一种车载诊断数据共享终端系统的制作方法
一种车载诊断数据共享终端系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于交通运输工程技术领域，具体涉及一种车载诊断数据共享终端系统。
【背景技术】
[0002] 诊断数据共享终端设备是诊断数据云共享与在线诊断系统中最前端的数据采集 装置，它直接与车载计算机对接，通过与车载计算机的信息交互获取诊断数据，并根据系统 的需求通过无线通信实现诊断数据的实时共享。
[0003] 车载计算机的诊断接口形式是以太网接口，诊断过程按照以太网TCP/IP协议进行 通信。根据信号系统产品技术文档中的技术指标，每小时产生的诊断数据量不超过50兆字 节。终端设备必须适应车载计算机的接口形式和通信协议，并且具备充裕的数据处理能力 以应对诊断数据的流量。
[0004] 终端设备应当具备将车载计算机产生的诊断数据快速、可靠地处理并转发至数据 云端的能力，以满足在线诊断和故障快速排查的需要。云共享功能在考虑数据流量的同时， 应充分保证数据的完整性和可靠性，严格控制在线诊断的误诊率和虚警率指标。同时，从工 程角度充分考虑到设计的可行性和成本。
[0005] 此外，考虑到云共享功能对于通信和网络环境的依赖，为了进一步确保数据的完 整性，便于运管人员进行日常维护，终端设备应当将接收到的诊断数据实时存储在本地的 存储介质上。参照航空和航海领域的飞行(航行)记录仪的设计理念，这一存储介质应当坚 固可靠，在出现极端状况或重大事故时，为事故分析和隐患排查提供可靠依据。
[0006] 综上所述，城轨车载诊断数据云共享终端设备应当满足如下功能：
[0007] 1)与车载计算机的通信接口； 2)恰当的无线车地通信功能;3)数据本地存储功能。 在实现上述功能的同时，应从工程角度充分考虑城市轨道交通车辆的运行环境，满足城市 轨道交通车辆电子电气设备的各项技术指标限制，适应车载设备的供电制式。
[0008] 近年来，随着现代工程的技术要求不断提高，微控制系统在运算能力、体积、功耗 等方面面临着越来越严峻的挑战。在这一背景下，嵌入式系统由于其体积和功耗可控，运算 能力较强，开发周期短，运用灵活，适应性强等特点，逐渐成为基于微控制器的控制系统的 主要实现形式。
[0009] 嵌入式系统，是以专门应用为目的，以计算机技术为基础，软硬件可以剪裁，适应 于系统对功能、可靠性、成本、大小、功耗等有严格要求的专用计算机系统。在嵌入式系统 中，嵌入式软件与嵌入式底层硬件集成于一体，实现软件与硬件的高度统一。此外，由于嵌 入式系统可高度自定义，其应用场景遍布工业控制、医疗、网络通信、汽车、消费类电子产 品、办公自动化产品等各领域。由于嵌入式系统的应用随着需求的改变不断地发展演化， "嵌入式系统"的定义也是不断变化发展的。嵌入式系统通常具有如下特点：
[0010] 1)嵌入式系统在硬件和软件功能上现对于个人计算机(PC)更为有限。得益于软硬 件方面的可裁剪，嵌入式系统软硬件功能更强调其可用性和性价比；
[0011] 2)嵌入式系统是为执行专用功能而设计的。相对于PC，嵌入式系统更强调其专用 性；
[0012] 3)嵌入式系统是比其他类型的计算机系统具有更高品质和可靠性要求的计算机 系统。由于嵌入式系统应用领域经常涉及安全(如工业控制、汽车、交通、医疗等），一旦出现 意外状况，将有可能产生严重后果，而PC多用于辅助人的计算和信息处理，可以容忍一定程 度的实效。
[0013] 近年来，新型的体系结构工具（参考模型）也被引入嵌入式系统领域。这一系统结 构模型本质上是嵌入式系统体系内容的分层(模块化)表示。通过将嵌入式系统内部的组件 可视化和分组为"层"，复杂嵌入式系统的体系结构将变得更加清晰而容易理解，也为设计 带来了诸多便利。嵌入式系统结构模型表示，所有的嵌入式系统在其结构上都具有共同性。
[0014] 硬件层是所有嵌入式系统都必须包含的逻辑层，它包含位于嵌入式电路板上所有 的主要物理部件；系统软件层主要指代运行于硬件层上的用于管理计算机软硬件资源、协 调多线程运行的底层软件，系统软件层通常具有一定的通用性，通常包括设备驱动程序和 操作系统，后者在功能并非十分复杂的嵌入式系统中这一部分并非是必须的；应用软件层 指代直接用于实现嵌入式系统功能的应用软件，是嵌入式系统预期逻辑功能的载体，在少 数用于演示、教学、研究的嵌入式系统中是可选的。
[0015] 综合考虑城轨列车车载诊断数据共享终端设备的功能及性能需求，嵌入式系统由 于其软硬件系统可高度自定义，功能可裁剪，功耗可控，体积可控，设计灵活等方面的特点， 成为了实现诊断数据共享终端设备的最佳实现形式。
[0016] 因此，需要提出一种车载诊断数据共享终端系统可最大程度地满足车载数据量对 共享终端系统内的数据处理能力需求，所以为该系统提供电能的电源系统就成了研究的重 点和难点。
【发明内容】
[0017] 鉴于上述现有技术存在的不便，本发明的目的是提出一种车载诊断数据共享终端 系统，电源系统通过两级转换电路，将外部直流电源转换为制式电源，该系统通过车载计算 机接口子系统获取车载诊断数据，将该车载诊断数据写入本地存储子系统，同时通过云共 享接口子系统上传至云端。
[0018] 本发明的目的，将通过以下技术方案得以实现：
[0019] -种车载诊断数据共享终端系统，包括装载有软件的车载诊断数据共享终端，所 述车载诊断数据共享终端通过辅助外围电路与电源和用于对软件性能进行调试的调试接 口连接，所述车载诊断数据共享终端还连接有车载计算机(V0BC)和诊断数据云并进行双向 通信。
[0020] 优选地，所述电源通过所述辅助外围电路为所述车载诊断共享终端提供110V直流 电。
[0021] 优选地，所述车载诊断数据共享终端还连接有一诊断数据云，所述诊断数据云用 于实现诊断数据实时共享。
[0022] 优选地，所述电源包括一级电源电路和二级电源电路。
[0023] 优选地，所述一级电源电路包括插头、电源滤波器和AC-DC转换器，电源滤波器的 输入端与插头电连接，电源滤波器的输出端与AC-DC转换器的输入端电连接，AC-DC转换器 的输出端为一级电源电路输出端。
[0024] 优选地，所述二级电源电路包括第一个电源电路和第二个电源电路，所述第一个 电源电路包括稳压芯片和发光二极管，所述稳压芯片的输出端与所述发光二极管的输入端 连接。
[0025] 优选地，所述第二个电源电路包括MIC29302稳压器、电阻R32和电阻R36,所述 MIC29302芯片的OUT脚与电阻R32-端电连接，电阻R32另一端与MIC29302芯片的ADJ脚和电 阻R36-端电连接，电阻R36另一端接地。
[0026] 本发明的突出效果为:该电源模块可为整个终端设备提供电能，该电源系统通过 两级转换电路，将外部直流电源转换为直流5V、3.3V和4.1V等多种制式的电源供半载电子 元器件使用，调试接口可根据软件的设置将串口信息传递至调试用存储器内。
[0027] 以下便结合实施例附图，对本发明的【具体实施方式】作进一步的详述，以使本发明 技术方案更易于理解、掌握。
【附图说明】
[0028] 图1是本发明车载诊断数据共享终端系统架构图；
[0029]图2是本发明一级电源电路原理图；
[0030] 图3是本发明二级电源电路的第一级电路原理图；
[0031] 图4是本发明二级电源电路的第二级电路原理图；
[0032] 图5是本发明离线存储器的电路原理图；
[0033] 图6是本发明实时时钟的电路原理图；
[0034]图7是本发明USB调试接口电路原理图；
[0035]图8是本发明PMC总线写数据过程图；
[0036] 图9是本发明Μ⑶监督电路原理图；
[0037]图10是本发明程序下载接口电路示意图；
[0038]图11是本发明W5300内存映射示意图。
【具体实施方式】
[0039] 本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和 解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而 形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
[0040] 如图1所示，一种车载诊断数据共享终端系统，包括装载有软件的车载诊断数据共 享终端，所述车载诊断数据共享终端通过辅助外围电路与电源和用于对软件性能进行调试 的调试接口连接，所述车载诊断数据共享终端还连接有车载计算机(V0BC)和诊断数据云并 进行双向通信。所述车载诊断终端数据共享终端系统还包括有MCU模块，所述MCU模块分别 与车载计算机接口子系统、云共享接口子系统、本地存储子系统和辅助外围电路连接。 [0041]在该系统中，所述电源模块为整个终端设备提供电能。列车车载电器设施将为诊 断数据共享终端提供110V直流电源。电源系统通过两级转换电路，将这一外部电源转换为 直流5V、3.3V和4. IV三种制式的电源供半载电子元器件 使用。
