数据存储和GPS定位在冷藏机组控制器中的应用

2020-03-14董亚楠许海阳张克廷许钦涛黄正旺

汽车电器 2020年1期

董亚楠，陈龙，许海阳，张克廷，许钦涛，黄正旺

（豫新汽车热管理科技有限公司，河南新乡 453049）

随着中国社会生活水平的提高、生活方式的转变，国家对于人民生活的方方面面越来越重视特别是在食品和医药领域，因此要求在速冻食品、药品以及疫苗等特殊物品进行生产、加工、运输时，需要全过程的冷冻、冷藏保鲜，以确保产品的品质和安全。而在整个冷链保存过程中，冷藏车辆的运输存在着：货物存储温度不可监控，货物运输路线、时间不明确，货物超出要求存储温度时间不可追溯的运输行业固有的问题，这样就有可能造成运输的货物因存储温度未能达到标准温度造成易腐品的变质从而给客户用户带来经济损失、身体健康危害，存储温度波动过大造成药品及疫苗等特殊物品出现失效、产生有毒物质有可能带来的严重后果。鉴于此，本文将数据存储和GPS定位功能应用于车载冷藏机组控制器系统中，解决现有的车载冷藏机组控制器运行信息不可追溯的问题。

1 方案设计

1.1 数据存储和GPS定位模块的功能

根据冷藏机组控制系统和冷藏机组控制器使用工况的要求，数据存储和GPS定位模块应具有以下功能：①数据能够直接存储于USB闪存盘中方便使用；②存储信息的格式方便用户在PC端以EXCEL的格式查询。

1.2 器件的选择

1）主控芯片：选择ATMEL公司生产的ATMEGA644PAAU，MCU作为系统控制节点和操作节点的中心处理器，其具有以下特点：①ATMEGA644PA-AU具有64KB系统内可编程Flash的高性能，低功耗8位微控制器，2.7～5.5V宽电压工作，64KB字节的系统内可编程Flash，2KB字节EEPROM，4KB字节SRAM，32个通用I／O口线，32 x 8通用工作寄存器+外设控制寄存器，16 MHz时可达16 MIPS吞吐量，用于边界扫描的JTAG接口，支持片内调试与编程。②3个具有比较模式的灵活的定时器／计数器，片内／外中断，2路可编程串行USART。③8路10位具有可选差分输入级可编程增益的ADC，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI串行端口。ATMEGA644PA-AU微处理器MCU负责了整个空调控制系统的控制程序的控制和输入输出［1］。

2）数据存储芯片：由于在PC端查询数据只查询FAT32或者FAT16格式的文件，而使用MCU编程来建立FAT32格式的文件需要占据大量FLASH的存储空间，造成MCU选型时的浪费。因此在控制器系统中选用CH376T U盘和SD卡文件管理芯片作为数据存储的控制芯片，其具有以下特点：①CH376支持 USB设备方式和 USB主机方式，并且内置了USB通信协议的基本固件，内置了处理Mass-Storage海量存储设备的专用通信协议的固件，内置了FAT16和FAT32以及FAT12文件系统的管理固件，支持常用的 USB存储设备（包括U盘／USB、硬盘／USB、闪存盘／USB读卡器）。②支持1.5Mbps低速和 12Mb／s全速USB通信，兼容USBV2.0，外围元器件只需要晶体和电容。③自动检测 USB设备的连接和断开，提供设备连接和断开的事件通知。④内置 USB控制传输的协议处理器，简化常用的控制传输。⑤内置固件处理海量存储设备的专用通信协议，支持 Bulk-Only传输协议和 SCSI、UFI、RBC或等效命令集的 USB存储设备。⑥内置FAT16和FAT32以及FAT12文件系统的管理固件，支持容量高达32GB的U盘。

3）GPS定位芯片：选择U-BLOX公司生产的NEO-6Q为GPS定位芯片，其具有以下特点：①接收特性：50通道、GPS L1频率、C／A码、SBAS：WAAS，EGNOS，MSAS。②定位精度：GPS为2.5m、SBAS为2.0m、SBAS+PPP7＜1m（2D，R50）、SBAS+PPP7＜1m （3D，R50）。③捕捉灵敏度：-162dBm。④定位时间：冷启动：≤26s、温启动：≤26s、热启动：≤1s。⑤最大导航更新率：≤5Hz。⑥速度精度：≤0.1m／s。⑦航向精度：≤0.5°。⑧使用温度：-40℃至85℃。⑨通信形式：UASRT异步串口通信、USB2.0通信支持速度12Mbit／s、SPI通信。

