何晏平

（上海平揚(yáng)電子科技有限公司，上海201600）

新型號(hào)的汽車在進(jìn)入路試后，經(jīng)常碰到各種各樣的故障，需要專業(yè)人員進(jìn)行及時(shí)的數(shù)據(jù)分析處理，以判定是哪一個(gè)系統(tǒng)和部件出了問題。通過數(shù)據(jù)采集器采集車輛數(shù)據(jù)，然后及時(shí)本地壓縮存儲(chǔ)后再通過4G 無線網(wǎng)絡(luò)上傳到遠(yuǎn)在千里之外的云平臺(tái)存儲(chǔ)備份。讓專業(yè)人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，查找問題，加快研發(fā)進(jìn)度。

1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成

系統(tǒng)分三部分組成，帶數(shù)據(jù)采集器的路試車輛、負(fù)責(zé)云端數(shù)據(jù)接收和分發(fā)的后臺(tái)服務(wù)器以及應(yīng)用和操控的網(wǎng)絡(luò)電腦。在路試的每個(gè)車輛，配備一個(gè)數(shù)據(jù)采集器，其ID 與車輛的特征碼綁定，以區(qū)分是那一輛車的數(shù)據(jù)。每個(gè)數(shù)據(jù)采集器最多可提供八路的can 信號(hào)的數(shù)采集。分布式的應(yīng)用電腦透過網(wǎng)絡(luò)讀取后臺(tái)服務(wù)器的數(shù)據(jù)開展業(yè)務(wù)。

2 數(shù)據(jù)采集器基本特點(diǎn)

本設(shè)計(jì)為滿足汽車數(shù)據(jù)采集而設(shè)計(jì)，考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜性及成本，最多提供八路高速can2.0 采樣，速率250kbps, 500kbps，1Mbps可以調(diào)整。預(yù)留一路LIN Bus 信號(hào)采樣。采集數(shù)據(jù)除了can 數(shù)據(jù)外，還包含設(shè)備身份信息，定位和采集時(shí)間的基本信息，可以滿足使用要求。數(shù)據(jù)無線傳輸使用4G 網(wǎng)絡(luò)和wifi 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街付ǖ暮笈_(tái)。且4G 網(wǎng)絡(luò)和wifi 網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)切換。在硬件方面，由于是和汽車一起野外測(cè)試，要求穩(wěn)定可靠，能夠抗得住極低溫和極高溫以及強(qiáng)烈震動(dòng)的不良使用環(huán)境下的考驗(yàn)。還要滿足汽車惡劣的電磁環(huán)境的使用要求。所以，在設(shè)計(jì)采集器時(shí)，我們選擇了帶汽車級(jí)別的AECQ100 認(rèn)證的主動(dòng)器件，以及帶AECQ200 認(rèn)證的被動(dòng)器件，以保證在-40～85℃環(huán)境下使用的可靠性。在PCBA 上的設(shè)計(jì)使用了八層板的設(shè)計(jì)，EDS 器件的使用，金屬外殼的使用。保證了該設(shè)備在強(qiáng)電磁環(huán)境下的穩(wěn)定可靠。最終測(cè)試滿足汽車部件的企業(yè)考核標(biāo)準(zhǔn)。

3 數(shù)據(jù)采集器基本功能

數(shù)據(jù)采集方面本設(shè)備具有八路獨(dú)立CAN 通道采集數(shù)據(jù)功能。速率支持250Kbps 及500Kbps，1Mbps，支持CAN2.0A 及CAN2.0B數(shù)據(jù)采集格式。支持CAN 數(shù)據(jù)ZIP 及GZ 壓縮算法，可以擴(kuò)展其它壓縮算法；CAN 數(shù)據(jù)在本地循環(huán)存儲(chǔ)，并且使用FTP 上傳到后臺(tái)。LED 可以實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)。使用GPS 及無線網(wǎng)絡(luò)NTP 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校時(shí)。設(shè)備留有以太網(wǎng)網(wǎng)口，支持10M/100M/1000M 高速以太網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及通信。提供4G 高速上網(wǎng)功能。具有WIFI 客戶端聯(lián)網(wǎng)功能。外擴(kuò)SD/T 卡功能，可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)備。

