針對目前電傳高鐵汽車電力交通能耗水利運行環(huán)境差，數(shù)據(jù)采集困難，維護成本高的特點，速銳得設(shè)計了一種基于4G網(wǎng)絡(luò)和CAN總線的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)V8。該遠程無線網(wǎng)關(guān)控制單元采用S32K微控制器進行開發(fā)，主要由NXP主控模塊i.MX6、4G通信模塊、SD卡存儲模塊，CAN總線收發(fā)模塊和電源模塊組成，對各模塊的軟、硬件設(shè)計做了詳細的介紹。實際運行證明該系統(tǒng)具有良好的可靠性，為高鐵、汽車、電力、交通、能耗、水利CANBUS總線遠程監(jiān)控及故障診斷提供了良好的解決方案。

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由于高鐵、汽車、電力、交通、水利各類項目實施的工作環(huán)境惡劣、維護成本高。隨著工業(yè)4.0概念的提出，行業(yè)智能化也成了人們關(guān)注的熱點。車輛運行狀況實時監(jiān)控、車輛運行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、車輛歷史運行數(shù)據(jù)的存儲、車輛故障的遠程診斷等用戶需求促使遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)誕生。傳統(tǒng)的基于2G的遠程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)性能比較單一，數(shù)據(jù)傳輸速率慢，實時性差，不能滿足高鐵、汽車、電力、交通、水利等行業(yè)大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)男枨蟆?/p>

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隨著4G網(wǎng)絡(luò)的大范圍覆蓋及4G資費的逐年下降，5G已經(jīng)開始做好了準備，我們基于4G網(wǎng)絡(luò)的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件控制器使用低成本高性能的S32K系列微控制器作為主控芯片，4G模塊選用全網(wǎng)通模塊SIM7600CE/T，解決了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)制式單一問題，同時該模塊使用方便，市場供貨量大，易于采購，系統(tǒng)整體成本低。

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系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖，遠程數(shù)據(jù)采集終端通過CAN總線采集車載等各個控制器和牽引逆變器等部件收集的車輛運行狀態(tài)數(shù)據(jù)和故障數(shù)據(jù)，同時通過板載的GPS/北斗模塊采集車輛的GPS位置數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)打包后通過4G網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到云端服務(wù)器供用戶遠程訪問。特殊課題下，也可以省卻GPS，只傳輸CAN總線數(shù)據(jù)。

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無線網(wǎng)關(guān)控制單元系統(tǒng)的硬件設(shè)計

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該系統(tǒng)硬件主要由NXP主控模塊、4G通信模塊、SD卡存儲模塊、CAN總線收發(fā)模塊和電源模塊組成。

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無線網(wǎng)關(guān)控制單元主控模塊

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主控模塊選用NXP先進的基于ARM 32位內(nèi)核的微控制器S32K。S32K系列微控制器片內(nèi)集成了雙路隔離的CAN控制器，支持CAN2.0B協(xié)議;4路隔離的USART，傳輸速率能夠達到10.5 Mbit/s;高達17個定時器;SRAM高達192 Kbytes，Flash存儲空間也達到了1 Mbyte，工作主頻達到了168 MHz，滿足系統(tǒng)控制需求，同時S32K系列微控制器支持4PIN的SWD下載調(diào)試，下載速度能夠達到10 Mbit/s，相對于JTAG的20PIN接口降低了布線難度，同時減小了電路板的尺寸。

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4G通信模塊

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4G通信模塊選用芯訊通無線科技有限公司的全網(wǎng)通模塊SIM7600CE/T，該模塊支持文件系統(tǒng)，支持TCP、UDP、FTP等通信協(xié)議，同時通過標準的AT命令能夠?qū)崿F(xiàn)文件的上傳下載，使用非常方便，后綴的T是專門針對TBOX類應(yīng)用，穩(wěn)定性前茅。4G模塊通過USART接口和微控制器相連，由于工作電壓的不同，兩者之間加了一級雙向電壓電平轉(zhuǎn)換器。

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SD卡存儲模塊

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無線網(wǎng)關(guān)控制單元系統(tǒng)擴展了SD卡存儲模塊，該模塊作為車輛數(shù)據(jù)的中間存儲介質(zhì)，當網(wǎng)絡(luò)環(huán)境不佳或者斷網(wǎng)時車輛數(shù)據(jù)便存到SD卡中，網(wǎng)絡(luò)重新建立后這些數(shù)據(jù)便發(fā)送到云端服務(wù)器，達到本地數(shù)據(jù)與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)同步。

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CAN總線收發(fā)模塊

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CAN總線收發(fā)模塊采用NXP的TJA1044，該模塊是集成電源隔離、電氣隔離、CAN接口和總線保護器件于一體的CAN接口隔離收發(fā)模塊，隔離電壓高達3000 V DC。CAN接口電路根據(jù)場景不同的需要，無線網(wǎng)關(guān)控制單元系統(tǒng)設(shè)計了雙路隔離的CAN接口。

