張明江，袁 弘，韓元凱，張宗慧

（山東電力集團公司電力科學研究，山東 濟南 250002）

0 引言

電動汽車因采用電力作為動力，能夠有效降低二氧化碳的排放量，具有清潔、環(huán)保的優(yōu)點，日漸受到人們的認可。同時，隨著石油價格的不斷上漲，電動汽車的成本優(yōu)勢也日漸明顯，在人們的日常生活中的應用也越來越廣泛［1］。目前，國內的電動汽車正處于示范運行和考核階段，在該階段需要完整的采集和存儲電動汽車的運行參數(shù)，尤其是動力蓄電池的運行參數(shù)，對電動汽車的運行進行有效的監(jiān)控，為全面考核和分析現(xiàn)有電動汽車的技術經濟性和整車可靠性，進一步完善電動汽車的設計和運營管理提供支持［2］。電動汽車相比于傳統(tǒng)的燃油車輛，其控制系統(tǒng)對實時性的要求更高，以實現(xiàn)對車輛驅動電機的實時控制，獲取良好的可靠性和穩(wěn)定性。汽車駕駛員也需要更多、更迅速的對電動汽車車輛運行中的各種信息進行實時監(jiān)控，以滿足電動汽車對安全性、環(huán)保、智能化要求。

在微處理器技術高速發(fā)展的今天，微處理器的性能越來越高，對實時性能的約束越來越小，而網絡的實時性則成為進一步提高電動汽車中實時控制系統(tǒng)性能的障礙。目前CAN總線是車輛小型分布式網絡互聯(lián)的首選解決方案，CAN總線的突出優(yōu)點是相對高的可靠性和低成本。但是，基于事件觸發(fā)的CAN總線在事件觸發(fā)報文發(fā)送時，采用固定優(yōu)先級仲裁機制，導致報文發(fā)送時間不確定，不能夠保證報文傳輸延時的時間確定性，難以滿足電動汽車的實時性要求?；跁r間觸發(fā)的TTCAN（時間觸發(fā)CAN）總線協(xié)議應運而生。它是在傳統(tǒng)CAN總線協(xié)議的基礎上的高層協(xié)議，專為汽車電機控制等高可靠性應用開發(fā)的［1-6］。

本文介紹了一種基于TTCAN總線的電動汽車監(jiān)控系統(tǒng)實例。 該系統(tǒng)以車載終端和監(jiān)控中心為核心，采用基于時間觸發(fā)的TTCAN總線技術，集數(shù)據(jù)的采集、處理、通信、存儲、控制于一體，具有良好的實時性和可靠性，實現(xiàn)了對電動汽車狀態(tài)的實時監(jiān)控，尤其是電動汽車的動力蓄電池的監(jiān)控，提高車輛的可靠性和安全性，通過本地和遠程兩種方式對電動車輛進行交互監(jiān)控，提供故障告警功能，記錄監(jiān)控人員的操作歷史，方便維護人員定位車輛故障。

1 TTCAN總線

TTCAN協(xié)議在CAN協(xié)議基礎之上，將事件觸發(fā)機制與實時性更高的時間觸發(fā)機制相結合，提高通信的實時性，滿足對安全性要求苛刻的實時系統(tǒng)以及總線日益增長的信息負載的需求［3-5］；同時，在CAN總線技術的基礎上，為TTCAN總線技術研究奠定了很好的軟硬件支持條件，降低了由CAN升級到TTCAN所需的成本［6］。TTCAN總線系統(tǒng)采用時間觸發(fā)機制，根據(jù)時間主機確定的時間調度策略，確定TTCAN總線節(jié)點上的數(shù)據(jù)收發(fā)時間窗口，減少了總線上消息間的沖突，提高了總線帶寬利用率，改善了總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性［3-4］。

