付賀陽

(煙臺汽車工程職業(yè)學(xué)院 汽車工程系，山東 煙臺 265500)

0 引言

目前汽車已經(jīng)成為日常生產(chǎn)生活中不可或缺的交通工具，不斷增加的汽車保有量使能源與環(huán)境污染問題日益突出，市場對清潔高效的新能源汽車的需求量不斷增加。目前國內(nèi)的新能源汽車的性能仍然有待進(jìn)一步完善，新能源汽車行駛過程中會(huì)產(chǎn)生大量有價(jià)值的數(shù)據(jù)，采集并分析這些數(shù)據(jù)能夠?yàn)樘嵘履茉雌嚰夹g(shù)提供重要支撐，進(jìn)而使新能源汽車的相關(guān)性能得以不斷優(yōu)化?，F(xiàn)有的新能源汽車數(shù)據(jù)采集方法普遍存在無法實(shí)時(shí)高效采集先關(guān)數(shù)據(jù)的不足，設(shè)計(jì)開發(fā)一種性能穩(wěn)定的新能源汽車多功能數(shù)據(jù)采集終端成為目前行業(yè)內(nèi)的主要工作方向之一。

1 需求分析

近年來社會(huì)及公眾對環(huán)保問題的重視程度不斷提高，對節(jié)能環(huán)保的生產(chǎn)生活方式和相關(guān)技術(shù)方法的需求不斷提高，飛速發(fā)展的汽車工業(yè)日漸暴露出了能源和交通等問題，為解決由持續(xù)增長的汽車保有量帶來的環(huán)境污染問題，新能源汽車得到了快速發(fā)展及廣泛的應(yīng)用，通過結(jié)合運(yùn)用包括互聯(lián)網(wǎng)等在內(nèi)的現(xiàn)代化新技術(shù)大力發(fā)展新能源汽車已經(jīng)成為傳統(tǒng)汽車產(chǎn)業(yè)順應(yīng)汽車發(fā)展趨勢的有效手段，我國新能源汽車發(fā)展起步較晚，在一些基礎(chǔ)領(lǐng)域的發(fā)展仍有所欠缺。新能源汽車的生產(chǎn)過程較為復(fù)雜，ECU(專用微機(jī)控制器)的制作則是汽車中的關(guān)鍵部分，新能源汽車發(fā)展面臨著很多方面沒有相應(yīng)實(shí)際數(shù)據(jù)提供支撐的問題，汽車行業(yè)很難僅通過理論指導(dǎo)實(shí)踐獲取相關(guān)結(jié)論，大多需從大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中獲取設(shè)置汽車相關(guān)數(shù)值的支撐，針對新能源汽車的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，其主要設(shè)計(jì)目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)對新能源汽車數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確、高效穩(wěn)定的采集過程，并在此基礎(chǔ)上通過構(gòu)建一個(gè)完整的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的實(shí)驗(yàn)過程，為汽車工程師了解并不斷提升新能源汽車的相關(guān)性能提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[1]。本文根據(jù)汽車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)際功能需求采用模塊化的設(shè)計(jì)思想完成了一種多接口數(shù)據(jù)采集終端的設(shè)計(jì)，有效實(shí)現(xiàn)了整個(gè)數(shù)據(jù)采集流程。

2 新能源汽車多接口數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)

相比于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車，新能源汽車(包括混合動(dòng)力、純電動(dòng)、燃料電池等類型的汽車)雖具有更加簡單的機(jī)械結(jié)構(gòu)，但其電池、電機(jī)及電氣結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度更高，這就對新能源汽車運(yùn)行狀況的監(jiān)管提出了更高的要求，現(xiàn)階段針對的新能源汽車的數(shù)據(jù)采集終端大多通過對車輛CAN(控制器局域網(wǎng)絡(luò))接口中的數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集過程，由于缺少本地化保存環(huán)節(jié)在信號較差的情況下極易導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失，難以重新獲取數(shù)據(jù)?；谲囕d診斷系統(tǒng)(OBDII)的數(shù)據(jù)采集模式主要用于后裝市場上(包括車速測量、體檢打分等)，通常將數(shù)據(jù)向用戶手機(jī)發(fā)送(通過藍(lán)牙通信完成)，此種數(shù)據(jù)采集模式因存在數(shù)據(jù)采集類型單一、準(zhǔn)確性不足、可靠性較差等問題而限制了深層應(yīng)用范圍[1]。