[0042]所述电源通过所述辅助外围电路为所述车载诊断共享终端提供110V直流电。所述 电源包括一级电源电路和二级电源电路。
[0043] 一级电源电路原理图如图2所示，所述一级电源电路包括插头、电源滤波器和AC-DC转换器，电源滤波器的输入端与插头电连接，电源滤波器的输出端与AC-DC转换器的输入 端电连接，AC-DC转换器的输出端为一级电源电路输出端。
[0044] 外界110V直流电源经过插头CN3引入，D3为电源提供反接保护，R33为压敏电阻，当 电压超过一定阈值时其阻值将迅速降低，为板载电路提供过压保护。U9器件为EMI电源滤波 器，主要起衰减共模干扰的作用，提高电源品质，U10为AC110V-DC5V交流器件，输入110V交 变电源，输出5V直流电源，C33和EC2用于低通滤波提高电源品质。
[0045] 二级电源电路原理图如图3和如图4所示，所述二级电源电路包括第一个电源电路 和第二个电源电路，所述第一个电源电路包括稳压芯片和发光二极管，所述稳压芯片的输 出端与所述发光二极管的输入端连接。所述第二个电源电路包括MIC29302稳压器、电阻R32 和电阻R36,所述MIC29302芯片的OUT脚与电阻R32-端电连接，电阻R32另一端与MIC29302 芯片的ADJ脚和电阻R36-端电连接，电阻R36另一端接地。
[0046] U11和U8分别将输入的直流5V转换为直流3.3V和4. IV。特别地，4. IV交流电路设有 外部参考引脚，输出电压值是通过R32和R36大小比例调节而来。3.3V电源电路中设有LED4 作为电源指示灯。两组电源电路中都设有滤波电容，以期提高电源的品质，保证电子元器件 的供电平稳。
[0047]离线存储器为诊断数据云共享终端提供断电期间的信息存储功能。当设备断电 后，设备的身份辨识信息、模式配置等信息将需要依赖离线存储器保护。笔者在此处选择 FM25L512型铁链存储器作为离线存储器。FM25L512与核心MCU模块通过一组SPI总线实现信 息交互。芯片的电源引脚上设有C43电容作退耦合用，保证芯片的平稳运行。离线存储器电 路如图5所示。
[0048]出于诊断数据信息的完整性考虑，便于数据的检索，诊断数据云共享设备在每一 条诊断数据的共享过程中需要为数据加入时间戳，因此需要设备能够时刻获知时间信息， 即使终端设备断电也不受影响。在本实施例中选用RX8025SA型实时时钟芯片作为实时时钟 电路的核心。RX8025SA内置万年历，可以自行计算并提供当前的日、月、年、星期日等信息， 可以识别至2099年前的闰年。芯片同时具有"闹钟"功能，经过配置后可以在指定时间向CPU 发出中断请求。为了保持实时时钟在设备断电后不随之离线，实时时钟电路内设有一块 3.3V纽扣电池，为该电路提供电源供应。RX8025通过一组12C总线与MCU模块相连，实现信息 交互和指令收发。实时时钟电路原理图如图6所示。
[0049] 在软件调试过程中，软件工程师通常使用类似printfO的函数实现与运行中程序 的互动，及时获知软件运行的状态及软件内部各关键变量参数。在嵌入式平台上，显示设备 往往并非必须。为了方便软件的调试，通常需要引出一组信号用于软件的状态监测。在诊断 数据云共享终端设备中，引出一组UART信号，并将其转换为笔记本电脑容易识别的USB信 号，供调试使用。PL-2303HX是一款USB-UART的USB总线收发器，可以便捷地实现UART到USB 信号的转换，可根据软件的设置将串口信息传递至调试用笔记本电脑内。调试接口电路原 理图如图7所示。
[0050] 所述MCU模块作为车载诊断数据共享终端系统的核心，是诊断数据接收、处理和转 发的核心枢纽，也是协调各子系统之间工作逻辑和时序的枢纽。微处理单元（Micro Contro 1 Uni t，MCU)是嵌入式计算机控制系统的核心，MCU芯片的运算能力和接口类型直接 决定了系统的性能。为了保证MCU芯片的平稳正常工作，便于设备的调试和管理，嵌入式系 统还需要一系列配合MCU芯片的辅助电路。上述辅助电路与MCU芯片组成了MCU模块。在诊断 数据共享终端的设计中，MCU模块主要包括MCU芯片、内存单元、MCU监督电路和程序下载接 口。根据诊断数据共享终端的系统架构，Μ⑶模块需要与三大子系统通过SPI、UART、FMC总线 等接口相连。为了保证车载计算机接口子系统的数据得到快速的处理，MCU的主频也应当做 恰当考虑。
[0051 ]本实施例中诊断数据共享终端选用ARM Cortex-M4系列内核作为本系统的MCU内 核。C〇rteX-M4系列微处理器是ARM公司推出的新型32位低成本、高性能的通用微处理器内 核，其出色的计算能力、低功耗和低成本是的这一内核得以广泛应用于工业控制、交通运输 和汽车电子等领域，是当前主流微处理器内核的典型代表，代表着当前微处理器内核发展 的趋势。Cortex-M4内核具有以下特性：
[0052] l)C〇rteX-M4是基于哈佛结构的处理器，它使用两个独立的存储器模块分别存放 指令和数据，同时使用两条总线分别作为CHJ与两个存储器模块的通信，这一并行处理结构 使得Cortex-M4内核在运算速率上相比比冯?诺依曼的处理器有明显优势；
[0053] 2)主频最高可达180MHz;
[0054] 3)运算能力高达225DMIPS(1.25DMIPS/MHz);
[0055] 4)支持Thumb-2指令集，以16位的代码密度带来了32位处理器的性能；
[0056] 5)支持单周期乘法指令和硬件除法指令；
[0057] 6)内置快速的中断控制器，具备优越的实施特性，中断间的延迟时间只需要6个 (PU周期，从低功耗模式唤醒的时间也只需要6个CPU周期。
[0058]在本实施例中选择意法半导体公司生产的STM32F4系列微处理器作为Μ⑶。根据诊 断数据共享终端系统架构设计，MCU模块与三大子系统及辅助外围电路的链接共需要至少2 组SPI控制器、3组UART控制器和一组可变内存控制器(Flexible Memory Control，FMC)。综 合上述接口要求，在本实施例中选择STM32F429ZGT6芯片作为HSTM43F429ZGT6采用 LQFP144封装，具有144个10 口。其性能包括：
[0059] 1) 1MB的内部数据存储空间；
[0060] 2)具备外部可变内存控制器(Flexible External Memory Controller)，支持最 高32位数据总线和24位地址总线，支持Flash/NOR/NAND三种形式的内存。
[0061 ] 3)支持从1.8V到3.6V的电源制式；
[0062] 4)支持睡眠、暂停和休眠三种低功耗模式，
[0063] 5)内置12个计时器，计时频率最高可达180MHz最多12个16位计时器或2个32位计 时器；
[0064] 6)支持包括JTAG和SWD在内的多种调试接口，同时支持Cortex_M4专用的Embedded Trace Macrocell调试方式；
[0065] 7)同时支持6组SPI接口或2组I2S接口、3组I2C、4组通用同步/异步串行数据收发 器(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver&Tansmitter，USART)，2组CAN总线接 口和 SDI0接口；
[0066] 8)最多114根可用于包括外部中断处理的多用途输入/输出端口（General Purpose In/0ut,GPI0)
[0067] 9)内置真随机数生成器和CRC校验单元。
[0068] 此外，STM43F429ZGT6还具备USB-0TG、液晶显示器并行接口等高级功能，由于在诊 断数据共享终端的设计中并未投入应用，此处不再一一赘述。CorteX-M4内核与各外设通过 AHB总线相连。
[0069] 为保证MCU芯片的稳定，系统选用了 8M无源晶振作为外部时钟源。为了保护芯片免 受电源波动和外界干扰的影响，MCU的电源引脚附近都布置了退耦合电容。
[0070] 根据车载系统厂商的技术资料，车载系统产生的诊断数据量不超过50MB每小时， 但其产生速率并不稳定，客观上存在大量数据短时间内快速堆积的可能。为了应对上述情 况，保证设备的可用性和稳定性，保障数据安全，MCU模块设有片外内存单元。FMC总线是一 种常用的主一从式内存扩展接口，通常由地址总线、数据总线和片选、读/写使能、高/低字 节控制等辅助信号组成。Μ⑶通常是总线主机，而内存等其他设备通常作为FMC从设备。FMC 的总线信号类型如表1所示。表中片选、使能等信号通常为低电平有效，其名称前通常带有 Ν〇
[0071] 表1 FMC总线信号
