基于LabVIEW的智能汽車自動駕駛開發(fā)平臺數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)

毋青松，鐘兵*，羅映，許本博

1.山東交通學(xué)院汽車工程學(xué)院，山東濟南 250357；2.山東建筑大學(xué)機電學(xué)院，山東濟南 250101

0 引言

隨著新一代信息技術(shù)、人工智能等的飛速發(fā)展[1]，智能化、網(wǎng)聯(lián)化已經(jīng)成為汽車產(chǎn)業(yè)新的戰(zhàn)略制高點[2-3]。智能汽車集成了大量先進的傳感器、雷達等設(shè)備[4-6]，對這些設(shè)備數(shù)據(jù)的實時采集監(jiān)測是智能駕駛汽車開發(fā)、維護和檢修的重要工作之一[7-9]。傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)一般由檢測儀表、示波器和頻率分析儀等組成[10-12]，其系統(tǒng)體積大、成本高、智能化程度低，采集數(shù)據(jù)不穩(wěn)定[13-15]，難以滿足智能化裝備對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時化、標準化的需求[16-18]。LabVIEW圖形化編程軟件作為目前測控領(lǐng)域的主流技術(shù)之一，基于數(shù)據(jù)流的編譯型圖形編程環(huán)境[19-20]，利用簡單的圖形編程方式替代復(fù)雜而繁瑣的語言編程，可方便的完成信號的調(diào)理、采集與測量[21-22]，廣泛應(yīng)用于軍事、工業(yè)、通信等行業(yè)[23-25]。

本文基于已有的智能汽車開發(fā)平臺，設(shè)計該平臺數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)，以期滿足智能化裝備對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實時化、標準化需求。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

智能汽車自動駕駛開發(fā)平臺數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)的基本任務(wù)是完成車輛平臺信息的讀取和顯示。系統(tǒng)的整體設(shè)計架構(gòu)如圖1所示，主要包括底層硬件和工控機軟件部分。硬件部分由傳感器模塊、信號處理模塊以及數(shù)據(jù)采集設(shè)備(CAN分析儀、數(shù)據(jù)采集板卡、工控機等)組成；工控機軟件部分主要由基于LabVIEW設(shè)計的程序顯示界面構(gòu)成。根據(jù)圖1所示的數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)，在EV150車輛基礎(chǔ)上搭建如圖2所示的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)測平臺。

圖1 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖 圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)測平臺

1.1 系統(tǒng)工作原理

數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)以車輛開發(fā)平臺傳感器模塊為基礎(chǔ)，通過信號處理模塊對傳感器采集到的原始信號數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)采集設(shè)備可識別的電壓信號，并完成信號的穩(wěn)壓濾波處理，得到數(shù)字I/O信號、模擬信號和CAN總線信號；數(shù)據(jù)采集板卡完成數(shù)字信號和模擬信號的數(shù)據(jù)采集，并通過USB接口將信號上傳至工控機，CAN總線信號經(jīng)過CAN分析儀由USB接口上傳至工控機；工控機為微型電腦，集成了數(shù)據(jù)采集板卡、CAN分析儀驅(qū)動程序、數(shù)據(jù)采集板卡驅(qū)動程序及LabVIEW圖形化編程軟件的平臺，可以實現(xiàn)信號的讀取、顯示和存儲，并最終將采集到的信號通過數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)顯示面板展示給用戶，完成對車輛狀態(tài)的實時監(jiān)測。

1.2 系統(tǒng)的組成

1)傳感器模塊

表1 傳感器參數(shù)

車輛開發(fā)平臺集成了多個測量用傳感器，傳感器的具體參數(shù)如表1所示。

2)信號調(diào)理模塊

LabVIEW通過濾波器對數(shù)據(jù)采集板卡采集的傳感器原始信號進行相應(yīng)處理，去除不符合預(yù)期實驗結(jié)果的頻率成分，提高采集信號的準確性。通常可選用的濾波器有Elliptic濾波器、Chebyshev濾波器和InverseChebyshev濾波器，因各濾波器對數(shù)據(jù)處理方式的不同，濾波波形呈現(xiàn)出較明顯的差別，因此，在實際程序設(shè)計過程中，應(yīng)根據(jù)實際需要選擇合適的濾波器對信號進行處理。

