基于ARM的混合動力汽車在線數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)

羅國富，劉小娟，段 瑞，楊文超

（鄭州輕工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450002）

0 引言

混合動力汽車作為新能源汽車的一種重要形式，在節(jié)能和環(huán)保方面的貢獻(xiàn)越來越得到人們的認(rèn)可，和國外相比，我國的新能源汽車發(fā)展?fàn)顩r尚處在起步階段，和人們相對比較理想的純電動汽車相比，混合動力汽車的發(fā)展還有很長一段路要走[1]，一些關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)在還沒有完全成熟，可靠性、耐久性、節(jié)能比例還有待進(jìn)一步提高，因此需要及時了解車輛運(yùn)行中的信息，監(jiān)控車輛運(yùn)行中的狀態(tài)。文獻(xiàn)[2]介紹了微處理器S3C2440和CAN 總線控制器SJA1000 構(gòu)建CAN 通信電路,采用CPLD實現(xiàn)接口時序設(shè)計的方法，這一點(diǎn)是非常有意義的。文獻(xiàn)[3]闡述了幾種數(shù)據(jù)采集及分析方法，該文以德國西門子公司(SIEMENS)的S-200PLC為核心處理硬件，用PLC軟件編程和FameView監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)，實現(xiàn)了所需功能，但是系統(tǒng)不利于擴(kuò)展。文獻(xiàn)[4]基于混合動力電動汽車CAN網(wǎng)絡(luò)的在線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究，該數(shù)據(jù)系統(tǒng)基于CAN 網(wǎng)絡(luò)對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，并能用SD卡的優(yōu)勢進(jìn)行存儲SD卡中，實用性強(qiáng)。文獻(xiàn)[5]針對三種不同結(jié)構(gòu)形式的混合動力車參數(shù)分別提出了不同的方案，然后對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評定，由于不同系統(tǒng)存在不同的結(jié)構(gòu)及不同傳輸協(xié)議，設(shè)計出通用型的混合動力電動汽車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)仍需努力。文獻(xiàn)[6]利用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)合整車CAN總線，滿足了遠(yuǎn)程監(jiān)測的需要，可以和3G網(wǎng)絡(luò)結(jié)合進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群土髁?。文獻(xiàn)[7]中電動車用CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的設(shè)計，該系統(tǒng)基于嵌入式主機(jī)，能夠?qū)崟r地將數(shù)據(jù)存儲在U盤中，即插即用。對其他系統(tǒng)有一定的參考意義。文獻(xiàn)[8]選用ARM 9—2440芯片作為數(shù)據(jù)采集與發(fā)送的核心芯片，完成系統(tǒng)硬件平臺的搭建，在ADS開發(fā)環(huán)境下，編寫調(diào)試程序，完成數(shù)據(jù)采集及傳輸，但系統(tǒng)應(yīng)結(jié)合FlexRay總線技術(shù)和3G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，在傳輸速率和信號穩(wěn)定性方面能保障數(shù)據(jù)信息的實時性和可靠性；對采集的數(shù)據(jù)的管理應(yīng)該和數(shù)據(jù)庫技術(shù)結(jié)合在一起，便于查找；系統(tǒng)的智能化仍需進(jìn)一步提高。本文綜合以上各個系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，開發(fā)了基于ARM的混合動力汽車數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)。

建立基于ARM的混合動力汽車的在線數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，符合國家新能源汽車構(gòu)建以信息化、標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化為特征的戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)[9]。建立統(tǒng)一的平臺把已有的和新產(chǎn)生的實時的系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲和傳輸，按照信息化的標(biāo)準(zhǔn)為國家新能源汽車和市新能源汽車管理層提供現(xiàn)場運(yùn)行的各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，為企業(yè)生產(chǎn)廠家進(jìn)一步改善新能源汽車提供幫助，推動新能源汽車產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文所設(shè)計的數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用在混合動力汽車的整車分布式CAN網(wǎng)絡(luò)中，它涉及到數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、平臺搭建、接口設(shè)計等多方面的內(nèi)容，是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程。系統(tǒng)作為一個節(jié)點(diǎn)接在CAN網(wǎng)絡(luò)上，對整個CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲和傳輸?；旌蟿恿ζ嚢ê芏嗫刂茊卧鼈円沧鳛楣?jié)點(diǎn)連接在CAN網(wǎng)絡(luò)上，主要包括有：發(fā)動機(jī)電控單元(ECU)、整車控制單元(HCU)、電機(jī)控制單元(IPU)、電池控制單元(BCM)、變速箱控制單元(TCU)、顯示控制單元(DCU)、轉(zhuǎn)向角傳感器、制動防抱死控制單元(ABS)。這個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)計

該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集方法基礎(chǔ)上，結(jié)合本系統(tǒng)要求，考慮到系統(tǒng)安全性、實時性、可靠性、易維護(hù)性、可擴(kuò)展性方面的需要，基于模塊化的設(shè)計方法，設(shè)計出了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集硬件結(jié)構(gòu)圖

選定采用S3C2440作為為核處理器，具有高速運(yùn)算和處理能力，能夠滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)實時計算和處理的能力。S3C2440集成化程度高，它集成了3個通道UART、4個通道的DMA、4個具有PWM功能的計時器和一個內(nèi)部時鐘、8通道的10位ADC、一個LCD控制器、SDRAM控制器。另外，它還有許多豐富的外部接口，例如觸摸屏接口、攝像頭接口、兩個USB主機(jī)接口、一個USB設(shè)備接口、SD卡接口、兩個SPI接口等，因此也大量減少了外部電路。由于S3C2440最大工作時鐘頻率為533MHz，而外面的晶振只有幾十兆，因此在ARM中要做倍頻處理。對于其他含有RS232接口或者RS485接口設(shè)備，可通過MAX232或者M(jìn)AX485完成核微處理器和該設(shè)備之間的電平轉(zhuǎn)換。

