新能源汽車ECU與手機(jī)APP數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方法*

史添添，周琳凱，曾奕哲，張育華，曾潔，郭永偉

(1.大連交通大學(xué)，大連 116000； 2.大連理工大學(xué)； 3.鎮(zhèn)江恒馳科技有限公司)

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新能源汽車ECU與手機(jī)APP數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)方法*

史添添1，周琳凱1，曾奕哲2，張育華3，曾潔1，郭永偉1

(1.大連交通大學(xué)，大連 116000； 2.大連理工大學(xué)； 3.鎮(zhèn)江恒馳科技有限公司)

本文通過(guò)移動(dòng)手機(jī)APP與新能源汽車的ECU之間建立通信，以達(dá)到從手機(jī)中查看ECU采集到的汽車關(guān)鍵工況參數(shù)的目的。文中ECU的主控制芯片采用MC9S08DZ60，ECU通過(guò)串口WiFi模塊并采用WiFi-Direct模式與手機(jī)建立通信，并設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了ECU向手機(jī)APP端的數(shù)據(jù)傳輸，極大地方便了用戶通過(guò)手機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控自己的車輛。

新能源汽車；ECU；APP；WiFi-Direct；MC9S08DZ60；數(shù)據(jù)傳輸

引 言

在新能源汽車領(lǐng)域快速發(fā)展的同時(shí)，由于技術(shù)上的不成熟，其運(yùn)行安全問(wèn)題一直是大家關(guān)注的焦點(diǎn)。如果能夠在新能源汽車運(yùn)行過(guò)程中及時(shí)觀測(cè)到車輛的關(guān)鍵部件數(shù)據(jù)及健康狀況，就能避免部分車輛安全問(wèn)題。為解決新能源汽車安全性能不穩(wěn)定的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一套能夠?qū)崟r(shí)方便地監(jiān)測(cè)車輛的關(guān)鍵數(shù)據(jù)及健康狀況的監(jiān)控系統(tǒng)是十分必要的。本文就是利用新能源汽車ECU的串口WiFi模塊，通過(guò)WiFi-Direct模式與手機(jī)客戶端建立連接，并將通過(guò)串口得到的ECU數(shù)據(jù)傳輸給手機(jī)APP，使人們能夠在手機(jī)上時(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車輛的關(guān)鍵數(shù)據(jù)及健康狀況，以便在出現(xiàn)異常狀況時(shí)采取快速有效的措施。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程

本系統(tǒng)由帶有WiFi功能的ECU和帶有車輛信息監(jiān)控APP的移動(dòng)終端兩部分組成。其中ECU中主要包含MCU、模擬/數(shù)字信號(hào)輸入電路、控制輸出電路、WiFi通信模塊；移動(dòng)終端通常就是一部駕駛?cè)藛T持有的安卓智能手機(jī)，新能源車輛信息監(jiān)控APP運(yùn)行在普通安卓智能手機(jī)上，用于實(shí)時(shí)查看車輛的關(guān)鍵參數(shù)以及部件健康狀況，尤其是動(dòng)力電池裝置的狀態(tài)監(jiān)控。整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

ECU通過(guò)車輛上的各種傳感器獲取所需數(shù)字/模擬信號(hào)，MCU根據(jù)采集到的車輛參數(shù)來(lái)決定對(duì)車輛的控制，同時(shí)這些參數(shù)也通過(guò)串口通信發(fā)送給ECU的WiFi模塊，ECU的WiFi模塊和手機(jī)通過(guò)WiFi-Direct模式建立連接后，ECU的WiFi模塊會(huì)將這些參數(shù)通過(guò)TCP協(xié)議發(fā)送到手機(jī)端，APP收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行解析并將最終的數(shù)據(jù)顯示在APP中實(shí)現(xiàn)人對(duì)車輛信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在APP中，對(duì)關(guān)鍵參數(shù)會(huì)設(shè)定一個(gè)正常狀況的范圍值，一旦ECU發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)超出正常范圍值，APP就會(huì)彈出報(bào)警對(duì)話框提示車輛使用者及時(shí)排查車輛可能發(fā)生的問(wèn)題，以確保新能源車輛安全可靠地運(yùn)行。

