用于機(jī)動(dòng)車路考系統(tǒng)的車載通訊系統(tǒng)研究

隨著現(xiàn)代化建設(shè)步伐的日益加快，機(jī)動(dòng)車和駕駛員的發(fā)展給交通管理部門帶來前所未有的更高要求。為把好交通安全的第一關(guān)，向社會(huì)輸送合格的駕駛員，更好的為經(jīng)濟(jì)建設(shè)服務(wù)，研究開發(fā)科學(xué)可靠的計(jì)算機(jī)路考系統(tǒng)對(duì)機(jī)動(dòng)車駕駛員進(jìn)行道路駕駛和場(chǎng)地考試，成為交管部門和計(jì)算機(jī)應(yīng)用研發(fā)單位共同關(guān)注的焦點(diǎn)。而車載機(jī)通訊系統(tǒng)作為路考試系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的一部分。它關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)能否正常運(yùn)行和顯示，它是各系統(tǒng)之間的橋梁和紐帶。它通過車載設(shè)備對(duì)駕駛?cè)?、考試車輛在完全行駛情況進(jìn)行精確檢測(cè)定位后，車載通訊系統(tǒng)將考試過程得到的數(shù)據(jù)以數(shù)字信息形式通過無線網(wǎng)傳送給主控檢測(cè)中心，在監(jiān)控中心通過監(jiān)測(cè)設(shè)備和管理軟件對(duì)整個(gè)考試情況進(jìn)行適時(shí)監(jiān)測(cè)和管理，再通過網(wǎng)絡(luò)對(duì)所有考試情況進(jìn)行統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò)化管理的系統(tǒng)。所以，車載通訊系統(tǒng)的開發(fā)和研究就尤為重要了。
1 對(duì)車載通訊系統(tǒng)的要求
車載通訊系統(tǒng)在工作過程中需要監(jiān)測(cè)來自于各傳感器的車輛狀態(tài)信息，而監(jiān)測(cè)這些信息的目的是為了了解車輛的工作狀態(tài)，從而作出相應(yīng)的處理。因此，車載通訊系統(tǒng)應(yīng)該滿足以下的兩點(diǎn)基本要求：
（1）實(shí)時(shí)性高
一般情況考車起步最多不超過3s，在考試過程中換檔時(shí)間就更短，一般在1s左右完成，方向盤擺動(dòng)可在1-2s左右完成，控制周期都在50ms 以內(nèi)。要真實(shí)反映系統(tǒng)“微觀”工作過程，車載通訊系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和更新周期也應(yīng)在50ms 以內(nèi)。
（2）信息量大
車載通訊系統(tǒng)在其工作過程中要對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、離合器及變速器等單元進(jìn)行綜合監(jiān)控，需要通過傳感器采集各種車輛狀態(tài)信息，包括：車門信號(hào)、安全帶信號(hào)、手剎信號(hào)、倒車信號(hào)、離合器信號(hào)、主剎車信號(hào)、副剎車信號(hào)、油門信號(hào)、檔位信號(hào)、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)（啟動(dòng)）、里程（速度）信號(hào)、汽車方向信號(hào)、震動(dòng)信號(hào)、汽車擺正信號(hào)等。盡管每次采集的數(shù)據(jù)量并不是很多，但為充分反映系統(tǒng)的工作狀態(tài)，需要存儲(chǔ)和分析各信號(hào)信息；又由前分析得知數(shù)據(jù)更新周期較短，所以總的信息量大。
2 車載通訊系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案
2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
考慮到對(duì)車載通訊系統(tǒng)應(yīng)用的要求，采用PC104組件為車載通訊系統(tǒng)的核心部件，作為上位機(jī)；車載通訊系統(tǒng)的下位機(jī)采用西門子公司的S7-200PLC，上位機(jī)和下位機(jī)之間通過西門子公司的PC/PPI 通信電纜協(xié)議轉(zhuǎn)換器進(jìn)行連接；系統(tǒng)采用無線局域網(wǎng)與監(jiān)控中心和基站進(jìn)行通訊；視屏服務(wù)器用于攝取駕駛室內(nèi)考試過程中的圖像信息，轉(zhuǎn)為網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)字圖像信息，在局域網(wǎng)上傳輸，以便考試監(jiān)控中心對(duì)整個(gè)考試過程進(jìn)行監(jiān)控和考試視屏信息備案；GPS為地標(biāo)定位（檢測(cè)、標(biāo)定項(xiàng)目位置和行車軌跡）；指紋儀用于識(shí)別考生、考官身份；傳感器用于檢測(cè)系統(tǒng)要求的信號(hào)，反映出工作狀態(tài)，在信號(hào)的傳遞過程中要慮除干擾，傳感器信號(hào)傳至PLC或PC104。整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

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2.2 系統(tǒng)功能分解
