試驗數(shù)據(jù)及設備數(shù)據(jù)采集自動化應用

中汽研汽車工業(yè)工程（天津）有限公司信息工程部 張賀 馬健 董洪鵬 魏磊

本文介紹了汽車試驗領域常見試驗設備通訊方式，研究、設計通用性較高的數(shù)據(jù)采集方案，提供相對統(tǒng)一的試驗數(shù)據(jù)及設備狀態(tài)數(shù)據(jù)存儲平臺，并以某設備為例說明基于Can總線數(shù)據(jù)采集過程，驗證試驗數(shù)據(jù)及設備健康數(shù)據(jù)自動化采集方案，為試驗設備狀態(tài)自動化監(jiān)控和試驗報告自動生成創(chuàng)造條件。

0 引言

國務院印發(fā)的《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》強調加強相關計量測試、檢驗檢測、認證認可、知識和數(shù)據(jù)中心等公共服務平臺建設[1]。汽車產業(yè)作為國民經濟的重要支柱[2-3]，是推動新一輪科技革命和產業(yè)革命的重要力量，是我國建設制造強國的重要支撐。汽車檢測行業(yè)是一個試驗密集型行業(yè)，隨著汽車試驗國家標準的更新、汽車生產廠家試驗要求的提高，汽車試驗過程變得越來越復雜，對汽車試驗數(shù)據(jù)采集自動化提出越來越高的要求。試驗數(shù)據(jù)、設備健康狀態(tài)數(shù)據(jù)是實現(xiàn)公共服務平臺建設的基礎，可靠、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)自動化采集具有重要意義。

1 汽車試驗設備特點及常見通訊方式

汽車試驗設備是各設備廠商根據(jù)整車試驗方法標準研發(fā)的專用試驗設備，能夠滿足相關試驗標準要求的測量參數(shù)，但同類設備不同廠家數(shù)據(jù)采集、輸出方式卻各有不同。

當前具備試驗數(shù)據(jù)和設備數(shù)據(jù)自動化采集條件的設備，一般具備以下特點:主控設備下掛載多個（或一個）從屬設備（傳感器、氣體分析儀、煙度計、油耗儀等），主控設備通過Can總線、Modbus、RS232、TCP/IP、UDP等方式與從屬設備建立通信關系，從屬設備將信號（或數(shù)據(jù)包）定時發(fā)送給主控設備，主控設備按照一定規(guī)則處理后將數(shù)據(jù)同步寫入本地數(shù)據(jù)庫。在試驗完成后，按照特定算法對試驗數(shù)據(jù)進行分析，以曲線、表格的形式生成試驗報告（原始記錄），最后由人工將數(shù)據(jù)填寫（或截圖插入）到正式試驗報告中。

在這種模式下，試驗設備集成度低、主設備間基本沒有做到互聯(lián)互通，試驗后期數(shù)據(jù)處理工作量較大；且由于沒有試驗設備健康狀態(tài)信息，試驗設備維護人員無法對試驗設備行程相對統(tǒng)一的自動化管理。

2 試驗數(shù)據(jù)及設備數(shù)據(jù)自動化采集方案設計

本方案設計相對統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)接口，開發(fā)跨平臺數(shù)據(jù)采集模塊，實現(xiàn)中控機與試驗設備穩(wěn)定通訊，根據(jù)協(xié)議算法將試驗數(shù)據(jù)及設備健康數(shù)據(jù)采集到中控機，中控機作為客戶端將數(shù)據(jù)上傳到服務器端，由服務器統(tǒng)一存儲試驗數(shù)據(jù)。進而實現(xiàn)檢測業(yè)務數(shù)據(jù)與設備健康數(shù)據(jù)自動化采集與試驗過程數(shù)據(jù)跨平臺以相對統(tǒng)一的格式實時存儲過程。

2.1 試驗數(shù)據(jù)及設備數(shù)據(jù)自動化采集框架

如圖1試驗數(shù)據(jù)與設備健康數(shù)據(jù)自動化采集框架，劃分為感知層、傳輸層、應用層。在感知層傳感器等從屬設備掛載在主控設備下，主控設備在與數(shù)采模塊建立通訊后，將試驗數(shù)據(jù)和設備健康數(shù)據(jù)在試驗進行的過程中拋出數(shù)據(jù)包給數(shù)采模塊（可配置采樣頻率）；傳輸層實現(xiàn)數(shù)采模塊抓取消息隊列然后進行數(shù)據(jù)預處理；在應用層數(shù)據(jù)被寫入時間序列數(shù)據(jù)庫，然后被保存在關系型數(shù)據(jù)庫重，便于后續(xù)功能的使用。