圖3給出了CAN 模塊接口電路圖。CAN通信模塊是主要由CAN控制器MCP2515和CAN 收發(fā)器TJA 1050組成。為增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在CAN控制器和CAN收發(fā)器之間加入光耦6N137。由于微處理器采用該芯片的I/O口工作電壓為3.3V，核心工作電壓為1.8V，存儲模塊的工作電壓為3.3V，而汽車上的電壓為12V，因此要進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，此工作由電源模塊完成。無線通信模塊采用CONEXTOP（凌創(chuàng)）產(chǎn)品WgBoard 3G模塊, 利用它，任何帶有標(biāo)準(zhǔn)串口的設(shè)備都可以輕松連入3G/3.5G網(wǎng)絡(luò)。

圖3 CAN模塊接口電路圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

通過軟件設(shè)計，主要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信與傳輸、實時數(shù)據(jù)處理、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)實時顯示等功能，如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件功能框圖

1）數(shù)據(jù)采集

混合動力汽車中的各個控制單元通過CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在其他控制單元中，傳感器信號按照DAVE（程序編寫軟件）可視化軟件編好的C語言程序經(jīng)過放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換處理，存儲到微控制器中的輸入存儲器中，然后存儲器內(nèi)的數(shù)據(jù)會被CPU運(yùn)算處理，然后存入輸出存儲器，至此完成數(shù)據(jù)計算過程。CAN 收發(fā)器將CAN控制器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換為適合在CAN總線上的發(fā)送信號發(fā)送出去。此時，一個控制單元產(chǎn)生的信號就到達(dá)CAN 總線上了。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中收發(fā)器接收CAN總線上的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳送到CAN 控制器，然后經(jīng)S3C2440內(nèi)部處理后，通過接口讀入到核存儲器，做進(jìn)一步處理和分析。

2）數(shù)據(jù)通信與傳輸

數(shù)據(jù)通信與傳輸功能是通過3G 模塊實現(xiàn)的，采用CONEXTOP（凌創(chuàng)）面向3G/3.5G網(wǎng)絡(luò)而推出的高速串口接入Inernet傳輸?shù)漠a(chǎn)品，它能同時傳送TCP/UDP包給多個數(shù)據(jù)接收設(shè)備，是一種高性能串口聯(lián)網(wǎng)模塊，保證在所有串口在最高波特率下雙向全速不間斷傳輸數(shù)據(jù)不丟包，支持4路高速串口，波特率高達(dá)921600bps。提供多種配置管理通道，同時支持串口AT命令配置，Web配置，以及跨網(wǎng)段任意IP管理配置的設(shè)備管理軟件。我們可根據(jù)需要，設(shè)置一定的時間間隔來傳輸采集到的數(shù)據(jù)。

3）數(shù)據(jù)實時處理模塊

實時數(shù)據(jù)處理模塊是將接收到的數(shù)據(jù)按照一定的協(xié)議進(jìn)行解碼并將其存在數(shù)據(jù)庫里一個過程。

4）參數(shù)設(shè)置

參數(shù)設(shè)置模塊可以使得用戶自行設(shè)置采樣間隔時間和其它控制參數(shù)。本系統(tǒng)平臺實時數(shù)據(jù)采集和互動響應(yīng)時間不大于2分鐘。

5）數(shù)據(jù)實時監(jiān)測

監(jiān)控中心可設(shè)定監(jiān)控的間隔跟蹤任何車輛，被監(jiān)控的車輛將按照中心設(shè)置的時間間隔自動回復(fù)車輛的位置、行駛速度、運(yùn)行方向、時間等信息到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心可實現(xiàn)24小時實時監(jiān)控車輛運(yùn)行情況。

6）數(shù)據(jù)實時顯示

實時數(shù)據(jù)顯示的功能是將數(shù)據(jù)通過曲線圖或者表格的形式及時的將系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)顯示出來，以便監(jiān)視和分析車輛異常情況。

4 應(yīng)用案例

本文開發(fā)的基于ARM的混合動力汽車數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)，在鄭州市混合動力汽車運(yùn)行線路從火車站到鄭大新區(qū)南門的B12路公交上得到了應(yīng)用。現(xiàn)將其運(yùn)行中的情況進(jìn)行介紹。

首先，從經(jīng)濟(jì)性、動力性能方面考慮，采集相關(guān)方面的信號，并根據(jù)采集到的信號作出百公里耗電量圖、車輛功率圖。圖5為車輛百公里耗電量圖，車號分別為4423、4425、4429，圖6為車輛功率圖，車號為4423。

圖5 車輛百公里耗電量

圖6 車輛功率圖

在監(jiān)控方面，采用點(diǎn)、線、面相結(jié)合的方式，建立立體化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。將單個車輛作為一個點(diǎn)，車輛運(yùn)營線路作為線，整個示范運(yùn)營車輛的運(yùn)營狀態(tài)作為一個面進(jìn)行監(jiān)控。監(jiān)控中心可根據(jù)需要調(diào)取任一運(yùn)營車輛的運(yùn)行監(jiān)控圖像，以車號為5125的B12 車輛為例進(jìn)行說明，如圖7 所示。

圖7 車輛監(jiān)控圖像

5 結(jié)束語

基于ARM的混合動力汽車數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)在鄭州市混合動力汽車運(yùn)行線路28路及B12路上得到了應(yīng)用，驗證了其實用性。試驗表明，系統(tǒng)能夠完成對新產(chǎn)生的數(shù)據(jù)實時采集、存儲和傳輸，整個系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定、便于程序維護(hù)和系統(tǒng)升級。

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