根據(jù)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，可將系統(tǒng)的功能劃分為兩大部分：下位機(jī)的數(shù)據(jù)采集，處理及數(shù)據(jù)發(fā)送；上位機(jī)的數(shù)據(jù)接收、處理、顯示及數(shù)據(jù)的無線通訊。具體來說，下位機(jī)主要功能有：采集車載傳感器信號(hào)，監(jiān)控傳感器信號(hào)狀態(tài)，根據(jù)考試規(guī)則，輸出邏輯判斷代碼；接收PC104指令，完成采集和判斷的過程。上位機(jī)PC104 組件的主要功能有：采集、分析場(chǎng)地項(xiàng)目信號(hào)、GPS 信號(hào)；作為上位機(jī)，管理PLC 工作，接收下位傳送的數(shù)據(jù)并做出相應(yīng)的處理；對(duì)考生、考官信息判斷和考試成績(jī)智能分析判定；考生考官信息，考試成績(jī)本地存檔并實(shí)時(shí)上傳；管理語音、數(shù)據(jù)通迅；過程信息的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示等。
2.3 PC104 和PLC 的連接
上位機(jī)PC104 串行口為RS232 接口,而西門子S7-200 型自由口為RS485 通訊口。所以采用西門子公司專用的PC/PPI 編程電纜作為上位機(jī)的連接電纜,它實(shí)現(xiàn)了RS232 和RS485 的轉(zhuǎn)換,并且具有隔離抗干擾功能,兩者之間連接圖如圖2 所示。
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3 車載通訊系統(tǒng)軟件開發(fā)
3.1 下位機(jī)軟件開發(fā)
3.1.1 PLC 串行口初始化設(shè)置
S7-200 CPU 上的通信口工作在自由口模式下是建立在RS-485 半雙工硬件基礎(chǔ)上的串行通信功能，在自由口模式下，通信協(xié)議完全由用戶梯形圖程序控制。SMB30 被用于選擇比特率和校驗(yàn)類型，SMB30 的各位及含義如下：
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pp，校驗(yàn)方式：00 和11 均為無校驗(yàn)、01 為偶校驗(yàn)、10 為奇校驗(yàn)；
d，字符長(zhǎng)度：0 為傳送字符有效數(shù)據(jù)是8 位、1 為有效數(shù)據(jù)是7 位；
bbb，波特率：000 為38400baud、001 為19200baud、010 為9600baud、011 為4800baud、
100 為2400baud、101 為1200baud、110 為600baud、111 為300baud；
mm，通信協(xié)議：00 為PPI 協(xié)議從站模式、01 為自由口模式、10 為PPI 協(xié)議主站模式、
11 為保留，缺省設(shè)置為PPI 協(xié)議從站模式。
本文采用無校驗(yàn)，8 個(gè)數(shù)據(jù)有效位，波特率9600baud，自由口通信。
3.1.2 自由口通訊協(xié)議格式
（1）數(shù)據(jù)方向：PC104 至PLC
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注：
0xXX：數(shù)字范圍0x01~0x0C（12 個(gè)子項(xiàng)目）；
0xYY：?jiǎn)?dòng)0xAA；停止0x00；
0xZZ：0xFD（結(jié)束字符）；
BBC 校驗(yàn)碼：項(xiàng)目號(hào)碼和控制位數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)的異或和。
（2）數(shù)據(jù)方向：PLC 到PC104
數(shù)據(jù)格式：16 進(jìn)制
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注：
0xXX：數(shù)字范圍0x01~0x0C（12 個(gè)子項(xiàng)目）；
0xYY：自定義的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)（自編碼）；
0xZZ：0xFF（結(jié)束字符）；
BBC 校驗(yàn)碼：項(xiàng)目號(hào)碼和扣分項(xiàng)目數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)的異或和。
3.1.3 PLC 程序設(shè)計(jì)
PLC 選擇自由口通信模式，通過自由口發(fā)送指令XMT 和接收指令RCV，或接收字符中斷結(jié)合自定義通信協(xié)議編程程序控制通信口操作，通信參數(shù)由特殊寄存器SMB30 各個(gè)位配置。S7-200 PLC 第一次掃描時(shí)先執(zhí)行初始化子程序，對(duì)端口的RCV 指令的初始化，初始化完成后，運(yùn)行RCV 指令使端口處于接收狀態(tài)，PLC 每接收到一條指令都會(huì)發(fā)送一條反饋信息，當(dāng)反反饋信息發(fā)送完成后，會(huì)產(chǎn)生中斷，由于篇幅所限，整個(gè)程序僅畫出圖3 所示的PLC 程序框圖。
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其中初始化子程序主要完成通信端口設(shè)置、開始字符和結(jié)束字符的定義、高速計(jì)數(shù)器設(shè)置、接收和發(fā)送中斷的初始化等。校驗(yàn)解析子程序主要完成對(duì)接收指令的校驗(yàn)和解析判斷各個(gè)考試子項(xiàng)目編號(hào)，以便啟動(dòng)相應(yīng)的項(xiàng)目子程序。項(xiàng)目子程序主要根據(jù)指令啟動(dòng)相應(yīng)的子項(xiàng)目程序，完成該項(xiàng)目各種傳感信號(hào)的判定與處理。
