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        基于ARM的混合動(dòng)力汽車在線數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)

        2013-10-15 01:20:44羅國富劉小娟楊文超
        制造業(yè)自動(dòng)化 2013年15期
        關(guān)鍵詞:汽車系統(tǒng)

        羅國富,劉小娟,段 瑞,楊文超

        (鄭州輕工業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院,鄭州 450002)

        0 引言

        混合動(dòng)力汽車作為新能源汽車的一種重要形式,在節(jié)能和環(huán)保方面的貢獻(xiàn)越來越得到人們的認(rèn)可,和國外相比,我國的新能源汽車發(fā)展?fàn)顩r尚處在起步階段,和人們相對(duì)比較理想的純電動(dòng)汽車相比,混合動(dòng)力汽車的發(fā)展還有很長(zhǎng)一段路要走[1],一些關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)在還沒有完全成熟,可靠性、耐久性、節(jié)能比例還有待進(jìn)一步提高,因此需要及時(shí)了解車輛運(yùn)行中的信息,監(jiān)控車輛運(yùn)行中的狀態(tài)。文獻(xiàn)[2]介紹了微處理器S3C2440和CAN 總線控制器SJA1000 構(gòu)建CAN 通信電路,采用CPLD實(shí)現(xiàn)接口時(shí)序設(shè)計(jì)的方法,這一點(diǎn)是非常有意義的。文獻(xiàn)[3]闡述了幾種數(shù)據(jù)采集及分析方法,該文以德國西門子公司(SIEMENS)的S-200PLC為核心處理硬件,用PLC軟件編程和FameView監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā),實(shí)現(xiàn)了所需功能,但是系統(tǒng)不利于擴(kuò)展。文獻(xiàn)[4]基于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車CAN網(wǎng)絡(luò)的在線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究,該數(shù)據(jù)系統(tǒng)基于CAN 網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析,并能用SD卡的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行存儲(chǔ)SD卡中,實(shí)用性強(qiáng)。文獻(xiàn)[5]針對(duì)三種不同結(jié)構(gòu)形式的混合動(dòng)力車參數(shù)分別提出了不同的方案,然后對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評(píng)定,由于不同系統(tǒng)存在不同的結(jié)構(gòu)及不同傳輸協(xié)議,設(shè)計(jì)出通用型的混合動(dòng)力電動(dòng)汽車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)仍需努力。文獻(xiàn)[6]利用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)合整車CAN總線,滿足了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的需要,可以和3G網(wǎng)絡(luò)結(jié)合進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群土髁?。文獻(xiàn)[7]中電動(dòng)車用CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)的設(shè)計(jì),該系統(tǒng)基于嵌入式主機(jī),能夠?qū)崟r(shí)地將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在U盤中,即插即用。對(duì)其他系統(tǒng)有一定的參考意義。文獻(xiàn)[8]選用ARM 9—2440芯片作為數(shù)據(jù)采集與發(fā)送的核心芯片,完成系統(tǒng)硬件平臺(tái)的搭建,在ADS開發(fā)環(huán)境下,編寫調(diào)試程序,完成數(shù)據(jù)采集及傳輸,但系統(tǒng)應(yīng)結(jié)合FlexRay總線技術(shù)和3G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù),在傳輸速率和信號(hào)穩(wěn)定性方面能保障數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)性和可靠性;對(duì)采集的數(shù)據(jù)的管理應(yīng)該和數(shù)據(jù)庫技術(shù)結(jié)合在一起,便于查找;系統(tǒng)的智能化仍需進(jìn)一步提高。本文綜合以上各個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn),開發(fā)了基于ARM的混合動(dòng)力汽車數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)。

        建立基于ARM的混合動(dòng)力汽車的在線數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng),符合國家新能源汽車構(gòu)建以信息化、標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化為特征的戰(zhàn)略發(fā)展目標(biāo)[9]。建立統(tǒng)一的平臺(tái)把已有的和新產(chǎn)生的實(shí)時(shí)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)和傳輸,按照信息化的標(biāo)準(zhǔn)為國家新能源汽車和市新能源汽車管理層提供現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的各種基礎(chǔ)數(shù)據(jù),為企業(yè)生產(chǎn)廠家進(jìn)一步改善新能源汽車提供幫助,推動(dòng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

