基于4G網絡和CAN總線的遠程數據采集系統

作者 / 劉立國 楊日龍 北京中車長客二七軌道裝備有限公司(北京 100072)

　　劉立國，2010年于華北電力大學獲得碩士學位，現為中車北京二七機車有限公司工程師，主要研究方向：自動化系統控制。

摘要：針對目前電傳動礦車運行環境差，數據采集困難，維護成本高的特點，設計了一種基于4G網絡和CAN總線的遠程數據采集系統。該系統采用STM32F405RGT6微控制器進行開發，主要由主控模塊、4G通信模塊、SD卡存儲模塊，CAN總線收發模塊和電源模塊組成，對各模塊的軟、硬件設計做了詳細的介紹。實際運行證明該系統具有良好的可靠性，為礦車的遠程監控及故障診斷提供了良好的解決方案。

0 引言

　　露天非公路電傳動礦用自卸車由于惡劣的工作環境維護成本高。隨著工業4.0概念的提出，礦車智能化也成了人們關注的熱點。車輛運行狀況實時監控、車輛運行數據統計、車輛歷史運行數據的存儲、車輛故障的遠程診斷等用戶需求促使遠程數據采集系統誕生。傳統的基于GPRS的遠程數據傳輸系統^[1-4]性能比較單一，數據傳輸速率慢，實時性差，不能滿足礦車大數據量傳輸的需求。

　　隨著4G網絡的大范圍覆蓋及4G資費的逐年下降，本文提出基于4G網絡的遠程數據采集系統，系統硬件控制器使用低成本高性能的STM32F4XX系列微控制器作為主控芯片，4G模塊選用全網通模塊SIM7600CE，解決了系統網絡制式單一問題，同時該模塊使用方便，市場供貨量大，易于采購，系統整體成本低。

1 系統總體設計

　　圖1為系統的總體結構圖，遠程數據采集終端通過CAN總線采集車載控制器和牽引逆變器等部件收集的車輛運行狀態數據和故障數據，同時通過板載的GPS模塊采集車輛的位置數據，這些數據打包后通過4G網絡發送到云端服務器供用戶遠程訪問。

2 系統的硬件設計

　　該系統硬件主要由主控模塊、4G通信模塊、SD卡存儲模塊、CAN總線收發模塊和電源模塊組成。

　　2.1 主控模塊

　　主控模塊選用意法半導體公司先進的基于ARM 32位內核的微控制器^[5]STM32F405RGT6。STM32F405XX系列微控制器片內集成了雙路隔離的CAN控制器，支持CAN2.0B協議;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，滿足系統控制需求，同時STM32F405XX系列微控制器支持4PIN的SWD下載調試，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。

　　2.2 4G通信模塊

　　4G通信模塊選用芯訊通無線科技有限公司的全網通模塊SIM7600CE，該模塊支持文件系統，支持TCP、UDP、FTP等通信協議，同時通過標準的AT命令能夠實現文件的上傳下載，使用非常方便^[6-7]。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換器。

　　2.3 SD卡存儲模塊

　　系統擴展了SD卡存儲模塊，該模塊作為車輛數據的中間存儲介質，當網絡環境不佳或者斷網時車輛數據便存到SD卡中，網絡重新建立后這些數據便發送到云端服務器，達到本地數據與網絡數據同步。

　　2.4 CAN總線收發模塊

　　CAN總線收發模塊采用廣州金升陽科技有限公司的TD301DCAN，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接口隔離收發模塊，隔離電壓高達3000 V DC。CAN接口電路如圖2所示，根據整車需要，本系統設計了雙路隔離的CAN接口。

　　2.5 電源模塊

　　電源模塊提供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24 V電源經過濾波后由DC-DC降壓芯片TPS54560轉換成4.1 V，3.3V電源由TLV1117-33提供。

3 系統軟件設計

　　系統軟件的設計主要包括CAN總線收發程序，SD卡文件存儲程序，SD卡文件轉發到4G模塊EFS系統程序，EFS上的文件轉發到服務器程序，GPS數據讀取處理程序及一些邏輯控制程序。系統的總控制流程如圖3所示，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檢測EFS剩余空間，在空間夠的情況下系統將SD卡中的文件發送到EFS中。系統自動檢測是否已經聯網，當聯網成功后系統會將EFS上的數據發送到云端服務器。

　　3.1 CAN總線收發程序流程

　　CAN總線接收程序流程如圖4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致FIFO溢出，從而出現報文丟失。

　　CAN總線發送程序流程如圖5所示，程序選擇一個空置的郵箱，將要發送的數據寫入此郵箱，然后將發送中斷標志置位請求發送，當總線空閑時CAN發送模塊便將數據發送到總線上去，然后清空郵箱，等待下一個報文的發送。如果不止一個報文同時發送，還需比較優先級，優先級高的先發送。

　　3.2 SD卡文件存儲流程

　　本系統移植了FatFs文件系統，在實際的操作中只需要操作幾個函數便可完成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。圖6為最簡單的SD卡文件存儲流程，在實際的應用中還涉及到f_mkdir()、f_lseek()、f_opendir()等函數。

　　3.3 4G模塊相關程序

　　4G模塊肩負采集GPS信息和上傳CAN數據到云端服務器等任務，這些任務都是通過AT命令完成。控制器定時向4G模塊發送指令來讀取海拔、經度、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卡上的數據文件從本地發送到云端服務器需要有兩個過程：一、發送AT指令將數據文件發送到4G模塊的EFS;二、發送AT指令將數據從4G模塊的EFS發送到云端服務器。

4 實際運行測試

　　將模塊掛接在整車的CAN總線上實時運行，同時將一個CAN轉USB接口卡也掛接在總線上直接采集CAN報文到電腦，圖7為CAN接口卡直接采集到的數據，圖8為本系統采集完成后上傳到服務器的文件數據。經過長時間運行，未發現丟幀和數據錯誤的情況，驗證了系統的可靠性。

5 結束語

　　本文設計的遠程數據采集系統通過CAN總線采集車輛的各種狀態信息，通過4G模塊將這些信息發送到云端服務器供用戶和生產廠商分析和統計。滿足了用戶的需求，同時由于生產廠商能夠得到車輛運行的實時信息，有利于對車輛各系統的持續改進，節約了現場維護成本。本系統有著良好的擴展性和適應性，可用于有CAN總線的各個場合。

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　　本文來源于《電子產品世界》2018年第10期第46頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。