同時，TTCAN采用類似于CAN總線中的短數(shù)據(jù)幀結構，每幀數(shù)據(jù)都采用循環(huán)冗余檢驗機制，受干擾的概率低。TTCAN總線符合ISO-11898-4標準，采用雙絞線，具有結構簡單、應用方便、價格低廉等特點，在現(xiàn)場總線中具有一定優(yōu)勢［3，5，6］。 應用TTCAN總線后的系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)采用車載監(jiān)控終端與監(jiān)控中心的兩種方式，對電動汽車進行監(jiān)控，把實時性要求較高的信息處理和控制邏輯放在車載監(jiān)控終端側進行處理，監(jiān)控中心主要用于電動汽車的集中管理和運營調度。

圖1 基于TTCAN總線的監(jiān)控系統(tǒng)架構

2 系統(tǒng)功能模塊設計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)概述

如圖1所示，系統(tǒng)由車載監(jiān)控終端模塊、數(shù)據(jù)采集控制模塊和監(jiān)控中心組成。車載監(jiān)控終端與數(shù)據(jù)采集控制模塊通過TTCAN總線連接，其網絡拓撲結構為主從總線型。車載監(jiān)控終端通過TTCAN總線與TTCAN總線上的節(jié)點進行通信，獲取節(jié)點信息或者發(fā)送控制指令［7］。TTCAN總線上的節(jié)點即數(shù)據(jù)采集控制模塊，各個數(shù)據(jù)采集模塊之間通過TTCAN總線進行通信。

TTCAN總線的節(jié)點包括里程計、步進電機、儀表盤、動力蓄電池、計量電表或者傳感器中的一種或多種。 各個節(jié)點負責電動汽車內多種傳感器數(shù)據(jù)的采集，并對數(shù)據(jù)進行預處理，然后通過TTCAN總線上傳到車載監(jiān)控終端；或者接收并執(zhí)行由車載監(jiān)控終端發(fā)送來的控制指令，對車內的各個控制執(zhí)行單元進行控制［8］。

車載監(jiān)控終端與監(jiān)控中心通過GPRS（General Packet Radio Service，即通用分組無線業(yè)務）網絡進行通信，將電動汽車車輛的動態(tài)運行參數(shù)實時上傳給監(jiān)控中心。監(jiān)控中心根據(jù)獲取的電動汽車實時運行參數(shù)，對電動汽車的運行狀態(tài)進行分析和評估后，下發(fā)相應的控制指令，對電動汽車進行控制。車載監(jiān)控終端模塊則根據(jù)獲取的節(jié)點信息和監(jiān)控指令，進行邏輯分析后作出控制決策，向TTCAN總線中的節(jié)點發(fā)送控制指令。這就構成如圖1所示的電動汽車監(jiān)控系統(tǒng)。

2.2 監(jiān)控中心設計

監(jiān)控中心采用B/S（Browser/Server）即瀏覽器/服務器架構。采用B/S架構主要考慮到本架構有成熟的開發(fā)模式和體系，開發(fā)較為簡單。B/S架構相較于C/S（客戶端/服務器）架構，在維護方面也更為簡單，界面友好、統(tǒng)一，方便用戶使用。該監(jiān)控中心（圖2）包含Web應用模塊、邏輯處理模塊、數(shù)據(jù)庫訪問控制模塊和遠程數(shù)據(jù)訪問控制模塊四個部分。其中Web應用模塊是用戶看到并進行人機交互的界面，邏輯處理模塊處理業(yè)務邏輯和業(yè)務規(guī)則，數(shù)據(jù)訪問控制模塊用于數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)的訪問控制［9］。遠程數(shù)據(jù)訪問控制模塊，則通過GPRS網絡與車載監(jiān)控終端進行通信獲取車載監(jiān)控終端數(shù)據(jù)或者下發(fā)控制命令［10］。 遠程數(shù)據(jù)訪問控制模塊通過數(shù)據(jù)庫訪問控制模塊將獲取的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫中。

