部网收发器分别与微控制器的CAN模块、中央处理器的CAN模块1及CAN模块2连接，实现CAN总线通信功能，用于微控制器及中央处理器接收新能源汽车的CAN总线数据；FRAM与微控制器的SPI模块2连接，通过SPI通信实现微控制器对FRAM的数据存取功能；新能源汽车的ACC点火信号及紧急报警信号与微控制器的GPIO模块连接，实现微控制器对ACC点火信号及紧急报警信号的接收功能，用于判断新能源汽车当前状态。
实施例2
如图2所示，中央处理器SPI模块的EIM_RW、EIM_CS0、EIM_OE、EIM_CS1管脚分别与微控制器SPI模块1的SSEL1/MAT2[0]、SCK1/MAT2[1]、MISO1/MAT2[2]、MOSI1/MAT2[3]管脚连接，实现SPI通信功能，用于收发中央处理器对微控制器的控制信号及CAN总线数据；3G模块的USB_VBUS、USB_DM、USB_DP管脚分别与中央控制器USB模块的USB_H1_VBUS、USB_H1_DN、USB_H1_DP管脚连接，通过USB通信实现中央处理器与3G模块间的数据传输功能，用于通过3G无线网络发送中央处理器的数据；GPS模块的TXD1、RXD1管脚分别与中央处理器UART模块的PATA_BUFFER_EN、PATA_DMARQ管脚连接，通过UART通信实现GPS模块与中央处理器的数据传输功能，用于接收GPS模块发出的定位信息；WIFI模块的USB_VBUS、USB_DM、USB_DP管脚分别与中央处理器USBOTG接口的USB_OTG_VBUS、USB_OTG_DN、USB_OTG_DP管脚连接，通过USBOTG通信实现WIFI模块与中央处理器间的数据传输功能；控制NANDFLASH内存的SD控制器的CMD、CLK、DAT0、DAT1、DAT2、DAT3管脚分别与中央处理器SDHC模块1的SD1_CMD、SD1_CLK、SD1_DATA0、SD1_DATA1、SD1_DATA2、SD1_DATA3管脚连接，而NANDFLASH内存的I/O0-I/O7管脚分别与SD控制器的FAD0-FAD7管脚连接，NANDFLASH内存的E*、W*、R*、RB*、WP*、CL、AL管脚分别与SD控制器的FCE0、FWR、FRD、FRDY、FWP、FCLE、FALE管脚连接，以此实现SD通信功能，用于NANDFLASH内存与中央处理器间的数据传输；安全数码卡的CMD、CLK、DAT0、DAT1、DAT2、DAT3管脚分别与中央处理器SDHC2模块的SD2_CMD、SD2_CLK、SD2_DATA0、SD2_DATA1、SD2_DATA2、SD2_DATA3管脚连接，实现SD通信功能，用于SD卡与中央处理器键的数据传输；控制器局部网收发器1的RXD、TXD管脚分别与中央处理器CAN模块1的KEY_COL2、KEY_ROW2管脚连接，控制器局部网收发器2的RXD、TXD管脚分别与中央处理器CAN模块2的KEY_COL4、KEY_ROW4管脚连接，控制器局部网收发器3的RXD、TXD管脚分别与微控制器CAN模块的RD1/TXD3/SDA1、TD/RXD3/SCL1管脚连接，这三个控制器局部网收发器的CANH、CANL管脚都分别连接到新能源汽车CAN总线的CAN高和CAN低，通过CAN总线通信实现微控制器及中央处理器接收新能源汽车CAN总线数据的功能；FRAM的HOLD*、C、S*、Q、D、W*管脚分别与微控制器SPI模块2的P0[11]/SCL2、P0[15]/SCK、P0[16]/SSEL0、P0[17]/MISO、P0[18]/MOSI、P0[20]/RTS1管脚连接，通过SPI通信实现微控制器对FRAM的数据存取功能；新能源汽车的ACC点火信号及紧急报警信号分别输入到微控制器GPIO模块的MCOB2/PCAP1[1]/MAT0[1]、MCOA1/MAT1[1]管脚，实现微控制器对ACC点火信号及紧急报警信号的接收功能，用于判断新能源汽车当前状态。