4 數(shù)據(jù)采集器的組成與基本工作原理

在圖1 中，數(shù)據(jù)采集器主要由采集電路、數(shù)據(jù)處理電路、數(shù)據(jù)傳輸電路三部分組成。數(shù)據(jù)采集電路由八路獨(dú)立的CAN 數(shù)據(jù)采集器完成從外部總線上的數(shù)據(jù)采集。CN1 到CN8 是接線端子，CAN 信號(hào)的輸入。U12 是CAN 信號(hào)收發(fā)器，完成信號(hào)的電平和傳輸方式的轉(zhuǎn)換。U13 是CAN 信號(hào)控制器，起到將來自于MPU 的數(shù)據(jù)按CAN信號(hào)的格式進(jìn)行收發(fā)。其他路與此相同。U1 是MPU，它與U3 PMIC，U4 EMMC，以及U5 DDR3 共同構(gòu)成了最小數(shù)據(jù)處理SOC 系統(tǒng)。來自于CAN 信號(hào)控制器的數(shù)據(jù)在MPU 時(shí)序的控制下，進(jìn)入MPU，在這里與來自于U2 的定位信號(hào)以及來自于RTC 的時(shí)間數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的整合與壓縮及打包。數(shù)據(jù)傳輸由U2 完成，它是4G 無線通訊模塊，通過它與后臺(tái)交互數(shù)據(jù)。還有電源系統(tǒng)U10 提供了電源供給，U9 是MCU，進(jìn)行開關(guān)機(jī)時(shí)序的管理。

圖1 系統(tǒng)框圖

5 數(shù)據(jù)采集器的硬件設(shè)計(jì)

在架構(gòu)選定后，硬件設(shè)計(jì)包含元器件的選型，原理圖的建立以及后面的PCB 布局和線路板設(shè)計(jì)與仿真。

5.1 數(shù)據(jù)采集器重要元器件的選型

數(shù)據(jù)處理的核心是MPU，MPU 的計(jì)算能力必須要滿足大量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)計(jì)算與壓縮和打包。 IMX6Q 是一個(gè)內(nèi)部帶有Cortex A9的4 核ARM 處理器，主頻高達(dá)1.2GHz 以上。IMX6Q 芯片帶有WEIM 接口，支持16/32bit 的地址/數(shù)據(jù)總線混合模式，這個(gè)接口可靈活配置地址/數(shù)據(jù)端口，支持外接SRAM、NorFalsh 和OneNAND等設(shè)備，與外圍的SJA1000T 總線控制器數(shù)據(jù)接口通過電平轉(zhuǎn)換器匹配。

5.2 數(shù)據(jù)采集器的重點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

圖2 軟件架構(gòu)圖

CN1，CN2，CNX，CN8 是8 路can bus 數(shù)據(jù)采集的輸入口連接器，可以接收can2.0 的數(shù)據(jù)，支持速率250kbps 和500kbps 的數(shù)據(jù)取樣。最高可到1Mbps 的速率。U12 是NXP 的TJA1042，是其中一路的can2.0 數(shù)據(jù)的信號(hào)收發(fā)器，它將兩線制的can 差分信號(hào)轉(zhuǎn)換成TXD 與RXD 的串行信號(hào)與can 信號(hào)的控制器銜接。U13 是NXP 的SJA1500T，它是can 數(shù)據(jù)的收發(fā)器，與后面的處理器銜接。將發(fā)送的并行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成can 信號(hào)發(fā)送出去，也可將前級(jí)送來的can 信號(hào)，轉(zhuǎn)換成并行信號(hào)被處理器接受。該收發(fā)器可設(shè)置不同的波特率，以適應(yīng)采集信號(hào)的要求。同時(shí)，每接受16 幀can 信號(hào)后，給處理器發(fā)出一個(gè)INT 請(qǐng)求，也可報(bào)錯(cuò)。處理器在收到INT 請(qǐng)求后，由于內(nèi)置64bytes 的FIFO。一次性可讀取16 幀can 信號(hào),同時(shí)指示一路LED 燈亮。U1 是IMX6Q 是一個(gè)內(nèi)部帶有Cortex A9 的4 核ARM 處理器，主頻高達(dá)1.2GHz 以上。它與周邊的U3，U4，U5 和U6構(gòu)成了最小的SOC 系統(tǒng)。配置了DDR3 1G bytes 的內(nèi)存，32G Bits Flash 存儲(chǔ)器。 U3 是電源管理器，DC 5V 的輸入，它提供了整個(gè)SOC 的供電。以及上電時(shí)序的管理。本地的SD 卡提供循環(huán)存儲(chǔ)備份。U20 是wifi 模塊，支持IEEE802.11bgn，U2 是4G 無線通訊模塊，帶衛(wèi)星定位功能。通過協(xié)議打包的數(shù)據(jù)，使用wifi 網(wǎng)絡(luò)及4G網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)。U10 是DC/DC，由DC12V 轉(zhuǎn)換成DC3V3 供外設(shè)使用，5V 供USB，MPU 系統(tǒng)使用，3V8 供給4G 模塊單元使用。 U9是32 位的MCU，對(duì)系統(tǒng)的電源，上電時(shí)序進(jìn)行管理?？梢员O(jiān)控CAN 信號(hào)是不是存在。U8 是RTC，給系統(tǒng)提供時(shí)間，由網(wǎng)絡(luò)和GPS校時(shí)。

