第17期2023年9月无线互联科技
Wireless Internet Technology
No.17
September,2023
作者简介：祝必梁(1988 )，男，浙江金华人，工程师，硕士；研究方向：物联网，两轮电动车智能化㊂
智能两轮电动车VCU 中控系统设计
祝必梁
(浙江利尔达物联网技术有限公司，浙江杭州311121)
摘要:VCU 是实现车辆控制决策的核心电子控制单元㊂文章介绍的两轮电动车VCU 在防盗器功能上结合了GPS 定位㊁GPRS 网络通信㊁BLE 蓝牙通信控制系统㊂VCU 配合云服务器㊁手机终端可以实现数据实时查看,GPRS 网络通道可以实现远程控制车辆，近场无网络时可以用BLE 蓝牙通道控制车辆㊂
关键词：智能中控;VCU ；电动车
中图分类号:TP319㊀㊀文献标志码:A
0㊀引言
㊀㊀电动车智能化已慢慢从新能源汽车衍生到两轮电动车上[1]㊂传统两轮电动车智能化体验弱，随着客户对两轮电动车智能化的接受程度越来越高，智能改造升级也跟随新能源汽车的脚步不断升级㊂据中国自行车协会数据,2021年电动两轮车保有量为3.4亿辆，市场规模达800亿元㊂但整个行业智能化渗透率不足5%，市场前景广阔，智能化转型升级正处于风口中㊂1㊀系统整体设计概述
㊀㊀VCU 中控系统主控由BLE 芯片FR8018HA 和CAT1模组NT26U 组成㊂FR8018HA 芯片支持Open 开发，负责BLE 通道的通信和VCU 控车全部逻辑㊂NT26U 是一款适用于TDD -LTE/FDD -LTE 多网络制式CAT1模组㊂NT26U 也支持Open 开发，主要负责GPRS 网络通道通信和GPS 数据采集㊂除了BLE 通道和GPRS 通道通信外,VCU 还有和电机控制器通信的485通道㊂2㊀主控模块
2.1㊀CAT1模组NT26U
㊀㊀NT26U 是利尔达的CAT1模组，供电电压为3.3~
3.8V，采用FreeRtos 系统㊂CAT1和BLE 芯片通过UART 串口交互,CAT1串口接收的BLE 数据并通过GPRS 网络通道上传服务器，服务器数据下发CAT1数据透传给BLE 芯片，这样就间接实现了BLE 主控
芯片和服务器网络通信㊂服务器原始定位信息是由定位模组L76K 通过NMEA 数据输出给NT26U,NT26U 对数据解析后上报给服务器㊂2.2㊀BLE 芯片FR8018HA
㊀㊀FR8018HA 是富瑞坤的BLE 芯片，支持蓝牙V5.1㊂VCU 中控所有的控车主逻辑都由FR8018HA 芯片控制完成㊂BLE 芯片的外部通信部件有：手机㊁电机控制器㊁433钥匙㊂手机无网络状态可以选择BLE 通道和VCU 通信㊂电机控制器接收VCU 485查询指令，返回包括速度㊁里程等信息,485模块由FR8018HA 主控㊂433无线钥匙的解码信号是输出给BLE 芯片解析识别㊂VCU 中控基本控车功能有：电门ACC 控制㊁锁电机㊁轮动检测㊁一键启动按键㊁超速报警㊁震动检测㊁语音播放㊂FR8018HA 主控功能，如图1所示㊂
图1㊀FR8018HA 主控功能
3㊀GPS定位模块
㊀㊀GPS定位模块采用L76K模组，模组电压范围为2.7~3.4V，典型值为3.3V㊂L76K可实现高灵敏度㊁高精度定位以及对定位信号的快速跟踪和捕获㊂L76K启动后定时1s输出NMEA0183数据㊂NMEA 0183是美国国家海洋电子协会为全球定位系统制定的一套标准通信协议㊂
4㊀外设通信模块㊀
4.1㊀433M无线模块
4.1.1㊀发送模块
㊀㊀电动汽车的遥控钥匙大多采用433M小无线通信㊂小无线通信需要一个发送端，一个接收端，一发一收实现数据传输通信[2]㊂发送端以遥控钥匙形式存在，采用专用的编码芯片设计，以HS5130为例：按键输入引脚K0~K3，供电引脚Vin/Vss，编码输出脚TXD㊂
4.1.2㊀接收模块
