摘 要

随着当今科技的飞速发展，世界正在进入万物互联的新时代，而随着汽车的普及程度越来越高，当前汽车技术的发展，新能源汽车和车联网技术的普及应用是两发展趋势。新能源汽车车载TBOX是基于车规级对可靠性、工作温度、抗干扰等方面的严格要求，通过4G远程无线通讯、GPS卫星定位、加速度传感和CAN总线通讯功能，实现车辆远程监控、远程控制、安全检测和报警、远程诊断等多种在线应用的车联网标准终端。本文就是针对这些要求设计一款新能源汽车车载TBOX，主要内容为：

分析新能源汽车车载TBOX的国内外发展现状，然后分析国标GBT 32960-2016 电动汽车远程服务与管理系统技术规范，对新能源汽车车载TBOX的功能需求展开分析，基于4G网络对新能源汽车车载TBOX控制器进行硬件设计，确定输入输出信号需求，选择嵌入式开发芯片，确定所要设计的新能源汽车车载TBOX的系统方框图。

对所设计的新能源汽车车载TBOX各模块进行功能分析与电路设计，包括各模块所用的芯片与电器元件的选择与电路的搭建，从而实现新能源汽车车载TBOX所需要的功能。

采用Altium designer这一一体化的电子产品开发系统来对所设计的新能源汽车车载TBOX进行原理图的绘制与电路仿真，包括新能源汽车车载TBOX的电源电路、微控制单元模块、4G模块以及外围电路。

最后对所设计的新能源汽车车载TBOX进行总结并对未来车联网技术与新能源汽车车载TBOX的发展进行展望。

关键词：车联网；TBOX；CAN总线；4G；Altium designer

Abstract

With the rapid development of today's technology, the world is entering a new era of the Internet of Everything, and with the increasing popularity of automobiles, the development of current automotive technologies, the popularization and application of new energy vehicles and vehicle networking technologies are two development trends. The new energy vehicle on-board TBOX is based on the strict requirements of reliability, working temperature and anti-jamming of the vehicle standard. It realizes remote monitoring and remote control of vehicles through 4G remote wireless communication, GPS satellite positioning, acceleration sensing and CAN bus communication. Vehicle networking standard terminals for various online applications such as control, safety detection and alarm, remote diagnosis. This article is to design a new energy car TBOX for these requirements, the main content is:

Analyze the development status of new energy vehicle TBOX at home and abroad, and then analyze the national standard GBT 32960-2016 electric vehicle remote service and management system technical specifications, analyze the functional requirements of new energy vehicle vehicle TBOX, based on 4G network to new energy vehicle vehicle TBOX The controller performs hardware design, determines the input and output signal requirements, selects the embedded development chip, and determines the system block diagram of the new energy vehicle TBOX to be designed.

The function analysis and circuit design of each module of the new energy vehicle TBOX are designed, including the selection of chips and electrical components used in each module and the construction of the circuit, so as to realize the functions required for the new energy vehicle TBOX.

Altium designer, an integrated electronic product development system, is used to simulate and simulate the schematic design of the new energy vehicle TBOX, including the power circuit, micro control unit module and 4G module of the new energy vehicle TBOX. peripheral circuit.

Finally, the design of the new energy vehicle TBOX is summarized and the future development of the vehicle networking technology and the new energy vehicle TBOX is prospected.