[0073] 地址总线是MCU向FMC总线设备告知即将读/写的内存单元地址的信息通道，由FMC 主机控制。数据总线是读/写过程中内存单元内的数据信息通道。NEx是芯片选择信号，当且 仅当当该信号为低电平时，F MC总线设备将对MCU的控制作出反应；电路设计过程中必须为 每一个FMC从机安排一根NEx信号线，由FMC主机通过控制该信号协调各从机的工作时序。 Ν0Ε和NEW分别为从机的输入(读）和输入（写)使能信号，两者相互排斥，均为低电平有效。 NBL [ 1:0 ]为一组两位的控制线，当FMC主机通过8位数据总线访问16位内存或通过16位内存 访问32位内存时，用于协调高低字节的先后输入。当NBL为10B时，表示当前读/写的数据为 高字节，01B为低字节，11B或00B时从机将不作任何反应。
[0074]当MCU通过FMC总线访问内存芯片时，需要逐个操作片选、写/读使能，通过地址总 线输入地址和分别输入高/低字节控制信号，通过数据总线进行数据的读写。以写内存为 例，一次内存写入周期内，各信号的状态如图8所示。
[0075] MCU操作片选信号置低，根据程序要求控制高/低字节选择信号置高/低，控制地址 总线为当前即将写入的内存单元地址。由于当前执行的是写操作，所以将读使能置高。上述 动作完成后，主机需要等待从机正确读取地址，这一等待时间通常被称为地址载入时间 (Address Setup Time)。当主机控制NWE信号置低并向数据总线写入数据时，从机开始读取 当前数据总线上的内容，并将其写入相应内存单元。总线数据和NWE的状态需要保持一段时 间以等待从机正确读取数据，这一等待时间称为数据载入时间(Data Setup Time)。为了保 证数据读取的完整可靠，主机通常会在NWE信号归位后，将数据再保持一个额外的芯片周 期。
[0076] 本实施例中选用ISSI公司的IS62WV102416ALL型静态随机存储器(Static Random Access Memory,SRAM)作为MCU模块的片外内存。SRAM IS62WV102416ALL芯片支持最多20位 地址总线和1 6位数据总线，内部集成了 1兆1 6位存储单元，相当于2 Μ B内存。 IS6 2WV10 2416ALL通过FMC总线与Μ⑶芯片相连，MCU模块可以便捷地访问内存空间，实现存 储空间的扩展，增大缓存区容量，以应对短时大量数据堆积。
[0077] 为了保证系统的稳定性，在系统控制器外部增加系统监督电路，在系统由于外部 冲击及系统软件意外崩溃时，能引导系统复位重启。监督电路通过WDI和RESET两根信号线 与核心MCU相连，电路又称"看门狗"。CHJ通过WDI引脚周期性地向监督芯片发送"喂狗"信 号，则监督电路不作动作;若监督电路在其一个预设复位周期内未收到MCU的信号，则认为 MCU出现了异常状况，软件已经崩溃，则激活RESET信号引导MCU复位。笔者此处选择 CAT706SVI作为监督电路核心芯片。MCU监督电路原理图如图9所示。
[0078]程序下载接口是芯片软硬件结合的桥梁。联合测试工作组（Joint Test Action Group JTAG)是一种由IEEE1149.1标准兼容的国际标准测试协议，主要用于芯片内部的程 序下载和在线调试。JTAG是目前Μ⑶，DSP，FPGA，CPLD等芯片产品最主流的烧录和调试接口。 核心MCU STM32F429芯片提供JTAG接口。JTAG接口标准要求包括TMS，TCk，TDI，TD0四根信号 线，同时SM32芯片还要求复位(RST)信号线若干。JTAG接口电路如图10所示。
[0079] 所述车载计算机接口子系统与所述车载计算机(V0BC)连接。所述车载计算机接口 子系统用于提供与车载系统信息交互的以太网接口且与所述MCU模块通过FMC总线连接。
[0080] 所述车载计算机接口子系统是诊断数据共享终端设备与车载计算机的实现信息 交互的门户。该车载计算机接口子系统与车载计算机建立TCP连接，接收车载计算机发出的 包含诊断数据信息的数据包，利用本地的TCP协议栈将数据包按照TCP/IP协议解析，将TCP 包中的数据域内容存储在本地的FIFO存储区内，并通过中断事件的形式告知MCU模块，等待 MCU模块的调用命令。当MCU模块访问车载计算机接口子系统时，子系统将接收到的信息按 照一定规则汇报给MCU模块，并清空本地缓存区，等待后续数据的到来。
[0081] 在车载计算机接口子系统中，TCP/IP协议的实现是该系统的核心功能。这一功能 主要体现在：当作为TCP服务器接收到外界的TCP连接和断开连接请求时，能自动作出正确 的应答；当接收到外界的TCP数据包时，能正确地解析数据包，验证其有效性，并提取其中的 关键信息以供MCU模块调用；当接收到MCU的数据发送指令后，将其以正确的格式打包并发 送。通过软件实现上述功能往往需要大量的芯片计算资源，往往伴随着较差的实时性。 [0082]在该车载计算机接口子系统的设计中，本实施例中选用WIZnet公司的W5300芯片 作为系统的核心处理器。W5300是一款0.18μπι CMOS工艺的单芯片器件，内部硬件集成了集 成10/100M以太网控制器、MAC和TCP/IP协议栈，内部锁相环输出达到150MHz，可以非常便捷 地实现以太网/Internet连接。由于其硬件实现的协议栈，其处理性能远超其他通过软件实 现协议栈的解决方案。
[0083] W5300芯片提供直接地址访问的主机接口，可通过最高16位数据总线和10位地址 总线访问其内部寄存器空间。在这一模式下，设计者通常运用主机上可变内存控制 (Flaxible Memory Control，FMC)功能的将这类芯片的内存空间映射到MCU主机的存储空 间内，进而在编程时可以方便地访问芯片的内存。W5300的存储器映射空间共计0x400字节， 在主机当中的映射地址表示为基地址(Basic Address)-偏移量的形式，即：寄存器物理地 址=主机存储器空间的基地址+W5300寄存器偏移量。
[0084] W5300的内存空间由模式寄存器（Mode Registers)，通用寄存器（Common Registers)和端口寄存器(SOCKET Registers)三部分组成。其内存空间分配及其各自偏移 量如图11所示。模式寄存器共计2字节，用于设置W5300与主机的接口形式，数据位宽，数据 读写访问时序参数等基本模式参数。
[0085] 通用寄存器共计254字节，可用于配置包含本地MAC地址寄存器、网关地址寄存器、 本机IP地址寄存器等以太网主机的关键参数和包括中断寄存器、各端口缓存区大小配置寄 存器、引脚配置寄存器等配置信息。这一部分寄存器内容通常在W5300与主机的互动过程中 承担基础性的向导性的功能。
[0086] 端口寄存器供分为8组，对应W5300的8个端口。每组寄存器空间共计64字节，结构 相同。主机访问端口寄存器可读取或配置包括端口模式、端口中断类型、端口号、目标端口 号、目标IP等信息，或者通过向端口指令寄存器内写入特定值向W5300发出特定的指令。特 别地，出于稳定性和开发的便捷性的考虑，W5300的发送和接收缓存空间不可以直接访问。 当主机箱W5300提出发送数据请求或接收数据请求时，需要通过端口寄存器中的发送(接 收)FIFO寄存器，将W5300缓存空间内的数据逐字节取出。W5300将自动检测主机在FIFO寄存 器内读操作的过程，并自动更新寄存器数据。
[0087] W5300通过FMC总线以及配套片选、读/写使能、中断、复位等信号线与MCU连接，因 此接口插板上设有两块40Pin插头与底板插座相配合，将上述信号传递至MCU引脚。接口插 板上同时还设有RJ45插头与外部以太网电缆连接。W5300与RJ45插头周围还设有若干退耦 合电容、滤波电路、晶振等器件，为芯片的安全稳定运行提供必要的保障。
[0088]所述MCU模块与所述云共享接口子系统通过UART(通用异步串口收发器)连接，并 将车载诊断数据上传至云端。所述云共享接口子系统与诊断数据云连接。
[0089]云共享接口子系统主要承担将车载诊断数据上传至云端，与上位服务器簇通信， 实现诊断数据实时共享的功能。基于互联网建立在线可扩展、在线可容错的数据共享系统 是可行的。基于城市轨道交通列车运行的移动性，数据的无线远程传输是必要的。现有的的 多种通信方式都可以实现数据的无线远程传输，此处必须结合系统的实际需要，综合考虑 其可靠性、实用性和应用成本等因素，选择合适的传输方式。主流的无线通信技术包括:基 于802.11的无线局域网技术，无线数传电台，GSM(短信），GPRS和以W-CDMA技术为代表的3G， 其技术特点如表2所示。
[0090] 表2主流无线通信技术特点比较
[0091]
[0092]基于802.11的WLAN技术成熟，传输稳定，应用广泛;但其单台设备覆盖范围较小， 需要在城市轨道交通全线覆盖WLAN接入设备，成本较高;特别地，当代城市轨道交通均已采 用基于通信的列车控制系统(Communication Based Train Control，CBTC)，该系统的无线 数据通信也采纳了 802.11标准并工作在2.4GHz频段上，若采用该方案将存在影响列车正常 行车的可能性，因此不予考虑。无线数传电台设备简单，但考虑到车载系统的诊断 数据传输 量峰值为50兆字节每小时，电台的传输速率难以满足要求。GSM短信的方式同样难以满足这 一要求。GPRS和以W-CDMA为代表的3G在传输速率、实时性、工程可行性等方面都可以满足车 载诊断数据云共享的需求。GPRS的传输速率虽有劣势，但已经可以基本满足本项目的需求， 其在资费方面有较大的优势，且其在嵌入式系统领域应用更为广泛，技术成熟;W-CDMA传输 速率远超系统需求，但资费上比较昂贵，且其在嵌入式系统领域应用尚不成熟。而本地电信 运营商的GPRS蜂窝无线网络已经十分成熟，即使在城市轨道交通隧道中也有覆盖。本实施 例中选择通过运营商GPRS接入Internet的方式实现车载诊断数据实时共享。