6 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)從下到上依次為硬件層、OS 層、平臺(tái)層、服務(wù)層及應(yīng)用層。硬件層主要由MPU MCU 及外圍電路組成，OS 層為負(fù)責(zé)車端的RTOS 及負(fù)責(zé)應(yīng)用的Linux 系統(tǒng)組成，平臺(tái)層主要為各種硬件及操作系統(tǒng)資源的抽象層，服務(wù)層主要提供CAN、WiFi、file、LED、storage、4G 等services，應(yīng)用層通過調(diào)用service 層提供的服務(wù)來實(shí)現(xiàn)具體的功能。

6.1 系統(tǒng)軟件特性

MPU OS 采用Linux kernel4.9.11 版本，采用RAM 高速緩存存儲(chǔ)CAN 幀，然后轉(zhuǎn)存至外存，采用ZIP 壓縮，CPU 占用小、效率高，采用FTP 上傳，支持?jǐn)嗑€重傳。采用循環(huán)存儲(chǔ)策略，有效防止存儲(chǔ)溢出。 MCUOS 為UCOSRTOS，采用高速CAN 實(shí)時(shí)采集車況數(shù)據(jù)，并發(fā)送控制指令。 MPU 系統(tǒng)高速采集多路并行CAN 總線數(shù)據(jù)。Platform 層主要是SOC 及外設(shè)驅(qū)動(dòng)適配層, 維護(hù)及監(jiān)控整個(gè)板卡的工作狀態(tài)。Service 層主要為4G 撥號(hào)上網(wǎng)，WIFI 熱點(diǎn)鏈接，高速以太網(wǎng)連接，GPS 定位、CAN 數(shù)據(jù)采集。APP 應(yīng)用層主要包含CAN 數(shù)據(jù)壓縮存儲(chǔ)及上傳，LED 狀態(tài)更新，網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步，GPS 數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)上傳，4G 撥號(hào)、WIFI、以太網(wǎng)配置等。

6.2 系統(tǒng)啟動(dòng)