GPRS網絡數(shù)據(jù)通信采用GPRS和SMS（Short Messaging Service，即短消息服務）兩種方式來保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。在GPRS網絡狀態(tài)良好的情況下，優(yōu)先通過GPRS通信方式將電動汽車所在位置、速度、車號、電池荷電狀態(tài)（SOC）等信息傳輸?shù)娇刂浦行牟⒔邮諄碜钥刂浦行牡闹噶?。當GPRS網絡出現(xiàn)網絡擁塞，GPRS未覆蓋或者中心工作人員誤操作導致與GPRS網絡連接斷開時，會立刻切換到SMS方式，直至GPRS網絡可以重新連接上。

圖2 監(jiān)控中心Web系統(tǒng)架構

2.3 數(shù)據(jù)采集控制模塊設計

圖3 數(shù)據(jù)采集模塊結構

數(shù)據(jù)采集控制模塊的結構如圖3所示，包括微處理器、TTCAN總線控制器和TTCAN總線接口三部分，其中TTCAN總線接口外接到TTCAN總線上，TTCAN總線控制器對總線數(shù)據(jù)的收發(fā)進行控制。其中微處理器至少應包括ROM存儲器、RAM存儲器、DA轉換器、AD轉換器以及一定數(shù)量的I/O接口。其中DA轉換器和AD轉換器相結合完成模擬量的輸入輸出功能，I/O接口用于外接傳感器和控制電路。傳感器包括溫度傳感器、電壓傳感器、電流傳感器、車速傳感器等其他用于電動汽車狀態(tài)信息采集的傳感器［11］。

2.4 車載監(jiān)控終端設計

2.4.1 硬件設計

車載監(jiān)控終端是電動汽車監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵模塊，如圖4所示，包括主控板、供電模塊、TTCAN總線控制器、GPRS模塊、音頻/視頻設備、GPS定位接收器、顯示器、鍵盤、指示燈等。主控板是整個設備的核心部分，采用支持ARMV5TE體系結構的ARM946E-S作為嵌入式處理器，具有極高的處理速度，可以擴展為4核，支持多種主流嵌入式操作系統(tǒng)，具有很好的兼容性。此外，ARM946E-S支持與串行外設通信，兼容多媒體處理模塊，對音頻和視頻數(shù)據(jù)的具有較好的支持，具有異步接收/發(fā)送器（USART），方便GPS接收器的數(shù)據(jù)讀取和與GPRS模塊的數(shù)據(jù)通信，具有JTAG接口和以太網接口，便于系統(tǒng)調試和內核升級。最為重要的是ARM946E-S對實時操作系統(tǒng)具有良好的支持，可以滿足車載監(jiān)控終端的實時性要求。

為滿足車載終端控制的實時性要求，車載監(jiān)控終端采用開源的RT-Linux操作系統(tǒng)作為車載監(jiān)控終端的系統(tǒng)平臺，對系統(tǒng)資源進行管理和調度。供電模塊使用車載電源（12 V或者24 V蓄電池）作為輸入電源，為車載監(jiān)控終端中的各個電壓等級的芯片提供電源。TTCAN總線控制器通過SPI（串行設備外圍接口）與主控板相連，外接到TTCAN總線上，與TTCAN總線上的節(jié)點進行數(shù)據(jù)的交互。GPS選用的型號是GPS3110，該模塊價格低廉，模塊功率較小，通過RS232串口與主控板相連，進行數(shù)據(jù)通信。車載監(jiān)控終端中的GPRS模塊選用的型號是ZSD3100，該型無線通信模塊支持GPRS和CDMA兩種移動通信方式，具有較好的靈活性，并且價格不高。GPRS模塊通過RS232串口與主控板相連，進行通信。數(shù)據(jù)存儲模塊選用Mini-SD卡作為存儲介質，通過SDIO（安全數(shù)字輸入輸出接口）或者USB（通用串行總線）接口與主控板相連，用于數(shù)據(jù)的存儲。