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電源模塊

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電源模塊才夠用TI的電源管理系統(tǒng)，提供2組供電電壓，一組為4.1 V，為4G通信模塊供電，另一組為3.3 V，為主控模塊及其他模塊供電。車載蓄電池提供的12-24 V電源經(jīng)過濾波后由TI的DC-DC降壓芯片轉(zhuǎn)換成4.1 V，3.3V電源由LDO提供，設(shè)計兩組保護。

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無線網(wǎng)關(guān)控制單元系統(tǒng)軟件設(shè)計

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軟件的設(shè)計主要包括CAN總線收發(fā)程序，SD卡文件存儲程序，SD卡文件轉(zhuǎn)發(fā)到4G模塊EFS系統(tǒng)程序，EFS上的文件轉(zhuǎn)發(fā)到指定服務(wù)器或者IP程序，GPS數(shù)據(jù)讀取處理程序及一些邏輯控制程序。初始化完成后控制器開始接收CAN總線上的報文，同時將報文存儲到SD卡中。當完成一個文件后系統(tǒng)檢測EFS剩余空間，在空間夠的情況下系統(tǒng)將SD卡中的文件發(fā)送到EFS中。系統(tǒng)自動檢測是否已經(jīng)聯(lián)網(wǎng)，當聯(lián)網(wǎng)成功后系統(tǒng)會將EFS上的數(shù)據(jù)發(fā)送到云端服務(wù)器，如下圖。

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CAN總線收發(fā)程序流程

CAN總線接收程序流程如下圖所示，CAN總線接口初始化后開始等待有無新的報文，當有新報文到來時，報文被存儲在3級郵箱深度的FIFO中，程序通過讀取FIFO輸出郵箱來讀取FIFO中最先收到的報文，注意在實際的情況中必須在FIFO溢出前讀出至少1個報文，否則下一個報文到來將導(dǎo)致FIFO溢出，從而出現(xiàn)報文丟失。

CAN總線發(fā)送程序流程如下圖所示，程序選擇一個空置的郵箱，將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入此郵箱，然后將發(fā)送中斷標志置位請求發(fā)送，當總線空閑時CAN發(fā)送模塊便將數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上去，然后清空郵箱，等待下一個報文的發(fā)送。如果不止一個報文同時發(fā)送，還需比較優(yōu)先級，優(yōu)先級高的先發(fā)送。

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SD卡文件存儲流程

系統(tǒng)移植了FatFs文件系統(tǒng)，在實際的操作中只需要操作幾個函數(shù)便可完成SD卡文件的存儲。控制器接收到CAN報文后將報文打包，存入SD卡中。SD卡按時間以文件形式存儲。下圖為最簡單的SD卡文件存儲流程，在實際的應(yīng)用中還涉及到f_mkdir()、f_lseek()、f_opendir()等函數(shù)。

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4G模塊相關(guān)程序

4G模塊肩負采集GPS信息和上傳CAN數(shù)據(jù)到云端服務(wù)器等任務(wù)，這些任務(wù)都是通過AT命令完成。控制器定時向4G模塊發(fā)送指令來讀取GPS/北斗經(jīng)緯度、UTC時間和運行速度等信息，這些信息也被打包寫入SD卡。SD卡上的數(shù)據(jù)文件從本地發(fā)送到云端服務(wù)器需要有兩個過程：一、發(fā)送AT指令將數(shù)據(jù)文件發(fā)送到4G模塊的EFS;二、發(fā)送AT指令將數(shù)據(jù)從4G模塊的EFS發(fā)送到云端服務(wù)器。

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實際運行測試

將控制單元掛接在整車的CAN總線上實時運行，同時將一個CAN轉(zhuǎn)USB接口卡也掛接在總線上直接采集CAN報文到電腦，經(jīng)過長時間運行，未發(fā)現(xiàn)丟幀和數(shù)據(jù)錯誤的情況，驗證了系統(tǒng)的可靠性。

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速銳得設(shè)計的高鐵汽車電力交通能耗水利CANBUS總線4G/5G遠程無線網(wǎng)關(guān)控制單元通過CAN總線采集車輛的各種狀態(tài)信息，通過4G/5G模塊將這些信息發(fā)送到云端服務(wù)器供用戶和生產(chǎn)廠商分析和統(tǒng)計。滿足了用戶的需求，同時由于生產(chǎn)廠商能夠得到車輛運行的實時信息，有利于對車輛各系統(tǒng)的持續(xù)改進，節(jié)約了現(xiàn)場維護成本。本控制單元有著良好的擴展性和適應(yīng)性，可用于有CAN總線的各個場合。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的高铁汽车电力交通能耗水利CANBUS总线4G/5G远程无线网关控制单元的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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