徐鈺琨，趙傳偉

（1.山東科技職業(yè)學院 電氣工程系，濰坊 261053；2.福田雷沃國際重工股份有限公司，濰坊 261206）

0 引言

在當下的工程機械產(chǎn)品中，為了滿足按揭銷售與租賃業(yè)務的需求，主流遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要集中在GPS定位及鎖車兩大功能上[1～3]。隨著市場需求的變化，遠程監(jiān)控系統(tǒng)除上述功能外，還要滿足運行工況數(shù)據(jù)化，故障檢測遠程化等要求。而柴油發(fā)動機作為工程機械產(chǎn)品的動力源，它的性能好壞直接關系到整機效率的高低。因此，遠程監(jiān)控發(fā)動機的各項參數(shù)（轉速、壓力、溫度、耗油量、電瓶電壓等）以及故障代碼具有極其重要的意義。本文根據(jù)產(chǎn)品開發(fā)的需要，結合目前遠程監(jiān)控終端系統(tǒng)的新要求，開發(fā)了一套基于ARM的發(fā)動機遠程監(jiān)控終端系統(tǒng)。此系統(tǒng)采用的主控制器是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32系列微處理器。此處理器具備外圍接口豐富，支持串口和CAN，功耗低等特點。在系統(tǒng)設計完成后，通過實際的產(chǎn)品測試表明：該系統(tǒng)在線率穩(wěn)定，可靠性高，能夠滿足整機設備制造商對于產(chǎn)品遠程監(jiān)控的需求，并比同類產(chǎn)品具備價格優(yōu)勢。

1 系統(tǒng)設計原理

系統(tǒng)主要由三部分組成：發(fā)動機模塊，GPRS模塊和GPS模塊。具體的系統(tǒng)模塊框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)模塊框圖

1）發(fā)動機模塊：STM32通過CAN總線與發(fā)動機自帶的控制器進行通訊，獲取各種參數(shù)或故障代碼，其通訊協(xié)議為SAE J1939協(xié)議。

2）GPRS模塊：STM32通過串口與其進行信息交換。一方面微處理器將采集到的發(fā)動機各項參數(shù)和GPS信息經(jīng)過處理后發(fā)送到GPRS模塊，此模塊將這些數(shù)據(jù)上傳到遠程的服務器；另一方面，GPRS模塊接收到服務器下傳的控制信息后，也可經(jīng)過串口與STM32進行通訊，控制發(fā)動機的部分參數(shù)。其通訊采用標準的AT指令。

3）GPS模塊：將定位信息通過串口傳送到STM32。其采用標準的GPS數(shù)據(jù)格式。

2 硬件設計

由于工程機械產(chǎn)品的工作環(huán)境比較惡劣，因此遠程監(jiān)控終端系統(tǒng)需要有較高的穩(wěn)定性和可靠性，另外當整機不工作時，遠程監(jiān)控終端系統(tǒng)的能耗要低，便于延長待機時間，保證數(shù)據(jù)的及時上傳。因此，本系統(tǒng)中選取STM32F103CBT6微處理器作為主控制芯片。它的電源管理系統(tǒng)比較可靠，可根據(jù)電源的變化選擇三種低功耗模式。此處理器的封裝形式為LQFP48，通訊接口比較豐富，具有3個串口，1個CAN接口，滿足系統(tǒng)對于各模塊的通訊要求。另外體積較小，便于集成[4]。

GPRS模塊的主芯片采用華為的GTM900-C，它具備EGSM900和GSM1800兩個頻段；接收靈敏度小于-106dBm；標準SIM卡接口（1.8或3V）；GSC射頻天線連接器；短消息業(yè)務支持MO和MT點對點和小區(qū)廣播短消息模式，支持TEXT和PDU GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務；GPRS CLASS 10編碼方式CS1，CS2，CS3，CS4，最高速率可達85.6Kbit/s，支持PBCCH內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議[5]。

GPS模塊的主芯片采用GARMINGPS25LP，其采用全密封方式，其位置精度小于15m，速度精度小于0.1m/s，性價比較高[6]。

2.1 發(fā)動機模塊電路設計

發(fā)動機模塊電路的主體是CAN接口電路，如圖2所示。在此電路中采用型號為TJA1050的CAN總線收發(fā)器。此收發(fā)器通過它的兩個有差動接收和發(fā)送能力的總線終端可以連接到柴油發(fā)動機的CAN線回路中，從而使STM32F103CBT6微處理器和發(fā)動機自帶的控制器進行通訊。

