本文由吴纪铎、刘爱松、赵梦海共同创作
摘要
基于瑞萨RH850微控制器、TICC2640R2F蓝牙微控制器，高通MDM设计了9628微处理器T-BOX车载终端。该终端通过CAN总线技术、GPS定位技术、 数据加密技术、蓝牙通信技术LTE无线数据通信技术将车辆信息发送给云车载信息服务提供商，实现识别通信 主动报告车辆数据等功能； 车载信息服务提供商还可以查询车辆信息，远程控制车辆，远程诊断车辆， 远程刷新车辆控制器等。 实车试验表明：设计T-BOX车辆终端可以准确地收集和传输车辆信息，并可靠地完成与车辆和车辆信息服务提供商的交互。
Telematics Box（T-BOX）它是车辆智能网络系统的重要组成部分。T-BOX主要与控制器局域网（controller area network，CAN）车载信息服务提供商（telematics service provider，TSP）实现车辆智能网络的关键功能：①与CAN总线交互。T-BOX通过CAN总线收集车辆控制器的报告并进行分析，提取车辆的一些重要信号和参数信息；此外，T-BOX收到的一些指令可以转换为相应的指令CAN报文，这些报文通过CAN总线完成对车辆的控制。②与车机互动。T-BOX可为车机提供GPS帮助车机实现导航和上网功能的服务和网络服务。③与TSP进行交互。T-BOX将收集、解析的信号按照规定的传输协议组包、加密、压缩处理等，通过无线传输技术发送至TSP端，TSP终端可以分析车辆数据并反馈给用户的手机APP端。另外，TSP一些车辆控制指令可以通过端发布T-BOX将车辆控制转换成相应的报纸，如远程锁车、远程座椅加热、远程关闭发动机等。
本文以瑞萨为基础RH850微控制器、TICC2640R2F蓝牙微控制器，高通MDM9628 4G设计了模块微处理器T-BOX车载终端开发设计了终端的软硬件。实车试验证明T-BOX终端可以准确地收集和传输车辆信息TSP，TSP也可以发出远程指令T-BOX终端有效可靠地控制车辆。
文中设计的T-BOX车载终端主要包括MCU模块、MPU三个模块：模块和蓝牙模块，T-BOX如图1所示。
图1 T-BOX终端总体设计
T-BOX车载终端MCU模块通过CAN总线技术与车辆建立通信，MCUCAN模块连接车辆总线，将车辆控制器中的模块连接起来CAN报文采集至MCU，MCU然后通过报纸分析和包装收集到的车辆控制器UART（universal asynchronous receiver/transmitter）分发至MPU模块。MPU模块主要完成GPS定位、无线通信等功能将收集到GPS信息与MCU发送的车辆信息按协议辆信息后，通过数据编码、数据加密、数据压缩等技术LTE无线通信发送到TSP，TSP平台将收集到的车辆信息进行解密、解析后发送至用户的手机APP。MPU该模块还可以提供语音服务，当车辆现故障时，可以联系道路救援机构申请道路救援。当用户想要主动查询车辆状态并实施远程车辆控制时，可以使用手机APP发送指令至TSP，TSP将指令按空中协议分包后发送T-BOX终端，T-BOX的MPU模块分析指令，指令通过UART发送至MCU模块，MCU最块最终将指令转换为相应的模块CAN报告与车辆完成交互。T-BOX蓝牙模块也可以通过蓝牙无线通信技术和用户手机APP可完成蓝牙钥匙管理、蓝牙设备鉴定、蓝牙车辆控制等功能。
2.1 MCU硬件设计
MCU瑞萨公司的模块RH作为核心芯片，该芯片具有功耗低、兼容性高等优点。RH850芯片集成了丰富的片上资源，Code Flash容量达到1M，Date Flash容量达到32kB，RAM达到128kB，最高可配置6路CAN控制器；此外，还包括13个外部中断、2路看门狗定时器等。T-BOXMCU模块硬件设计如图2所示。
图2 T-BOXMCU模块硬件设计
外部开关信号输入包括4条路，分别代表icall信号、ecall其中，icall信号、ecall低电平信号有效；高电平点火信号有效。当车辆的点火钥匙旋入时ON点火开关关关闭，输入高电平。
模拟/数字信号输入15路，主要包括1路40路PIN连接器输入、2路充电电源输入、5路音频检测输入、3路MPU模块输入和4路天线检测输入。
主要控制充电电池控制接口T-BOX当电池温度过高(高于60)时，当车辆发动机启动时，电池的充电开关开始充电。℃）或者温度过低(低于-10)℃）停止给电池充电。