2.1 終端設(shè)計(jì)

本文在現(xiàn)有研究基礎(chǔ)上通過設(shè)計(jì)一種通用型車輛數(shù)據(jù)采集終端實(shí)現(xiàn)了對新能源汽車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，該采集終端能夠?qū)ο嚓P(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，這些數(shù)據(jù)除了能夠用于車輛監(jiān)控及駕駛行為分析、油耗分析和故障診斷等外，還能將有價(jià)值的數(shù)據(jù)信息提供給技術(shù)研發(fā)人員，技術(shù)研發(fā)人員可根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)提高車輛的運(yùn)行效率及安全穩(wěn)定性能，構(gòu)建起用于車輛優(yōu)化的車輛大數(shù)據(jù)庫。本文所設(shè)計(jì)的車載數(shù)據(jù)采集終端主要用于監(jiān)控車輛運(yùn)行狀態(tài)、存儲和發(fā)送數(shù)據(jù)和故障診斷等，具體負(fù)責(zé)穩(wěn)定可靠、實(shí)時(shí)高效的采集和存儲新能源車輛的運(yùn)行數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集終端的硬件結(jié)構(gòu)(ARM主控器)示意圖如圖1所示。

圖1 新能源汽車數(shù)據(jù)采集終端硬件結(jié)構(gòu)示意圖

該采集終端硬件支持多種接口，從而使數(shù)據(jù)采集終端的通用性和擴(kuò)展性得以顯著提升；通過構(gòu)建穩(wěn)定高效的數(shù)據(jù)源傳輸通道使數(shù)據(jù)采集的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性得到有效提升。采集到的數(shù)據(jù)主要包括車輛實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)(通過CAN總線獲取)以及車輛實(shí)時(shí)位置信息(通過GPS模塊獲取)2類，車載終端在本地存儲卡保存采集到的原始數(shù)據(jù)保存(以文件的形式)，為后續(xù)進(jìn)行有針對性的數(shù)據(jù)挖掘及分析操作提供支撐[2]。

2.2 采集終端的結(jié)構(gòu)及功能設(shè)計(jì)

為有效滿足數(shù)據(jù)采集終端的性能及功耗需求，本文選用了具備成熟穩(wěn)定、低功耗、擴(kuò)展性良好優(yōu)勢的三星S3C6410處理器(主頻高達(dá)667M)，該處理器基于ARM11架構(gòu)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，包含多種硬件加速器、DDR內(nèi)存(128MB)和NANDFLASH(4MB)，S3C6410芯片兼顧了CAN的性能和成本。采集終端通過使用Microchip MCP CAN控制器(支持SPI接口)實(shí)現(xiàn)濾波過程，終端的ARM主控芯片具有較強(qiáng)的抗噪性，支持較高的運(yùn)行速率，具體同汽車CAN網(wǎng)絡(luò)相連(通過MCP收發(fā)器完成)和GPS模塊相連(通過UART2串口完成)，整車控制器程序能夠完成本地化的更新過程，數(shù)據(jù)采集終端主要通過獲取的GPS數(shù)據(jù)完成對車輛具體行車位置的監(jiān)控，終端使用RTL8 189芯片(支持SDIO接口和AP/STA主從工作模式)同外部設(shè)備進(jìn)行通信，具體采用長距離和短距離(包括PC終端和手機(jī)等)相結(jié)合的通信交互方式，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)流的高速穩(wěn)定的實(shí)時(shí)雙向傳輸過程，終端可借助手機(jī)、Pad實(shí)時(shí)顯示采集到的信息。采集終端通過WiFi無線通信實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向通信過程。長距離傳輸采用MC2 716無線通信模塊將原始數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心服務(wù)器。采用TF卡(支持SDIO接口)滿足采集終端的本地?cái)?shù)據(jù)存儲需求[3]。

