周 雅 夫， 連 靜＊， 李 駿， 劉 明 輝， 趙 子 亮， 潘 姝 月

（1.大連理工大學 工業(yè)裝備結構分析國家重點實驗室，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學 汽車工程學院，遼寧 大連 116024；3.中國第一汽車集團公司技術中心，吉林 長春 130011）

0 引 言

隨著科學技術的進步與經濟的發(fā)展，汽車已成為人們日常生活中離不開的交通運輸工具，汽車工業(yè)在當代世界經濟活動中發(fā)揮著巨大的作用，是最大、最重要的工業(yè)領域之一，已經成為改變整個社會面貌的一個重要手段[1].同時，汽車工業(yè)的發(fā)展所帶來的對石油資源需求的急劇增加和對環(huán)境嚴重的負面影響引起了人們的日益關注.為了適應這個發(fā)展趨勢，世界各國的政府，學術界、工業(yè)界正在加大對電動汽車開發(fā)投入的力度，加速電動汽車的商品化步伐[2].2009年2月，《節(jié)能與新能源汽車示范推廣財政補助資金管理暫行辦法》[3]中決定在上海、北京、大連、長春、武漢、深圳等13個城市開展節(jié)能與新能源汽車示范推廣試點工作，為配合這項工作的開展，各地都加大了對電動汽車的研究力度.在新車型研發(fā)的過程中，需要隨時掌握車輛的駕駛條件及運行狀況，為后續(xù)車輛行駛工況的構建、控制策略的改進優(yōu)化等提供技術支持，指導車輛進一步的優(yōu)化設計.因此，本項目設計研發(fā)電動汽車試驗運行參數監(jiān)控系統(tǒng).

1 試驗設備及原理

電動汽車試驗運行參數監(jiān)控系統(tǒng)結合車輛自身已安裝多處傳感器的特點，通過控制器局域網（controller area network，CAN）通訊網絡，將原車采集到的信號通過CAN總線發(fā)送給信號接收電路；由dsPIC33F微控制器利用串行通訊方式把數據傳遞給無線GPRS（general packet radio service）數據傳輸模塊，再通過GPRS無線網關將所接收到的數據發(fā)送到Internet網絡中；上位機通過無線網絡實時接收、顯示、存儲數據，系統(tǒng)工作過程如圖1所示.此方式既節(jié)約了成本，又方便地實現了對行駛車輛運行狀態(tài)、電池工作狀態(tài)、電機運行狀態(tài)的遠程監(jiān)控和實時數據采集，可隨時掌握車輛運行狀況.

該系統(tǒng)主要由車載終端（下位機）和監(jiān)測終端（上位機）組成；下位機采集汽車所需監(jiān)測的數據，上位機通過網絡接收并存儲數據，如圖2所示，其中 UART （universal asynchronous receiver/transmitter）為通用異步接收/發(fā)送裝置，SPI（serial peripheral interface）為串行外圍設備接口.

2 數據采集器開發(fā)

在下位機車載終端開發(fā)數據采集器，通過CAN總線接口與車載CAN總線進行數據實時共享，所有需要檢測的信號參數都通過CAN總線被發(fā)送出來.利用無線GPRS數據傳輸模塊將CAN總線上的數據通過無線網絡傳回上位機監(jiān)測終端.

圖1 系統(tǒng)工作過程示意圖Fig.1 Sketch map for system working process

圖2 系統(tǒng)設計原理框圖Fig.2 Principle chart for system design

2.1 主控制芯片

下位機車載終端硬件部分，采用Microchip公司的dsPIC33F[4]微控制器作為本采集器的控制器芯片.通過兩組CAN總線通訊電路，分別對電動汽車A網、B網實時數據進行采集.在控制器內部對數據進行處理后，通過UART將數據傳輸到無線GPRS數據傳輸模塊，硬件結構框圖如圖2數據采集器部分所示，其中 GSM（global system for mobile communications）為全球移動通訊系統(tǒng).

作為協(xié)調各部分共同工作的主控制芯片dsPIC33F，是一種高性價比、系統(tǒng)可靠性高、設計靈活方便的控制芯片.在數據采集器中，它用來控制CAN模塊通訊、串口通訊、時鐘芯片、存儲芯片等多個部分協(xié)同工作.

