用于机动车路考系统的车载通讯系统研究

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摘要: 采用面向对象方法与多线程设计技术开发了一个基于上、下位机串行通信的车载通讯系统，并成功地应用到机动车驾驶人道路考试系统中。本文主要研究了车载通讯系统的软、硬件设计方案，用于揭示车载通讯系统的基本构成及工作过程，具有较高的实用价值。
关键词：串行通信； 车载； PLC；数据采集


       随着现代化建设步伐的日益加快，机动车和驾驶员的发展给交通管理部门带来前所未有的更高要求。为把好交通安全的第一关，向社会输送合格的驾驶员，更好的为经济建设服务，研究开发科学可靠的计算机路考系统对机动车驾驶员进行道路驾驶和场地考试，成为交管部门和计算机应用研发单位共同关注的焦点。而车载机通讯系统作为路考试系统中非常关键的一部分。它关系到整个系统能否正常运行和显示，它是各系统之间的桥梁和纽带。它通过车载设备对驾驶人、考试车辆在完全行驶情况进行精确检测定位后，车载通讯系统将考试过程得到的数据以数字信息形式通过无线网传送给主控检测中心，在监控中心通过监测设备和管理软件对整个考试情况进行适时监测和管理，再通过网络对所有考试情况进行统一网络化管理的系统。所以，车载通讯系统的开发和研究就尤为重要了。
1 对车载通讯系统的要求
        车载通讯系统在工作过程中需要监测来自于各传感器的车辆状态信息，而监测这些信息的目的是为了了解车辆的工作状态，从而作出相应的处理。因此，车载通讯系统应该满足以下的两点基本要求：
（1）实时性高
       一般情况考车起步最多不超过3s，在考试过程中换档时间就更短，一般在1s左右完成，方向盘摆动可在1-2s左右完成，控制周期都在50ms 以内。要真实反映系统“微观”工作过程，车载通讯系统数据采集和更新周期也应在50ms 以内。
（2）信息量大
        车载通讯系统在其工作过程中要对发动机、离合器及变速器等单元进行综合监控，需要通过传感器采集各种车辆状态信息，包括：车门信号、安全带信号、手刹信号、倒车信号、离合器信号、主刹车信号、副刹车信号、油门信号、档位信号、发动机转速信号（启动）、里程（速度）信号、汽车方向信号、震动信号、汽车摆正信号等。尽管每次采集的数据量并不是很多，但为充分反映系统的工作状态，需要存储和分析各信号信息；又由前分析得知数据更新周期较短，所以总的信息量大。
2 车载通讯系统总体设计方案
2.1 系统硬件结构设计
        考虑到对车载通讯系统应用的要求，采用PC104组件为车载通讯系统的核心部件，作为上位机；车载通讯系统的下位机采用西门子公司的S7-200PLC，上位机和下位机之间通过西门子公司的PC/PPI 通信电缆协议转换器进行连接；系统采用无线局域网与监控中心和基站进行通讯；视屏服务器用于摄取驾驶室内考试过程中的图像信息，转为网络中的数字图像信息，在局域网上传输，以便考试监控中心对整个考试过程进行监控和考试视屏信息备案；GPS为地标定位（检测、标定项目位置和行车轨迹）；指纹仪用于识别考生、考官身份；传感器用于检测系统要求的信号，反映出工作状态，在信号的传递过程中要虑除干扰，传感器信号传至PLC或PC104。整个系统的硬件结构图如图1所示。


2.2 系统功能分解
       根据系统的硬件结构，可将系统的功能划分为两大部分：下位机的数据采集，处理及数据发送；上位机的数据接收、处理、显示及数据的无线通讯。具体来说，下位机主要功能有：采集车载传感器信号，监控传感器信号状态，根据考试规则，输出逻辑判断代码；接收PC104指令，完成采集和判断的过程。上位机PC104 组件的主要功能有：采集、分析场地项目信号、GPS 信号；作为上位机，管理PLC 工作，接收下位传送的数据并做出相应的处理；对考生、考官信息判断和考试成绩智能分析判定；考生考官信息，考试成绩本地存档并实时上传；管理语音、数据通迅；过程信息的实时动态显示等。
2.3 PC104 和PLC 的连接
        上位机PC104 串行口为RS232 接口,而西门子S7-200 型自由口为RS485 通讯口。所以采用西门子公司专用的PC/PPI 编程电缆作为上位机的连接电缆,它实现了RS232 和RS485 的转换,并且具有隔离抗干扰功能,两者之间连接图如图2 所示。


3 车载通讯系统软件开发
3.1 下位机软件开发
3.1.1 PLC 串行口初始化设置
        S7-200 CPU 上的通信口工作在自由口模式下是建立在RS-485 半双工硬件基础上的串行通信功能，在自由口模式下，通信协议完全由用户梯形图程序控制。SMB30 被用于选择比特率和校验类型，SMB30 的各位及含义如下：




pp，校验方式：00 和11 均为无校验、01 为偶校验、10 为奇校验；
d，字符长度：0 为传送字符有效数据是8 位、1 为有效数据是7 位；
bbb，波特率：000 为38400baud、001 为19200baud、010 为9600baud、011 为4800baud、
100 为2400baud、101 为1200baud、110 为600baud、111 为300baud；
mm，通信协议：00 为PPI 协议从站模式、01 为自由口模式、10 为PPI 协议主站模式、
11 为保留，缺省设置为PPI 协议从站模式。
本文采用无校验，8 个数据有效位，波特率9600baud，自由口通信。
3.1.2 自由口通讯协议格式
（1）数据方向：PC104 至PLC