3)采集設(shè)備

采集設(shè)備由工控機、數(shù)據(jù)采集板卡和CAN分析儀組成。

根據(jù)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計要求，選用PCIe-6320數(shù)據(jù)采集板卡。PCIe-6320板卡輸入阻抗達10 GΩ，能有效減小干擾電流對輸入信號的影響，提高數(shù)據(jù)采集的精確度；靈敏度極高，能檢測到最小電壓為4 mV的輸入信號；PCIe-6320提供多種不同模式的連接信號方法，包括8個差分信號及16路模擬輸入通道的非接地單端模式等，可實現(xiàn)模擬和數(shù)字量的輸入和輸出、A/D轉(zhuǎn)換、定時和計數(shù)等。

CAN分析儀具有較強的數(shù)據(jù)分析能力，體積小巧、即插即用，符合車輛平臺的設(shè)備布置要求；CAN接口卡自帶USB接口，集成了CAN接口電氣隔離保護模塊，可以避免由于瞬間過流/過壓對設(shè)備造成損壞，可靠性好；CAN兼容的USB2.0接口符合相關(guān)協(xié)議規(guī)范，通過USB接口可快速連接至整車CAN局域網(wǎng)絡(luò)，進行數(shù)據(jù)采集處理。

圖3 工控機工作流程圖

4)工控機

所選MIC-7700型工控機支持2千兆級傳輸速率的局域網(wǎng)口、8個USB3.0端口、6個串行端口、3個獨立顯卡和各種可選模塊，通過英特爾第七代桌上型處理器提供高度靈活的擴展能力、良好的計算能力和可選I/O模塊。

工控機主要包括虛擬儀器顯示面板、板卡驅(qū)動程序和CAN分析儀驅(qū)動程序、LabVIEW軟件編程環(huán)境和LabVIEW函數(shù)庫。工控機的工作流程圖如圖3所示，在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開始工作之前，首先要確保車輛處于正常狀況，動力電池電量充足，整車平臺無錯報故障等情況發(fā)生，檢查工控機、數(shù)據(jù)采集板卡和CAN分析儀是否連接正常、供電是否正確。在確認硬件設(shè)備連接正常之后，啟動車輛，開啟數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在CAN分析儀驅(qū)動程序中，對CAN總線進行配置，完成初始化設(shè)置，之后啟動系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集。

2 系統(tǒng)工控機軟件設(shè)計

本文基于LabVIEW圖形化編程軟件設(shè)計數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)的程序。系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用模塊化和分類化思想，針對不同的信號采集類型設(shè)計不同的數(shù)據(jù)采集方法，以便于程序編寫，增加程序的可讀性和可維護性[26]，避免大量重復(fù)的編程工作。

2.1 模擬信號與數(shù)字信號采集

PCIe-6320數(shù)據(jù)采集卡配備的模擬輸入和數(shù)字I/O接口，可方便的對模擬信號和數(shù)字信號進行采集和讀取。正確安裝PCIe-6320數(shù)據(jù)采集卡及驅(qū)動程序，利用LabVIEW數(shù)據(jù)采集模塊中的DAQ助手設(shè)計模擬信號和數(shù)字I/O信號的數(shù)據(jù)采集程序。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)需采集的模擬信息包括：油門踏板和方向盤扭矩信號。數(shù)字信號包括：轉(zhuǎn)向燈撥桿、擋位信息；電池管理系統(tǒng)(battery management system，BMS)使能信號，微控制器(micro controller unit，MCU)高壓主繼電器、MCU高壓預(yù)充繼電器、高/低壓使能轉(zhuǎn)換信號；整車控制器(vehicle control unit，VCU)/仿真機模式切換、剎車、防抱死剎車系統(tǒng)(antilock brake system，ABS)電子泵開關(guān)等信號。