看门狗模块主要包括看门狗使能信号配置、喂狗信号配置、供电使能信号配置以及MCU复位信号配置。其中，看门狗使能量信号低电平有效；正常工作时，喂狗信号脉冲最小值为0.06MS，看门狗使能后800MS脉冲信号1000之后，内部需要脉冲信号MS有脉冲信号；供电使能信号在高电平时为看门狗供电；MCU复位信号在低电平时有效。
MCU通过I2C三轴加速度传感器SMA131相连，传感器向MCU输入时钟信号、数据信号和中断信号。
MCU共包含3路CAN收发，CAN选择型号为收发器TLE7251VSJ。
MCU通过GPIO口控制SKYA切换21003射频开关，SKYA21003可以对T-BOX的内置天线和外置天线进行切换。
MCU通过GPIO口控三极管开关检测电路的使能，需要检测时打开使能，不需要时关闭使能，降低功耗。T-BOX进入低功耗模式时，需要关闭USB检测使能、BOOST电能、电平转换供电、电池充电源GPS天线供电。
2.2 MPU硬件设计
MPU模块以高通MDM该模块支持9628芯片LTE／WCDMA／TD-SCDMA／CDMA／GSM／CDMA多频段无线通信也可以提供GNSS（Global Navigation Satellite System）服务及语音通话功能。MPU256M的RAM以及512M的RＯM；包含1路USB接口、3路UART接口、1路Audio接口、1路I2C接口等。T-BOX MPU模块硬件设计如图3所示。
图3 T-BOX MPU模块硬件设计
MPU模块采用UART接口与MCU连接，进行MCU与MPU数据通信；通过WPI／WPO GPIO去支持整个T-BOX休眠和唤醒操作。
SIM卡接口支持移动、联通和电信运营商esim接口电路主要包括复位信号、数据信号和时钟信号。
USB接口设计主要包括USB差分信号和USB接口芯片电源控制。高电平打开USB接口芯片电源通过低电平关闭USB接口芯片电源。
MPU模块支持内置音频CODEC，通过输出音频Audio PA放大。音频输入输出接口主要包括I2C时钟信号、I2C数据信号、PCM时钟、PCM数据输入输出等。
MPU模块天线接口主要包括主集天线、分集天线和GNSS天线。
2.3 蓝牙硬件设计
采用蓝牙模块TI公司的CC2640R2F低功耗蓝牙微控制器芯片。该芯片的时钟频率可达48MHz，具有275kB非易失性存储器和28kB的RAM。通过蓝牙模块UART与MCU建立通信，T-BOX BLE硬件设计如图4所示。
图4 T-BOX BLE硬件设计
通过蓝牙模块UART与MCU互动新闻，MCU通过GIPO控制蓝牙模块的复位、休眠和唤醒。
T-BOX如图5所示。
图5 T-BOX实物设计终端硬件
3.1 MCU软件设计
如图6所示，MCU软件架构设计从下到上分为五层，分别分为五层Bootloader层、Rtos和Hardware Driver层、Rte层、API／Callback Interface层及APP层。
图6 T-BOX MCU软件设计
Rte层为基础服务层，为APP层提供API。Rte层和APP层中的主要模块功能如下：
（1）OsSysInit：负责MCU系统初始化。
（2）SysMgrSrv：主要负责监控软件监控服务模块MCU各模块软件是否正常运行。
（3）APPMgrSrv：APP Task管理服务模块。
（4）BleSrv：低功耗蓝牙服务模块。
（5）Auxiliary：软件版信息管理等辅助服务模块。
6）GsenSrv：Gsensor管理服务模块，主要完成三轴加速度信号的采集与处理。
（7）WanSrv：网络无线通信管理服务模块，接收与管理MPU网络模块同步的一些网络状态及参数配置信息。
（8）DepdSrv：MCU与MPU之间的通信服务模块，主要负责MCU模块通信协议消息的纷发与处理。
（９）NVRAMSrv：Dflash管理服务模块。
（10）COM：网络通信相关功能处理模块，如网络报文的配置、收发、解析等。
（11）DIAG：诊断功能处理模块，包含故障码诊断、数据读取服务等。
（12）VCP：远程车控功能的服务模块。
（13）PM：电源管理模块，负责整个T-BOX的电源开关以及MPU模块、蓝牙模块进入低功耗模式等。
（14）ICT：车辆状态、大数据、BCALL功能的服务模块，主要负责车辆信号的收集与组包等。
（15）AC：激活配置功能的服务模块，主要包括T-BOX配置参数的获取、纷发以及激活T-BOX流程的发起。
（16）BTC：蓝牙车控功能处理模块，负责蓝牙车控消息的接收与转发等。
（17）RC：远程车控功能处理模块，接收MPU模块以及蓝牙模块的车控消息并进行解析。