Keywords: car networking； TBOX； CAN bus；4G；Altium designer

目 录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2 国内外发展现状 2

1.3 主要研究内容 4

第2章 TBOX的系统设计 5

2.1 国标要求 5

2.2 总体框架设计 5

2.3 MCU选型 7

2.4 本章小结 8

第3章 TBOX硬件总体设计 9

3.1 最小系统设计 9

3.1.1 主控制器 9

3.1.2 复位电路和时钟电路 10

3.1.3 在线调试电路 11

3.1.4 最小系统电源电路 12

3.2 加速度传感器模块设计 14

3.3 4G模块设计 14

3.3.1 主电路设计 14

3.3.2 电源设计 16

3.4 存储模块设计 17

3.5 SIM卡电路设计 17

3.6 CAN总线与K线通信设计 18

3.7 本章小结 20

第4章 软件总体架构与CAN通信 21

4.1 软件总体架构设计 21

4.2 CAN帧格式 22

4.3 CAN帧类型 22

4.4 CAN通信流程 23

4.4.1 CAN控制器初始化 24

4.4.2 CAN数据发送 25

4.4.3 CAN数据接收 25

4.5 本章小结 26

第5章 4G通信与GPS功能实现 27

5.1 4G通信功能实现 27

5.2 GPS功能实现 29

5.3 本章小结 30

第6章 总结与展望 31

参考文献 32

致谢 34

第1章 绪论

课题研究背景

近年来，随着我国的经济实力逐渐攀升以及城市化步伐的持续推进，汽车的普及程度是越来越高，所带来的问题也日益增多。虽然随着新能源汽车的出现和普及，在能源和环境方面的问题得到了改善，但是由于汽车数量而造成的交通拥堵、监管困难等问题还是未能得到有效地解决^[1]。近几年来我国新能源汽车保有量越来越高。表1.1给出了2018年我国新能源汽车的生产情况和销售情况。

表1.1 2018年新能源汽车产销量情况

由此可见，新能源汽车的保有量会逐年增长，而当前的交通供给并不能满足这种迅猛增长的交通需求。同时随着现在国家对新能源汽车管理的要求越来越严格，急需研发出新型的交通技术与系统来解决当前迫在眉睫的问题。

车联网系统就是通过在车辆上安装车载终端设备，实现对车辆的一些信息的实时采集、存储和发送^[2]。同时也能对车辆进行一些远程控制。目前车联网被大部分业内人士认为是改善当前交通所存在的问题的重要技术手段，吸引了很大的关注，也得到了大力的发展。车联网技术主要根据国家的相关要求，将公众、企业的交通出行以及内部的管理需求作为发展导向，采用各种先进的技术来进行革新。目前，4G网络技术、GPS技术以及智能感知技术都已基本发展成熟，这对车联网系统的终端发展有着很大的影响，终端设备所拥有的功能也能越来越多，将汽车纳入物联网，构建天地互联的车联网在技术上已经没有障碍。

另一方面，随着我国机动车辆保有量的逐步攀升，每年所发生的各类安全事故的数量也相应上升。其中有很大一部分都是由于司机的不当驾驶而发生的，同时交通事故的发生也会对路面交通情况产生很严重的影响。车联网技术不仅能够让相关人员尽快地处理所发生的交通事故，恢复路面交通，同时也能实时检测车辆行驶状态，实时分析司机的驾驶行为，当司机有不当操作时，终端系统检测到了将导致交通事故发生，就能及时地提醒司机做出相应调整，回到正常驾驶。这样一来交通事故的发生率就能在很大程度上得到降低。

由此可见发展车联网技术对缓解交通压力，改善交通问题有着极为深刻的意义。车联网未来将通过实现智慧交通得到大规模应用，以满足当前时代发展的要求。

国内外发展现状

随着科技的进步以及行业政策的不断出台，车联网技术的发展越来越成熟先进，车联网领域的终端产品功能越来越全面。目前车联网市场上的主要车联网终端产品有：OBD盒子、汽车智能后视镜、两客一危车载部标仪，车载TBOX等。

OBD技术主要是通过合适的技术方式提醒驾驶员发生的车辆的失效或故障，最早出现在美国。自2007年起，我国要求所有生产的新车型必须安装OBD。初期OBD终端只是用来进行车辆诊断，后来随着技术发展，OBD更新到第二代。相比于第一代OBD，第二代OBD有着严格的排放针对性，其实质性能就是通过监测汽车的动力和排放控制系统来监控汽车的排放^[3]。到目前的第三代OBD已经能讲汽车的检测、维护和管理合为一体。目前，市场上的OBD产品能实现多种功能，例如车辆检测、故障诊断、事故救援、车辆定位、油耗分析等等。在OBD市场上，处于领先地位的OBD产品是深圳朗仁科技有限公司生产的iOBD2，其主要硬件组成为：OBD诊断模块、蓝牙、GPS模块、4G LTE、重力感应器和三轴陀螺仪、WIFI模块以及备用电池。这款产品能够读取车辆信息，并能数据传送至云平台，然后通过云运算等技术将接收到的信息或诊断结果、解决方案建议发送至客户的手机APP，使车辆和APP形成连接，这样一来，用户就可以随时自主地检测自己车辆的状态。

