李湘江，南金瑞，楊世文，祝麗

（1.中北大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；3.北京睿日車心科技有限公司，北京 100081）

無線技術(shù)在汽車電控系統(tǒng)中的應(yīng)用

李湘江1，南金瑞2，楊世文1，祝麗3

（1.中北大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，山西 太原 030051；2.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081；3.北京睿日車心科技有限公司，北京 100081）

為了解決傳統(tǒng)汽車中組合開關(guān)線束復(fù)雜、價(jià)格昂貴的問題，設(shè)計(jì)并搭建了一個(gè)基于無線局域網(wǎng)絡(luò)的電氣機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)。選用車載電腦為人車交互窗口來完成人車對話，以新力維無線模塊WM001S為載體實(shí)現(xiàn)無線控制信號(hào)與汽車CAN總線的連接，這樣就實(shí)現(xiàn)了控制開關(guān)與汽車ECU的通信。再通過ECU來實(shí)現(xiàn)對電氣機(jī)構(gòu)的控制，從而達(dá)到了借助無線網(wǎng)絡(luò)來控制汽車電氣機(jī)構(gòu)的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該系統(tǒng)最大響應(yīng)時(shí)間為200ms、操作簡單、工作穩(wěn)定可靠、大大降低了線束的復(fù)雜程度以及布置線束的空間要求。

線束；電氣機(jī)構(gòu)；車載電腦；無線模塊；控制信號(hào)；CAN總線

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2014)10-04-03

引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和人民對汽車依賴程度的大幅提高，電子產(chǎn)品在汽車上的應(yīng)用也是越來越廣泛。其中無線技術(shù)在汽車發(fā)展過程中的影響也是越來越大，這都是得益于無線網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)搭建簡單快捷、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)[1]。利用無線通信技術(shù)可以刪減掉組合開關(guān)及其相應(yīng)線束，取而代之的是車載觸屏電腦和無線收發(fā)模塊。這樣就可以避開線束復(fù)雜、維修不便和線束空間布置難度高這些難題，同時(shí)也可以達(dá)到降

低成本的目的。

用戶通過車載電腦的觸屏人機(jī)交互界面向無線模塊實(shí)時(shí)發(fā)送指令代碼，借助于無線模塊WM001S來接收指令代碼，然后利用串口通訊將無線指令代碼傳輸給單片機(jī)，通過單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)將無線指令代碼翻譯為CAN報(bào)文的任務(wù)。由于目前大多數(shù)嵌入式微控制器都不帶CAN總線，必須用外部總線來擴(kuò)展CAN總線接口芯片，從而使電路復(fù)雜化[2]。為了簡化外圍電路，選擇有CAN總線接口的NEC系列單片機(jī)78F0884A將無線指令翻譯為CAN報(bào)文。

1、系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案主要目的是實(shí)現(xiàn)車載WiFi無線網(wǎng)絡(luò)和CAN總線網(wǎng)絡(luò)的連接與通信，最大優(yōu)點(diǎn)是充分利用了WiFi傳播速率快、網(wǎng)絡(luò)可靠性高這一特性[3]，確保整個(gè)系統(tǒng)可靠性高、功耗低、響應(yīng)時(shí)間短。

系統(tǒng)主要包括車載觸屏電腦、WiFi收發(fā)模塊（新力維WM001S模塊）、中央處理單元、CAN總線、車載主控制模塊、車載子控制模塊和車身電氣機(jī)構(gòu)。其中車載主控制模塊、車載子控制模塊、車身電氣機(jī)構(gòu)和CAN總線是樣車現(xiàn)有的硬件。本課題主要研究對象就是將車載電腦和WiFi收發(fā)模塊建立起連接并編寫人機(jī)交互界面，同時(shí)還要完成中央處理單元電路的設(shè)計(jì)和處理單元主芯片78F0884A中程序的編寫，按照協(xié)議將無線指令翻譯為CAN報(bào)文，保證車身電氣機(jī)構(gòu)能按照指令完成相應(yīng)動(dòng)作。系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

2、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 WiFi模塊電路設(shè)計(jì)

