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商品详细描述
智能监测技术以计算机为核心，将信号检测、数据处理与计算机控制融为一体，既能完成较高层次信号的自动化检测，又具有多种智能控制作用。在汽车电子技术中的监测技术能够在汽车正常行驶的同时进行有效的监测管理，并根据反馈的监测结果进行判断和处理，用以保证汽车的正常运行和驾乘人员的人身安全。
由于车辆的增长速度比路网建设速度快得多，因此只有从系统出发，综合运用先进的通信、网络、自控、交通工程等技术，提高路网使用效率，充分发挥设施能力，建立智能、高效、便捷的综合运输体系，才能根本改善现代城市交通状况。这使智能运输系统（ITS）的研究、开发与技术应用成为热点问题，本文主要研究可融入智能交通系统管理的汽车电子智能监测系统，系统内部通过CAN总线相连并且集成某些汽车管理功能，根据设置的管理权限实现对汽车的相应管理，真正达到管理的人性化和智能化。
系统方案设计
这一监测系统是运行在车载嵌入式系统之上，实时性、可靠性和可伸缩性都是该系统要考虑的问题。系统的实时性主要体现在对各种数据采集和处理的时限问题上。系统的数据采集被分成不同种类，每种信号采集出来的数据处理都设立不同的时限，要保证信息的处理在规定的时限内能够完成。如果不能够在规定的时限内完成信息处理，则认为是无效的处理，系统发出警报，警告驾驶人员实施必要的防护措施。系统结构如图1所示，由以下各模块组成。
图1 汽车电子智能监测系统结构图
1 核心处理模块
综合考虑FPGA和RAM解决方案，根据系统的性能要求，选择AT91SAM7S256嵌入式RAM芯片作为数据核心处理中心，用于协调和管理系统中其他模块。该处理器内部集成了系统所需的众多外围功能模块，包括嵌入式12位ADC、通用同步异步收发器、串行外围通信接口(SPI)等。AT91SAM7S256的外围电路主要包括电源电路、处理器复位电路、晶振电路、PLL电路和JTAG接口电路等。
2 射频通信模块
这一模块主要实现汽车电子智能监测系统与智能运输系统通信的桥梁，同时也是嵌入式节点实现自组网的基础。本设计采用TI公司专门为无线传感器网络设计生产的射频芯片CC2420。
3 存储模块
输入面板是用户与系统的交互接口，用户通过输入控制面板进行数据查询。存储模块中记录了车辆行驶中各种数据参数信息，该存储模块类似于汽车黑匣子，对车辆事故分析和车辆行驶过程状况分析都可以提供有力的数据依据。
4 GPS导航及电子地图模块
这一模块将由 GPS 接收机和其他相关设备获得的移动目标位置、时间、状态信息，实时地传送至监测系统，并对目标的位置、速度、运动方向、状态等参数进行监测和查询，为目标监测、调度、管理提供可视化依据。
5 车辆状态监测传感器组模块
车用传感器是促进汽车高档化、电子化、自动化发展的关键技术之一。通常汽车由发动机、底盘、车身和电气设备四部分组成，因此文中传感器可根据监测性质的不同划分为图2所示模块。
图2 传感器组模块性质划分示意图
系统硬件及软件设计
1 核心处理模块
选择合适的CPU是设计出高性价比智能监测系统的必要条件。根据节点体积和成本需最小化这一准则，处理器芯片内部应集成系统必备的外围设备模块，如USART、SPI、ADC和TC等。适当考虑芯片的货源稳定性、厂商提供的技术支持和开发工具的易用性等因素。最终本设计选择ARM7TDMI内核处理器AT91SAM7S系列芯片作为智能监测系统的核心处理器。同时，芯片提供的ICE/JTAG接口可以检测到处理器的内部状态，这对系统实际调试会有极大的帮助，处理器的调试及测试如图3所示。
图3 AT91SAM7S系列处理器的调试及测试框图
2 CAN总线设计
随着汽车电子技术的发展，汽车上出现了许多的电控单元，如发动机控制模块（ECM）、BVA电脑、智能显示屏和ABS等。这些带微处理器的设备之间存在着大量的信息交换。以往，电线作为标准连接方式。但是随着电子产品的不断增加，愈来愈多的连接线成为阻碍技术发展的壁垒。采用传统的线束方案将使得连线的长度和数量大大增加，而不断加长的线束和增多的插接器增加了汽车质量，削弱了性能，使得可靠性很难保证。