在測量和自動化資源管理器(measurement & automation explorer，MAX)中對各信號的采集通道信息進行配置，以油門踏板信號的采集通道信息配置為例說明。為了有效提高油門踏板信號的采集精度,消除共模噪聲的影響，對數(shù)據(jù)采集板卡的油門踏板輸入信號采用差分輸入。經(jīng)測定，油門踏板兩差分信號的輸入頻率為1000 Hz，電壓變化范圍為0.3～4.7 V，兩差分信號采用連續(xù)采樣模式。在MAX中對油門踏板信號采集通道的采樣頻率、電壓范圍、采樣模式等配置信息依次選擇1000 Hz、0～5 V、連續(xù)采樣。在LabVIEW前面板中使用DAQ助手和索引數(shù)組將數(shù)據(jù)采集板卡采集到的信號依次顯示出來。

對于數(shù)字信號部分，除擋位信號外，其余數(shù)字信號如轉(zhuǎn)向燈撥桿、BMS使能信號、MCU高壓主繼電器、MCU高壓預(yù)充繼電器、高/低壓使能轉(zhuǎn)換信號、VCU/仿真機模式切換信號、剎車信號、ABS電子泵開關(guān)等信號的采集處理方式與模擬信號相同。擋位信號是由B2、B3、B4、B5等4路信號通過不同真值表示。如表2所示，當系統(tǒng)檢測到的電壓信號大于3.5 V時，將其置為高電平1；當檢測到的電壓信號小于3.5 V時，將其置為低電平0。當變速桿分別置于R(倒車擋)、D(前進擋)、E(經(jīng)濟模式)不同位置時，B2～B5分別呈現(xiàn)高、低不同的電平。根據(jù)表2，采用While循環(huán)和條件判斷結(jié)構(gòu)，依次循環(huán)檢測所采集到的信息并進行判斷，當采集到的擋位信號為1100、1001、0101、0110時，控制數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)分別顯示出R、N、D、E擋。

表2 擋位信號真值

在實際數(shù)據(jù)采集過程中，通過采集板卡采集到的轉(zhuǎn)向撥桿信息處于高低電平不斷變化的狀態(tài)且變化周期為21 ms。為解決此問題，添加While循環(huán)結(jié)構(gòu)和條件判斷結(jié)構(gòu)，并設(shè)置左右轉(zhuǎn)向燈控件為局部變量。當系統(tǒng)的條件判斷結(jié)構(gòu)檢測到1次轉(zhuǎn)向燈信號變化周期為21 ms時，說明系統(tǒng)處于正常狀態(tài)，即轉(zhuǎn)向燈撥桿沒有撥動。利用While循環(huán)結(jié)構(gòu)依次不斷地采集轉(zhuǎn)向撥桿信號，并定時將所采集到的信號清零；反之，當系統(tǒng)檢測到轉(zhuǎn)向燈信號變化頻率大于21 ms時，說明轉(zhuǎn)向燈撥桿已經(jīng)撥動，此時控制左右轉(zhuǎn)向燈控件進行相應(yīng)動作。模擬信號和數(shù)字I/O信號的程序如圖4所示。

圖4 模擬信號與數(shù)字I/O信號程序框圖

2.2 CAN總線數(shù)據(jù)采集

2.2.1 CAN總線協(xié)議

CAN總線協(xié)議是智能駕駛汽車開發(fā)平臺監(jiān)控軟件、轉(zhuǎn)向控制器、制動控制器、整車控制器的網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議，主要包括通道定義和報文格式。

1)通道定義

如表3所示，采用7通道數(shù)據(jù)采集模式。通道代碼由固定的2個標志位“0X”和3個數(shù)字的端口標識位組成，主要用于識別不同的通道，防止數(shù)據(jù)出現(xiàn)重復(fù)解析。