WiFi模塊通過內(nèi)置天線接收電腦發(fā)出的無線指令，然后通過UART串行口將數(shù)據(jù)傳輸給78F0884A。為了降低開發(fā)成本，我們選擇WM001S模塊作為我們的無線模塊。本模塊內(nèi)置完整的TCP/IP協(xié)議棧，支持TCP、UDP、DNS等通訊協(xié)議，這里采用TCP無線通訊協(xié)議。為了保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定可靠，該模塊必須連接符合IEEE802.11g/802.11b標(biāo)準(zhǔn)2.4G天線。另外，本模塊還有一個(gè)更大的優(yōu)點(diǎn)就是由于模塊本身支持串口透明傳輸和自動(dòng)工作模式，因此可以實(shí)現(xiàn)串口即插即用。WiFi模塊MCU電路原理圖如圖2所示。

在這種工作模式下，只需要設(shè)置好網(wǎng)絡(luò)名稱（SSID）、安全模式密鑰、TCP/UDP連接參數(shù)等必須參數(shù)即可安全使用，其中TCP/UDP連接參數(shù)包括協(xié)議類型（選擇TCP協(xié)議）、連接類型、目的地址和目的端口。無線指令代碼從車載電腦通過模塊內(nèi)置天線傳輸?shù)侥K內(nèi)部，根據(jù)設(shè)定的數(shù)據(jù)幀觸發(fā)長度（這里設(shè)置為5個(gè)字節(jié)）來自動(dòng)組幀，在接收到幀尾標(biāo)志位后馬上觸發(fā)發(fā)送流程。

2.2 主芯片數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路圖

主芯片78F0884A主要任務(wù)就是完成串口通信數(shù)據(jù)幀對CAN報(bào)文的轉(zhuǎn)換，這部分的轉(zhuǎn)換就是依靠單片機(jī)里面的程序來實(shí)現(xiàn)的。該電路最小系統(tǒng)主要包括復(fù)位電路、晶振外圍電路、程序燒寫電路和串口通信電路。

3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序主要包括數(shù)據(jù)模塊處理程序和上位機(jī)程序兩大部分，模塊處理程序由串行口通訊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、CAN通訊幾個(gè)部分組成。

3.1 數(shù)據(jù)模塊處理程序

目前，C語言是在國內(nèi)外廣泛使用的一種計(jì)算機(jī)語言[4]，所以模塊采用C語言編程，在PMPlus環(huán)境下進(jìn)行編譯、燒寫和調(diào)試。單片機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測是否接收到無線模塊發(fā)送過來的串口通訊數(shù)據(jù)幀，一旦收到串口通訊數(shù)據(jù)幀，馬上根據(jù)協(xié)議

將相應(yīng)的數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換為CAN報(bào)文數(shù)據(jù)幀，然后執(zhí)行CAN報(bào)文的發(fā)送。根據(jù)協(xié)議，同樣有一個(gè)CAN報(bào)文來應(yīng)答，單片機(jī)再將這個(gè)應(yīng)答報(bào)文轉(zhuǎn)換為串口數(shù)據(jù)幀，通過串口發(fā)送出去，借助WiFi網(wǎng)絡(luò)將狀態(tài)傳送到人機(jī)交互界面進(jìn)行顯示，提高系統(tǒng)的可視化程度。程序的流程圖如圖4所示。

3.2 上位機(jī)程序的設(shè)計(jì)

人機(jī)交互界面采用Labview圖形化編程工具調(diào)用串口調(diào)試助手來編寫，串口調(diào)試助手控件借助于計(jì)算機(jī)和無線模塊之間創(chuàng)建的WiFi網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)通過串行口進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞和接收。由于該模塊主要是為了降低組合開關(guān)及其線束生產(chǎn)成本，同時(shí)也為了降低組合開關(guān)線束空間布置難度而設(shè)計(jì)出來的，所以模塊本身功能主要為車身電器。每當(dāng)按下一個(gè)控制開關(guān)，就會(huì)通過串口調(diào)試助手控件利用WiFi網(wǎng)絡(luò)向無線模塊發(fā)送一幀串行通信數(shù)據(jù)。串行數(shù)據(jù)幀包括發(fā)送數(shù)據(jù)幀和接收數(shù)據(jù)幀，不同的數(shù)據(jù)幀有著相同的幀格式，唯一不同的是幀格式中數(shù)據(jù)的不同。

表1 發(fā)送幀格式(Format of the send frame)

