基于CAN總線的新能源汽車實時數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺

王偉，王茜，曲輔凡，吳春穎

(1.中國汽車技術研究中心，天津 300300；2.天津大學電氣與自動化工程學院，天津 300072)

0 引言

新能源汽車是汽車行業(yè)的發(fā)展趨勢、低碳經(jīng)濟發(fā)展的必然選擇。通過國內(nèi)外新能源車的對標試驗，可以分析國內(nèi)外新能源汽車的設計與研發(fā)差異，提高我國新能源汽車的競爭力。新能源車大量采用電子控制系統(tǒng)，這些復雜的控制系統(tǒng)通過CAN(Controller Area Network)總線來進行數(shù)據(jù)通信[1]。LabVIEW是NI公司推出的一種創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，具有圖形化語言開發(fā)環(huán)境，能夠便捷地構建與外部通信的軟件界面平臺[2]。通過USBCAN接口卡將CAN網(wǎng)絡與PC(Personal Computer)連接，在PC上用LabVIEW搭建與CAN總線通信的界面，可以實現(xiàn)實時監(jiān)控CAN總線中的數(shù)據(jù)。除了報文監(jiān)控功能外，此平臺提供了報文解析功能和信號監(jiān)控功能，將數(shù)據(jù)位發(fā)生變化的報文提取出來，輔助CAN報文的解析，以便顯示需要監(jiān)控的汽車信號。

1 系統(tǒng)硬件設計

此系統(tǒng)由周立功公司生產(chǎn)的USBCAN-II接口卡和一臺PC機以及用LabVIEW開發(fā)的監(jiān)控解析平臺組成，如圖1所示。車上安裝多種傳感器用來采集車輛信號，將采集的數(shù)據(jù)按照某種協(xié)議規(guī)則轉化成報文形式傳入CAN總線，通過CAN接口卡實現(xiàn)PC機與CAN總線網(wǎng)絡的連接。用戶可以通過對PC機操作實現(xiàn)與CAN總線數(shù)據(jù)的交互，對從CAN總線接收的數(shù)據(jù)進行分析處理，在基于LabVIEW開發(fā)的監(jiān)控平臺上顯示CAN總線上報文信息和相關的車輛信號變化情況[3]。

圖1 系統(tǒng)硬件結構

CAN接口卡采用USBCAN-II智能接口卡，此接口卡兼容USB2.0全速規(guī)范，具有體積小、便攜、即插即用的特點，并且支持車載協(xié)議解析，自帶保護功能，增強設備的安全性與可靠性。

2 系統(tǒng)軟件設計

軟件設計是此系統(tǒng)設計的核心，采用LabVIEW作為軟件開發(fā)平臺。LabVIEW帶有大量可視化圖形控件，可以選擇不同的控件來實現(xiàn)不同的功能，在前面板實現(xiàn)人機交互功能，在程序界面對控件編程實現(xiàn)所需要的功能。CAN接口卡與PC通過USB來連接，USB驅動由周立功公司提供，只需下載安裝即可使用。

2.1 總體設計

如圖2所示：主要功能程序有主控程序、接收數(shù)據(jù)程序、發(fā)送數(shù)據(jù)程序和分析顯示數(shù)據(jù)程序。若將上述4個任務在同一線程順序執(zhí)行，則當執(zhí)行其中一個任務時其他任務處于等待狀態(tài)，每個功能程序的執(zhí)行時間不同，必定造成數(shù)據(jù)的不完整性。為解決這一問題，利用LabVIEW的自動優(yōu)化多線程機制，將主控程序、接收數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)、分析顯示數(shù)據(jù)分別放在并行獨立的While循環(huán)內(nèi)，來提高數(shù)據(jù)的處理速度[4]。

圖2 軟件總體設計圖

在主控程序里主要實現(xiàn)對USBCAN接口卡配置、啟動、關閉等操作。在主控程序的循環(huán)結構中加入一個事件結構，事件結構類似于硬件的中斷，事件結構發(fā)送中斷請求給CPU，CPU收到信號便處理事件結構內(nèi)的程序代碼。在事件結構中響應相關操作，如設置波特率、打開設備、打開CAN通道等；在事件結構的用戶事件中將接收或者要發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送到隊列，供分析顯示數(shù)據(jù)程序調用。周立功公司提供函數(shù)接口庫文件control.dll，利用LabVIEW自帶的“調用庫函數(shù)節(jié)點”來調用control.dll中的函數(shù)去驅動USBCAN接口卡并完成數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。隊列函數(shù)用于各個線程之間的數(shù)據(jù)傳遞，從CAN總線接收的數(shù)據(jù)或將要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過調用入隊列函數(shù)傳入隊列中，在分析顯示程序里調用出隊列函數(shù)取出數(shù)據(jù)進行處理[5]。

2.2 接口庫函數(shù)的調用

接口庫函數(shù)control.dll供用戶進行上位機二次開發(fā)，control.dll函數(shù)庫中包含多種功能函數(shù)，這些函數(shù)驅動USBCAN-II接口卡工作，包括啟動或關閉USBCAN接口卡、啟動和復位某路CAN通道、初始化某CAN、清除接收緩沖區(qū)、從CAN網(wǎng)絡接收數(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)。