2 设计实现

2.1 硬件部分

2.1.1 CH376T应用电路

本文设计的数据存储电路由CH376T和其必要的外围电路组成，芯片CH376T可以直接与MCU和USB接口相连接，可以简化硬件电路的设计提高其抗干扰能力，其硬件电路原理图如图1所示。其中①C7、R3构成了CH376T的上电复位电路。②C9为CH376T使用5V系统时的退耦电容。③C3、C4为CH376T的主电源退耦电容。④Y1、C5、C6组成CH376T的时钟电路，为其系统提供工作时钟。⑤Q1、R1、R2、C1、C2构成了CH376T和USB插座供电控制，由于CH376T芯片在U盘进行热插拔时，会出现CH376T系统U盘初始化错误，通过USART通信中的复位命令和使用CH376T的RSTI复位引脚进行复位，都不能解决U盘初始化的问题，不能正常的读写U盘，因此只能使用Q1 PNP三极管对CH376T和USB的5V端进行控制，来实现当热插拔U盘带来的无法初始化的问题。其中Q1为PNP型三极管用于控制CH376T和U盘供电。R1为Q1三极管的基极限流电阻。R2为Q1基极上拉电阻用于稳定系统上电时的Q1三极管基极电平，防止出现Q1在MCU上电时的瞬间I／O口电平不确定而带来的风险。C1和C2为滤波退耦电容，用于稳定输入CH376和U盘5V电压。⑥R5电阻为U盘的限流电阻防止U盘损坏，短路而可能造成整个控制器损坏或者DC-DC电源电路短路保护影响冷藏运输的使用。C8为U盘的退耦电容用于稳定U盘的使用电压，防止U盘热插拔时供电系统瞬间的使用电流增大而造成控制器系统电压的不稳定。⑦R4为CH376T芯片片选接口，用于选择CH376T工作于哪种通信模式下，接高电平时选择USART通信。⑧其USART通信TXD、RXD接口与ATMEGA644PA-AU的PD2、PD3相连接、Q1三极管的基极由PC7端口控制［2］。

图1 CH376T硬件电路原理图

2.1.2 NEO-6Q应用电路

本文设计的GPS定位电路由NEO-6Q和其外围电路组成，其硬件电路原理图如图2所示。

其中R6为天线的阻抗匹配电阻，L1为增加天线的物理长度，C10为退耦电容。

2.2 软件部分

2.2.1 CH376T软件设计

图2 NEO-6Q硬件电路原理图［3］

本文中采用CH376T U盘及SD卡文件管理芯片进行U盘数据存储，其可以在U盘内建立txt、doc、xls、csv格式的文件，在存储文件类型上，txt和doc格式的文件其中存入的数据，不能以表格的形式展现，不利于用户的数据的查询和管理。xls格式的文件在程序书写上较为复杂，不适用于MCU的系统中，因此本文选用的是逗号分隔符csv格式的文件，其可以用Excel表格的格式展开方便用户管理和查询。在程序书写上只需要将各个不同的数据使用逗号和双引号分开，就可以将不同的数据分别展现在不同的表格的格中，简化了程序的书写难度，有利于较少使用MCU中的FLASH［4］。例如：本文中的程序中SIM900A_Send_str（strlen（" "日期"，"时间"，"箱体温度¨"，"除霜温度"，"出风口温度¨"，" 系统电压"，" 系统压力"，" 设定温度¨"，"），" " 日期"，"时间"，"箱体温度¨"，"除霜温度¨"，"出风口温度¨"，"系统电压"，"系统压力"，"设定温度"，"）。其中使用strlen库函数计算输入的字符串的长度。其程序流程图如图3所示［5］。在CH376T的控制上使用ATMEGA644PA-AU中的USART1异步串口通信方式进行，按照其要求的串口通信的操作规范进行，其串口初始化程序如图4所示。

图3 CH376T程序流程图［6］

图4 USART1串口初始化程序图

2.2.2 NEO-6Q软件设计

本文中采用的GPS定位芯片为U-BLOX公司的NEO-6Q的芯片，在硬件电路中选用的通信方式为异步串口通信，通信波特率为9600b／s。NEO-6Q芯片采用的通信协议为NMEA 0183是美国国家海洋电子协会（National Marine Electronics Association）为海用电子设备制定的标准格式，目前已成了GPS导航设备统一的RTCM （Radio Technical Commission for Maritime services）标准协议。其通信的帧格式要求为：采用ASCII码，其串行通信默认参数为：波特率=9600b／s；数据位=8bit；开始位=1bit；停止位=1bit；无奇偶校验位［7-8］。

本文中采用NMEA 0183协议中的$GPGGA、$GPGSV、$GPRMC、$GPVTG的语句来读取GPS的定位信息，其中通过$GPRMC获取UTC时间、定位状态、经纬度，$GPGGA获取定位卫星个数，$GPVTG获取运行速度（km／h），$GPGSV获取信噪比信息。通过ATMEGA644PA-AU单片机中USART0的异步串口实现通信。其程序流程图如图5所示，串口初始化程序如图6所示。

图5 NEO-6Q程序流程图［9］

图6 USART0串口初始化程序图

3 功能测试

本文采用实际车辆运行测试的方式来确认数据存储和GPS定位功能在车载冷藏机组控制器中的功能是否实现和其运行的可靠性。测试使用的控制器如图7所示，图中控制器的液晶显示屏的第一行用于显示系统的各个温度点温度、电压、系统功能设定、GPS信息（时间、经度、纬度）、系统故障信息，第二行用于显示制冷、制热图标、蒸发风扇图标、定位卫星个数、车辆运行速度信息、USB闪存盘运行存储图标。

测试地点从河南省新乡市起至江苏省盐城市止，全程约843km途经多个省市。本次测试数据记录间隔1min，其车辆运行图如图8所示。部分测试数据如图9所示。