發(fā)送數(shù)據(jù)幀的幀格式包括幀頭、控制字、數(shù)據(jù)區(qū)和幀尾4個(gè)部分，每個(gè)幀之間的區(qū)別就在數(shù)據(jù)區(qū)上。數(shù)據(jù)區(qū)包括3個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)有8個(gè)bit，每個(gè)bit代表一個(gè)功能，功能的狀態(tài)用0和1來區(qū)分。這樣，3個(gè)字節(jié)就可以實(shí)現(xiàn)24個(gè)功能。

表2 接收幀格式(Format of the receive frame)

接收數(shù)據(jù)幀和發(fā)送數(shù)據(jù)幀有著相同的定義，不同的是幀頭、控制字和幀尾的值二者不同，目的就是為了區(qū)分一個(gè)數(shù)據(jù)幀的傳送方向。

4、實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，特地用人機(jī)交互面板向模塊發(fā)送了右轉(zhuǎn)向燈開、右轉(zhuǎn)向燈關(guān)、近光燈開和近光燈關(guān)4個(gè)指令。

表3 指令實(shí)驗(yàn)代碼

在實(shí)驗(yàn)過程中，對右轉(zhuǎn)向燈和近光燈電平進(jìn)行了跟蹤顯示。首先發(fā)送右轉(zhuǎn)向燈開指令代碼，轉(zhuǎn)向燈開始工作。再發(fā)送近光燈開指令代碼，近光燈開始工作。隨后分別發(fā)送關(guān)閉近光燈和關(guān)閉轉(zhuǎn)向燈指令代碼，測得的波形如圖5 所示。

通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，可以看出系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性都比較高，而且響應(yīng)時(shí)間在200ms以內(nèi)，足以滿足車身電氣元件的要求。

5、結(jié)束語

設(shè)計(jì)借助于無線模塊的便捷性，結(jié)合汽車CAN總線使用的普遍性，實(shí)現(xiàn)了將二者統(tǒng)一起來對汽車車身電氣機(jī)構(gòu)的控制目的。對系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)均能滿足實(shí)車要求。與傳統(tǒng)控制模塊相比，該模塊具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、性能可靠穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。

[1]王友山，李操．基于無線通信技術(shù)的汽車多點(diǎn)溫控系統(tǒng)[J]．中國科技信息，2012（19）:92-99．

[2]周明元，陳立輝，張宇時(shí)．基于CAN總線的無線數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)[J]．農(nóng)業(yè)科技與裝備，2011（6）:81-83．

[3]丁瑩．WiFi技術(shù)在智能車圖像傳輸中的應(yīng)用[J]．科技視界，2012 （28）:102-103．

[4]譚浩強(qiáng)．C程序設(shè)計(jì)[M]．清華大學(xué)出版社，2005．

The application of wireless technology in automobile electronic control system

Li Xiangjiang1, Nan Jinrui2, Yang Shiwen1, Zhu Li3
(1.School of Mechanical and Power Engineering,North University of China, Shanxi Taiyuan 030051; 2.School of Mechanical Engineering,Beijing Institute of Technology, Beijing 100081; 3.RCTECH, Beijing 100081)

In order to simplify the harness of the combination switch,and reduce the cost about automobile-manufacturing,a system was designed and built to control the auto electrical mechanism,which was based on wireless network.Taking the board computer as the window to make sure the communication go with a swing between the vehicle and the driver,with the wireless module which was called Seanywell- WM001S as the carrier to implement the wireless control signal connect with the CAN bus successfully,then the communication between the control signal and the vehicle ECU was set up,at the last via the ECU to accomplish the control function of the electrical mechanism,of course,the communication between the switch and ECU was come true.As the auto electrical mechanism were under the control of the ECU,so the purpose that via wireless network to control the electrical mechanism was achieved.Test results proved that the maximal response time of the system is 200ms,in addition,the system is easy to operate and has high reliability,greatly reduce the complexity of the harness and the difficulty to allot the space for the harness.

harness; electrical mechanism; board computer; wireless module; control signal; CAN bus

U463.6

A

1671-7988(2014)10-04-03

李湘江，碩士研究生，就讀于中北大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院。

項(xiàng)目名稱：基于SOC卡爾曼濾波估計(jì)的電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)。