3.2 上位機(jī)軟件開發(fā)
上位機(jī)控制程序的核心是人機(jī)交互、串口數(shù)據(jù)采集、處理、顯示和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊（控制中心和場(chǎng)地基站的通訊）。 因此在編制PC 服務(wù)器程序過程中，服務(wù)器的操作系統(tǒng)采用用戶熟悉的操作系統(tǒng)，如WindowsＸＰ等，并使用VC 高級(jí)編程語言開發(fā)應(yīng)用程序。采用面向?qū)ο蠓椒夹g(shù)開發(fā)上位機(jī)軟件，主要使用案例為數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸、顯示幾個(gè)部分。
（1）數(shù)據(jù)采集
系統(tǒng)在工作過程中需要采集GPS 串口數(shù)據(jù)和傳感器組信號(hào)。GPS 數(shù)據(jù)為地標(biāo)定位，主要用于檢測(cè)、標(biāo)定項(xiàng)目位置和行車軌跡，判斷行車是否進(jìn)入某個(gè)考試項(xiàng)目，以便對(duì)該項(xiàng)目的整個(gè)考試情況進(jìn)行記錄。采集傳感器組信號(hào)包括車內(nèi)的傳感信號(hào)和基站的傳感信號(hào)。這些傳感信號(hào)為了反映考車的基本工作狀態(tài)以便進(jìn)行相應(yīng)的處理。
在串行數(shù)據(jù)采集中，上位機(jī)所接收的數(shù)據(jù)往往是異步的、突發(fā)性的。在采集模塊程序中引入多線程，即創(chuàng)建專門的通信線程實(shí)現(xiàn)對(duì)串口的訪問，這種方法可以有效地克服串口
通信中的停滯和反應(yīng)不及時(shí)現(xiàn)象。本文具體實(shí)現(xiàn)時(shí)采用由界面交互的主線程和對(duì)串口進(jìn)行處理的后臺(tái)輔助線程組成。主線程負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，用來初始化串口，自定義通信事件消息，創(chuàng)建、刪除輔助線程及協(xié)調(diào)各線程的運(yùn)行。后臺(tái)輔助線程是串口數(shù)據(jù)采集的核心，包括串口監(jiān)視線程、接收線程和數(shù)據(jù)處理線程三種線程。監(jiān)視線程在后臺(tái)對(duì)串口進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，當(dāng)監(jiān)視到預(yù)定義的消息時(shí)，立即調(diào)用接收線程自動(dòng)接收數(shù)據(jù)并觸發(fā)數(shù)據(jù)處理線程，數(shù)據(jù)處
理線程處理完數(shù)據(jù)后通知主線程保存處理的數(shù)據(jù)，然后繼續(xù)對(duì)串口進(jìn)行監(jiān)視，這樣即保證了采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，又避免了資源的浪費(fèi)。
（2）數(shù)據(jù)處理
提取的GPS 串口數(shù)據(jù)進(jìn)行分離，得到GPS 定位的基本信息，包括經(jīng)、緯度，時(shí)間等，用于檢測(cè)、標(biāo)定項(xiàng)目位置和考車軌跡。提取的傳感信號(hào)狀態(tài)信息用于根據(jù)考試規(guī)則進(jìn)行判分。
（3）數(shù)據(jù)傳輸
把提取到的GPS 定位信息分離后通過無線網(wǎng)絡(luò)傳給考試監(jiān)控中心，以便考試監(jiān)控中心對(duì)考車考試過程進(jìn)行監(jiān)控。數(shù)據(jù)傳輸還包括考生、考官基本信息上傳，考試過程狀態(tài)信息上傳，考試成績(jī)上傳等。
（4）數(shù)據(jù)顯示
動(dòng)態(tài)顯示整個(gè)考試過程的狀態(tài)信息和考試成績(jī)，在界面上顯示同時(shí)，用語音方式提示。
4 結(jié)束語：
車載智能通訊系統(tǒng)是整個(gè)機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)说缆房荚囅到y(tǒng)的動(dòng)力源泉，保證了整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，因此，確保通訊的穩(wěn)定、可靠性是至關(guān)重要的。經(jīng)實(shí)際調(diào)試的改進(jìn)，系統(tǒng)運(yùn)行良好，已成功投入到駕校和車管所的使用過程中，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：提出一種用于機(jī)動(dòng)車駕駛?cè)寺房枷到y(tǒng)的車載通訊系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計(jì)方案；主要論述了車載通訊系統(tǒng)應(yīng)該具備的基本要求；車載通訊系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及功能；給出基于PLC 自由口通訊的一種編程思路和基于多線程的數(shù)據(jù)采集方法。