[0093]在诊断数据云共享接口子系统中，本实施例中选用QuecTel公司M35型GPRS模块作 为子系统的核心处理设备。M35模块支持多种GPRS/GSM频段，可以兼容中国移动与中国联通 两家运营商全部的GPRS基站;其内嵌网络服务协议栈，支持多个Socket和IP地址，开发者通 过简单的串口指令即可方便地调用GPRS协议栈;M35模块提供SM卡接口，通过安装运营商 的SM卡并支付移动通信资费即可方便地实现互联网的接入。除此之外，M35模块还向下兼 容GSM的电话、短信功能。
[0094] M35模块核心电路如下:M35模块10脚PWRKEY由核心MCU模块控制，通过高低电平对 M35进行开机/关机操作。12脚STATUS引脚通过其高低电平表示M35的开/关机状态，供MCU参 考。右侧S1器件为SM卡座，上方的CN2位SMA天线。M35的22脚和21脚为其与MCU通信的串口 收发引脚，右侧设有插头CN100用于软硬件调试时对MCU的控制指令监控。下方的U6逻辑器 件和LED3构成LED指示电路，在控制串口上执行数据的收发动作时，控制LED的闪烁，为调试 提供方便。电路还设有其他退耦合电容，为模块的稳定运行提供支持。
[0095] 所述MCU模块与所述辅助外围电路连接。所述辅助外围电路主要用于实现电源、调 试接口、复位、时间信息等外围功能，为核心模块的正常运行提供必要的支撑。
[0096] 所述本地存储子系统与SD卡连接。本地存储子系统是诊断数据的安全保障，是诊 断数据云共享系统在无线数据链路异常时的后备功能，是列车在极端状况、重大事故后数 据分析的关键依据，同时也为一线的运营维护人员日常的数据维护提供方便。目前主流的 存储介质种类甚多，考虑到工程对设备体积和质量的要求颇为苛刻，对于数据存储量的要 求稍低，本实施例中将不考虑硬盘作为存储介质，着重考虑轻便、小巧且能够与嵌入式系统 平台对接的存储卡作为候选对象。主流的存储卡有CF卡（Compact Flash )、MMC卡 (MultiMedia Card)、SD卡（Secure Digital Card)、SM卡（Smart Media)几种，现对几种存 储卡的参数统计如表3所示。
[0097] 基于表中数据，CF卡由于其体积和质量上的劣势，不宜选用；SM卡由于其容量过 小，且其专用接口在嵌入式MCU实现困难，故不宜选用;MMC卡与SD卡技术类似，接口也相互 兼容，但 SD卡在容量上有明显优势，成为了诊断数据本地存储的最佳实现形式。2010年2月， SanDisk公司推出目前容量最大的SD卡，容量达到64GB，读取最高可达15MB/秒，完全可以满 足车载诊断数据处理速率的需求。
[0098] 表3主流便携式存储介质性能对比
[0101] 车载计算机产生的诊断数据以FAT32文件的形式存储在SD卡内。FAT(File Allocation Table)是由微软设计的一种实用的文件系统。最早的FAT文件系统采用16位的 空间来表示每个扇区配置文件，因此称之为FAT16。由于FAT16文件系统磁盘分区最大只能 到2GB，不支持大分区、单位簇容量大以致空间几句浪费等缺点，FAT32逐渐普及并成为广泛 使用的文件系统。FAT文件系统下的SD卡可以被使用WINDOWS系统的PC直接识别，十分便于 维保人员的日常检查工作。
[0102] 为了将零散的诊断数据按照FAT32的格式组织成为文件，诊断数据本地存储子系 统使用了一块独立的MCU用作SD卡文件的读写和管理，以降低核心MCU的工作负荷。为了开 发的方便，本实施例中选用了与核心MCU同厂家、同内核、同开发平台的STM32F405RGT6作为 SD卡管理芯片。该芯片同样以ARM 32位Cortex-M4为内核，主频最高168MHz，运算能力 210DMIPS。芯片采用LQFP64封装，外形小巧，可以同时激活两组SPI总线接口和两组UART接 口，完全可以满足子系统对SD卡管理的处理需求。
[0103] SD卡由SD卡管理芯片通过SPI接口控制数据的读写过程。同时，SD卡管理芯片通过 另一组SPI接口与核心MCU相连。此外，为了便于快速获知SD卡管理芯片的工作状态，SD卡芯 片用一位GPI0口的高低电平状态来表达空闲/忙碌状态。为了方便设备的调试，SD卡管理芯 片上引出了一组通用异步串口，并通过SP3222型RS-232串口收发器转换为RS-232串口信 号，用作软硬件调试时的调试信息接口。本地存储插板与底板之间通过两组20Pin插头与底 板的插槽配合，将上述信号传递至核心MCU的引脚上。插板上还设有SD卡插槽和SD卡配合， SP3222EEA型RS-232总线收发器芯片用于生成RS-232信号，CAT706SVI型外部复位芯片用于 应对管理芯片的异常状况。此外，SD卡管理芯片周边还设有退耦合电容、滤波电路和用于保 证芯片的正常运行，JTAG接口用于程序下载，三枚贴片型LED分别用于指示插板的电源状态 和数据的收发状态。
[0104]该系统可直接与车载计算机对接，通过与车载计算机的信息交互获取诊断数据， 并根据系统的需求通过无线通信实现诊断数据的实时共享，具备充裕的数据处理能力以应 对诊断数据的流量。终端设备具备将车载计算机产生的诊断数据快速、可靠地处理并转发 至数据云端的能力，以满足在线诊断和故障快速排查的需要。云共享功能在考虑数据流量 的同时，可充分保证数据的完整性和可靠性，严格控制在线诊断的误诊率和虚警率指标。
[0105]本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方 案，均落在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种车载诊断数据共享终端系统，其特征在于:包括装载有软件的车载诊断数据共 享终端，所述车载诊断数据共享终端通过辅助外围电路与电源和用于对软件性能进行调试 的调试接口连接，所述车载诊断数据共享终端还连接有车载计算机和诊断数据云并进行双 向通信。2. 根据权利要求1所述的车载诊断数据共享终端系统，其特征在于:所述电源通过所述 辅助外围电路为所述车载诊断共享终端提供110V直流电。3. 根据权利要求1所述的车载诊断数据共享终端系统，其特征在于:所述车载诊断数据 共享终端还连接有一诊断数据云，所述诊断数据云用于实现诊断数据实时共享。4. 根据权利要求1所述的车载诊断数据共享终端系统，其特征在于:所述电源包括一级 电源电路和二级电源电路。5. 根据权利要求4所述的车载诊断数据共享终端系统，其特征在于:所述一级电源电路 包括插头、电源滤波器和AC-DC转换器，电源滤波器的输入端与插头电连接，电源滤波器的 输出端与AC-DC转换器的输入端电连接，AC-DC转换器的输出端为一级电源电路输出端。6. 根据权利要求4所述的车载诊断数据共享终端系统，其特征在于:所述二级电源电路 包括第一个电源电路和第二个电源电路，所述第一个电源电路包括稳压芯片和发光二极 管，所述稳压芯片的输出端与所述发光二极管的输入端连接。7. 根据权利要求6所述的车载诊断数据共享终端系统，其特征在于:所述第二个电源电 路包括MIC29302稳压器、电阻R32和电阻R36,所述MIC29302芯片的OUT脚与电阻R32-端电 连接，电阻R32另一端与MIC29302芯片的ADJ脚和电阻R36-端电连接，电阻R36另一端接地。
【专利摘要】本发明揭示了一种车载诊断数据共享终端系统，该系统包括装载有软件的车载诊断数据共享终端，车载诊断数据共享终端通过辅助外围电路与电源和用于对软件性能进行调试的调试接口连接，车载诊断数据共享终端还连接有车载计算机和诊断数据云并进行双向通信，所述电源包括一级电源电路和二级电源电路，一级电源电路包括插头、电源滤波器和AC-DC转换器，电源滤波器的输入端与插头电连接，电源滤波器的输出端与AC-DC转换器的输入端电连接，AC-DC转换器的输出端为一级电源电路输出端。该电源模块可为整个终端设备提供电能，该电源系统通过两级转换电路，将外部直流电源转换为直流制式的电源供半载电子元器件使用。
【IPC分类】G05B23/02
【公开号】CN105487532
【申请号】CN201610094456
【发明人】曾小清, 沈拓, 顾友淇, 边冬, 李健, 王维旸, 陈宇佳, 王刚
【申请人】上海果路交通科技有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年2月19日