㊀㊀接收端接收433无线信号输出解码信号㊂解码信号输入给BLE芯片软件解析㊂中控接收模块采用集成YRB45超外差无线接收模块㊂按照发送的编码数据，字码波形有3种位码:(1)同步位syn码㊂高电平8.8a，低电平272.8a㊂(2)数据位 0 码㊂高8.8a，低26.4a㊂(3)数据位 1 码㊂高26.4a，低8.8a㊂a=35μs(可调)位码先发高电平后发低电平㊂每一帧信号字码有25位，其中有20位地址位,4位数据位和一个同步位组成㊂
应用中接收端有很多无序干扰信号,BLE芯片须经过软件滤波提取正确的433信号㊂首先，需要滤除干扰信号查syn码㊂观察有效波形和干扰波形得知有效波形syn码两个上升沿之间的脉宽是T=281.6a,a=35μs,T=9.8ms㊂干扰波形杂乱无序上升沿和上升沿的间隔大都没达到9ms，查syn时有
效条件T1上升沿间隔9~11ms，它可滤除基本干扰波形，识别到正确的syn㊂其次，需要识别data位㊂data位的位宽都是35.2a, 1 码在上升沿后17.6a的电平是高电平, 0 码在17.6a的电平是低电平，通过上升沿中断间隔17.6a采样电平就可以判断出当前数据位码㊂正常检测到一帧24位码后存储数据重新开始syn检测，采集数据时如果存在干扰信号超时70.4a没有检测到上升沿就认为异常，重新开始检测syn㊂433解码软件流程如图2所示㊂
4.2㊀BLE通信
㊀㊀BLE和App的交互包括3部分:BLE连接㊁鉴权㊁应用数据收发㊂BLE建立连接包含5个步骤:(1)从机广播发送ADV_IND PDU(包含了从机蓝牙地址)㊂(2)主机发送扫描请求SCAN_REQ PDU(包含了从机和主机蓝牙地址)㊂(3)从机收到扫描请求后同一个信道上回复SCAN_RSP PDU㊂(4)主机接收到扫描回复信息后发送CONNECT_REQ PDU信息
㊂
图2㊀433解码流程
(5)广播者接收到CONNECT_REQ PDU后确认建立连接㊂系统层连接后App和BLE要进行鉴权确认双方身份合法㊂鉴权流程通过AES等对称加密方式实现消息认证㊂通信双方共享一个对称密钥，由发送方生成一个MAC值，附在消息后面，接收方计算收到消息的MAC㊂如果和收到的MAC一致，则说明没有被篡改，并且能确认发送方一定拥有相同的密钥，即认证身份㊂鉴权成功App就可以和BLE进行应用数据的交互控制车辆㊂汽车gps防盗
4.3㊀GPRS通信
㊀㊀GPRS通道和服务器的交互也包含3个过程: (1)智能设备主动向IoT平台发起TCP连接，与Slot 服务器建立TCP Socket连接㊂(2)连接IoT平台后，发送认证平台请求，上传OpenID㊁ProductID以及ProductKey认证平台的身份㊂成功认证平台身份后，向平台发起入网请求㊂(3)成功入网后，设备与应用便可以进行数据交互㊂
4.4㊀485通信
㊀㊀骑行数据行驶总里程㊁单次里程㊁行驶的速度以及电机控制器状态等信息需要VCU中控通过485定
时查询电机控制器信息获取㊂485属于半双工差分信号，可实现多机通信,VCU目前只连接了电机控制器，按照不同需求可以扩展连接实现多机通信[3]㊂5㊀基本控车
㊀㊀ACC控车电路用于对整车启动㊁熄火控制㊂检测ACC电路用于确认车辆的电源实际开关状态[4]㊂ACC控车原理如图3所示㊂
ACC_Ctrl连接BLE芯片IO输出脚，输出高电平VBAT_ADC(电源电压)通过MOS管Q9导通到ACC 给整车供电，输出低电平Q9管断开，熄火㊂ACC_Det
图3㊀ACC控车及检测原理
