吳紀(jì)鐸,劉愛(ài)松，趙夢(mèng)海

(聯(lián)創(chuàng)汽車電子有限公司，上海 201206)

0 引言

Telematics BOX(T-BOX)是車輛智能網(wǎng)聯(lián)系統(tǒng)中重要的組成部件。T-BOX主要與控制器局域網(wǎng)(controller area network，CAN)總線、車機(jī)、車載信息服務(wù)提供商(telematics service provider，TSP)進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)車輛智能網(wǎng)聯(lián)的關(guān)鍵功能:①與CAN總線交互。T-BOX通過(guò)CAN總線采集車輛控制器的報(bào)文并進(jìn)行解析處理，提取出一些車輛的重要信號(hào)及參數(shù)信息；此外，T-BOX接收到的一些指令可被轉(zhuǎn)成相應(yīng)的CAN報(bào)文，這些報(bào)文通過(guò)CAN總線完成對(duì)車輛的控制。②與車機(jī)進(jìn)行交互。T-BOX可為車機(jī)提供GPS服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)等幫助車機(jī)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航與上網(wǎng)功能。③與TSP進(jìn)行交互。T-BOX將收集、解析的信號(hào)按照規(guī)定的傳輸協(xié)議組包、加密、壓縮處理等，通過(guò)無(wú)線傳輸技術(shù)發(fā)送至TSP端，TSP端可解析車輛的數(shù)據(jù)并反饋至用戶的手機(jī)APP端。另外，TSP端下發(fā)的一些車控指令可通過(guò)T-BOX轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的報(bào)文完成對(duì)車輛的控制，如遠(yuǎn)程鎖車、遠(yuǎn)程座椅加熱、遠(yuǎn)程關(guān)閉發(fā)動(dòng)機(jī)等。

文中基于瑞薩RH850微控制器、TI CC2640R2F藍(lán)牙微控制器、高通MDM9628 4G模組微處理器設(shè)計(jì)了一款T-BOX車載終端，并對(duì)該終端的軟、硬件進(jìn)行了開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證表明，該T-BOX終端可準(zhǔn)確采集、傳輸車輛信息至TSP，TSP也可通過(guò)下發(fā)遠(yuǎn)程指令至T-BOX終端對(duì)車輛進(jìn)行有效、可靠控制。

1 T-BOX終端整體設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)的T-BOX車載終端主要包含MCU模塊、MPU模塊及藍(lán)牙模塊3個(gè)模塊，T-BOX終端總體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 T-BOX終端總體設(shè)計(jì)

T-BOX車載終端MCU模塊通過(guò)CAN總線技術(shù)與車輛建立通信，MCU CAN模塊連接車輛的總線，將車輛控制器中的CAN報(bào)文采集至MCU，MCU再將收集到的車輛控制器報(bào)文解析、組包，通過(guò)UART(universal asynchronous receiver/transmitter)分發(fā)至MPU模塊。MPU模塊主要完成GPS定位、無(wú)線通信等功能，將采集到的GPS信息與MCU發(fā)送的車輛信息按協(xié)議組包后，利用數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)壓縮等技術(shù)通過(guò)LTE無(wú)線通信發(fā)送至TSP，TSP平臺(tái)將收集到的車輛信息進(jìn)行解密、解析后發(fā)送至用戶的手機(jī)APP。MPU模塊同樣可以提供語(yǔ)音服務(wù)，當(dāng)車輛發(fā)生故障時(shí)可以通過(guò)語(yǔ)音服務(wù)聯(lián)系道路救援機(jī)構(gòu)申請(qǐng)道路救援等。當(dāng)用戶想主動(dòng)查詢車輛狀態(tài)以及實(shí)施遠(yuǎn)程車輛控制時(shí)，可以通過(guò)手機(jī)APP發(fā)送指令至TSP，TSP將指令按空中協(xié)議組包后發(fā)送至T-BOX終端，T-BOX的MPU模塊解析指令并將指令通過(guò)UART發(fā)送至MCU模塊，MCU模塊最終將指令轉(zhuǎn)成相應(yīng)的CAN報(bào)文與車輛完成交互。T-BOX的藍(lán)牙模塊也可通過(guò)藍(lán)牙無(wú)線通信技術(shù)與用戶手機(jī)APP進(jìn)行交互，可完成藍(lán)牙鑰匙管理、藍(lán)牙設(shè)備鑒權(quán)、藍(lán)牙車輛控制等功能。