【技术领域】
[0001] 本发明属于交通运输工程技术领域，具体涉及一种车载诊断数据共享终端系统。
【背景技术】
[0002] 诊断数据共享终端设备是诊断数据云共享与在线诊断系统中最前端的数据采集 装置，它直接与车载计算机对接，通过与车载计算机的信息交互获取诊断数据，并根据系统 的需求通过无线通信实现诊断数据的实时共享。
[0003] 车载计算机的诊断接口形式是以太网接口，诊断过程按照以太网TCP/IP协议进行 通信。根据信号系统产品技术文档中的技术指标，每小时产生的诊断数据量不超过50兆字 节。终端设备必须适应车载计算机的接口形式和通信协议，并且具备充裕的数据处理能力 以应对诊断数据的流量。
[0004] 终端设备应当具备将车载计算机产生的诊断数据快速、可靠地处理并转发至数据 云端的能力，以满足在线诊断和故障快速排查的需要。云共享功能在考虑数据流量的同时， 应充分保证数据的完整性和可靠性，严格控制在线诊断的误诊率和虚警率指标。同时，从工 程角度充分考虑到设计的可行性和成本。
[0005] 此外，考虑到云共享功能对于通信和网络环境的依赖，为了进一步确保数据的完 整性，便于运管人员进行日常维护，终端设备应当将接收到的诊断数据实时存储在本地的 存储介质上。参照航空和航海领域的飞行(航行)记录仪的设计理念，这一存储介质应当坚 固可靠，在出现极端状况或重大事故时，为事故分析和隐患排查提供可靠依据。
[0006] 综上所述，城轨车载诊断数据云共享终端设备应当满足如下功能：
[0007] 1)与车载计算机的通信接口； 2)恰当的无线车地通信功能;3)数据本地存储功能。 在实现上述功能的同时，应从工程角度充分考虑城市轨道交通车辆的运行环境，满足城市 轨道交通车辆电子电气设备的各项技术指标限制，适应车载设备的供电制式。
[0008] 近年来，随着现代工程的技术要求不断提高，微控制系统在运算能力、体积、功耗 等方面面临着越来越严峻的挑战。在这一背景下，嵌入式系统由于其体积和功耗可控，运算 能力较强，开发周期短，运用灵活，适应性强等特点，逐渐成为基于微控制器的控制系统的 主要实现形式。
[0009] 嵌入式系统，是以专门应用为目的，以计算机技术为基础，软硬件可以剪裁，适应 于系统对功能、可靠性、成本、大小、功耗等有严格要求的专用计算机系统。在嵌入式系统 中，嵌入式软件与嵌入式底层硬件集成于一体，实现软件与硬件的高度统一。此外，由于嵌 入式系统可高度自定义，其应用场景遍布工业控制、医疗、网络通信、汽车、消费类电子产 品、办公自动化产品等各领域。由于嵌入式系统的应用随着需求的改变不断地发展演化， "嵌入式系统"的定义也是不断变化发展的。嵌入式系统通常具有如下特点：
[0010] 1)嵌入式系统在硬件和软件功能上现对于个人计算机(PC)更为有限。得益于软硬 件方面的可裁剪，嵌入式系统软硬件功能更强调其可用性和性价比；
[0011] 2)嵌入式系统是为执行专用功能而设计的。相对于PC，嵌入式系统更强调其专用 性；
[0012] 3)嵌入式系统是比其他类型的计算机系统具有更高品质和可靠性要求的计算机 系统。由于嵌入式系统应用领域经常涉及安全(如工业控制、汽车、交通、医疗等），一旦出现 意外状况，将有可能产生严重后果，而PC多用于辅助人的计算和信息处理，可以容忍一定程 度的实效。
[0013] 近年来，新型的体系结构工具（参考模型）也被引入嵌入式系统领域。这一系统结 构模型本质上是嵌入式系统体系内容的分层(模块化)表示。通过将嵌入式系统内部的组件 可视化和分组为"层"，复杂嵌入式系统的体系结构将变得更加清晰而容易理解，也为设计 带来了诸多便利。嵌入式系统结构模型表示，所有的嵌入式系统在其结构上都具有共同性。
[0014] 硬件层是所有嵌入式系统都必须包含的逻辑层，它包含位于嵌入式电路板上所有 的主要物理部件；系统软件层主要指代运行于硬件层上的用于管理计算机软硬件资源、协 调多线程运行的底层软件，系统软件层通常具有一定的通用性，通常包括设备驱动程序和 操作系统，后者在功能并非十分复杂的嵌入式系统中这一部分并非是必须的；应用软件层 指代直接用于实现嵌入式系统功能的应用软件，是嵌入式系统预期逻辑功能的载体，在少 数用于演示、教学、研究的嵌入式系统中是可选的。
[0015] 综合考虑城轨列车车载诊断数据共享终端设备的功能及性能需求，嵌入式系统由 于其软硬件系统可高度自定义，功能可裁剪，功耗可控，体积可控，设计灵活等方面的特点， 成为了实现诊断数据共享终端设备的最佳实现形式。
[0016] 因此，需要提出一种车载诊断数据共享终端系统可最大程度地满足车载数据量对 共享终端系统内的数据处理能力需求，所以为该系统提供电能的电源系统就成了研究的重 点和难点。
【发明内容】
[0017] 鉴于上述现有技术存在的不便，本发明的目的是提出一种车载诊断数据共享终端 系统，电源系统通过两级转换电路，将外部直流电源转换为制式电源，该系统通过车载计算 机接口子系统获取车载诊断数据，将该车载诊断数据写入本地存储子系统，同时通过云共 享接口子系统上传至云端。
[0018] 本发明的目的，将通过以下技术方案得以实现：
[0019] -种车载诊断数据共享终端系统，包括装载有软件的车载诊断数据共享终端，所 述车载诊断数据共享终端通过辅助外围电路与电源和用于对软件性能进行调试的调试接 口连接，所述车载诊断数据共享终端还连接有车载计算机(V0BC)和诊断数据云并进行双向 通信。
[0020] 优选地，所述电源通过所述辅助外围电路为所述车载诊断共享终端提供110V直流 电。
[0021] 优选地，所述车载诊断数据共享终端还连接有一诊断数据云，所述诊断数据云用 于实现诊断数据实时共享。
[0022] 优选地，所述电源包括一级电源电路和二级电源电路。
[0023] 优选地，所述一级电源电路包括插头、电源滤波器和AC-DC转换器，电源滤波器的 输入端与插头电连接，电源滤波器的输出端与AC-DC转换器的输入端电连接，AC-DC转换器 的输出端为一级电源电路输出端。
[0024] 优选地，所述二级电源电路包括第一个电源电路和第二个电源电路，所述第一个 电源电路包括稳压芯片和发光二极管，所述稳压芯片的输出端与所述发光二极管的输入端 连接。
[0025] 优选地，所述第二个电源电路包括MIC29302稳压器、电阻R32和电阻R36,所述 MIC29302芯片的OUT脚与电阻R32-端电连接，电阻R32另一端与MIC29302芯片的ADJ脚和电 阻R36-端电连接，电阻R36另一端接地。
[0026] 本发明的突出效果为:该电源模块可为整个终端设备提供电能，该电源系统通过 两级转换电路，将外部直流电源转换为直流5V、3.3V和4.1V等多种制式的电源供半载电子 元器件使用，调试接口可根据软件的设置将串口信息传递至调试用存储器内。
[0027] 以下便结合实施例附图，对本发明的【具体实施方式】作进一步的详述，以使本发明 技术方案更易于理解、掌握。
【附图说明】
[0028] 图1是本发明车载诊断数据共享终端系统架构图；
[0029]图2是本发明一级电源电路原理图；
[0030] 图3是本发明二级电源电路的第一级电路原理图；
[0031] 图4是本发明二级电源电路的第二级电路原理图；
[0032] 图5是本发明离线存储器的电路原理图；
[0033] 图6是本发明实时时钟的电路原理图；
[0034]图7是本发明USB调试接口电路原理图；
[0035]图8是本发明PMC总线写数据过程图；
[0036] 图9是本发明Μ⑶监督电路原理图；
[0037]图10是本发明程序下载接口电路示意图；
[0038]图11是本发明W5300内存映射示意图。
【具体实施方式】
[0039] 本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和 解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而 形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
[0040] 如图1所示，一种车载诊断数据共享终端系统，包括装载有软件的车载诊断数据共 享终端，所述车载诊断数据共享终端通过辅助外围电路与电源和用于对软件性能进行调试 的调试接口连接，所述车载诊断数据共享终端还连接有车载计算机(V0BC)和诊断数据云并 进行双向通信。所述车载诊断终端数据共享终端系统还包括有MCU模块，所述MCU模块分别 与车载计算机接口子系统、云共享接口子系统、本地存储子系统和辅助外围电路连接。 [0041]在该系统中，所述电源模块为整个终端设备提供电能。列车车载电器设施将为诊 断数据共享终端提供110V直流电源。电源系统通过两级转换电路，将这一外部电源转换为 直流5V、3.3V和4. IV三种制式的电源供半载电子元器件 使用。
[0042]所述电源通过所述辅助外围电路为所述车载诊断共享终端提供110V直流电。所述 电源包括一级电源电路和二级电源电路。