随着人们对驾驶汽车的安全性和娱乐性的要求越来越高，汽车的中央后视镜也向智能化方向发展成为智能后视镜。智能后视镜具有无线接入互联网的能力，支持GPRS、4G、WIFI，具有开放性的操作系统，功能强大。智能后视镜利用内置摄像头，除了能提供倒车影响外，还能将行车途中车前车后影像录制并保存在自身的存储设备内。智能后视镜还能对驾驶员进行超速提醒，提高驾驶安全性。同时智能后视镜自带GPS或者北斗定位芯片，能获取到车辆的准确位置，并能在经授权的移动设备上查询。目前占据市场的智能后视镜品牌主要有小米、凌度、云镜等。但是智能后视镜的受欢迎度一直不是很高，很多车主反映智能后视镜在本身的后视功能上达不到普通后视镜的效果，对驾驶产生比较大的影响。

部标仪即卫星定位行驶记录仪，国家规定自2011年8月起，新出厂的“两客一危”类型的车辆在出厂前都必须安装符合《道路运输车辆卫星定位系统车载终端技术要求》（JT/T794-2011）的卫星定位装置。部标一体机集成了汽车行驶记录仪和车载定位终端的功能，实现了两者的优势互补。部标仪的主要功能有：汽车黑匣子功能、实时定位跟踪、区域限速、越界报警、轨迹回放、紧急报警、远程断油断电、信息调度、油量统计以及图像音频视频监控。部标仪能够将”两客一危“车辆的车辆状态信息、驾驶数据等全部记录并发送到云平台，实现对”两客一危“车辆的全面监控。

车载TBOX是云端服务器与车辆的联络节点，能深度读取汽车CAN总线数据和私有协议，将车辆的实时数据上传到云端，再由云端将信息发送到用户手机^[4]。实现用户远程对车辆状态的监控。同时用户也可以通过手机APP对车辆进行远程控制，比如对车门、车窗、座椅以及空调的控制，提前营造舒适的驾驶环境。实现远程控制功能的新能源汽车车载TBOX所需要的相关技术包括安全防护技术、GPS定位技术、4G通信技术和CAN总线技术。

由于TBOX主要功能是实现车内网络和车际网络的通信，所以从一定意义上来讲，TBOX的网络安全指数决定了整个智能交通网络的安全。TBOX的网络安全面对着譬如网络协议破解、信息泄露、中间人攻击等威胁。拥有好的安全防护手段，就能够让TBOX远离威胁。目前常用的TBOX安全防护手段有源代码保护、白盒加密技术、AES加密技术等^[5]。

GPS由三个空间部分、控制部分和用户部分三个功能组成。太空中有24颗分布在6个轨道上的卫星（21颗使用，3颗备用）在不停地围绕地球转动，这些卫星不断地发送自己的位置信息。接收机接收到多颗卫星发出的信号，根据信号的传播时间推算出接收机和卫星的距离，进而推算出接收机自己的位置。

4G通信的关键技术包括正交频分复用技术、智能天线与多入多出天线技术以及软件无线电技术^[6]。4G通信技术相比于其他通信技术有着许多优势，包括通信速度更快、网络频谱更宽等。将4G通信技术应用在车联网上将会很大程度上提高车联网的实时性，使得车联网系统的效率更高。

CAN总线是一种在汽车中被广泛运用的串行通信总线。本文设计的TBOX采用CAN通信模块有效地采集车身数据^[7]。TBOX中一般有两路CAN总线，一路高速CAN和一路低速CAN。高速CAN与发动机、变速箱等实时性与传输速度高的相关节点连接，低速CAN主要与车身控制相关节点相连^[8]。

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