连接BLE芯片IO输入脚，当ACC上有电源电压时，检测到低电平,ACC没有输出时检测到高电平㊂项目中ACC控制的命令入口有433钥匙㊁App㊁一键启动㊁机械钥匙㊂前3种都是通过VCU控制ACC_Ctrl来实现，机械钥匙是通过电池电源直接接入ACC打开整车电源㊂这里需要注意少数车型熄火时由于有较大车载电容而放电较慢，这时无论ACC_ctrl 还是机械钥匙关闭电源，到ACC_Det识别从低电平到高会有一个延时时间，从而影响关机音效和LED 熄火指示㊂实际测试中车载电容大熄火时ACC也会马上掉到12V以下，然后放电变缓最终掉电到0.5V 以下需要1s的时间㊂如果需要兼容这种车型ACC 检测电路可以调节电阻R67㊁R71把Q11的导通电压控制在ACC18V以上㊂如Q11VGSon>1V导通则R67可选51k,R71选3k,ACC=18V时VGSon=18ˑ3/54=1V㊂电压掉到18V以下ACC_Det就会立刻识别到车辆熄火状态，中控
工作电压是24~90V也㊀㊀不会对正常的ACC输出有影响㊂
VCU其它控车还有一键启动，包含两部分：按键读取和LED驱动㊂按键读取就是普通开关检测，检测到低电平认为开关按下㊂LED驱动原理和ACC控制输出原理一致，设防LED熄灭，撤防1s慢闪，启动常亮㊂轮动信号检测：检测到下降沿是认为处于骑行状态，如果规定时间内没有检测到下降沿则认为是处于静止状态㊂超速报警检测：新国标电动车需要有超速报警提示功能[5]，中控只需要检测电机控制器输出超速提示IO电平即可，高电平输出报警声㊂震动检测：震动时内部弹簧会不断地将传感器两个接口像开关一样导通断开,VCU中控通过检测IO电平边沿变化判断车辆的震动状态㊂
6㊀结语
㊀㊀VCU中控不仅含有传统控车，还有GPRS网络通道和BLE蓝牙通道控车功能，可提高用户智能化体验㊂
参考文献
[1]黄晓东，许丰，邱亚楠，等.电动自行车智能化现状发展与未来[J].新能源科技,2015(6):18-22. [2]王志霞.基于MSP430的433MHz无线收发模块设计[J].办公自动化,2020(24):29-30.
[3]石飞，王甲，阮颐.一种实现无极性RS-485通信的探讨[J].集成电路应用,2018(6):18-20. [4]李亚勇，蔡
英凤，陈龙，等.考虑前后方车辆行驶状态的ACC系统控制方法[J].汽车工程,2019(8): 865-871.
[5]黄鑫.电动自行车新国标出台有望减少超标车引发的事故[J].新能源科技,2018(2):12-13.
(编辑㊀姚㊀鑫)
Design of VCU central control system for intelligent two wheel electric vehicles
Zhu Biliang
Zhejiang Lierda Internet of Things Technology Co. Ltd. Hangzhou311121 China
Abstract VCU is the core electronic control unit that implements vehicle control decisions.The two wheeled electric vehicle VCU introduced in this article combines GPS positioning GPRS network communication and BLE Bluetooth communication control system in terms of anti-theft function.VCU in conjunction with cloud servers and mobile terminals can achieve real-time data viewing GPRS network channels can achieve remote control of vehicles and BLE Bluetooth channels can be used to control vehicles when there is no network in the near field.
Key words intelligent central control VCU electric vehicle