[0043] 一级电源电路原理图如图2所示，所述一级电源电路包括插头、电源滤波器和AC-DC转换器，电源滤波器的输入端与插头电连接，电源滤波器的输出端与AC-DC转换器的输入 端电连接，AC-DC转换器的输出端为一级电源电路输出端。
[0044] 外界110V直流电源经过插头CN3引入，D3为电源提供反接保护，R33为压敏电阻，当 电压超过一定阈值时其阻值将迅速降低，为板载电路提供过压保护。U9器件为EMI电源滤波 器，主要起衰减共模干扰的作用，提高电源品质，U10为AC110V-DC5V交流器件，输入110V交 变电源，输出5V直流电源，C33和EC2用于低通滤波提高电源品质。
[0045] 二级电源电路原理图如图3和如图4所示，所述二级电源电路包括第一个电源电路 和第二个电源电路，所述第一个电源电路包括稳压芯片和发光二极管，所述稳压芯片的输 出端与所述发光二极管的输入端连接。所述第二个电源电路包括MIC29302稳压器、电阻R32 和电阻R36,所述MIC29302芯片的OUT脚与电阻R32-端电连接，电阻R32另一端与MIC29302 芯片的ADJ脚和电阻R36-端电连接，电阻R36另一端接地。
[0046] U11和U8分别将输入的直流5V转换为直流3.3V和4. IV。特别地，4. IV交流电路设有 外部参考引脚，输出电压值是通过R32和R36大小比例调节而来。3.3V电源电路中设有LED4 作为电源指示灯。两组电源电路中都设有滤波电容，以期提高电源的品质，保证电子元器件 的供电平稳。
[0047]离线存储器为诊断数据云共享终端提供断电期间的信息存储功能。当设备断电 后，设备的身份辨识信息、模式配置等信息将需要依赖离线存储器保护。笔者在此处选择 FM25L512型铁链存储器作为离线存储器。FM25L512与核心MCU模块通过一组SPI总线实现信 息交互。芯片的电源引脚上设有C43电容作退耦合用，保证芯片的平稳运行。离线存储器电 路如图5所示。
[0048]出于诊断数据信息的完整性考虑，便于数据的检索，诊断数据云共享设备在每一 条诊断数据的共享过程中需要为数据加入时间戳，因此需要设备能够时刻获知时间信息， 即使终端设备断电也不受影响。在本实施例中选用RX8025SA型实时时钟芯片作为实时时钟 电路的核心。RX8025SA内置万年历，可以自行计算并提供当前的日、月、年、星期日等信息， 可以识别至2099年前的闰年。芯片同时具有"闹钟"功能，经过配置后可以在指定时间向CPU 发出中断请求。为了保持实时时钟在设备断电后不随之离线，实时时钟电路内设有一块 3.3V纽扣电池，为该电路提供电源供应。RX8025通过一组12C总线与MCU模块相连，实现信息 交互和指令收发。实时时钟电路原理图如图6所示。
[0049] 在软件调试过程中，软件工程师通常使用类似printfO的函数实现与运行中程序 的互动，及时获知软件运行的状态及软件内部各关键变量参数。在嵌入式平台上，显示设备 往往并非必须。为了方便软件的调试，通常需要引出一组信号用于软件的状态监测。在诊断 数据云共享终端设备中，引出一组UART信号，并将其转换为笔记本电脑容易识别的USB信 号，供调试使用。PL-2303HX是一款USB-UART的USB总线收发器，可以便捷地实现UART到USB 信号的转换，可根据软件的设置将串口信息传递至调试用笔记本电脑内。调试接口电路原 理图如图7所示。
[0050] 所述MCU模块作为车载诊断数据共享终端系统的核心，是诊断数据接收、处理和转 发的核心枢纽，也是协调各子系统之间工作逻辑和时序的枢纽。微处理单元（Micro Contro 1 Uni t，MCU)是嵌入式计算机控制系统的核心，MCU芯片的运算能力和接口类型直接 决定了系统的性能。为了保证MCU芯片的平稳正常工作，便于设备的调试和管理，嵌入式系 统还需要一系列配合MCU芯片的辅助电路。上述辅助电路与MCU芯片组成了MCU模块。在诊断 数据共享终端的设计中，MCU模块主要包括MCU芯片、内存单元、MCU监督电路和程序下载接 口。根据诊断数据共享终端的系统架构，Μ⑶模块需要与三大子系统通过SPI、UART、FMC总线 等接口相连。为了保证车载计算机接口子系统的数据得到快速的处理，MCU的主频也应当做 恰当考虑。
[0051 ]本实施例中诊断数据共享终端选用ARM Cortex-M4系列内核作为本系统的MCU内 核。C〇rteX-M4系列微处理器是ARM公司推出的新型32位低成本、高性能的通用微处理器内 核，其出色的计算能力、低功耗和低成本是的这一内核得以广泛应用于工业控制、交通运输 和汽车电子等领域，是当前主流微处理器内核的典型代表，代表着当前微处理器内核发展 的趋势。Cortex-M4内核具有以下特性：
[0052] l)C〇rteX-M4是基于哈佛结构的处理器，它使用两个独立的存储器模块分别存放 指令和数据，同时使用两条总线分别作为CHJ与两个存储器模块的通信，这一并行处理结构 使得Cortex-M4内核在运算速率上相比比冯?诺依曼的处理器有明显优势；
[0053] 2)主频最高可达180MHz;
[0054] 3)运算能力高达225DMIPS(1.25DMIPS/MHz);
[0055] 4)支持Thumb-2指令集，以16位的代码密度带来了32位处理器的性能；
[0056] 5)支持单周期乘法指令和硬件除法指令；
[0057] 6)内置快速的中断控制器，具备优越的实施特性，中断间的延迟时间只需要6个 (PU周期，从低功耗模式唤醒的时间也只需要6个CPU周期。
[0058]在本实施例中选择意法半导体公司生产的STM32F4系列微处理器作为Μ⑶。根据诊 断数据共享终端系统架构设计，MCU模块与三大子系统及辅助外围电路的链接共需要至少2 组SPI控制器、3组UART控制器和一组可变内存控制器(Flexible Memory Control，FMC)。综 合上述接口要求，在本实施例中选择STM32F429ZGT6芯片作为HSTM43F429ZGT6采用 LQFP144封装，具有144个10 口。其性能包括：
[0059] 1) 1MB的内部数据存储空间；
[0060] 2)具备外部可变内存控制器(Flexible External Memory Controller)，支持最 高32位数据总线和24位地址总线，支持Flash/NOR/NAND三种形式的内存。
[0061 ] 3)支持从1.8V到3.6V的电源制式；
[0062] 4)支持睡眠、暂停和休眠三种低功耗模式，
[0063] 5)内置12个计时器，计时频率最高可达180MHz最多12个16位计时器或2个32位计 时器；
[0064] 6)支持包括JTAG和SWD在内的多种调试接口，同时支持Cortex_M4专用的Embedded Trace Macrocell调试方式；
[0065] 7)同时支持6组SPI接口或2组I2S接口、3组I2C、4组通用同步/异步串行数据收发 器(Universal Synchronous/Asynchronous Receiver&Tansmitter，USART)，2组CAN总线接 口和 SDI0接口；
[0066] 8)最多114根可用于包括外部中断处理的多用途输入/输出端口（General Purpose In/0ut,GPI0)
[0067] 9)内置真随机数生成器和CRC校验单元。
[0068] 此外，STM43F429ZGT6还具备USB-0TG、液晶显示器并行接口等高级功能，由于在诊 断数据共享终端的设计中并未投入应用，此处不再一一赘述。CorteX-M4内核与各外设通过 AHB总线相连。
[0069] 为保证MCU芯片的稳定，系统选用了 8M无源晶振作为外部时钟源。为了保护芯片免 受电源波动和外界干扰的影响，MCU的电源引脚附近都布置了退耦合电容。
[0070] 根据车载系统厂商的技术资料，车载系统产生的诊断数据量不超过50MB每小时， 但其产生速率并不稳定，客观上存在大量数据短时间内快速堆积的可能。为了应对上述情 况，保证设备的可用性和稳定性，保障数据安全，MCU模块设有片外内存单元。FMC总线是一 种常用的主一从式内存扩展接口，通常由地址总线、数据总线和片选、读/写使能、高/低字 节控制等辅助信号组成。Μ⑶通常是总线主机，而内存等其他设备通常作为FMC从设备。FMC 的总线信号类型如表1所示。表中片选、使能等信号通常为低电平有效，其名称前通常带有 Ν〇
[0071] 表1 FMC总线信号
[0073] 地址总线是MCU向FMC总线设备告知即将读/写的内存单元地址的信息通道，由FMC 主机控制。数据总线是读/写过程中内存单元内的数据信息通道。NEx是芯片选择信号，当且 仅当当该信号为低电平时，F MC总线设备将对MCU的控制作出反应；电路设计过程中必须为 每一个FMC从机安排一根NEx信号线，由FMC主机通过控制该信号协调各从机的工作时序。 Ν0Ε和NEW分别为从机的输入(读）和输入（写)使能信号，两者相互排斥，均为低电平有效。 NBL [ 1:0 ]为一组两位的控制线，当FMC主机通过8位数据总线访问16位内存或通过16位内存 访问32位内存时，用于协调高低字节的先后输入。当NBL为10B时，表示当前读/写的数据为 高字节，01B为低字节，11B或00B时从机将不作任何反应。