圖2 CAN接口電路

TJA1050的3號端口為電源端，采用5V電壓；1號、4號端口分別連接STM32F103CBT6的CAN發(fā)送端口（33號引腳）和CAN接收端口（32號引腳）；8號端口為工作模式選擇端口，其連接到地可進入高速模式（正常工作模式），總線輸出的信號有固定的斜率，可以盡快的速度節(jié)能型切換，滿足最大的位速率和最大的總線長度，而且其循環(huán)延遲最??；7號和6號端口對應CANH和CANL，為了滿足發(fā)動機CAN總線網(wǎng)路的要求，在兩個端口間采用120歐的終端匹配電阻。

2.2 GPRS模塊電路設計

GPRS模塊與STM32F103CBT6連接如圖3所示。GTM900-C是華為公司生產(chǎn)的GPRS模塊，它由電源管理單元、串口處理單元、SIM卡處理單元、射頻收發(fā)單元等組成。其15號端口（IGT）可實現(xiàn)開關機功能，與微處理器的PA4端口相連，由微處理器進行控制；17號～21號端口為串口，為TTL電平信號，可直接與微處理器的1號串口連接；25號～28號端口為SIM卡的接口，與標準的SIM卡模塊連接；29號端口為模塊接地端口，此端口必須和SIM卡模塊的SIMGND相連，保證兩者的電平一致。31號端口為復位端口，與微處理器的PA5端口相連接，此端口低電平有效，從而實現(xiàn)對整個模塊的復位。

2.3 GPS模塊電路設計

圖3 GTM900C與STM32F103CBT6連接電路圖

GPS模塊主要采用GRMIN公司的GPS25LP，它只需要一個12針的引腳與系統(tǒng)相連，如圖4所示。其中，TXD1和RXD1為串口的通訊端口，為5V的邏輯電平，可直接與STM32F103CBT6的串口1（PA9和PA10端口）相連；端口10為電源端口，采用5V供電。為了保證其工作穩(wěn)定性，通常在端口10和端口8之間加一個10MF的保持電容。

圖4 GPS25LP接線圖

3 軟件設計

軟件設計的調(diào)試環(huán)境采用RealView MDK，它是ARM公司專門針對嵌入式處理開發(fā)的一套軟件，具有完善的設備調(diào)試和軟件仿真功能。STM32F103CBT6本身帶有的大量固件庫函數(shù)，可以提高代碼質(zhì)量，縮短開發(fā)周期。在本系統(tǒng)中，重點使用flash、DCC、CAN、USART等固件庫。

軟件框架采用主函數(shù)和中斷函數(shù)的結構。其中，在主函數(shù)中對各種功能模塊進行初始化，并實現(xiàn)簡單的數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)計算；中斷函數(shù)主要實現(xiàn)CAN、USART兩大模塊的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。中斷的優(yōu)先級依次為CAN、USART2、USART1。

3.1 CAN數(shù)據(jù)接收

為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，如上所述，CAN報文的接收采用中斷方式。因此，在主函數(shù)的CAN初始化過程中應該通過調(diào)用STM32固件庫函數(shù)voidCAN_IT-Config來開啟CAN1的中斷，在接收時通過判斷其標志位來確定是否產(chǎn)生的中斷，以此進入中斷函數(shù)對收到的報文進行處理。即：在接收一個報文時，其標識符首先與配置在標識符列表模式下的過濾器相比較，若匹配，報文就被存放到相關聯(lián)的FIFO中，并且所匹配的過濾器的序號被存入過濾器匹配序號中。若不匹配，報文標識符立即再與配置在屏蔽位模式下的過濾器進行比較，如果報文標識符與過濾器中的任何標識符都不匹配，那么硬件就丟棄該報文，且不會對軟件有任何打擾。數(shù)據(jù)接收模塊流程如圖5所示。

圖5 CAN數(shù)據(jù)接收流程

圖6 GPS數(shù)據(jù)接收流程

3.2 J1939協(xié)議解析

由于柴油發(fā)動機采用J1939協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)格式進行數(shù)據(jù)傳輸，因此STM32通過CAN中斷接收到報文后，必須對數(shù)據(jù)進行解析。J1939協(xié)議是美國汽車工程師協(xié)會（Society of Automotive Engineers，簡稱SAE）發(fā)布的以CAN 2.0B協(xié)議為基礎的車輛網(wǎng)絡串行通訊和控制協(xié)議。它是目前車輛應用最廣泛的協(xié)議之一，有9個子標準，其中J1939-71標準中對發(fā)動機各個參數(shù)的地址、名稱、數(shù)據(jù)格式以及發(fā)送優(yōu)先級等做了詳細的定義。它采用PDU（Protocol Data Unit協(xié)議數(shù)據(jù)單元）傳送信息，每個PDU相當于CAN協(xié)議中的一幀。由于每個CAN幀最多可傳輸8個字節(jié)數(shù)據(jù)，因此PDU的傳輸具有很高的實時性。PDU是由29位標識符和8個字節(jié)數(shù)據(jù)組成的[7]?，F(xiàn)以J1939中對發(fā)動機溫度的定義（如表1所示）進行數(shù)據(jù)解析說明。