每種功能函數(shù)都預留了接口，只需要對這些接口進行參數(shù)配置就可以實現(xiàn)函數(shù)的功能。圖3為接口庫函數(shù)調用流程圖。

圖3 接口庫函數(shù)調用

調用這些功能函數(shù)前，需要定義相應的數(shù)據(jù)結構體來確保功能函數(shù)正常實現(xiàn)。此系統(tǒng)中需要定義兩個結構體：VCI_CAN_OBJ結構體(如圖4所示)被用來傳送CAN信息幀；VCI_INIT_CONFIG結構體(如圖5所示)被用來完成初始化CAN配置，調用初始化CAN函數(shù)前，需要填充此結構體。

圖4 VCI_CAN_OBJ結構體

圖5 VCI_INIT_CONFIG結構體

函數(shù)的調用方法都是類似的，以VCI_Receive為例來說明。此函數(shù)為接收函數(shù)，用來讀取指定的設備CAN通道中的緩存數(shù)據(jù)。使用之前，一般先調用 VCI_GetReceiveNum函數(shù)來獲取緩存幀數(shù)，以便對應接收[6]。

LabVIEW自帶調用庫函數(shù)節(jié)點函數(shù)，可以直接調用DLL庫或共享庫。將此函數(shù)加入到程序界面，雙擊打開配置界面，選擇調用的動態(tài)接口庫函數(shù)路徑，再選擇需要調用的函數(shù)，然后打開參數(shù)界面，進行參數(shù)配置，函數(shù)調用成功。接收到的數(shù)據(jù)存入隊列中，供數(shù)據(jù)分析處理和顯示子程序調用。

2.3 數(shù)據(jù)的分析與處理

接收的報文存入隊列中，利用出隊列函數(shù)將存入隊列中的數(shù)據(jù)取出來進行分析處理，放在兩個并行的While循環(huán)中，分別完成報文解析和報文解碼。

2.3.1 報文解析

新能源汽車對標試驗中亟需解決的問題就是解析CAN協(xié)議時需要經(jīng)過一系列分析判斷，才能方便開展后續(xù)的研究，報文解析的目的就是幫助破解信號。

報文解析循環(huán)中主要完成報文數(shù)據(jù)分析處理并在列表中顯示，解析過程如圖6所示。列表包括數(shù)據(jù)報文監(jiān)控列表和報文解析監(jiān)控列表，兩個顯示列表均采用“ID固定，其他變化”的顯示方式，列表中顯示的報文信息有報文的ID、傳輸方向、時間標識、報文類型、數(shù)據(jù)位長度和數(shù)據(jù)位內(nèi)容。

圖6 報文解析過程

在數(shù)據(jù)監(jiān)控列表中，顯示的是所有接收到的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)位用十六進制的方式顯示。通過此列表可以實時觀察到CAN總線中所有報文的信號變化情況。

在解析列表中，顯示的是數(shù)據(jù)位變化的報文，數(shù)據(jù)位用二進制的方式顯示。在解析列表中可以實時觀察發(fā)生變化的幀ID及具體的數(shù)據(jù)位變化，變化數(shù)據(jù)位會被標紅高亮顯示。此系統(tǒng)為實時監(jiān)控系統(tǒng)，通過觀察發(fā)生變化的報文，再配合觀察實際物理量的變化，通過計算和分析可以大致確定車輛信號變化和變化ID及數(shù)據(jù)位的關系，去縮小未知協(xié)議的范圍，有利于初步分析協(xié)議。

2.3.2 報文解碼

通過報文解析獲取某些協(xié)議后，此系統(tǒng)提供交互面板，可以選擇幀ID和定義相關換算，選擇監(jiān)控的信號量，通過報文解碼在該監(jiān)控平臺實時觀察傳感器傳送的實際信號量的變化。

報文解碼過程如圖7所示。按已知協(xié)議將需要檢測的物理量的相關數(shù)據(jù)幀ID篩選出來，根據(jù)協(xié)議內(nèi)容去定義換算方法，將換算好的數(shù)據(jù)傳送給顯示相應信號的控件來顯示[7]。

圖7 報文解碼過程

3 應用舉例

利用開發(fā)的監(jiān)控軟件，在某款新能源車輛上進行測試驗證,圖8為實車系統(tǒng)連接圖。

圖8 系統(tǒng)連接圖

車輛經(jīng)過上電操作之后，車輛CAN線全部報文監(jiān)控數(shù)據(jù)如圖9所示；經(jīng)過駕駛員不同的操作之后，解析列表中發(fā)生變化的數(shù)據(jù)位用虛線框圈住，如圖10所示。通過觀察對比解析列表中ID的數(shù)據(jù)位與實際信號的變化情況，可以縮小ID可能的范圍，再通過計算和分析最終確定了電機轉速和車速信號的ID和定義方法。

圖9 報文監(jiān)控結果

圖10 報文解析列表

根據(jù)解析出來的電機轉速和車速信號，通過信號監(jiān)控界面對它們進行監(jiān)控驗證，信號監(jiān)控結果如圖11和圖12所示。

圖11 信號實時監(jiān)控結果

圖12 信號歷史曲線結果

4 結束語

系統(tǒng)能夠很好地實現(xiàn)實時顯示數(shù)據(jù)、跟蹤數(shù)據(jù)的變化、輔助解析CAN報文，提高了車輛采集分析數(shù)據(jù)的效率。在新能源車輛CAN信號分析方面，提供多種顯示方式來觀察車輛信號，對于車輛性能分析具有良好適用性。

參考文獻:

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[7]NAN J R,HE L,LIN C,et al.Development of end of Line CAN Bus Test System in Electric Vehicles Based on LabVIEW[J].Applied Mechanics & Materials,2014,455:491-494.