[0074]当MCU通过FMC总线访问内存芯片时，需要逐个操作片选、写/读使能，通过地址总 线输入地址和分别输入高/低字节控制信号，通过数据总线进行数据的读写。以写内存为 例，一次内存写入周期内，各信号的状态如图8所示。
[0075] MCU操作片选信号置低，根据程序要求控制高/低字节选择信号置高/低，控制地址 总线为当前即将写入的内存单元地址。由于当前执行的是写操作，所以将读使能置高。上述 动作完成后，主机需要等待从机正确读取地址，这一等待时间通常被称为地址载入时间 (Address Setup Time)。当主机控制NWE信号置低并向数据总线写入数据时，从机开始读取 当前数据总线上的内容，并将其写入相应内存单元。总线数据和NWE的状态需要保持一段时 间以等待从机正确读取数据，这一等待时间称为数据载入时间(Data Setup Time)。为了保 证数据读取的完整可靠，主机通常会在NWE信号归位后，将数据再保持一个额外的芯片周 期。
[0076] 本实施例中选用ISSI公司的IS62WV102416ALL型静态随机存储器(Static Random Access Memory,SRAM)作为MCU模块的片外内存。SRAM IS62WV102416ALL芯片支持最多20位 地址总线和1 6位数据总线，内部集成了 1兆1 6位存储单元，相当于2 Μ B内存。 IS6 2WV10 2416ALL通过FMC总线与Μ⑶芯片相连，MCU模块可以便捷地访问内存空间，实现存 储空间的扩展，增大缓存区容量，以应对短时大量数据堆积。
[0077] 为了保证系统的稳定性，在系统控制器外部增加系统监督电路，在系统由于外部 冲击及系统软件意外崩溃时，能引导系统复位重启。监督电路通过WDI和RESET两根信号线 与核心MCU相连，电路又称"看门狗"。CHJ通过WDI引脚周期性地向监督芯片发送"喂狗"信 号，则监督电路不作动作;若监督电路在其一个预设复位周期内未收到MCU的信号，则认为 MCU出现了异常状况，软件已经崩溃，则激活RESET信号引导MCU复位。笔者此处选择 CAT706SVI作为监督电路核心芯片。MCU监督电路原理图如图9所示。
[0078]程序下载接口是芯片软硬件结合的桥梁。联合测试工作组（Joint Test Action Group JTAG)是一种由IEEE1149.1标准兼容的国际标准测试协议，主要用于芯片内部的程 序下载和在线调试。JTAG是目前Μ⑶，DSP，FPGA，CPLD等芯片产品最主流的烧录和调试接口。 核心MCU STM32F429芯片提供JTAG接口。JTAG接口标准要求包括TMS，TCk，TDI，TD0四根信号 线，同时SM32芯片还要求复位(RST)信号线若干。JTAG接口电路如图10所示。
[0079] 所述车载计算机接口子系统与所述车载计算机(V0BC)连接。所述车载计算机接口 子系统用于提供与车载系统信息交互的以太网接口且与所述MCU模块通过FMC总线连接。
[0080] 所述车载计算机接口子系统是诊断数据共享终端设备与车载计算机的实现信息 交互的门户。该车载计算机接口子系统与车载计算机建立TCP连接，接收车载计算机发出的 包含诊断数据信息的数据包，利用本地的TCP协议栈将数据包按照TCP/IP协议解析，将TCP 包中的数据域内容存储在本地的FIFO存储区内，并通过中断事件的形式告知MCU模块，等待 MCU模块的调用命令。当MCU模块访问车载计算机接口子系统时，子系统将接收到的信息按 照一定规则汇报给MCU模块，并清空本地缓存区，等待后续数据的到来。
[0081] 在车载计算机接口子系统中，TCP/IP协议的实现是该系统的核心功能。这一功能 主要体现在：当作为TCP服务器接收到外界的TCP连接和断开连接请求时，能自动作出正确 的应答；当接收到外界的TCP数据包时，能正确地解析数据包，验证其有效性，并提取其中的 关键信息以供MCU模块调用；当接收到MCU的数据发送指令后，将其以正确的格式打包并发 送。通过软件实现上述功能往往需要大量的芯片计算资源，往往伴随着较差的实时性。 [0082]在该车载计算机接口子系统的设计中，本实施例中选用WIZnet公司的W5300芯片 作为系统的核心处理器。W5300是一款0.18μπι CMOS工艺的单芯片器件，内部硬件集成了集 成10/100M以太网控制器、MAC和TCP/IP协议栈，内部锁相环输出达到150MHz，可以非常便捷 地实现以太网/Internet连接。由于其硬件实现的协议栈，其处理性能远超其他通过软件实 现协议栈的解决方案。
[0083] W5300芯片提供直接地址访问的主机接口，可通过最高16位数据总线和10位地址 总线访问其内部寄存器空间。在这一模式下，设计者通常运用主机上可变内存控制 (Flaxible Memory Control，FMC)功能的将这类芯片的内存空间映射到MCU主机的存储空 间内，进而在编程时可以方便地访问芯片的内存。W5300的存储器映射空间共计0x400字节， 在主机当中的映射地址表示为基地址(Basic Address)-偏移量的形式，即：寄存器物理地 址=主机存储器空间的基地址+W5300寄存器偏移量。
[0084] W5300的内存空间由模式寄存器（Mode Registers)，通用寄存器（Common Registers)和端口寄存器(SOCKET Registers)三部分组成。其内存空间分配及其各自偏移 量如图11所示。模式寄存器共计2字节，用于设置W5300与主机的接口形式，数据位宽，数据 读写访问时序参数等基本模式参数。
[0085] 通用寄存器共计254字节，可用于配置包含本地MAC地址寄存器、网关地址寄存器、 本机IP地址寄存器等以太网主机的关键参数和包括中断寄存器、各端口缓存区大小配置寄 存器、引脚配置寄存器等配置信息。这一部分寄存器内容通常在W5300与主机的互动过程中 承担基础性的向导性的功能。
[0086] 端口寄存器供分为8组，对应W5300的8个端口。每组寄存器空间共计64字节，结构 相同。主机访问端口寄存器可读取或配置包括端口模式、端口中断类型、端口号、目标端口 号、目标IP等信息，或者通过向端口指令寄存器内写入特定值向W5300发出特定的指令。特 别地，出于稳定性和开发的便捷性的考虑，W5300的发送和接收缓存空间不可以直接访问。 当主机箱W5300提出发送数据请求或接收数据请求时，需要通过端口寄存器中的发送(接 收)FIFO寄存器，将W5300缓存空间内的数据逐字节取出。W5300将自动检测主机在FIFO寄存 器内读操作的过程，并自动更新寄存器数据。
[0087] W5300通过FMC总线以及配套片选、读/写使能、中断、复位等信号线与MCU连接，因 此接口插板上设有两块40Pin插头与底板插座相配合，将上述信号传递至MCU引脚。接口插 板上同时还设有RJ45插头与外部以太网电缆连接。W5300与RJ45插头周围还设有若干退耦 合电容、滤波电路、晶振等器件，为芯片的安全稳定运行提供必要的保障。
[0088]所述MCU模块与所述云共享接口子系统通过UART(通用异步串口收发器)连接，并 将车载诊断数据上传至云端。所述云共享接口子系统与诊断数据云连接。
[0089]云共享接口子系统主要承担将车载诊断数据上传至云端，与上位服务器簇通信， 实现诊断数据实时共享的功能。基于互联网建立在线可扩展、在线可容错的数据共享系统 是可行的。基于城市轨道交通列车运行的移动性，数据的无线远程传输是必要的。现有的的 多种通信方式都可以实现数据的无线远程传输，此处必须结合系统的实际需要，综合考虑 其可靠性、实用性和应用成本等因素，选择合适的传输方式。主流的无线通信技术包括:基 于802.11的无线局域网技术，无线数传电台，GSM(短信），GPRS和以W-CDMA技术为代表的3G， 其技术特点如表2所示。
[0090] 表2主流无线通信技术特点比较
[0091]
[0092]基于802.11的WLAN技术成熟，传输稳定，应用广泛;但其单台设备覆盖范围较小， 需要在城市轨道交通全线覆盖WLAN接入设备，成本较高;特别地，当代城市轨道交通均已采 用基于通信的列车控制系统(Communication Based Train Control，CBTC)，该系统的无线 数据通信也采纳了 802.11标准并工作在2.4GHz频段上，若采用该方案将存在影响列车正常 行车的可能性，因此不予考虑。无线数传电台设备简单，但考虑到车载系统的诊断 数据传输 量峰值为50兆字节每小时，电台的传输速率难以满足要求。GSM短信的方式同样难以满足这 一要求。GPRS和以W-CDMA为代表的3G在传输速率、实时性、工程可行性等方面都可以满足车 载诊断数据云共享的需求。GPRS的传输速率虽有劣势，但已经可以基本满足本项目的需求， 其在资费方面有较大的优势，且其在嵌入式系统领域应用更为广泛，技术成熟;W-CDMA传输 速率远超系统需求，但资费上比较昂贵，且其在嵌入式系统领域应用尚不成熟。而本地电信 运营商的GPRS蜂窝无线网络已经十分成熟，即使在城市轨道交通隧道中也有覆盖。本实施 例中选择通过运营商GPRS接入Internet的方式实现车载诊断数据实时共享。