2 ECU通信硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 ECU主控制單元的基本電路

圖2 MC9S08DZ60型號(hào)MCU的最小系統(tǒng)

作為ECU的控制核心，微控制器的選擇要考慮到各個(gè)方面。首先微控制器內(nèi)部的端口資源要能夠滿足新能源汽車控制基本功能的要求；其次，微控制器要擁有良好的電磁兼容特性及快速的運(yùn)算處理能力。

根據(jù)對(duì)控制器的功能需求，選用飛思卡爾公司的MC9S08DZ60微控制芯片作為ECU的主控制單元(MCU)。這款微控制器芯片通過(guò)汽車級(jí)認(rèn)證，滿足本系統(tǒng)中對(duì)硬件電路抗干擾性能的苛刻要求。MC9S08DZ60為64引腳LQFP封裝的芯片，該芯片F(xiàn)lash程序存儲(chǔ)器有60 KB，RAM存儲(chǔ)器有4 KB。內(nèi)部有2 KB的EEPROM存儲(chǔ)器、24通道12位ADC轉(zhuǎn)換器、兩個(gè)PWM模塊、兩個(gè)模擬比較器、一個(gè)I2C、一個(gè)SPI、兩個(gè)UART、一個(gè)CAN通信模塊和53個(gè)通用I/O。而且該芯片還有很多的I/O端口，可以滿足對(duì)電壓、電流等參數(shù)的采集。由于此芯片資源豐富、穩(wěn)定性好、運(yùn)算效率高、價(jià)格便宜，所以是一款性價(jià)比很高的車用微控制器。

MC9S08DZ60主控芯片的最小系統(tǒng)如圖2所示。其串口2(9S08DZ60的TX2和RX2端口)專門用于與WiFi模塊的通信。PTB1和PTB2引腳用于控制WiFi模塊的睡眠喚醒和工作使能。

2.2 WiFi模塊的接口電路

通常具有串口功能的WiFi模塊，其內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議。其硬件構(gòu)成主要是由內(nèi)嵌的微處理芯片和WiFi通信芯片構(gòu)成，微處理器實(shí)現(xiàn)裸機(jī)驅(qū)動(dòng)程序和TCP/IP協(xié)議，WiFi芯片則完成數(shù)據(jù)的無(wú)線收發(fā)。串口WiFi模塊對(duì)外提供UART串口或SPI接口，因而可以通過(guò)串口或者SPI接口與ECU中的MCU通信，由此實(shí)現(xiàn)ECU與外部移動(dòng)終端的無(wú)線通信。

WiFi模塊選用的是國(guó)產(chǎn)的PLJW1A，它是一款高性價(jià)比的串口WiFi模塊，也是一個(gè)完整且自成體系的WiFi網(wǎng)絡(luò)解決方案，能夠搭載軟件應(yīng)用。當(dāng)PLJW1A在搭載應(yīng)用并作為設(shè)備中唯一的應(yīng)用處理器時(shí)，能夠直接從外接閃存中啟動(dòng)。內(nèi)置的高速緩沖存儲(chǔ)器有利于提高系統(tǒng)性能，并減少內(nèi)存需求。 另外一種情況是，無(wú)線上網(wǎng)接入承擔(dān) WiFi 適配器的任務(wù)時(shí)，可以將其添加到任何基于微控制器的設(shè)計(jì)中，連接簡(jiǎn)單易行，只需通過(guò)SPI/UART 接口或中央處理器 AHB橋接口即可。