3.2 MPU软件设计
如图7所示，MPU软件架构由下至上同样分为5层，分别为Linux Os层、Driver层、Service层、API／Callback Interface层以及APP层。
图7 T-BOX MPU软件设计
MPU Service层和APP层中主要模块功能如下：
（1）Security：提供Openssl等加密算法，负责通信报文的加密服务等。
（2）LogMgrSrv：管理日志文件打印、存储，控制日志文件大小。
（3）GnssSrv：提供GPS相关服务。
（4）AdbDemon：ADB守护进程，支持ADB调试功能。
（5）DepdSrv：实现与MCU之间的数据通信，在侧实现消息的接收与转发。
（6）SpmSrv：MPU模块的电源管理，接收MCU模块发送的开机、关机、休眠指令等。
（7）WanSrv：提供网络相关服务，如拨号、网络状态获取、语音、短信服务等功能。
（8）SysMgrSrv：系统管理进程，负责启动其他进程以及其他进程的监控，僵尸进程的重启等。
（９）API／Callback：封装SDK各个Service功能，为层提供统一的标准调用接口。
（10）AvnSrv：实现与车机的交互，为车机提供上网服务与定位服务等。
（11）OtaSrv：建立与TSP后台的通信，对接其他与TSP后台的交互。
（12）BigdataAPP：实现大数据功能，将车辆的数据收集、打包、压缩、加密统一发送至TSP。
（13）AuxSrv：与MCU Auxiliary模块交互，进行版本信息等辅助功能管理。
（14）FotaAPP：负责远程刷新升级包下载、解析以及升级策略判断、远程诊断功能。
（15）FotaEAPP：升级引擎，执行刷新动作。
（16）RvmAPP：实现车辆远程状态监控和远程行程记录。
（17）AcAPP：负责接收Mcu Ac模块的配置信息并执行远程配置业务。
（18）bCallAPP：车辆发生故障时，提供电话服务申请远程救援等。
3.3 蓝牙软件设计
蓝牙软件模块由下到上主要包括Bootloader层、TI⁃Rtos／Hardware Driver层、BLE STACK层、ICALL层与APP层，如图8所示。
图8 T-BOX蓝牙模块软件设计
主要模块功能如下：
（1）COM：APP层的通信模块，负责与MCU模块的通信。
（2）PM：APP层的电源模式管理模块，负责蓝牙模块的开机、关机以及进入低功耗模式。
（3）ICALL：APP层与蓝牙协议栈的标准接口。
（4）BLE STACK：蓝牙协议栈层。
为验证所设计的T-BOX终端的功能与可靠性，将T-BOX终端装上某款车型实车进行了试验验证。如图9所示，所设计的T-BOX终端安装在车辆的手套箱位置，通过40PIＮ线束与实车相连。
图9 T-BOX与实车相连接
将试验车辆与该车型的用户手机APP进行绑定，并完成T-BOX的配置激活操作，这样可在APP端下发指令至车辆的T-BOX进行车辆的远程操作。试验验证的内容主要包括远程车辆状态查询与远程车控指令下发。
4.1 远程车辆状态查询试验验证
在手机APP端下发车辆状态查询指令，T-BOX收到远程查询指令后，将车辆的状态信息发送至TSP，TSP端再将车辆的状态信息同步至用户的手机APP。
如图10所示，实车中控显示屏与手机APP端显示的车辆可续航里程均为313kM，实车中控屏与手机APP端显示的车辆四门状态、引擎盖状态信息一致，说明T-BOX终端能够正确接收、解析手机APP端的车辆查询指令，并将车辆的状态信息准确反馈至手机APP。
图10 T-BOX车辆状态查询试验验证
4.2 远程车控试验验证
在手机APP端执行远程开启车辆空调、远程主副驾驶座椅加热指令，T-BOX端接收、解析车控指令并转成相应的CAN报文对车辆进行控制。
如图11所示，T-BOX成功执行车控指令后，将车控指令的执行情况反馈至手机APP端，在APP端显示出车辆空调已为开启状态，主、副驾驶座椅为加热状态。
图11 T-BOX远程车控试验验证
文中以瑞萨RH850芯片、高通MDM9628芯片、TICC2640R2F芯片为核心设计了一款T-BOX车载终端，该T-BOX终端总体上分为MCU模块、MPU模块以及蓝牙模块针对各模块进行了硬件设计与软件开发并将T-BOX终端接入实车进行功能验证。试验验证表明，设计的T-BOX终端能够有效、可靠地与车辆及TSP进行交互，能够准确接收、解析TSP端的指令并将车辆的信息按照传输协议准确发送至TSP。