2.2 CAN接口模塊

CAN接口模塊主要用于完成與車載CAN總線的通訊，接收所需參數，實現采集器與電動汽車內部控制系統(tǒng)之間的無干擾通訊.

德國Bosch公司推出的CAN[5]性能穩(wěn)定、價格低廉，被廣泛地應用于汽車內部網絡.它是一種具有很高保密性，有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡[6].限于篇幅，此處僅以消息接收過程為例簡要說明其通訊原理：當有CAN幀到達時，自動觸發(fā)CAN底層硬件驅動程序的中斷接收函數，此時中斷接收函數會將最原始的CAN擴展幀報文存放到驅動程序的消息臨時接收緩沖區(qū)中.協(xié)議棧的消息接收模塊將調用相關函數對消息進行解析，通過計算29位CAN標識符所對應的J1939協(xié)議消息的參數組編號PGN值，來判斷該消息是什么類型的消息，根據不同的消息類型進行不同的處理[7].

了解CAN通訊原理后，要選用可以配合協(xié)議的硬件設備.dsPIC33F芯片內部集成了增強型CAN控制器模塊，因此無需擴展CAN控制器芯片，使用其內部集成的CAN模塊進行電路設計，在降低成本的同時提高了電路設計集成度.為了與電動汽車上的信號傳輸相匹配，在CAN控制器模塊與CAN總線之間增加了一片經典的CAN收發(fā)器芯片PCA82C250；考慮到車載環(huán)境的惡劣性，為進一步加強抗干擾措施，在兩個CAN節(jié)點之間又增加了由高速光電隔離器件6N137[8]構成的隔離電路；CAN總線通信電路如圖3所示.

圖3 CAN總線通信電路Fig.3 Communication circuit based on CAN bus

2.3 無線數據傳輸模塊

GPRS是通用分組無線業(yè)務[9]的簡稱，是一種以全球手機系統(tǒng)為基礎的數據傳輸技術，在用戶和數據網絡之間提供一種連接，給用戶提供高速無線IP或X.25服務.因此，本文使用無線GPRS數據傳輸模塊實現車載終端與上位機監(jiān)控終端的無線通訊，實現實時數據的無線傳輸.將GPRS無線通訊技術與車載CAN總線通訊技術結合到一起，以精簡的硬件結構實現了車輛實時狀態(tài)遠程在線監(jiān)控的功能.對無線GPRS數據傳輸模塊，完成簡單的設置后，通過串行接口即可將從數據采集器采集來的數據通過無線網絡發(fā)送出去.

3 上位機監(jiān)測終端

PC上位機接入Internet網絡后，可以從Internet網絡上接收到無線GPRS數據傳輸模塊所發(fā)送的數據信息，監(jiān)測終端實現對車輛運行狀態(tài)實時監(jiān)測的功能.監(jiān)測終端主要由后臺程序、組態(tài)王顯示界面程序、Access數據庫3部分組成.在上位機上采用Visual C＋＋6.0開發(fā)后臺程序，通過Internet實現與多臺無線數據傳輸模塊的通訊，并監(jiān)測無線數據傳輸模塊的工作狀態(tài).采用組態(tài)王6.5開發(fā)前臺程序，對車輛運行狀態(tài)進行還原并顯示.利用Windows NT的DDE（動態(tài)數據交換機制，dynamic data exchange）技術，將后臺實時數據信息共享到前臺監(jiān)控中心軟件，以圖形、動畫等形式實時顯示CAN總線傳輸的數據，監(jiān)控車輛的運行狀態(tài)；并開發(fā)了自動繪制實時曲線、生成數據報表等功能.通過連接Access數據庫，將采集數據存儲起來，可隨時查看與繪制歷史曲線.在上位機可以監(jiān)控和記錄來自多臺數據采集器的實時信息，上位機監(jiān)控終端設計原理框圖如圖4所示.