PLJW1A內(nèi)部嵌入了一個(gè)超低功率32 位微型CPU，帶有16 位精簡(jiǎn)模式。支持多個(gè)模擬和數(shù)字接口。主串行接口(SI)能在二、三、四線制總線配置下運(yùn)行，被用來(lái)控制EEPROM 或其他I2C/SPI設(shè)備。多址I2C 設(shè)備共享2 線制總線，多址SPI 設(shè)備共享時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)，且根據(jù)芯片的選擇，各自單獨(dú)使用由軟件控制的GPIO引腳。

模塊遵循TCP/IP、802.11 b/g/n/e/i WLAN MAC 協(xié)議和WiFi-Direct規(guī)格，不僅支持分散控制功能(DCF)下的基本服務(wù)單元 (BSS) 的操作,還遵循最新的P2P協(xié)議，支持P2P 團(tuán)體操作(P2P group operation)。WiFi-Direct模式在適當(dāng)?shù)闹噶钕聠?dòng)，就會(huì)自動(dòng)完成搜索設(shè)備等P2P功能。本模塊WiFi-Direct模式操作簡(jiǎn)便，符合本文中的設(shè)計(jì)要求。

圖4 WiFi-Direct的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

本設(shè)計(jì)中由于串口WiFi模塊工作電源為3.3 V，而主控制芯片工作電源則為5 V，所以兩者不能直接相連。為此，主控制器與WiFi模塊之間電氣連接必須通過(guò)中間的電平轉(zhuǎn)換芯片方可。電平轉(zhuǎn)換芯片選用74LVC4245A。主控制芯片的PTB1和PTB2引腳連接電平轉(zhuǎn)換芯片的輸入端A1和A2，輸出端B1和B2連接WiFi模塊的睡眠喚醒(WKUP)和使能端(WORK_EN)引腳，由此通過(guò)主控制芯片可控制WiFi模塊的啟動(dòng)和睡眠喚醒。主控制芯片的TXD2和RXD2引腳連接電平轉(zhuǎn)換芯片的輸入端A3和A4，輸出端B3和B4連接WiFi模塊的URX和UTX引腳,由此主控制芯片可以通過(guò)串口與WiFi模塊進(jìn)行通信。WiFi模塊與電平轉(zhuǎn)換芯片連接電路圖如圖3所示。

圖3 WiFi模塊與電平轉(zhuǎn)換芯片連接電路圖

3 軟件設(shè)計(jì)

WiFi Alliance于2010年10月發(fā)布WiFi-Direct白皮書， WiFi-Direct標(biāo)準(zhǔn)是指允許無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備無(wú)需通過(guò)無(wú)線路由器即可相互連接。WiFi-Direct技術(shù)以WiFi既有技術(shù)為基礎(chǔ)，讓W(xué)iFi裝置在沒(méi)有路由器、熱點(diǎn)的情況下，仍能建立Peer to Peer的無(wú)線連接。能讓設(shè)備之間互動(dòng)，傳輸內(nèi)容，速度最高為250 Mbps，最遠(yuǎn)距離約為300公尺。

如“俱樂(lè)部”模式。在我們?nèi)粘Ｉ町?dāng)中所了解的俱樂(lè)部，就是有同一愛(ài)好的人聚集在一起，相互交流思想與經(jīng)驗(yàn)，共同進(jìn)步。教師在體育教學(xué)當(dāng)中也可以建立起“俱樂(lè)部”的教學(xué)模式，將體育課程的教學(xué)內(nèi)容分成不同的俱樂(lè)部項(xiàng)目，讓學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目的自主選擇，在同一俱樂(lè)部的學(xué)生便是一個(gè)小組。具有同一愛(ài)好的學(xué)生在一起進(jìn)行運(yùn)動(dòng)項(xiàng)目的活動(dòng)組織、形式的探討，在必要的時(shí)候教師可以給予相應(yīng)的幫助，使得學(xué)生的自主能力性能夠更大限度的發(fā)揮出來(lái)，培養(yǎng)起學(xué)生的創(chuàng)新能力與組織創(chuàng)造能力。學(xué)生通過(guò)相互之間緊密的聯(lián)系與合作，促進(jìn)了自身體育運(yùn)動(dòng)的興趣發(fā)展與技能發(fā)展，使得學(xué)生更加積極主動(dòng)的參與到體育運(yùn)動(dòng)當(dāng)中來(lái)。