2 T-BOX終端硬件設(shè)計(jì)

2.1 MCU硬件設(shè)計(jì)

MCU模塊以瑞薩公司的RH850芯片作為核心芯片，該芯片具有功耗低、兼容性高等優(yōu)勢(shì)。RH850芯片集成了豐富的片上資源，Code Flash容量達(dá)到1 M，Data Flash容量達(dá)到32 kB，RAM達(dá)到128 kB，最高可配置6路CAN控制器；此外，包含13個(gè)外部中斷，2路看門狗定時(shí)器等。T-BOX MCU模塊硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 T-BOX MCU模塊硬件設(shè)計(jì)

外部開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入包含4路，分別代表icall信號(hào)、ecall信號(hào)、點(diǎn)火信號(hào)以及靜音信號(hào)。其中，icall信號(hào)、ecall信號(hào)為低電平有效；點(diǎn)火信號(hào)為高電平有效。當(dāng)車輛的點(diǎn)火鑰匙旋入到ON時(shí)，點(diǎn)火開(kāi)關(guān)閉合，輸入高電平。

模擬/數(shù)字信號(hào)輸入有15路，主要包含1路40 PIN連接器輸入、2路充電電源輸入、5路音頻檢測(cè)輸入、3路MPU模塊輸入以及4路天線檢測(cè)輸入。

充電電池控制接口主要控制T-BOX電池的充電開(kāi)、關(guān)，在車輛發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)開(kāi)始對(duì)電池充電，當(dāng)電池溫度過(guò)高(高于60 ℃)或者溫度過(guò)低(低于-10 ℃)時(shí)停止對(duì)電池充電。

看門狗模塊主要包括看門狗使能信號(hào)配置、喂狗信號(hào)配置、供電使能信號(hào)配置以及MCU復(fù)位信號(hào)配置。其中，看門狗使能信號(hào)為低電平有效；正常工作時(shí)，喂狗信號(hào)脈沖最小值為0.06 ms，看門狗使能后800 ms內(nèi)需有脈沖信號(hào)，之后需在50～100 ms內(nèi)有脈沖信號(hào)；供電使能信號(hào)在高電平時(shí)給看門狗進(jìn)行供電；MCU復(fù)位信號(hào)在低電平時(shí)有效。

MCU通過(guò)I2C接口與三軸加速度傳感器SMA131相連，傳感器向MCU輸入時(shí)鐘信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)以及中斷信號(hào)。

MCU共包含3路CAN收發(fā)，CAN收發(fā)器選擇型號(hào)為TLE7251VSJ。

MCU通過(guò)GPIO口控制SKYA21003射頻開(kāi)關(guān)的切換，SKYA21003可以對(duì)T-BOX的內(nèi)置天線和外置天線進(jìn)行切換。

MCU通過(guò)GPIO口控制三極管開(kāi)關(guān)來(lái)檢測(cè)電路的使能，當(dāng)需要檢測(cè)時(shí)打開(kāi)使能，不需要時(shí)關(guān)閉使能，以減小功耗。T-BOX進(jìn)入低功耗模式時(shí)，需要關(guān)閉USB檢測(cè)使能、BOOST使能、電平轉(zhuǎn)換供電、電池充電電源、GPS天線供電。

2.2 MPU硬件設(shè)計(jì)

MPU模塊以高通MDM9628芯片為核心，該模塊支持LTE/WCDMA/TD-SCDMA/CDMA/GSM/CDMA多個(gè)頻段無(wú)線通信，還可提供GNSS(Global Navigation Satellite System)服務(wù)以及語(yǔ)音通話功能。MPU模塊存儲(chǔ)資源與接口資源豐富，擁有256 M的RAM以及512 M的ROM；包含1路USB接口、3路UART接口、1路Audio接口、1路I2C接口等。T-BOX MPU模塊硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 T-BOX MPU模塊硬件設(shè)計(jì)