3 新能源汽車多接口數(shù)據(jù)采集終端軟件設(shè)計(jì)

終端軟件設(shè)計(jì)主要由采集融合、本地存儲和數(shù)據(jù)傳輸3部分構(gòu)成，在常見的嵌入式操作系統(tǒng)中，源代碼開放的Linux系統(tǒng)能夠同時(shí)支持多任務(wù)，具有支持多種文件系統(tǒng)、內(nèi)核穩(wěn)定、硬件驅(qū)動(dòng)完善等優(yōu)勢，采用Linux系統(tǒng)可有效滿足數(shù)據(jù)采集終端的功能需求。對終端進(jìn)行系統(tǒng)移植及相關(guān)操作(包括修改及加載驅(qū)動(dòng)、配置內(nèi)核、系統(tǒng)燒寫等)完成對各硬件模塊的支持，終端軟件完成了穩(wěn)定數(shù)據(jù)通道(從源到監(jiān)控中心流向)的構(gòu)建，負(fù)責(zé)對車輛數(shù)據(jù)源中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集(此時(shí)得到的原始數(shù)據(jù)是CAN數(shù)據(jù)幀，需通過協(xié)議解析轉(zhuǎn)換為車輛實(shí)時(shí)數(shù)據(jù))，并向監(jiān)控中心可靠交付數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集終端軟件數(shù)據(jù)流示意圖如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集終端軟件數(shù)據(jù)流示意圖

終端軟件先融合打包獲取的車輛數(shù)據(jù)及位置數(shù)據(jù)(通過車輛CAN總線和GPS獲取)，接下來完成數(shù)據(jù)的本地化存儲(按照一定格式)。并可基于TCP協(xié)議采用無線通信方式向監(jiān)控中心發(fā)送數(shù)據(jù)，也可通過手持設(shè)備顯示(通過無線短距離通信接收)[4]。

3.1 CAN數(shù)據(jù)幀

CAN協(xié)議根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)組織可劃分為物理層(主要負(fù)責(zé)完成對數(shù)據(jù)傳輸方式的定義)、數(shù)據(jù)鏈路層(主要負(fù)責(zé)完成數(shù)據(jù)報(bào)文成幀、濾波及仲裁等功能)和應(yīng)用層(主要向用戶提供自定義功能)，CAN數(shù)據(jù)幀在車輛中主要應(yīng)用SAE J1939通信協(xié)議(對應(yīng)CAN總線協(xié)議)，數(shù)據(jù)鏈路層格式及應(yīng)用層格式分別由SAEJ1939-21和SAEJ1939-71負(fù)責(zé)給出定義，數(shù)據(jù)幀在數(shù)據(jù)鏈路層傳送數(shù)據(jù)信息時(shí)以PDU(協(xié)議數(shù)據(jù)單元，相當(dāng)于CAN協(xié)議中的擴(kuò)展幀)為單位進(jìn)行，PGN(即參數(shù)組編號)由R+PF+PS+DP構(gòu)成，SA為原地址，PS為PDU細(xì)節(jié)，P為優(yōu)先級，PF為PDU格式(報(bào)文編碼)，R為保留位、DP為數(shù)據(jù)頁(固定為0)，如數(shù)據(jù)幀的ID為18FEEE00對應(yīng)的PGN為0x00FEEE[5]。消息在應(yīng)用層以報(bào)文(對應(yīng)一個(gè)或多個(gè)CAN數(shù)據(jù)幀，具有相同PGN的)傳遞，協(xié)議數(shù)據(jù)幀的具體含義示例如表1所示。