WiFi-Direct設(shè)備通過(guò)組建小組(以一對(duì)一或一對(duì)多的拓?fù)湫问?來(lái)建立連接，圖4為WiFi-Direct的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，小組的工作形式與基礎(chǔ)設(shè)施BSS類似。由一部WiFi-Direct設(shè)備負(fù)責(zé)整個(gè)小組，包括控制哪部設(shè)備加入、小組何時(shí)啟動(dòng)和終止等。在本文中屬于一對(duì)一的P2P連接模式，WiFi模塊作為GroupOwner，而手機(jī)端作為GroupClient。

3.2 主控制器軟件部分

MCU是ECU中的核心部分，當(dāng)MCU從傳感器中獲取到車輛相關(guān)數(shù)據(jù)后，通過(guò)WiFi模塊開啟WiFi-Direct模式并主動(dòng)搜索附近可配對(duì)設(shè)備(手機(jī))，搜索到設(shè)備后主動(dòng)邀請(qǐng)?jiān)撛O(shè)備加入P2P連接小組，一旦連接建立ECU通過(guò)WiFi模塊向手機(jī)端發(fā)送TCP數(shù)據(jù)，手機(jī)接收數(shù)據(jù)后對(duì)其解析最終顯示給用戶。當(dāng)發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)后會(huì)檢測(cè)ECU與手機(jī)的P2P連接是否斷開，如果連接斷開則重新獲取數(shù)據(jù)并開始掃描設(shè)備，如果連接沒(méi)有斷開則繼續(xù)向手機(jī)發(fā)送新一幀數(shù)據(jù)。主控制器程序設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 主控制器程序設(shè)計(jì)流程

3.3 手機(jī)監(jiān)控APP

本文中的手機(jī)APP軟件系統(tǒng)開發(fā)選擇開放的Android手機(jī)操作系統(tǒng)，手機(jī)軟件系統(tǒng)選用C/S架構(gòu)模式，然后按照MVC模式詳細(xì)設(shè)計(jì)各個(gè)功能模塊。手機(jī)軟件總體系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可對(duì)新能源汽車進(jìn)行智能化管理，通過(guò)每輛新能源汽車的ECU并借助于其本身嵌入的WiFi通信模塊，將其采集到車輛各種關(guān)鍵參數(shù)及工況信息，通過(guò)WiFi模塊傳輸?shù)绞褂谜呤謾C(jī)終端。手機(jī)軟件前臺(tái)能夠?qū)⑿履茉雌嚨年P(guān)鍵參數(shù)及工況信息顯示處理，并在后臺(tái)建立數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)時(shí)間記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。用戶可以查詢?cè)谑謾C(jī)中保存的車輛歷史數(shù)據(jù)。

WiFi模塊與手機(jī)APP是通過(guò)WiFi-Direct模式建立通信，Android對(duì)WiFi Direct有很好的支持，并提供了相應(yīng)的類和接口。本文中手機(jī)端作為P2P小組中的GroupClient，當(dāng)被搜索到后需要接收ECU端的連接邀請(qǐng)。手機(jī)端通過(guò)WiFi-Direct配對(duì)建立連接，并接收顯示數(shù)據(jù)的流程圖如圖6所示。其流程如下：