本发明将新能源汽车的CAN总线同时接至微控制器（MCU－MicroControlUnit）和中央处理器（CPU－CentralProcessingUnit）的CAN收发器，车辆刚接通ACC上电（点火）启动过程，微控制器MCU通过GPIO判断ACC信号变化情况，此时车载记录仪的中央处理器CPU并未完成对嵌入式Linux操作系统的启动以及外围设备驱动加载，在这个过程中，装置将CAN总线数据存储到MCU控制的FRAM（256KBytes*8）当中，待CPU操作系统启动完成后，再由MCU将CPU初始化过程中的车辆总线数据传输给CPU，CPU端程序再对接收到的总线数据进行本地存储和实时上传。当新能源车辆断开ACC下电（熄火）过程中，MCU并不会立即停止对CPU供电，而是等待车辆已经无总线数据发送后才断开CPU电源，从而确保车辆在上电和下电过程中总线数据不丢失。
同时在3G网络良好情况下实时上传车辆CAN总线数据和GPS定位数据，当中心服务器没有正确响应或者无线网络信号不良，无法将数据传输至中心服务器，此时CPU回将车辆总线数据和GPS定位数据存储至本地SD存储卡，待中心服务器正常或者无线网络信号良好，再将盲区数据上传至中心服务器存储，从而确保车辆数据的连续完整性。
中心将车载记录仪设备录入中心数据库，车载记录仪上电正常运行后发送鉴权报文，中心收到鉴权报文，鉴权正确后中心发送鉴权成功报文给车载记录仪，车载记录仪将定位信息和车辆CAN总线数据上传至中心，并且采用一应一答机制，每发送一条协议报文到中心，中心即发送一条应答报文给车载记录仪，当中心没有正确应答或者无线通信网络不正常，车载记录仪将数据保存至本地SD存储卡中，并定时进行网络重连，正常连通后再进行报文发送，确保中心与车载设备通信正常，以及车辆数据的完整性。
中心设置需要采集的车辆总线信号量，以报文形式下发至车机，车机本地判断将发送那些总线信号量，打包再以协议报文形式发送给中心。
中心客户端设置具体总线信号量的正常范围，以及车辆总线的故障标示信号量，当中心收到车载记录仪上传的总线信号量超出正常范围或者故障信号量，中心服务器存储超出范围的值以及故障的信号量，并且在客户端上进行报警提示。
当车载记录仪检测到ACC点火开关关闭超过10分钟，MCU将CPU断电，同时MCU进入DeepSleepMode深度睡眠模式，此时的工作电流降为1mA以内（正常工作电流为0.5A），当ACC接通或者总线上有CAN总线数据输入，此时MCU会自动从深度睡眠模式转变为正常工作模式，系统正常工作，采集发送车辆数据，从而确保在车辆断电后整个系统处于低功耗状态。
Claims (2)
1.一种新能源汽车CAN总线数据无线传输的车载记录仪装置，其特征在于：
主要由中央处理器、微控制器、3G模块、GPS模块、WIFI模块、带SD控制器的NANDFLASH内存、安全数码卡、控制器局部网收发器和FRAM模块构成；其中，
中央处理器的SPI模块与微控制器的SPI模块1连接，实现SPI通信功能，用于收发中央处理器对微控制器的控制信号及CAN总线数据；3G模块与中央控制器的USB模块连接，通过USB通信实现中央处理器与3G模块间的数据传输功能，用于通过3G无线网络发送中央处理器的数据，使用速率较高的SPI和USB通信技术，满足新能源汽车CAN总线数据的高速传输；
GPS模块与中央处理器的UART模块连接，通过UART通信实现GPS模块与中央处理器的数据传输功能，用于接收GPS模块发出的定位信息；
WIFI模块与中央处理器的USBOTG连接，通过USBOTG通信实现WIFI模块与中央处理器间的数据传输功能，实现装置与移动设备的高速互联；