2)報文格式

如表4所示，每一通道的最長報文長度為8個字節(jié)，即Byte 0～Byte 7，Byte 0為收到或發(fā)送的第一個字節(jié)，即Byte 0位是最低有效位(least significant bit，LSB)，Byte 7位為最高有效位(most significant bit，MSB)，共包含64位有效數(shù)據(jù)。表4中，方括號內(nèi)第1位數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)起始位，第2位數(shù)據(jù)為數(shù)據(jù)結(jié)束位，每一字節(jié)包含8位有效數(shù)據(jù)。

表3 CAN協(xié)議通道定義

表4 整車CAN協(xié)議報文格式

2.2.2 CAN總線數(shù)據(jù)解析方案

對于CAN總線數(shù)據(jù)解析的要求是系統(tǒng)可以準確讀取到各通道的數(shù)據(jù)信息，且不能出現(xiàn)重復(fù)解析的情況。在數(shù)據(jù)解析時，系統(tǒng)識別需要采集的通道代碼后，根據(jù)幀數(shù)和字節(jié)順序確定數(shù)據(jù)的位置和數(shù)據(jù)類型，將讀取到的十六進制數(shù)還原為十進制數(shù)顯示在LabVIEW界面中。按照整車CAN總線通訊協(xié)議，每組通道內(nèi)的數(shù)據(jù)計算方式為：實際物理地址等于其數(shù)據(jù)域數(shù)值與數(shù)據(jù)采集精度的乘積加上數(shù)據(jù)的偏置量。

依照數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)要求，CAN總線部分需采集的數(shù)據(jù)包括車輛的當前車速，方向盤轉(zhuǎn)角，BMS模塊總電壓、總電流、當前剩余電量(state of charge，SOC)，MCU溫度，1～4號電機的溫度、母線電流、母線電壓、給定扭矩、反饋扭矩、轉(zhuǎn)速及電機狀態(tài)。根據(jù)整車CAN總線協(xié)議，通道1～4分別對應(yīng)4個驅(qū)動電機的運行狀態(tài)信息；通道5對應(yīng)當前車速信息，為-120 ～120 km/h；通道6對應(yīng)方向盤轉(zhuǎn)角信息，為-470°～ 470°；通道7對應(yīng)BMS模塊的總電壓、總電流和當前剩余電量，分別為0～255 V、0～255 A、0～100%。

通道1即OX120通道的數(shù)據(jù)解析如圖5所示。

圖5 0X120通道數(shù)據(jù)解析代碼

利用PCAN Driver工具包中的PCAN-INIT和PACAN-READ模塊分別完成對CAN總線信號的初始化和數(shù)據(jù)讀取，在系統(tǒng)接收到CAN總線數(shù)據(jù)后，按照整車CAN總線通訊協(xié)議一次對相應(yīng)通道的電機狀態(tài)數(shù)據(jù)進行解析。圖5通道1中0～7表示通道數(shù)據(jù)的第1～8位，0～5分別表示1號電機的反饋扭矩、母線電壓、母線電流、MCU溫度、故障代碼、電機溫度，6、7共同表示電機的轉(zhuǎn)速信息。

3 試驗驗證

3.1 模擬信號與數(shù)字信號驗證

在接線盒中外接滑動變阻器來驗證數(shù)字信號與模擬信號采集的準確性。將滑動變阻器一端接12 V直流穩(wěn)壓電源，另一端接數(shù)據(jù)采集板卡的信號輸入端67、68引腳。改變滑動變阻器的電阻，使其輸出電壓值穩(wěn)定在0～6 V。使用高精度萬用表量取滑動變阻器兩端的真實電壓，與數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)采集的實際電壓對比。

試驗共測得8組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)讀取的實際電壓與高精度萬用表量取的真實電壓如表5所示。 表5中：絕對誤差是指實際電壓與真實電壓之間的差值，絕對誤差與真實電壓的比為相對誤差。