如果計算發(fā)動機冷卻液溫度，按照J1939協(xié)議中的要求，計算公式為：發(fā)動機冷卻液溫度=原始數(shù)×分辨率+偏移量。假如此時字節(jié)1的原始數(shù)為7Dh（說明：h為十六進制，b為二進制，d為十進制），則7Dh =125d。查對應分辨率表格為1oC/位，偏移量為-40oC。因此，發(fā)動機冷卻液溫度=125×1-40=85oC。按照此思路，便可以從J1939協(xié)議的應用層中解析出發(fā)動機的轉速、機油壓力、水溫、燃油量等各種參數(shù)[8]。

表1 發(fā)動機溫度參數(shù)定義格式

3.3 GPS數(shù)據(jù)接收

如前所述，GPS模塊主要采用GRMIN公司的GPS25LP。GPS模塊會每秒鐘發(fā)出數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)包遵循NMEA-0183協(xié)議，協(xié)議中有準確的經(jīng)緯度信息。通過數(shù)據(jù)解析，數(shù)據(jù)傳輸通常有GPGGA和GPRMC兩種格式。為了減少GPS模塊的數(shù)據(jù)傳輸負擔，通常采用GPRMC格式。

GPS數(shù)據(jù)接收流程如圖6所示。STM32利用中斷模式接收GPS25LP傳來的數(shù)據(jù)，然后判斷是否為GPRMC格式，如果格式正確，則開始接收數(shù)據(jù)并存在緩存中。當數(shù)據(jù)全部接收完畢，退出中斷程序。部分程序如下：

3.4 GPRS初始化程序

GTM900C與STM32之間通過USART2進行數(shù)據(jù)傳輸，程序中采用常用的AT指令。但在數(shù)據(jù)發(fā)送之間，需要對GPRS模塊初始化。所謂的初始化就是GTM900C建立TCP鏈接的過程，通常由眾多的AT命令子程序組成。具體的流程圖如圖7所示。

首先是驗證GTM900C是否正常，通過AT指令進行測試來實現(xiàn)。如果測試成功，為了減少無用的返回字符串，要對其執(zhí)行“關回顯”的命令?；仫@的意思是給它發(fā)條指令它會原封不動的回發(fā)一條已發(fā)的指令，“關回顯”可以使串口專心監(jiān)測GTM900C實際返回的參數(shù)。

其次是判斷SIM卡是否插入，檢查信號強度以及網(wǎng)絡注冊狀態(tài)等。這是為GTM900C建立TCP鏈接做準備。因為只有在網(wǎng)絡已經(jīng)注冊完畢的狀態(tài)下，GTM900C才能建立TCP鏈接，而建立的快慢與信號強度有關。

最后是通過配置APN，進入TCP/IP功能和建立TCP鏈接。如果對具有固定IP地址服務器來說，GTM900C按照以上三個步驟即可。而對于非固定IP地址的服務器，還需要經(jīng)過域名解析獲得服務器的IP地址，然后才能建立TCP鏈接。

圖7 GPRS模塊初始化的程序流程圖

4 測試驗證

遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計完成后，在福田雷沃重工的FR630D旋挖鉆機產(chǎn)品上進行測試。一是可靠性測試，讓裝有此終端（如圖8所示）的5臺整機分別連續(xù)工作200小時，監(jiān)控其運行情況，通過PC端的監(jiān)控軟件可以看到發(fā)動機的參數(shù)可實時顯示。二是功能性測試，測試GTM900C與服務器之間的連接，通過設置TCP的地址，讓GPRS的發(fā)送數(shù)據(jù)與服務器建立連接，然后通過服務器將所有數(shù)據(jù)用圖文表現(xiàn)出來，體現(xiàn)可讀性。如圖9所示。

圖8 遠程監(jiān)控終端

圖9 PC端監(jiān)控顯示界面

5 結束語

本論文通過對發(fā)動機遠程監(jiān)控的終端系統(tǒng)進行設計，滿足了當下整機產(chǎn)品對于此系統(tǒng)的要求。硬件方面，基于STM32的終端系統(tǒng)，通過實驗可以看出，在功耗和可靠性方面有著高性價比。軟件部分，通過STM32豐富的固件庫函數(shù)，可以提高軟件質(zhì)量，縮短開發(fā)周期。整個系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)對整機廠提出的運行工況數(shù)據(jù)化，故障檢測遠程化有著積極地作用。在后續(xù)的研究中，要對GPRS信號的穩(wěn)定性進一步研究，提高系統(tǒng)在線率。

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