        1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

        本文所設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用在混合動(dòng)力汽車的整車分布式CAN網(wǎng)絡(luò)中,它涉及到數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、平臺(tái)搭建、接口設(shè)計(jì)等多方面的內(nèi)容,是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。系統(tǒng)作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)接在CAN網(wǎng)絡(luò)上,對(duì)整個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)和傳輸?;旌蟿?dòng)力汽車包括很多控制單元,它們也作為節(jié)點(diǎn)連接在CAN網(wǎng)絡(luò)上,主要包括有:發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元(ECU)、整車控制單元(HCU)、電機(jī)控制單元(IPU)、電池控制單元(BCM)、變速箱控制單元(TCU)、顯示控制單元(DCU)、轉(zhuǎn)向角傳感器、制動(dòng)防抱死控制單元(ABS)。這個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

        圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

        2 數(shù)據(jù)采集硬件設(shè)計(jì)

        該系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集方法基礎(chǔ)上,結(jié)合本系統(tǒng)要求,考慮到系統(tǒng)安全性、實(shí)時(shí)性、可靠性、易維護(hù)性、可擴(kuò)展性方面的需要,基于模塊化的設(shè)計(jì)方法,設(shè)計(jì)出了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

        圖2 數(shù)據(jù)采集硬件結(jié)構(gòu)圖

        選定采用S3C2440作為為核處理器,具有高速運(yùn)算和處理能力,能夠滿足系統(tǒng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算和處理的能力。S3C2440集成化程度高,它集成了3個(gè)通道UART、4個(gè)通道的DMA、4個(gè)具有PWM功能的計(jì)時(shí)器和一個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘、8通道的10位ADC、一個(gè)LCD控制器、SDRAM控制器。另外,它還有許多豐富的外部接口,例如觸摸屏接口、攝像頭接口、兩個(gè)USB主機(jī)接口、一個(gè)USB設(shè)備接口、SD卡接口、兩個(gè)SPI接口等,因此也大量減少了外部電路。由于S3C2440最大工作時(shí)鐘頻率為533MHz,而外面的晶振只有幾十兆,因此在ARM中要做倍頻處理。對(duì)于其他含有RS232接口或者RS485接口設(shè)備,可通過MAX232或者M(jìn)AX485完成核微處理器和該設(shè)備之間的電平轉(zhuǎn)換。

        圖3給出了CAN 模塊接口電路圖。CAN通信模塊是主要由CAN控制器MCP2515和CAN 收發(fā)器TJA 1050組成。為增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾性,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性,在CAN控制器和CAN收發(fā)器之間加入光耦6N137。由于微處理器采用該芯片的I/O口工作電壓為3.3V,核心工作電壓為1.8V,存儲(chǔ)模塊的工作電壓為3.3V,而汽車上的電壓為12V,因此要進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)換,此工作由電源模塊完成。無線通信模塊采用CONEXTOP(凌創(chuàng))產(chǎn)品WgBoard 3G模塊, 利用它,任何帶有標(biāo)準(zhǔn)串口的設(shè)備都可以輕松連入3G/3.5G網(wǎng)絡(luò)。

        圖3 CAN模塊接口電路圖

        3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        通過軟件設(shè)計(jì),主要完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信與傳輸、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示等功能,如圖4所示。

        圖4 系統(tǒng)軟件功能框圖

        1)數(shù)據(jù)采集

        混合動(dòng)力汽車中的各個(gè)控制單元通過CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。在其他控制單元中,傳感器信號(hào)按照DAVE(程序編寫軟件)可視化軟件編好的C語言程序經(jīng)過放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換處理,存儲(chǔ)到微控制器中的輸入存儲(chǔ)器中,然后存儲(chǔ)器內(nèi)的數(shù)據(jù)會(huì)被CPU運(yùn)算處理,然后存入輸出存儲(chǔ)器,至此完成數(shù)據(jù)計(jì)算過程。CAN 收發(fā)器將CAN控制器產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換為適合在CAN總線上的發(fā)送信號(hào)發(fā)送出去。此時(shí),一個(gè)控制單元產(chǎn)生的信號(hào)就到達(dá)CAN 總線上了。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中收發(fā)器接收CAN總線上的數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)傳送到CAN 控制器,然后經(jīng)S3C2440內(nèi)部處理后,通過接口讀入到核存儲(chǔ)器,做進(jìn)一步處理和分析。