MPU模塊采用UART接口與MCU連接，進(jìn)行MCU與MPU的數(shù)據(jù)通信；通過(guò)WPI/WPO GPIO去支持整個(gè)T-BOX休眠與喚醒操作。

SIM卡接口支持移動(dòng)、聯(lián)通、電信運(yùn)營(yíng)商esim卡貼片，接口電路主要包括復(fù)位信號(hào)、數(shù)據(jù)信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)。

USB接口設(shè)計(jì)主要包含USB差分信號(hào)以及USB接口芯片電源控制。其中通過(guò)高電平打開(kāi)USB接口芯片電源，通過(guò)低電平關(guān)閉USB接口芯片電源。

MPU模塊支持內(nèi)置音頻CODEC，輸出音頻通過(guò)Audio PA放大。音頻輸入、輸出接口主要包含I2C時(shí)鐘信號(hào)、I2C數(shù)據(jù)信號(hào)、PCM時(shí)鐘、PCM數(shù)據(jù)輸入輸出等。

MPU模塊天線接口主要包括主集天線、分集天線以及GNSS天線。

2.3 藍(lán)牙硬件設(shè)計(jì)

藍(lán)牙模塊采用的是TI公司的CC2640R2F低功耗藍(lán)牙微控制器芯片。該芯片的時(shí)鐘頻率可達(dá)到48 MHz，具有275 kB的非易失性存儲(chǔ)器以及28 kB的RAM。藍(lán)牙模塊通過(guò)UART與MCU建立通信，T-BOX BLE硬件設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 T-BOX BLE硬件設(shè)計(jì)

藍(lán)牙模塊通過(guò)UART與MCU進(jìn)行消息的交互，MCU通過(guò)GIPO控制藍(lán)牙模塊的復(fù)位、休眠與喚醒。

T-BOX終端硬件實(shí)物設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 T-BOX 終端硬件實(shí)物設(shè)計(jì)

3 T-BOX終端軟件設(shè)計(jì)

3.1 MCU軟件設(shè)計(jì)

如圖6所示，MCU軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)由下至上分為5層，分別為Bootloader層、Rtos和HardwareDriver層、Rte層、API/Callback Interface層及APP層。

圖6 T-BOX MCU軟件設(shè)計(jì)

Rte層為基礎(chǔ)服務(wù)層，并為APP層提供API。Rte層和APP層中主要模塊功能如下：

(1)OsSysInit：負(fù)責(zé)MCU系統(tǒng)初始化。

(2)SysMgrSrv：軟件監(jiān)控服務(wù)模塊，主要負(fù)責(zé)監(jiān)控MCU各模塊軟件是否正常運(yùn)行。

(3)APPMgrSrv：APP Task管理服務(wù)模塊。

(4)BleSrv：低功耗藍(lán)牙服務(wù)模塊。

(5)Auxiliary：輔助服務(wù)模塊，如軟件版本信息的管理等。

(6)GsenSrv：Gsensor管理服務(wù)模塊，主要完成三軸加速度信號(hào)的采集與處理。

(7)WanSrv：網(wǎng)絡(luò)無(wú)線通信管理服務(wù)模塊，接收與管理MPU網(wǎng)絡(luò)模塊同步的一些網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)及參數(shù)配置信息。

(8)DcpdSrv：MCU與MPU 之間的通信服務(wù)模塊，主要負(fù)責(zé)MCU模塊通信協(xié)議消息的紛發(fā)與處理。

(9)NVRAMSrv：Dflash管理服務(wù)模塊。

(10)COM：網(wǎng)絡(luò)通信相關(guān)功能處理模塊，如網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的配置、收發(fā)、解析等。