CAN是汽车中应用最广泛的网络协议标准。一台典型安装有CAN网的车辆能同时容纳2～3个独立的运行在不同传输速率下的CAN网，低速CAN网运行在125Kb/s下，通常负责管理“舒适性功能”，如电动座椅和电动玻璃升降等。一般情况下，没有实时要求的控制采用低速网。它有能量存储/睡眠模式，在此模式下，节点停止振荡直到一个信息唤醒它。睡眠模式可降低电量消耗。高速CAN网用于满足实时性高的重要控制，如发动机管理、ABS和巡航。尽管高速CAN网最大波特率可达到1Mb/s，但是CAN网高速运行时双绞线电缆中产生很大的电磁辐射，当传输速率超过500Kb/s后，其能量的损失会迅速增大。所以一般高速网为500Kb/s。整个汽车的CAN通信网络拓扑结构如图4所示。
图4 CAN通信网络拓补结构
发动机控制系统、故障诊断系统、ASR控制系统、ABS控制系统、悬架控制系统、牵引力控制系统和安全气囊控制系统是汽车电子运行的重要部件，对时间要求非常严格，因此将这7个部分组成传输速率为500Kb/s的高速CAN通信网络。其余的子系统对时间要求不是很严格，因此可组成传输速率为50Kb/s的低速CAN通信网络。两条总线间使用网关与各部分进行数据交换，网关通过对CAN总线间待传数据信息的智能化处理，可以确保只有某种特定信息才能在网络间传输。
3 射频通信模块
TI公司的CC2420是符合IEEE802.15.4标准的射频芯片，它内部集成了33个16位配置寄存器、15个命令选通寄存器、128字节的发送和接收缓冲区，以及速度高达10Mb/s的SPI接口等。本系统中核心处理器与CC2420接口设计如图5所示。
图5 CC2420与核心处理器接口设计
其中CC2420接口引脚CS、MISO、MOSI和SCK分别与处理器模块的控制引脚相连，处理器提供时钟信号SCK并工作于主机模式下，通过设置CPU内部寄存器实现数据的收发控制。采用CPU的通用端口与RESET引脚相连，用于控制实现CC2420的复位操作；与VREG相连的引脚为高电平时，设置启动CC2420内部的电压转换器模块；与FIFOP和FIFO相连的CPU引脚用于检测当前CC2420内部收发缓冲区的状态信息，使得CPU判断出当前是否接收到合法的数据信息；CC2420的SFD引脚的上升沿标识一次数据接收的开始，设计中将其与CPU的PA25相连，由软件配置该引脚上升沿触发一次IRQ中断，从而及时处理接收到的数据；与CCA相连的CPU引脚主要用于检测当前信道的可用状态，数据传输开始之前需要对本引脚进行采样，当此引脚为高电平时表示当前没有其他通信链路占用信道，此时方可进行数据的传输。
监测系统中CC2420芯片的数据传输程序流程如图6所示。
图6 数据传输程序流程图
CC2420在接收到数据包后，SFD首先由低电平变成高电平，从而触发IRQ中断，在中断服务程序中调用MACISRQ进行接收数据的处理，中断服务程序中首先确定当前不是由于RX FIFO缓冲区溢出产生的中断，经过图6接收处理后，系统将数据交由ZigBee协议栈的MAC层进行处理。数据的发送处理主要是将数据进行IEEE 802.15.4协议数据帧的封装处理，然后利用SPI总线驱动进行数据的发送。
4 GPS导航及电子地图模块
GPS导航及电子地图模块包括一个中低功率的GPS天线和接收机，各种交通信息的电子地图。为实现GPS信息接受处理，各种地理信息管理和方位显示提供硬件平台，导航硬件结构图如图7所示。
图7 GPS导航即电子地图硬件结构图
在这一模块的软件中，要求实现GPS信号中实时导航信息的解算和导航电子地图的管理。其中重点研究了电子地图的模型和数据结构，软件结构图如图8所示。
图8 GPS导航及电子地图软件图
结论
通过利用计算机模拟各传感信号，在自组网模式下对系统的油量、车速、发动机状态和照明系统等几项运行参数进行了监测模拟。结果表明系统对汽车运行状态有一定的监测功能，但由于系统信号由模拟产生，不能真实反映现实的所有情况。因此，需要对系统的实测、小型化和降低成本上进一步研究。特别是在系统的射频模块设计中需要注意：信号线均匀、长度相近，并且布线尽量平行；射频电路附近尽可能不布线。这些对射频电路的抗干扰性有很多帮助。