表1 協(xié)議幀數(shù)據(jù)集含義示例

3.2 數(shù)據(jù)獲取

本文通過Socket CAN網(wǎng)絡(luò)編程模型(可同時(shí)打開多個(gè)CAN套接字)的使用完成數(shù)據(jù)的有效獲取，CAN控制器成功驅(qū)動(dòng)后可作為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備調(diào)用CAN設(shè)備驅(qū)動(dòng)(通過網(wǎng)絡(luò)Socket接口)完成軟件編程，套接口收發(fā)管理功能采用Epoll多接口編程模型完成。車輛CAN總線數(shù)據(jù)的獲取流程為：先完成網(wǎng)絡(luò)通信的初始化，接下來在接口出綁定CAN套接字(需對全部CAN接口進(jìn)行監(jiān)聽)，然后對濾波功能進(jìn)行設(shè)置(僅接收擴(kuò)展幀數(shù)據(jù))，通過多接口完成CAN總線車輛數(shù)據(jù)的接收，數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)隊(duì)列，主要代碼如下[6]。

socket(PF_CAN,SOCK_RAW,CAN_RAW);

sAddr.can_family =AF_CAN;

sAddr.can_ifindex =0;

bind(nSocket,(struct sockaddr*)&sAddr,sizeof(struct sockad-dr_can));

sFilter.can_id =0x00000000U;

sFilter.can_id |=CAN_EFF_FLAG;

sFilter.can_mask =0x80000000U;

setsockopt(nSocket,SOL_CAN_RAW,CAN_RAW_FILTER,

&sFilter,sizeof(struct can_filter));

Epoll編程模型操作流程如下[7]。

nEpoll =epoll_create(2);

epoll_ctl(nEpoll,EPOLL_CTL_ADD,nSocket,&sEvent);

nEvents=epoll_wait(nEpoll,sArrEvent,2,10);

融合后的車輛數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)過可分解為通過無線通信向遠(yuǎn)程監(jiān)控中心實(shí)時(shí)發(fā)送的數(shù)據(jù)(經(jīng)J1939協(xié)議規(guī)范解析)、存儲到本地SD卡上的數(shù)據(jù)(存儲文件大小可靈活配置)、在手持設(shè)備上本地化顯示的數(shù)據(jù)。以實(shí)際需要為依據(jù)確定文件的命名策略，如采用“車架號-采集時(shí)間”命名以區(qū)分車輛終端及采集時(shí)間。

4 實(shí)驗(yàn)測試及結(jié)果分析

通過設(shè)計(jì)模擬測試對本文設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集終端的運(yùn)行效果進(jìn)行測試，數(shù)據(jù)的收發(fā)測試過程采用CANalyst-II CAN(可視為標(biāo)準(zhǔn)的CAN節(jié)點(diǎn))總線分析儀完成，該分析儀與終端的連接，通過使用配套軟件完成相關(guān)設(shè)置(包括CAN通道、報(bào)文發(fā)送的波特率、幀ID/格式/類型等)。上電后采集終端能夠快速根據(jù)配置文件自動(dòng)配置WiFi完成客戶端程序的有效過程，測試結(jié)果表明該車載終端能夠?qū)崟r(shí)高效穩(wěn)定地完成數(shù)據(jù)采集與傳輸過程。經(jīng)解析后呈現(xiàn)的部分內(nèi)容實(shí)現(xiàn)了對車輛實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)及數(shù)據(jù)的直觀反映，能夠?yàn)閰?shù)優(yōu)化和故障診斷提供依據(jù)[8]。

5 總結(jié)

隨著代表汽車工業(yè)新發(fā)展趨勢的新能源汽車應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大，對行車數(shù)據(jù)的采集需求不斷增加，實(shí)時(shí)高效地獲取新能源汽車的行車數(shù)據(jù)已經(jīng)成為提升車輛運(yùn)行效率提升確保行車安全的重要手段，為有效滿足現(xiàn)代新能源汽車對數(shù)據(jù)采集性能的需求，本文設(shè)計(jì)了一種多接口的通用型車載數(shù)據(jù)采集終端，支持兩路CAN總線、GPS、TF存儲接口，并通過完整的數(shù)據(jù)流向通道的構(gòu)建使車輛數(shù)據(jù)的獲取及傳輸質(zhì)量和效率得以顯著提升，該數(shù)據(jù)采集終端具備良好的穩(wěn)定性及可拓展性，能夠?qū)φ嚨南嚓P(guān)數(shù)據(jù)(包括CAN網(wǎng)絡(luò)和GPS等)進(jìn)行有效的采集、存儲和發(fā)送，能夠更好的滿足新能源汽車的實(shí)際應(yīng)用需求。