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)
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。
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
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)。
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
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]。
2.4.1 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
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。