        2)數(shù)據(jù)通信與傳輸

        數(shù)據(jù)通信與傳輸功能是通過3G 模塊實(shí)現(xiàn)的,采用CONEXTOP(凌創(chuàng))面向3G/3.5G網(wǎng)絡(luò)而推出的高速串口接入Inernet傳輸?shù)漠a(chǎn)品,它能同時(shí)傳送TCP/UDP包給多個(gè)數(shù)據(jù)接收設(shè)備,是一種高性能串口聯(lián)網(wǎng)模塊,保證在所有串口在最高波特率下雙向全速不間斷傳輸數(shù)據(jù)不丟包,支持4路高速串口,波特率高達(dá)921600bps。提供多種配置管理通道,同時(shí)支持串口AT命令配置,Web配置,以及跨網(wǎng)段任意IP管理配置的設(shè)備管理軟件。我們可根據(jù)需要,設(shè)置一定的時(shí)間間隔來傳輸采集到的數(shù)據(jù)。

        3)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理模塊

        實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理模塊是將接收到的數(shù)據(jù)按照一定的協(xié)議進(jìn)行解碼并將其存在數(shù)據(jù)庫里一個(gè)過程。

        4)參數(shù)設(shè)置

        參數(shù)設(shè)置模塊可以使得用戶自行設(shè)置采樣間隔時(shí)間和其它控制參數(shù)。本系統(tǒng)平臺(tái)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和互動(dòng)響應(yīng)時(shí)間不大于2分鐘。

        5)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)

        監(jiān)控中心可設(shè)定監(jiān)控的間隔跟蹤任何車輛,被監(jiān)控的車輛將按照中心設(shè)置的時(shí)間間隔自動(dòng)回復(fù)車輛的位置、行駛速度、運(yùn)行方向、時(shí)間等信息到監(jiān)控中心,監(jiān)控中心可實(shí)現(xiàn)24小時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)控車輛運(yùn)行情況。

        6)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示

        實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示的功能是將數(shù)據(jù)通過曲線圖或者表格的形式及時(shí)的將系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)顯示出來,以便監(jiān)視和分析車輛異常情況。

        4 應(yīng)用案例

        本文開發(fā)的基于ARM的混合動(dòng)力汽車數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng),在鄭州市混合動(dòng)力汽車運(yùn)行線路從火車站到鄭大新區(qū)南門的B12路公交上得到了應(yīng)用?,F(xiàn)將其運(yùn)行中的情況進(jìn)行介紹。

        首先,從經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性能方面考慮,采集相關(guān)方面的信號(hào),并根據(jù)采集到的信號(hào)作出百公里耗電量圖、車輛功率圖。圖5為車輛百公里耗電量圖,車號(hào)分別為4423、4425、4429,圖6為車輛功率圖,車號(hào)為4423。

        圖5 車輛百公里耗電量

        圖6 車輛功率圖

        在監(jiān)控方面,采用點(diǎn)、線、面相結(jié)合的方式,建立立體化網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。將單個(gè)車輛作為一個(gè)點(diǎn),車輛運(yùn)營線路作為線,整個(gè)示范運(yùn)營車輛的運(yùn)營狀態(tài)作為一個(gè)面進(jìn)行監(jiān)控。監(jiān)控中心可根據(jù)需要調(diào)取任一運(yùn)營車輛的運(yùn)行監(jiān)控圖像,以車號(hào)為5125的B12 車輛為例進(jìn)行說明,如圖7 所示。

        圖7 車輛監(jiān)控圖像

        5 結(jié)束語

        基于ARM的混合動(dòng)力汽車數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)在鄭州市混合動(dòng)力汽車運(yùn)行線路28路及B12路上得到了應(yīng)用,驗(yàn)證了其實(shí)用性。試驗(yàn)表明,系統(tǒng)能夠完成對(duì)新產(chǎn)生的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)和傳輸,整個(gè)系統(tǒng)擴(kuò)展性強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定、便于程序維護(hù)和系統(tǒng)升級(jí)。

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