上電后MCU 率先啟動(dòng)，打開MPU 電源，初始化RAM/ROM，引導(dǎo) 進(jìn) 入Linux OS。初 始 化UART、EMMC、RTC、LED、Ethernet、WIFI、CAN 等設(shè)備驅(qū)動(dòng)，初始化文件系統(tǒng)、TCP/IP 協(xié)議棧、shell 環(huán)境等。接下來啟動(dòng)4G module，使用PPPD 進(jìn)入撥號(hào)流程，獲取公網(wǎng)DNS 及IP 地址。然后是WIFI 熱點(diǎn)鏈接，在linux 上映射為WIFI0網(wǎng)口，綁定DHCP client 及DNS client，搜索到WIFI AP 后，加入到網(wǎng)絡(luò)中，在4G 網(wǎng)絡(luò)不可用時(shí)，切換gateway 為WIFI0。上述過程ready 后MCU 會(huì)同linux 進(jìn)行時(shí)間同步，系統(tǒng)啟動(dòng)后，linux 需要從MCU 獲取車輛VIN 碼，并和MCU 進(jìn)行時(shí)間同步，同時(shí)LINUX 會(huì)從網(wǎng)絡(luò)上獲取基站時(shí)間。MCU VIN 碼的獲取是在車輛上電后，MCU 會(huì)啟動(dòng)CAN 協(xié)議棧，發(fā)送UDS 診斷包，車輛收到診斷包后，發(fā)出VIN 序列號(hào)給到MCU，MCU 收到后存入ROM 中，并且通過UART 接口發(fā)送給MPU 系統(tǒng)。接下來是CAN 幀采集, 實(shí)時(shí)從can接口抓取CAN 幀，并寫入設(shè)備序列號(hào)、CAN 端口號(hào)、時(shí)間序列等。經(jīng)過上一步打包的CAN 幀，轉(zhuǎn)存入RAM 高速緩存中，并啟動(dòng)壓縮程序。隨著ZIP 壓縮程序的啟動(dòng)，CAN 幀原始文件，經(jīng)過ZIP 壓縮打包后，存至EMMC 中。這時(shí)候系統(tǒng)會(huì)啟動(dòng)FTP 數(shù)據(jù)上傳。為了實(shí)現(xiàn)循環(huán)存儲(chǔ),CAN 幀原始文件在轉(zhuǎn)存至EMMC 后，監(jiān)控程序會(huì)輪訓(xùn)文件夾大小，size 超限后，刪除時(shí)間最老的文件。整個(gè)過程會(huì)伴隨著LED 狀態(tài)的更新,監(jiān)控程序會(huì)檢查CAN 網(wǎng)絡(luò)包的狀態(tài)，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果更新點(diǎn)亮LED 指示燈，在5S 內(nèi)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)不再跳動(dòng)，則熄滅LED 燈。

7 整體運(yùn)行調(diào)試與結(jié)果

滿載八路CAN 信號(hào)發(fā)生器接到CAN 采集器上，采集器抓取到CAN 幀，打上時(shí)間戳并發(fā)送到測(cè)試后臺(tái)，測(cè)試后臺(tái)抓取到數(shù)據(jù)包，轉(zhuǎn)交由分析程序分析。分析程序解判定收到的幀的丟幀率和錯(cuò)誤率。

采集器在有CAN 數(shù)據(jù)流時(shí)點(diǎn)亮指示燈，反之熄滅LED 指示燈。在4G 在網(wǎng)絡(luò)正常時(shí)，可以正常撥號(hào)上網(wǎng)。在WIFI 網(wǎng)絡(luò)正常時(shí)，可以正常接入到WIFI 熱點(diǎn)。在插入以太網(wǎng)后，可以正常獲取DNS及IP 地址。設(shè)備可以從基站獲取時(shí)間，并且MPU 和MCU 可以保持時(shí)間同步。CAN 幀可以正常壓縮上傳，并且在遠(yuǎn)端FTP 服務(wù)器上可以收到CAN 幀，并且CAN 幀完整無異常。EMMC 外存在存儲(chǔ)達(dá)到上限后，自動(dòng)刪除，達(dá)到循環(huán)存儲(chǔ)要求。

測(cè)試下來八路CAN 同時(shí)加載的情況下誤碼率不超過千萬分之一，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)驗(yàn)證效果。

結(jié)束語

本文通過對(duì)無線多路汽車數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)與分析，簡(jiǎn)單分析了其系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)工作環(huán)境，對(duì)其特點(diǎn)以及工作原理進(jìn)行了簡(jiǎn)單描述，從設(shè)計(jì)的角度對(duì)其硬件配置以及重要元器件進(jìn)行了描述，隨后通過系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)使其得以實(shí)現(xiàn)，通過系統(tǒng)測(cè)試后，運(yùn)行良好，達(dá)到預(yù)期驗(yàn)證效果，無線多路汽車數(shù)據(jù)采集器的應(yīng)用既可以幫助相關(guān)工作人員處理問題又可以提高工作效率，再此領(lǐng)域起積極作用。