表5 系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)與萬用表測試數(shù)據(jù)對比

由表5可知：8組數(shù)據(jù)中絕對誤差最大為0.15 V，最小為0.01 V；相對誤差最大為5.0%，最小為1.0%。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)絕對誤差標準為0.18 V，相對誤差標準為5.2%，誤差均在系統(tǒng)允許范圍之內(nèi)，由此可知數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)字I/O、模擬量部分的數(shù)據(jù)采集程序精度符合系統(tǒng)設(shè)計要求，滿足智能駕駛車輛平臺對數(shù)據(jù)采集的需求。

3.2 CAN總線數(shù)據(jù)解析程序驗證

使用CAN分析儀驅(qū)動程序?qū)⒄嘋AN通訊總線數(shù)據(jù)上發(fā)至工控機，之后利用LabVIEW圖形化編程軟件編寫的數(shù)據(jù)解析程序完成對CAN總線數(shù)據(jù)的解析。將CAN分析儀讀取的CAN總線真實值與數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)解析出的實際數(shù)據(jù)進行對比，通過兩者間的誤差驗證CAN總線數(shù)據(jù)采集程序的準確性。

圖6 CAN數(shù)據(jù)讀取示意圖

在工控機中安裝好CAN分析儀驅(qū)動程序之后，按照圖2所示的連接方式連接好CAN分析儀，圖6所示為CAN分析儀驅(qū)動程序?qū)嶋H讀取的CAN通訊總線數(shù)據(jù)。在LabVIEW圖形化編程軟件中設(shè)計的工控機交互界面如圖7所示，圖7所示信息即為數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)解析出的最終呈現(xiàn)給用戶的CAN總線數(shù)據(jù)。

由于4個電機的狀態(tài)信息基本一致，本文僅對系統(tǒng)采集到的和CAN分析儀驅(qū)動程序讀取到的1號電機的運行狀態(tài)信息和當前車速、方向盤轉(zhuǎn)角、BMS模塊的總電壓、總電流和SOC的信息進行對比，如表6所示。

圖7 數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)儀表盤

表6CAN總線數(shù)據(jù)對比

參數(shù)CAN總線數(shù)據(jù)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)絕對誤差系統(tǒng)允許誤差當前車速/(km·h-1)131302BMS總電壓/V14514613BMS總電流/V363602BMS當前SOC/%596123電機轉(zhuǎn)速/(r·min-1)135130510參數(shù)CAN總線數(shù)據(jù)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)絕對誤差系統(tǒng)允許誤差電機溫度/℃262513MCU溫度/℃252613母線電流/ A6713母線電壓/ V14214645反饋扭矩/ (N·m)353235

將表6中數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)值誤差與系統(tǒng)允許誤差對比可知，系統(tǒng)實際誤差均在系統(tǒng)允許誤差范圍內(nèi)。由此可知，對CAN通訊總線部分的程序設(shè)計能夠精準反映車輛平臺的實時狀態(tài)信息，滿足數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)的實際需求。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種基于LabVIEW的智能駕駛汽車開發(fā)平臺數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)借助數(shù)據(jù)采集板卡和分析儀完成車輛模擬信號、數(shù)字I/O信號以及整車CAN通訊總線數(shù)據(jù)的讀取和解析，利用LabVIEW實現(xiàn)車輛平臺實時狀態(tài)信息的讀取、顯示和監(jiān)測任務(wù)，主要解決了智能車輛平臺測試開發(fā)過程中數(shù)據(jù)實時采集與顯示的問題。

試驗驗證結(jié)果顯示，系統(tǒng)能夠精確地采集車輛自動駕駛平臺數(shù)字和模擬信號，并且能夠?qū)φ嘋AN總線信號進行分析采集、顯示，能夠完成智能車輛開發(fā)平臺的實時狀態(tài)監(jiān)測，相對于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有采集數(shù)據(jù)精確、界面直觀簡潔的優(yōu)點，具有一定的工程應(yīng)用價值。