圖1 試驗數(shù)據(jù)及設備數(shù)據(jù)自動化采集框架Fig.1 Framework for automatic collection of test data and equipment data

通過三層結構劃分，使得數(shù)據(jù)采集程序模塊框架更加明晰，便于日后維護和功能擴展。最大限度降低代碼的冗余度，提高程序的運行性能。

2.2 試驗數(shù)據(jù)及設備數(shù)據(jù)自動化功能模塊設計

如圖2所示，功能模塊分為控制模塊和發(fā)送模塊。控制模塊負責程序的主體運行、異常監(jiān)控、日志記錄等，主要用于接收主控設備數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲到內存數(shù)據(jù)庫做緩存；數(shù)據(jù)發(fā)送模塊將內存數(shù)據(jù)庫中緩存的數(shù)據(jù)拋向服務器時間序列數(shù)據(jù)庫。

圖2 功能模塊劃分Fig.2 Functional module division

在程序控制模塊中保留了插件模塊，系統(tǒng)依據(jù)不同的接口協(xié)議開發(fā)對應的插件模塊，例如針對Can總線通信的設備可調用Can通信插件，從而達到快速開發(fā)、部署的目的。

數(shù)據(jù)采集模塊通過研究Can總線、ModBus、TCP/IP等常見通訊協(xié)議，抽象出通訊模塊父類，將通訊所需基礎對象和方法封裝起來，通過接口與實現(xiàn)過程分離，從而使父類內部的功能部件具有“高內聚、低耦合”的最佳狀態(tài)，使用時新建子類繼承父類實現(xiàn)過程，對于與父類功能不同的部分，可以通過重寫的方式實現(xiàn)所需功能，提高編碼效率降低出錯概率，降低代碼維護難度。

3 基于Can總線設備數(shù)據(jù)采集驗證

以某品牌測功機數(shù)據(jù)采集為例，驗證試驗數(shù)據(jù)和設備數(shù)據(jù)采集自動化設計方案，該設備主控系統(tǒng)基于CAN總線與從屬設備以及外界進行通信。

3.1 建立通訊

將CAN轉以太網數(shù)據(jù)線九針（串口）母頭接到某品牌主控設備的CAN卡3#端口的公頭，CAN-H為db7端口，CAN-L為db2端口（主控軟件也需要相應的設置為3#端口，軟件通訊部分會提到）。

配置自定義的DBC文件，將寫好的DBC文件拷貝粘貼到主控電腦特定位置。

打開主控軟件，在系統(tǒng)配置中找到自定義的DBC文件。加載DBC文件并對Can口通訊進行設置:選擇Can卡HW card# 選擇1（表示選擇物理CAN卡1，一般情況只有1個CAN卡，一個CAN卡有4個端口）、選擇端口:HW port#選擇3（即選擇3# CAN口，與硬件連接的CAN口對應）、設置波特率、模式和停止位，設置完通道名稱后重啟主控軟件，主控電腦即可依據(jù)DBC文件，在3# CAN口發(fā)送出CAN報文。如圖3所示，大約有25個參數(shù)通道（數(shù)量與所配置的DBC文件有關）。

圖3 通道配置示例Fig.3 Channel configuration example

3.2 數(shù)據(jù)處理

搭建好底層驅動后，開啟程序接收Can總線發(fā)送的16進制原始數(shù)據(jù)，部分函數(shù)如圖4所示。

圖4 部分通訊代碼Fig.4 Part of the communication code

系統(tǒng)接收16進制原始數(shù)據(jù)后，根據(jù)實現(xiàn)定義的DBC文件，將16進制數(shù)據(jù)轉化為10進制，即完成將通道參數(shù)轉化過程，如圖5所示。

圖5 部分數(shù)據(jù)解析代碼Fig.5 Part of the data analysis code

通過以上配置實現(xiàn)基于Can通道的某品牌主控電腦試驗數(shù)據(jù)及設備健康數(shù)據(jù)自動采集。

4 結語

試驗數(shù)據(jù)和設備健康數(shù)據(jù)自動采集為汽車行業(yè)公共服務平臺提供可靠數(shù)據(jù)保障，對服務平臺建設具有重要的參考意義。提高試驗數(shù)據(jù)及設備健康數(shù)據(jù)自動采集比例，將試驗數(shù)據(jù)集中管理、減少人為干預程度，最大限度保持試驗的客觀性，提高試驗數(shù)據(jù)在公共服務平臺部門間流轉效率，將對汽車產業(yè)健康發(fā)展起到一定積極作用。