① App中的Activity組件通過(guò)調(diào)用WifiP2pManager類的discoverPeers()方法開始掃描設(shè)備；

② 成功掃描到可用設(shè)備后，App的廣播組件BroadcastReceiver會(huì)收到P2P可連接設(shè)備列表已改變的通知，此時(shí)ECU主動(dòng)發(fā)出P2P連接邀請(qǐng)，BroadcastReceiver又會(huì)收到P2P可連接設(shè)備的連接邀請(qǐng)的通知，收到此通知后會(huì)在Activity中彈出對(duì)話框讓用戶來(lái)選擇是否接受連接邀請(qǐng)，用戶點(diǎn)擊接受后，手機(jī)端將會(huì)作為GroupClient與ECU成功配對(duì)；

圖6 手機(jī)端通過(guò)WiFi-Direct配對(duì) 建立連接并接收顯示數(shù)據(jù)的流程

③ 配對(duì)成功后，在App的Service組件中根據(jù)WifiP2pInfo類的groupOwnerAddress方法獲取到ECU端的IP然后通過(guò)Socket使手機(jī)APP與ECU端建立TCP連接；

④ 建立連接后ECU端通過(guò)WiFi模塊向手機(jī)發(fā)送車輛相關(guān)數(shù)據(jù)，APP在Service組件每收到一幀數(shù)據(jù)后，通過(guò)Handler類來(lái)傳遞給顯示界面并更新顯示的數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)測(cè)試

圖7所示為手機(jī)監(jiān)控APP的WiFi-Direct連接界面，當(dāng)ECU端掃描到手機(jī)設(shè)備并發(fā)出連接邀請(qǐng)后，就會(huì)在本界面彈出對(duì)話框，需要用戶點(diǎn)擊接收方可建立P2P連接。

圖8所示為手機(jī)監(jiān)控APP的車輛數(shù)據(jù)顯示界面，當(dāng)手機(jī)端收到ECU發(fā)來(lái)的TCP車輛數(shù)據(jù)后，經(jīng)過(guò)后臺(tái)解析最終顯示在界面上，每當(dāng)ECU傳來(lái)新一幀車輛數(shù)據(jù)，該界面都會(huì)自動(dòng)刷新車輛參數(shù)的值。

圖7 模擬ECU與手機(jī)進(jìn)行通信測(cè)試

圖8 車輛數(shù)據(jù)顯示界面

結(jié) 語(yǔ)

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)正滲透到各個(gè)領(lǐng)域，尤其是新能源汽車領(lǐng)域。本文利用WiFi-Direct技術(shù)實(shí)現(xiàn)新能源汽車ECU與手機(jī)APP的通信，使得人們使用智能手機(jī)就可以隨時(shí)隨地對(duì)新能源車輛關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行時(shí)時(shí)地監(jiān)控，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排查可能會(huì)發(fā)生的安全問(wèn)題。

[1] 劉洪濤, 鄒南.ARM處理器開發(fā)詳解[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2012:46-49.

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史添添、周琳凱(在讀碩士)，主要研究方向?yàn)檐囕v信息及控制技術(shù)。

Data Transmission Implementation Method of New Energy Vehicles ECU with Mobile Phone APP

Shi Tiantian1,Zhou Linkai1,Zeng Yizhe2,Zhang Yuhua3,Zeng Jie1,Guo Yongwei1

(1.Dalian Jiaotong University,Dalian 116000,China;2.Dalian University of Technology;3.Hents Technologies Inc.)

By establishing a communication between the APP of mobile phone and ECU of new energy vehicles,the key working parameters of the new energy vehicles can be get,which are displayed on the phone.The main control chip of ECU uses the MC9S08DZ60 is used as the main control chip of ECU.Then the ECU can establish communication with the phone through the WiFi module using the WiFi-Direct mode.The data transmission from ECU to the end of the phone APP is realized.Therefore,the users can monitor their vehicles in real time by the mobile phone.

new energy vehicles;ECU;APP;WiFi-Direct;MC9S08DZ60;data transmission

2015年江蘇省科技計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：BE2015132);中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃(2015J002-E)。

TP216.1

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?迪娜

2016-07-15)