注：
0xXX：数字范围0x01~0x0C（12 个子项目）；
0xYY：启动0xAA；停止0x00；
0xZZ：0xFD（结束字符）；
BBC 校验码：项目号码和控制位数据字节数的异或和。
（2）数据方向：PLC 到PC104
数据格式：16 进制



注：
0xXX：数字范围0x01~0x0C（12 个子项目）；
0xYY：自定义的评判标准（自编码）；
0xZZ：0xFF（结束字符）；
BBC 校验码：项目号码和扣分项目数据字节数的异或和。
3.1.3 PLC 程序设计
        PLC 选择自由口通信模式，通过自由口发送指令XMT 和接收指令RCV，或接收字符中断结合自定义通信协议编程程序控制通信口操作，通信参数由特殊寄存器SMB30 各个位配置。S7-200 PLC 第一次扫描时先执行初始化子程序，对端口的RCV 指令的初始化，初始化完成后，运行RCV 指令使端口处于接收状态，PLC 每接收到一条指令都会发送一条反馈信息，当反反馈信息发送完成后，会产生中断，由于篇幅所限，整个程序仅画出图3 所示的PLC 程序框图。



        其中初始化子程序主要完成通信端口设置、开始字符和结束字符的定义、高速计数器设置、接收和发送中断的初始化等。校验解析子程序主要完成对接收指令的校验和解析判断各个考试子项目编号，以便启动相应的项目子程序。项目子程序主要根据指令启动相应的子项目程序，完成该项目各种传感信号的判定与处理。
3.2 上位机软件开发
       上位机控制程序的核心是人机交互、串口数据采集、处理、显示和远程数据通讯（控制中心和场地基站的通讯）。 因此在编制PC 服务器程序过程中，服务器的操作系统采用用户熟悉的操作系统，如WindowsＸＰ等，并使用VC 高级编程语言开发应用程序。采用面向对象方法技术开发上位机软件，主要使用案例为数据采集、处理、传输、显示几个部分。
（1）数据采集
       系统在工作过程中需要采集GPS 串口数据和传感器组信号。GPS 数据为地标定位，主要用于检测、标定项目位置和行车轨迹，判断行车是否进入某个考试项目，以便对该项目的整个考试情况进行记录。采集传感器组信号包括车内的传感信号和基站的传感信号。这些传感信号为了反映考车的基本工作状态以便进行相应的处理。
在串行数据采集中，上位机所接收的数据往往是异步的、突发性的。在采集模块程序中引入多线程，即创建专门的通信线程实现对串口的访问，这种方法可以有效地克服串口
通信中的停滞和反应不及时现象。本文具体实现时采用由界面交互的主线程和对串口进行处理的后台辅助线程组成。主线程负责数据采集，用来初始化串口，自定义通信事件消息，创建、删除辅助线程及协调各线程的运行。后台辅助线程是串口数据采集的核心，包括串口监视线程、接收线程和数据处理线程三种线程。监视线程在后台对串口进行实时监视，当监视到预定义的消息时，立即调用接收线程自动接收数据并触发数据处理线程，数据处
理线程处理完数据后通知主线程保存处理的数据，然后继续对串口进行监视，这样即保证了采集数据的实时性，又避免了资源的浪费。
（2）数据处理
        提取的GPS 串口数据进行分离，得到GPS 定位的基本信息，包括经、纬度，时间等，用于检测、标定项目位置和考车轨迹。提取的传感信号状态信息用于根据考试规则进行判分。
（3）数据传输
       把提取到的GPS 定位信息分离后通过无线网络传给考试监控中心，以便考试监控中心对考车考试过程进行监控。数据传输还包括考生、考官基本信息上传，考试过程状态信息上传，考试成绩上传等。
（4）数据显示
       动态显示整个考试过程的状态信息和考试成绩，在界面上显示同时，用语音方式提示。
4 结束语：
       车载智能通讯系统是整个机动车驾驶人道路考试系统的动力源泉，保证了整个系统的正常运转，因此，确保通讯的稳定、可靠性是至关重要的。经实际调试的改进，系统运行良好，已成功投入到驾校和车管所的使用过程中，取得了良好的经济效益和社会效益。
       本文作者创新点：提出一种用于机动车驾驶人路考系统的车载通讯系统的软、硬件设计方案；主要论述了车载通讯系统应该具备的基本要求；车载通讯系统的硬件结构设计及功能；给出基于PLC 自由口通讯的一种编程思路和基于多线程的数据采集方法。
参考文献
[1] 严金云,江光灵.西门子 S7-200PLC 自由模式下与计算机的通信[J].自动化仪表,2004,25(12):43-46.
[2] 沈世斌.基于PLC 自由口通信的应用[J].仪表技术与传感器.2004(12):26-28.
[3] 惠鸿忠,基于VC++6.0 实现上位机与PLC 的串行通信[J].微计算机信息,2006,6-1,55-57.
[4] 王伟,多线技术在串口通信中的应用和实现[J]计算机应用与软件,2004,11(2):171-174.

作者简介：
黄良希（1980-），男，中北大学电子与计算机科学技术学院硕士研究生在读，主要从事计算机应用技术方面的研究。
通信地址：中北大学电子与计算机科学技术学院；山西 太原 030051
李定主（1965-），男，研究员级高级工程师，教授，主要从事多媒体与计算机仿真、网络应用技术方面的研究。