圖4 車載監(jiān)控終端系統(tǒng)結構圖

2.4.2 軟件設計

根據(jù)車載監(jiān)控終端（圖5）的特點，該車載監(jiān)控終端包括人機交互模塊、無線通信模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、TTCAN通信模塊、BMS（電池管理系統(tǒng)）模塊、車載導航模塊、歷史記錄模塊、賬戶管理模塊、故障告警模塊等功能模塊。

人機交互模塊用于展示各功能模塊的輸出信息，并提供對電動汽車的控制功能。無線通信模塊用于通過GPRS網絡與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)通信。TTCAN通信模塊是通過TTCAN總線控制器采集TTCAN總線上的節(jié)點信息或者下發(fā)控制命令。BMS模塊則通過TTCAN通信模塊與動力蓄電池的監(jiān)控裝置進行交互，對動力蓄電池的運行進行監(jiān)控，使得各個電池發(fā)揮出最優(yōu)性能，使電機能夠輸出目標功率。車載導航模塊從GPS設備接受GPS衛(wèi)星定位信息，解析定位信息，并更新電子地圖上的車輛位置。電動汽車所在位置、速度、電池運行狀態(tài)等信息通過GPRS網絡上送給監(jiān)控中心，以便監(jiān)控中心能夠監(jiān)控車輛的運行狀態(tài)。

歷史記錄模塊記錄車載終端用戶的操作記錄，包括系統(tǒng)配置操作和控制操作等。 賬戶管理模塊則對車載監(jiān)控終端的用戶的角色進行管理，分為兩類：一類是管理員，一類是普通用戶。 故障告警模塊監(jiān)測電動汽車的狀態(tài)，當電動汽車出現(xiàn)故障時，發(fā)出故障報警提示。故障報警信息通過無線通信模塊上傳到作為遠程服務端的監(jiān)控中心。 使得司機和監(jiān)控人員可以同步獲取故障報警信息，以便及時排除故障，也便于監(jiān)控人員及時對車輛進行調度。

數(shù)據(jù)存儲模塊采用了SQLite數(shù)據(jù)庫，該數(shù)據(jù)庫是一款輕型的數(shù)據(jù)庫，占用資源非常低，能夠支持Linux/Unix操作系統(tǒng)，并且是一款開源數(shù)據(jù)庫，對嵌入式設備有良好的支持。 在車載監(jiān)控終端中包含地理信息數(shù)據(jù)庫、電動汽車狀態(tài)數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，日志數(shù)據(jù)庫。 其中，地理信息數(shù)據(jù)庫存儲了地圖數(shù)據(jù)和地理信息數(shù)據(jù)，用于車載導航功能；電動汽車狀態(tài)數(shù)據(jù)庫用于存儲電動汽車的運行狀態(tài)參數(shù)；系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫保存用戶賬戶等一些系統(tǒng)信息，日志數(shù)據(jù)庫則記錄了車載監(jiān)控終端的日志、操作歷史記錄和故障告警記錄等。

圖5 車載監(jiān)控終端功能框圖

3 結語

基于TTCAN總線的分布式數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)采集—車載監(jiān)控終端—監(jiān)控中心的三級模式，對電動汽車的運營進行監(jiān)控。信息處理在現(xiàn)場進行，監(jiān)控中心集中管理電動汽車運營的模式，使得技術人員可以全面考核和分析現(xiàn)有電動汽車的技術經濟性和整車可靠性，進一步完善電動汽車的設計和運營組織。 采用TTCAN總線技術，提高了系統(tǒng)的可靠性和實時性，降低了車載監(jiān)控終端控制系統(tǒng)因實時性不足而出現(xiàn)的安全隱患。車載監(jiān)控終端采用開源的SQLite數(shù)據(jù)庫，使得系統(tǒng)的設計更為簡潔，降低了系統(tǒng)開發(fā)成本。從該設計方案在現(xiàn)場惡劣環(huán)境下的運行情況來看，它能夠經受住現(xiàn)場的考驗，出錯率低，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，較好的實現(xiàn)了對電動汽車運營的監(jiān)控。