(11)DIAG：診斷功能處理模塊，包含故障碼診斷、數(shù)據(jù)讀取服務(wù)等。

(12)VCP：遠(yuǎn)程車控功能的服務(wù)模塊。

(13)PM：電源管理模塊，負(fù)責(zé)整個(gè)T-BOX的電源開(kāi)關(guān)以及MPU模塊、藍(lán)牙模塊進(jìn)入低功耗模式等。

(14)ICT：車輛狀態(tài)、大數(shù)據(jù)、BCALL功能的服務(wù)模塊，主要負(fù)責(zé)車輛信號(hào)的收集與組包等。

(15)AC：激活配置功能的服務(wù)模塊，主要包括T-BOX配置參數(shù)的獲取、紛發(fā)以及激活T-BOX流程的發(fā)起。

(16)BTC：藍(lán)牙車控功能處理模塊，負(fù)責(zé)藍(lán)牙車控消息的接收與轉(zhuǎn)發(fā)等。

(17)RC：遠(yuǎn)程車控功能處理模塊，接收MPU模塊以及藍(lán)牙模塊的車控消息并進(jìn)行解析。

3.2 MPU軟件設(shè)計(jì)

如圖7所示，MPU軟件架構(gòu)由下至上同樣分為5層，分別為L(zhǎng)inux Os層、Driver層、Service層、API/Callback Interface層以及APP層。

圖7 T-BOX MPU軟件設(shè)計(jì)

MPU Service層和APP層中主要模塊功能如下：

(1)Security：提供Openssl等加密算法，負(fù)責(zé)通信報(bào)文的加密服務(wù)等。

(2)LogMgrSrv：管理日志文件打印、存儲(chǔ),控制日志文件大小。

(3)GnssSrv：提供GPS相關(guān)服務(wù)。

(4)AdbDemon：ADB守護(hù)進(jìn)程，支持ADB調(diào)試功能。

(5)DcpdSrv：實(shí)現(xiàn)與MCU之間的數(shù)據(jù)通信，在MPU側(cè)實(shí)現(xiàn)消息的接收與轉(zhuǎn)發(fā)。

(6)SpmSrv：MPU模塊的電源管理，接收MCU模塊發(fā)送的開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)、休眠指令等。

(7)WanSrv：提供網(wǎng)絡(luò)相關(guān)服務(wù)，如撥號(hào)、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)獲取、語(yǔ)音、短信服務(wù)等功能。

(8)SysMgrSrv：系統(tǒng)管理進(jìn)程，負(fù)責(zé)啟動(dòng)其他進(jìn)程以及其他進(jìn)程的監(jiān)控，僵尸進(jìn)程的重啟等。

(9)API/Callback：封裝SDK各個(gè)Service功能，為APP層提供統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)用接口。

(10)AvnSrv：實(shí)現(xiàn)與車機(jī)的交互，為車機(jī)提供上網(wǎng)服務(wù)與定位服務(wù)等。

(11)OtaSrv：建立與TSP后臺(tái)的通信，對(duì)接其他APP與TSP后臺(tái)的交互。

(12)BigdataAPP：實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)功能，將車輛的數(shù)據(jù)收集、打包、壓縮、加密統(tǒng)一發(fā)送至TSP。

(13)AuxSrv：與Mcu Auxiliary模塊交互，進(jìn)行版本信息等輔助功能管理。

(14)FotaAPP：負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程刷新升級(jí)包下載、解析以及升級(jí)策略判斷、遠(yuǎn)程診斷功能。

(15)FotaEAPP：升級(jí)引擎，執(zhí)行刷新動(dòng)作。

(16)RvmAPP：實(shí)現(xiàn)車輛遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)控和遠(yuǎn)程行程記錄。

(17)AcAPP：負(fù)責(zé)接收Mcu Ac模塊的配置信息并執(zhí)行遠(yuǎn)程配置業(yè)務(wù)。

(18)bCallAPP：車輛發(fā)生故障時(shí)，提供電話服務(wù)申請(qǐng)遠(yuǎn)程救援等。

3.3 藍(lán)牙軟件設(shè)計(jì)