圖4 上位機監(jiān)控終端設計原理框圖Fig.4 Principle chart for host computer monitoring terminal

3.1 VC后臺程序

采用Visual C＋＋6.0開發(fā)數據接收程序，通過Internet網絡實現與多臺無線數據傳輸模塊的數據通訊.Visual C＋＋6.0通過調用與下位機中用到的宏電公司開發(fā)的GPRS數據傳輸模塊配套的動態(tài)庫wcomm＿dll.dll中的API（應用程序編程接口，application programming interface）函數來完成和GPRS數據傳輸模塊之間的通訊，API函數包括服務的啟動、服務的停止、數據的發(fā)送、數據的接收、參數的配置、參數的查詢等函數.當上位機接入Internet網絡后，可以通過無線網絡接收到來自下位機的整車數據、電機數據和電池數據.VC后臺程序的顯示界面如圖5所示.

圖5 VC后臺程序顯示界面Fig.5 Display interface for VC background program

3.2 組態(tài)王顯示界面

采用組態(tài)王6.5開發(fā)前臺程序，顯示并監(jiān)測車輛運行狀態(tài).利用Windows NT的DDE技術，將2.1節(jié)中后臺程序接收到的實時信息共享到由組態(tài)王6.5開發(fā)的前臺監(jiān)控軟件，以圖形、動畫等形式實時顯示車載CAN總線采集的數據，監(jiān)控各臺車輛的運行狀態(tài)，具有自動繪制實時曲線、生成數據報表等功能.另外通過組態(tài)王內部的Web發(fā)布功能，可以把當前數據顯示界面發(fā)布到Internet網頁上，這意味著除了運行上位機軟件的計算機外，其他地域的計算機，只要可以上網，就能以網頁的方式察看當前監(jiān)控頁面.開發(fā)的組態(tài)王實時數據顯示界面如圖6所示.

圖6 組態(tài)王實時數據顯示界面Fig.6 Real－time data display interface of the King View

3.3 Access數據庫

采用Microsoft Office的Microsoft Office Access作為數據存儲的數據庫.利用SQL語句將來自VC后臺程序的實時數據信息按照車輛編號分別存儲在各自編號對應的數據表中，存儲結果如圖7所示.

圖7 Access數據存儲結果Fig.7 Results of Access data store

同時組態(tài)王可以通過內部的歷史曲線控件調用存儲在數據表中的數據來繪制各特定參數相對于時間的歷史曲線圖，如圖8所示.

圖8 歷史曲線圖Fig.8 Chart for history curves

4 電動汽車參數監(jiān)控系統(tǒng)

圖9 數據采集器Fig.9 Data collector

圖10 上位機監(jiān)測終端工作界面Fig.10 Work interface of host computer monitoring terminal

圖9為本項目開發(fā)的電動汽車參數監(jiān)控系統(tǒng)中下位機數據采集器；圖10為上位機監(jiān)測終端工作界面.目前該系統(tǒng)已成功應用于大連市節(jié)能與新能源車輛大規(guī)模示范運營項目的數百輛混合動力電動汽車上，近6個月的實車測試表明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、抗干擾能力強且易于維護，能夠準確、可靠地完成實時數據的采集、傳輸和管理.所采集的數據可用于電動汽車能量回收分析、節(jié)油分析與優(yōu)化、動態(tài)工況測試、控制策略改進等，為后續(xù)車輛的改進優(yōu)化提供技術支撐.

5 結 語

本文設計開發(fā)了電動汽車參數監(jiān)控系統(tǒng)，對車輛運行參數進行實時監(jiān)測.目前，該系統(tǒng)在大連市節(jié)能與新能源車輛大規(guī)模示范運營項目混合動力電動汽車上的成功應用充分證明了其可行性及有效性.同時，也可將該系統(tǒng)應用于其他節(jié)能與新能源車輛、特種車輛等，只需將所開發(fā)數據采集器的CAN總線接口與被測車輛CAN總線進行數據實時共享，所有需要檢測的信號參數就可通過CAN總線被發(fā)送出來，然后通過無線傳輸模塊將CAN總線上的數據傳回上位機監(jiān)測終端，為后續(xù)車輛的改進優(yōu)化提供技術支撐.因此，該系統(tǒng)具有廣泛的適用性和良好的應用前景.

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[9]LI Cheng，DING Tian－h(huán)uai，CHEN Ken.Improved design of remote wireless transmission terminal using GPRS/GSM integrated network [J]. Computer Communications，2006，29（8）：1163－1173