带SD控制器的NANDFLASH内存与中央处理器的SDHC模块1连接，实现SD通信功能，用于NANDFLASH内存与中央处理器间的数据传输；安全数码卡与中央处理器的SDHC2模块连接，利用SD通信功能，实现与中央处理器间的数据传输，SD卡存储新能源CAN总线数据及定位数据；
控制器局部网收发器分别与微控制器的CAN模块、中央处理器的CAN模块1及CAN模块2连接，实现CAN总线通信功能，用于微控制器及中央处理器接收新能源汽车的CAN总线数据；FRAM与微控制器的SPI模块2连接，通过SPI通信实现微控制器对FRAM的数据存取功能，并且各个控制器局部网收发器同时连接到新能源汽车总线接口，可高速存取的FRAM模块实现了CPU启动过程中的新能源汽车CAN总线数据存取；
新能源汽车的ACC点火信号及紧急报警信号与微控制器的GPIO模块连接，实现微控制器对ACC点火信号及紧急报警信号的接收功能，用于判断新能源汽车当前状态。
2.如权利要求1所述的新能源汽车CAN总线数据无线传输的车载记录仪装置，其特征在于：
中央处理器SPI模块的EIM_RW、EIM_CS0、EIM_OE、EIM_CS1管脚分别与微控制器SPI模块1的SSEL1/MAT2[0]、SCK1/MAT2[1]、MISO1/MAT2[2]、MOSI1/MAT2[3]管脚连接；3G模块的USB_VBUS、USB_DM、USB_DP管脚分别与中央控制器USB模块的USB_H1_VBUS、USB_H1_DN、USB_H1_DP管脚连接；GPS模块的TXD1、RXD1管脚分别与中央处理器UART模块的PATA_BUFFER_EN、PATA_DMARQ管脚连接；WIFI模块的USB_VBUS、USB_DM、USB_DP管脚分别与中央处理器USBOTG接口的USB_OTG_VBUS、USB_OTG_DN、USB_OTG_DP管脚连接；控制NANDFLASH内存的SD控制器的CMD、CLK、DAT0、DAT1、DAT2、DAT3管脚分别与中央处理器SDHC模块1的SD1_CMD、SD1_CLK、SD1_DATA0、SD1_DATA1、SD1_DATA2、SD1_DATA3管脚连接，而NANDFLASH内存的I/O0-I/O7管脚分别与SD控制器的FAD0-FAD7管脚连接，NANDFLASH内存的E*、W*、R*、RB*、WP*、CL、AL管脚分别与SD控制器的FCE0、FWR、FRD、FRDY、FWP、FCLE、FALE管脚连接；安全数码卡的CMD、CLK、DAT0、DAT1、DAT2、DAT3管脚分别与中央处理器SDHC2模块的SD2_CMD、SD2_CLK、SD2_DATA0、SD2_DATA1、SD2_DATA2、SD2_DATA3管脚连接；控制器局部网收发器1的RXD、TXD管脚分别与中央处理器CAN模块1的KEY_COL2、KEY_ROW2管脚连接，控制器局部网收发器2的RXD、TXD管脚分别与中央处理器CAN模块2的KEY_COL4、KEY_ROW4管脚连接，控制器局部网收发器3的RXD、TXD管脚分别与微控制器CAN模块的RD1/TXD3/SDA1、TD/RXD3/SCL1管脚连接；FRAM的HOLD*、C、S*、Q、D、W*管脚分别与微控制器SPI模块2的P0[11]/SCL2、P0[15]/SCK、P0[16]/SSEL0、P0[17]/MISO、P0[18]/MOSI、P0[20]/RTS1管脚连接；新能源汽车的ACC点火信号及紧急报警信号分别输入到微控制器GPIO模块的MCOB2/PCAP1[1]/MAT0[1]、MCOA1/MAT1[1]管脚。
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