[0093]在诊断数据云共享接口子系统中，本实施例中选用QuecTel公司M35型GPRS模块作 为子系统的核心处理设备。M35模块支持多种GPRS/GSM频段，可以兼容中国移动与中国联通 两家运营商全部的GPRS基站;其内嵌网络服务协议栈，支持多个Socket和IP地址，开发者通 过简单的串口指令即可方便地调用GPRS协议栈;M35模块提供SM卡接口，通过安装运营商 的SM卡并支付移动通信资费即可方便地实现互联网的接入。除此之外，M35模块还向下兼 容GSM的电话、短信功能。
[0094] M35模块核心电路如下:M35模块10脚PWRKEY由核心MCU模块控制，通过高低电平对 M35进行开机/关机操作。12脚STATUS引脚通过其高低电平表示M35的开/关机状态，供MCU参 考。右侧S1器件为SM卡座，上方的CN2位SMA天线。M35的22脚和21脚为其与MCU通信的串口 收发引脚，右侧设有插头CN100用于软硬件调试时对MCU的控制指令监控。下方的U6逻辑器 件和LED3构成LED指示电路，在控制串口上执行数据的收发动作时，控制LED的闪烁，为调试 提供方便。电路还设有其他退耦合电容，为模块的稳定运行提供支持。
[0095] 所述MCU模块与所述辅助外围电路连接。所述辅助外围电路主要用于实现电源、调 试接口、复位、时间信息等外围功能，为核心模块的正常运行提供必要的支撑。
[0096] 所述本地存储子系统与SD卡连接。本地存储子系统是诊断数据的安全保障，是诊 断数据云共享系统在无线数据链路异常时的后备功能，是列车在极端状况、重大事故后数 据分析的关键依据，同时也为一线的运营维护人员日常的数据维护提供方便。目前主流的 存储介质种类甚多，考虑到工程对设备体积和质量的要求颇为苛刻，对于数据存储量的要 求稍低，本实施例中将不考虑硬盘作为存储介质，着重考虑轻便、小巧且能够与嵌入式系统 平台对接的存储卡作为候选对象。主流的存储卡有CF卡（Compact Flash )、MMC卡 (MultiMedia Card)、SD卡（Secure Digital Card)、SM卡（Smart Media)几种，现对几种存 储卡的参数统计如表3所示。
[0097] 基于表中数据，CF卡由于其体积和质量上的劣势，不宜选用；SM卡由于其容量过 小，且其专用接口在嵌入式MCU实现困难，故不宜选用;MMC卡与SD卡技术类似，接口也相互 兼容，但 SD卡在容量上有明显优势，成为了诊断数据本地存储的最佳实现形式。2010年2月， SanDisk公司推出目前容量最大的SD卡，容量达到64GB，读取最高可达15MB/秒，完全可以满 足车载诊断数据处理速率的需求。
[0098] 表3主流便携式存储介质性能对比
[0101] 车载计算机产生的诊断数据以FAT32文件的形式存储在SD卡内。FAT(File Allocation Table)是由微软设计的一种实用的文件系统。最早的FAT文件系统采用16位的 空间来表示每个扇区配置文件，因此称之为FAT16。由于FAT16文件系统磁盘分区最大只能 到2GB，不支持大分区、单位簇容量大以致空间几句浪费等缺点，FAT32逐渐普及并成为广泛 使用的文件系统。FAT文件系统下的SD卡可以被使用WINDOWS系统的PC直接识别，十分便于 维保人员的日常检查工作。
[0102] 为了将零散的诊断数据按照FAT32的格式组织成为文件，诊断数据本地存储子系 统使用了一块独立的MCU用作SD卡文件的读写和管理，以降低核心MCU的工作负荷。为了开 发的方便，本实施例中选用了与核心MCU同厂家、同内核、同开发平台的STM32F405RGT6作为 SD卡管理芯片。该芯片同样以ARM 32位Cortex-M4为内核，主频最高168MHz，运算能力 210DMIPS。芯片采用LQFP64封装，外形小巧，可以同时激活两组SPI总线接口和两组UART接 口，完全可以满足子系统对SD卡管理的处理需求。
[0103] SD卡由SD卡管理芯片通过SPI接口控制数据的读写过程。同时，SD卡管理芯片通过 另一组SPI接口与核心MCU相连。此外，为了便于快速获知SD卡管理芯片的工作状态，SD卡芯 片用一位GPI0口的高低电平状态来表达空闲/忙碌状态。为了方便设备的调试，SD卡管理芯 片上引出了一组通用异步串口，并通过SP3222型RS-232串口收发器转换为RS-232串口信 号，用作软硬件调试时的调试信息接口。本地存储插板与底板之间通过两组20Pin插头与底 板的插槽配合，将上述信号传递至核心MCU的引脚上。插板上还设有SD卡插槽和SD卡配合， SP3222EEA型RS-232总线收发器芯片用于生成RS-232信号，CAT706SVI型外部复位芯片用于 应对管理芯片的异常状况。此外，SD卡管理芯片周边还设有退耦合电容、滤波电路和用于保 证芯片的正常运行，JTAG接口用于程序下载，三枚贴片型LED分别用于指示插板的电源状态 和数据的收发状态。
[0104]该系统可直接与车载计算机对接，通过与车载计算机的信息交互获取诊断数据， 并根据系统的需求通过无线通信实现诊断数据的实时共享，具备充裕的数据处理能力以应 对诊断数据的流量。终端设备具备将车载计算机产生的诊断数据快速、可靠地处理并转发 至数据云端的能力，以满足在线诊断和故障快速排查的需要。云共享功能在考虑数据流量 的同时，可充分保证数据的完整性和可靠性，严格控制在线诊断的误诊率和虚警率指标。
[0105]本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方 案，均落在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种车载诊断数据共享终端系统，其特征在于:包括装载有软件的车载诊断数据共 享终端，所述车载诊断数据共享终端通过辅助外围电路与电源和用于对软件性能进行调试 的调试接口连接，所述车载诊断数据共享终端还连接有车载计算机和诊断数据云并进行双 向通信。2. 根据权利要求1所述的车载诊断数据共享终端系统，其特征在于:所述电源通过所述 辅助外围电路为所述车载诊断共享终端提供110V直流电。3. 根据权利要求1所述的车载诊断数据共享终端系统，其特征在于:所述车载诊断数据 共享终端还连接有一诊断数据云，所述诊断数据云用于实现诊断数据实时共享。4. 根据权利要求1所述的车载诊断数据共享终端系统，其特征在于:所述电源包括一级 电源电路和二级电源电路。5. 根据权利要求4所述的车载诊断数据共享终端系统，其特征在于:所述一级电源电路 包括插头、电源滤波器和AC-DC转换器，电源滤波器的输入端与插头电连接，电源滤波器的 输出端与AC-DC转换器的输入端电连接，AC-DC转换器的输出端为一级电源电路输出端。6. 根据权利要求4所述的车载诊断数据共享终端系统，其特征在于:所述二级电源电路 包括第一个电源电路和第二个电源电路，所述第一个电源电路包括稳压芯片和发光二极 管，所述稳压芯片的输出端与所述发光二极管的输入端连接。7. 根据权利要求6所述的车载诊断数据共享终端系统，其特征在于:所述第二个电源电 路包括MIC29302稳压器、电阻R32和电阻R36,所述MIC29302芯片的OUT脚与电阻R32-端电 连接，电阻R32另一端与MIC29302芯片的ADJ脚和电阻R36-端电连接，电阻R36另一端接地。
【专利摘要】本发明揭示了一种车载诊断数据共享终端系统，该系统包括装载有软件的车载诊断数据共享终端，车载诊断数据共享终端通过辅助外围电路与电源和用于对软件性能进行调试的调试接口连接，车载诊断数据共享终端还连接有车载计算机和诊断数据云并进行双向通信，所述电源包括一级电源电路和二级电源电路，一级电源电路包括插头、电源滤波器和AC-DC转换器，电源滤波器的输入端与插头电连接，电源滤波器的输出端与AC-DC转换器的输入端电连接，AC-DC转换器的输出端为一级电源电路输出端。该电源模块可为整个终端设备提供电能，该电源系统通过两级转换电路，将外部直流电源转换为直流制式的电源供半载电子元器件使用。
【IPC分类】G05B23/02
【公开号】CN105487532
【申请号】CN201610094456
【发明人】曾小清, 沈拓, 顾友淇, 边冬, 李健, 王维旸, 陈宇佳, 王刚
【申请人】上海果路交通科技有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2016年2月19日
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