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由于车辆的增长速度比路网建设速度快得多，因此只有从系统出发，综合运用先进的通信、网络、自控、交通工程等技术，提高路网使用效率，充分发挥设施能力，建立智能、高效、便捷的综合运输体系，才能根本改善现代城市交通状况。这使智能运输系统（ITS）的研究、开发与技术应用成为热点问题，本文主要研究可融入智能交通系统管理的汽车电子智能监测系统，系统内部通过CAN总线相连并且集成某些汽车管理功能，根据设置的管理权限实现对汽车的相应管理，真正达到管理的人性化和智能化。
系统方案设计
这一监测系统是运行在车载嵌入式系统之上，实时性、可靠性和可伸缩性都是该系统要考虑的问题。系统的实时性主要体现在对各种数据采集和处理的时限问题上。系统的数据采集被分成不同种类，每种信号采集出来的数据处理都设立不同的时限，要保证信息的处理在规定的时限内能够完成。如果不能够在规定的时限内完成信息处理，则认为是无效的处理，系统发出警报，警告驾驶人员实施必要的防护措施。系统结构如图1所示，由以下各模块组成。
图1 汽车电子智能监测系统结构图
1 核心处理模块
综合考虑FPGA和RAM解决方案，根据系统的性能要求，选择AT91SAM7S256嵌入式RAM芯片作为数据核心处理中心，用于协调和管理系统中其他模块。该处理器内部集成了系统所需的众多外围功能模块，包括嵌入式12位ADC、通用同步异步收发器、串行外围通信接口(SPI)等。AT91SAM7S256的外围电路主要包括电源电路、处理器复位电路、晶振电路、PLL电路和JTAG接口电路等。
2 射频通信模块
这一模块主要实现汽车电子智能监测系统与智能运输系统通信的桥梁，同时也是嵌入式节点实现自组网的基础。本设计采用TI公司专门为无线传感器网络设计生产的射频芯片CC2420。
3 存储模块
输入面板是用户与系统的交互接口，用户通过输入控制面板进行数据查询。存储模块中记录了车辆行驶中各种数据参数信息，该存储模块类似于汽车黑匣子，对车辆事故分析和车辆行驶过程状况分析都可以提供有力的数据依据。
4 GPS导航及电子地图模块
这一模块将由 GPS 接收机和其他相关设备获得的移动目标位置、时间、状态信息，实时地传送至监测系统，并对目标的位置、速度、运动方向、状态等参数进行监测和查询，为目标监测、调度、管理提供可视化依据。
5 车辆状态监测传感器组模块
车用传感器是促进汽车高档化、电子化、自动化发展的关键技术之一。通常汽车由发动机、底盘、车身和电气设备四部分组成，因此文中传感器可根据监测性质的不同划分为图2所示模块。
图2 传感器组模块性质划分示意图
系统硬件及软件设计
1 核心处理模块
选择合适的CPU是设计出高性价比智能监测系统的必要条件。根据节点体积和成本需最小化这一准则，处理器芯片内部应集成系统必备的外围设备模块，如USART、SPI、ADC和TC等。适当考虑芯片的货源稳定性、厂商提供的技术支持和开发工具的易用性等因素。最终本设计选择ARM7TDMI内核处理器AT91SAM7S系列芯片作为智能监测系统的核心处理器。同时，芯片提供的ICE/JTAG接口可以检测到处理器的内部状态，这对系统实际调试会有极大的帮助，处理器的调试及测试如图3所示。
图3 AT91SAM7S系列处理器的调试及测试框图
2 CAN总线设计
随着汽车电子技术的发展，汽车上出现了许多的电控单元，如发动机控制模块（ECM）、BVA电脑、智能显示屏和ABS等。这些带微处理器的设备之间存在着大量的信息交换。以往，电线作为标准连接方式。但是随着电子产品的不断增加，愈来愈多的连接线成为阻碍技术发展的壁垒。采用传统的线束方案将使得连线的长度和数量大大增加，而不断加长的线束和增多的插接器增加了汽车质量，削弱了性能，使得可靠性很难保证。