藍(lán)牙軟件模塊由下到上主要包括Bootloader層、TI-Rtos/Hardware Driver層、BLE STACK層、ICALL層與APP層，如圖8所示。

圖8 T-BOX 藍(lán)牙模塊軟件設(shè)計(jì)

主要模塊功能如下：

(1)COM：APP層的通信模塊，負(fù)責(zé)與MCU模塊的通信。

(2)PM：APP層的電源模式管理模塊，負(fù)責(zé)藍(lán)牙模塊的開(kāi)機(jī)、關(guān)機(jī)以及進(jìn)入低功耗模式。

(3)ICALL：APP層與藍(lán)牙協(xié)議棧的標(biāo)準(zhǔn)接口。

(4)BLE STACK：藍(lán)牙協(xié)議棧層。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

為驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的T-BOX終端的功能與可靠性，將T-BOX終端裝上某款車型實(shí)車進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。如圖9所示，所設(shè)計(jì)的T-BOX終端安裝在車輛的手套箱位置，通過(guò)40 PIN線束與實(shí)車相連。

圖9 T-BOX與實(shí)車相連接

將試驗(yàn)車輛與該車型的用戶手機(jī)APP進(jìn)行綁定，并完成T-BOX的配置激活操作，這樣可在APP端下發(fā)指令至車輛的T-BOX進(jìn)行車輛的遠(yuǎn)程操作。試驗(yàn)驗(yàn)證的內(nèi)容主要包括遠(yuǎn)程車輛狀態(tài)查詢與遠(yuǎn)程車控指令下發(fā)。

4.1 遠(yuǎn)程車輛狀態(tài)查詢?cè)囼?yàn)驗(yàn)證

在手機(jī)APP端下發(fā)車輛狀態(tài)查詢指令，T-BOX收到遠(yuǎn)程查詢指令后，將車輛的狀態(tài)信息發(fā)送至TSP，TSP端再將車輛的狀態(tài)信息同步至用戶的手機(jī)APP。

如圖10所示，實(shí)車中控顯示屏與手機(jī)APP端顯示的車輛可續(xù)航里程均為313 km，實(shí)車中控屏與手機(jī)APP端顯示的車輛四門狀態(tài)、引擎蓋狀態(tài)信息一致，說(shuō)明T-BOX終端能夠正確接收、解析手機(jī)APP端的車輛查詢指令，并將車輛的狀態(tài)信息準(zhǔn)確反饋至手機(jī)APP。

圖10 T-BOX車輛狀態(tài)查詢?cè)囼?yàn)驗(yàn)證

4.2 遠(yuǎn)程車控試驗(yàn)驗(yàn)證

在手機(jī)APP端執(zhí)行遠(yuǎn)程開(kāi)啟車輛空調(diào)、遠(yuǎn)程主副駕駛座椅加熱指令，T-BOX端接收、解析車控指令并轉(zhuǎn)成相應(yīng)的CAN報(bào)文對(duì)車輛進(jìn)行控制。

如圖11所示，T-BOX成功執(zhí)行車控指令后，將車控指令的執(zhí)行情況反饋至手機(jī)APP端，在APP端顯示出車輛空調(diào)已為開(kāi)啟狀態(tài)，主、副駕駛座椅為加熱狀態(tài)。

圖11 T-BOX遠(yuǎn)程車控試驗(yàn)驗(yàn)證

5 結(jié)論

文中以瑞薩RH850芯片、高通MDM9628芯片、TI CC2640R2F芯片為核心設(shè)計(jì)了一款T-BOX車載終端，該T-BOX終端總體上分為MCU模塊、MPU模塊以及藍(lán)牙模塊。針對(duì)各模塊進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)與軟件開(kāi)發(fā)，并將T-BOX終端接入實(shí)車進(jìn)行功能驗(yàn)證。試驗(yàn)驗(yàn)證表明，設(shè)計(jì)的T-BOX終端能夠有效、可靠地與車輛及TSP進(jìn)行交互，能夠準(zhǔn)確接收、解析TSP端的指令并將車輛的信息按照傳輸協(xié)議準(zhǔn)確發(fā)送至TSP。