一種基于TTCAN總線的電動(dòng)汽車(chē)管理系統(tǒng)

張明江，袁 弘，韓元?jiǎng)P，張宗慧

（山東電力集團(tuán)公司電力科學(xué)研究，山東 濟(jì)南 250002）

0 引言

電動(dòng)汽車(chē)因采用電力作為動(dòng)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(diǎn)，日漸受到人們的認(rèn)可。同時(shí)，隨著石油價(jià)格的不斷上漲，電動(dòng)汽車(chē)的成本優(yōu)勢(shì)也日漸明顯，在人們的日常生活中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛［1］。目前，國(guó)內(nèi)的電動(dòng)汽車(chē)正處于示范運(yùn)行和考核階段，在該階段需要完整的采集和存儲(chǔ)電動(dòng)汽車(chē)的運(yùn)行參數(shù)，尤其是動(dòng)力蓄電池的運(yùn)行參數(shù)，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的運(yùn)行進(jìn)行有效的監(jiān)控，為全面考核和分析現(xiàn)有電動(dòng)汽車(chē)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和整車(chē)可靠性，進(jìn)一步完善電動(dòng)汽車(chē)的設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)管理提供支持［2］。電動(dòng)汽車(chē)相比于傳統(tǒng)的燃油車(chē)輛，其控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求更高，以實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛驅(qū)動(dòng)電機(jī)的實(shí)時(shí)控制，獲取良好的可靠性和穩(wěn)定性。汽車(chē)駕駛員也需要更多、更迅速的對(duì)電動(dòng)汽車(chē)車(chē)輛運(yùn)行中的各種信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以滿足電動(dòng)汽車(chē)對(duì)安全性、環(huán)保、智能化要求。

在微處理器技術(shù)高速發(fā)展的今天，微處理器的性能越來(lái)越高，對(duì)實(shí)時(shí)性能的約束越來(lái)越小，而網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性則成為進(jìn)一步提高電動(dòng)汽車(chē)中實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)性能的障礙。目前CAN總線是車(chē)輛小型分布式網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的首選解決方案，CAN總線的突出優(yōu)點(diǎn)是相對(duì)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(bào)文發(fā)送時(shí)，采用固定優(yōu)先級(jí)仲裁機(jī)制，導(dǎo)致報(bào)文發(fā)送時(shí)間不確定，不能夠保證報(bào)文傳輸延時(shí)的時(shí)間確定性，難以滿足電動(dòng)汽車(chē)的實(shí)時(shí)性要求。基于時(shí)間觸發(fā)的TTCAN（時(shí)間觸發(fā)CAN）總線協(xié)議應(yīng)運(yùn)而生。它是在傳統(tǒng)CAN總線協(xié)議的基礎(chǔ)上的高層協(xié)議，專為汽車(chē)電機(jī)控制等高可靠性應(yīng)用開(kāi)發(fā)的［1-6］。

本文介紹了一種基于TTCAN總線的電動(dòng)汽車(chē)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)例。 該系統(tǒng)以車(chē)載終端和監(jiān)控中心為核心，采用基于時(shí)間觸發(fā)的TTCAN總線技術(shù)，集數(shù)據(jù)的采集、處理、通信、存儲(chǔ)、控制于一體，具有良好的實(shí)時(shí)性和可靠性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)汽車(chē)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，尤其是電動(dòng)汽車(chē)的動(dòng)力蓄電池的監(jiān)控，提高車(chē)輛的可靠性和安全性，通過(guò)本地和遠(yuǎn)程兩種方式對(duì)電動(dòng)車(chē)輛進(jìn)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(hù)人員定位車(chē)輛故障。

1 TTCAN總線

TTCAN協(xié)議在CAN協(xié)議基礎(chǔ)之上，將事件觸發(fā)機(jī)制與實(shí)時(shí)性更高的時(shí)間觸發(fā)機(jī)制相結(jié)合，提高通信的實(shí)時(shí)性，滿足對(duì)安全性要求苛刻的實(shí)時(shí)系統(tǒng)以及總線日益增長(zhǎng)的信息負(fù)載的需求［3-5］；同時(shí)，在CAN總線技術(shù)的基礎(chǔ)上，為T(mén)TCAN總線技術(shù)研究奠定了很好的軟硬件支持條件，降低了由CAN升級(jí)到TTCAN所需的成本［6］。TTCAN總線系統(tǒng)采用時(shí)間觸發(fā)機(jī)制，根據(jù)時(shí)間主機(jī)確定的時(shí)間調(diào)度策略，確定TTCAN總線節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)收發(fā)時(shí)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?shí)時(shí)性和可靠性［3-4］。

同時(shí)，TTCAN采用類似于CAN總線中的短數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，每幀數(shù)據(jù)都采用循環(huán)冗余檢驗(yàn)機(jī)制，受干擾的概率低。TTCAN總線符合ISO-11898-4標(biāo)準(zhǔn)，采用雙絞線，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用方便、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，在現(xiàn)場(chǎng)總線中具有一定優(yōu)勢(shì)［3，5，6］。 應(yīng)用TTCAN總線后的系統(tǒng)如圖1所示。系統(tǒng)采用車(chē)載監(jiān)控終端與監(jiān)控中心的兩種方式，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行監(jiān)控，把實(shí)時(shí)性要求較高的信息處理和控制邏輯放在車(chē)載監(jiān)控終端側(cè)進(jìn)行處理，監(jiān)控中心主要用于電動(dòng)汽車(chē)的集中管理和運(yùn)營(yíng)調(diào)度。

圖1 基于TTCAN總線的監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)