CAN是汽车中应用最广泛的网络协议标准。一台典型安装有CAN网的车辆能同时容纳2～3个独立的运行在不同传输速率下的CAN网，低速CAN网运行在125Kb/s下，通常负责管理“舒适性功能”，如电动座椅和电动玻璃升降等。一般情况下，没有实时要求的控制采用低速网。它有能量存储/睡眠模式，在此模式下，节点停止振荡直到一个信息唤醒它。睡眠模式可降低电量消耗。高速CAN网用于满足实时性高的重要控制，如发动机管理、ABS和巡航。尽管高速CAN网最大波特率可达到1Mb/s，但是CAN网高速运行时双绞线电缆中产生很大的电磁辐射，当传输速率超过500Kb/s后，其能量的损失会迅速增大。所以一般高速网为500Kb/s。整个汽车的CAN通信网络拓扑结构如图4所示。
图4 CAN通信网络拓补结构
发动机控制系统、故障诊断系统、ASR控制系统、ABS控制系统、悬架控制系统、牵引力控制系统和安全气囊控制系统是汽车电子运行的重要部件，对时间要求非常严格，因此将这7个部分组成传输速率为500Kb/s的高速CAN通信网络。其余的子系统对时间要求不是很严格，因此可组成传输速率为50Kb/s的低速CAN通信网络。两条总线间使用网关与各部分进行数据交换，网关通过对CAN总线间待传数据信息的智能化处理，可以确保只有某种特定信息才能在网络间传输。
3 射频通信模块
TI公司的CC2420是符合IEEE802.15.4标准的射频芯片，它内部集成了33个16位配置寄存器、15个命令选通寄存器、128字节的发送和接收缓冲区，以及速度高达10Mb/s的SPI接口等。本系统中核心处理器与CC2420接口设计如图5所示。
图5 CC2420与核心处理器接口设计
其中CC2420接口引脚CS、MISO、MOSI和SCK分别与处理器模块的控制引脚相连，处理器提供时钟信号SCK并工作于主机模式下，通过设置CPU内部寄存器实现数据的收发控制。采用CPU的通用端口与RESET引脚相连，用于控制实现CC2420的复位操作；与VREG相连的引脚为高电平时，设置启动CC2420内部的电压转换器模块；与FIFOP和FIFO相连的CPU引脚用于检测当前CC2420内部收发缓冲区的状态信息，使得CPU判断出当前是否接收到合法的数据信息；CC2420的SFD引脚的上升沿标识一次数据接收的开始，设计中将其与CPU的PA25相连，由软件配置该引脚上升沿触发一次IRQ中断，从而及时处理接收到的数据；与CCA相连的CPU引脚主要用于检测当前信道的可用状态，数据传输开始之前需要对本引脚进行采样，当此引脚为高电平时表示当前没有其他通信链路占用信道，此时方可进行数据的传输。
监测系统中CC2420芯片的数据传输程序流程如图6所示。
图6 数据传输程序流程图
CC2420在接收到数据包后，SFD首先由低电平变成高电平，从而触发IRQ中断，在中断服务程序中调用MACISRQ进行接收数据的处理，中断服务程序中首先确定当前不是由于RX FIFO缓冲区溢出产生的中断，经过图6接收处理后，系统将数据交由ZigBee协议栈的MAC层进行处理。数据的发送处理主要是将数据进行IEEE 802.15.4协议数据帧的封装处理，然后利用SPI总线驱动进行数据的发送。
4 GPS导航及电子地图模块
GPS导航及电子地图模块包括一个中低功率的GPS天线和接收机，各种交通信息的电子地图。为实现GPS信息接受处理，各种地理信息管理和方位显示提供硬件平台，导航硬件结构图如图7所示。
图7 GPS导航即电子地图硬件结构图
在这一模块的软件中，要求实现GPS信号中实时导航信息的解算和导航电子地图的管理。其中重点研究了电子地图的模型和数据结构，软件结构图如图8所示。
图8 GPS导航及电子地图软件图
结论
通过利用计算机模拟各传感信号，在自组网模式下对系统的油量、车速、发动机状态和照明系统等几项运行参数进行了监测模拟。结果表明系统对汽车运行状态有一定的监测功能，但由于系统信号由模拟产生，不能真实反映现实的所有情况。因此，需要对系统的实测、小型化和降低成本上进一步研究。特别是在系统的射频模块设计中需要注意：信号线均匀、长度相近，并且布线尽量平行；射频电路附近尽可能不布线。这些对射频电路的抗干扰性有很多帮助。
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