2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)概述

如圖1所示，系統(tǒng)由車(chē)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(chē)載監(jiān)控終端與數(shù)據(jù)采集控制模塊通過(guò)TTCAN總線連接，其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為主從總線型。車(chē)載監(jiān)控終端通過(guò)TTCAN總線與TTCAN總線上的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，獲取節(jié)點(diǎn)信息或者發(fā)送控制指令［7］。TTCAN總線上的節(jié)點(diǎn)即數(shù)據(jù)采集控制模塊，各個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊之間通過(guò)TTCAN總線進(jìn)行通信。

TTCAN總線的節(jié)點(diǎn)包括里程計(jì)、步進(jìn)電機(jī)、儀表盤(pán)、動(dòng)力蓄電池、計(jì)量電表或者傳感器中的一種或多種。 各個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)多種傳感器數(shù)據(jù)的采集，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后通過(guò)TTCAN總線上傳到車(chē)載監(jiān)控終端；或者接收并執(zhí)行由車(chē)載監(jiān)控終端發(fā)送來(lái)的控制指令，對(duì)車(chē)內(nèi)的各個(gè)控制執(zhí)行單元進(jìn)行控制［8］。

車(chē)載監(jiān)控終端與監(jiān)控中心通過(guò)GPRS（General Packet Radio Service，即通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)）網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，將電動(dòng)汽車(chē)車(chē)輛的動(dòng)態(tài)運(yùn)行參數(shù)實(shí)時(shí)上傳給監(jiān)控中心。監(jiān)控中心根據(jù)獲取的電動(dòng)汽車(chē)實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析和評(píng)估后，下發(fā)相應(yīng)的控制指令，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行控制。車(chē)載監(jiān)控終端模塊則根據(jù)獲取的節(jié)點(diǎn)信息和監(jiān)控指令，進(jìn)行邏輯分析后作出控制決策，向TTCAN總線中的節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令。這就構(gòu)成如圖1所示的電動(dòng)汽車(chē)監(jiān)控系統(tǒng)。

2.2 監(jiān)控中心設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心采用B/S（Browser/Server）即瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)。采用B/S架構(gòu)主要考慮到本架構(gòu)有成熟的開(kāi)發(fā)模式和體系，開(kāi)發(fā)較為簡(jiǎn)單。B/S架構(gòu)相較于C/S（客戶端/服務(wù)器）架構(gòu)，在維護(hù)方面也更為簡(jiǎn)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(yīng)用模塊、邏輯處理模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)控制模塊和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問(wèn)控制模塊四個(gè)部分。其中Web應(yīng)用模塊是用戶看到并進(jìn)行人機(jī)交互的界面，邏輯處理模塊處理業(yè)務(wù)邏輯和業(yè)務(wù)規(guī)則，數(shù)據(jù)訪問(wèn)控制模塊用于數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)控制［9］。遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問(wèn)控制模塊，則通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)與車(chē)載監(jiān)控終端進(jìn)行通信獲取車(chē)載監(jiān)控終端數(shù)據(jù)或者下發(fā)控制命令［10］。 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問(wèn)控制模塊通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)訪問(wèn)控制模塊將獲取的數(shù)據(jù)寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)中。

GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信采用GPRS和SMS（Short Messaging Service，即短消息服務(wù)）兩種方式來(lái)保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。在GPRS網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)良好的情況下，優(yōu)先通過(guò)GPRS通信方式將電動(dòng)汽車(chē)所在位置、速度、車(chē)號(hào)、電池荷電狀態(tài)（SOC）等信息傳輸?shù)娇刂浦行牟⒔邮諄?lái)自控制中心的指令。當(dāng)GPRS網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞，GPRS未覆蓋或者中心工作人員誤操作導(dǎo)致與GPRS網(wǎng)絡(luò)連接斷開(kāi)時(shí)，會(huì)立刻切換到SMS方式，直至GPRS網(wǎng)絡(luò)可以重新連接上。

圖2 監(jiān)控中心Web系統(tǒng)架構(gòu)

2.3 數(shù)據(jù)采集控制模塊設(shè)計(jì)

圖3 數(shù)據(jù)采集模塊結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)采集控制模塊的結(jié)構(gòu)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(duì)總線數(shù)據(jù)的收發(fā)進(jìn)行控制。其中微處理器至少應(yīng)包括ROM存儲(chǔ)器、RAM存儲(chǔ)器、DA轉(zhuǎn)換器、AD轉(zhuǎn)換器以及一定數(shù)量的I/O接口。其中DA轉(zhuǎn)換器和AD轉(zhuǎn)換器相結(jié)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(chē)速傳感器等其他用于電動(dòng)汽車(chē)狀態(tài)信息采集的傳感器［11］。

2.4 車(chē)載監(jiān)控終端設(shè)計(jì)

2.4.1 硬件設(shè)計(jì)

車(chē)載監(jiān)控終端是電動(dòng)汽車(chē)監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)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(shè)備、GPS定位接收器、顯示器、鍵盤(pán)、指示燈等。主控板是整個(gè)設(shè)備的核心部分，采用支持ARMV5TE體系結(jié)構(gòu)的ARM946E-S作為嵌入式處理器，具有極高的處理速度，可以擴(kuò)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(shè)通信，兼容多媒體處理模塊，對(duì)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(wǎng)接口，便于系統(tǒng)調(diào)試和內(nèi)核升級(jí)。最為重要的是ARM946E-S對(duì)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)具有良好的支持，可以滿足車(chē)載監(jiān)控終端的實(shí)時(shí)性要求。

為滿足車(chē)載終端控制的實(shí)時(shí)性要求，車(chē)載監(jiān)控終端采用開(kāi)源的RT-Linux操作系統(tǒng)作為車(chē)載監(jiān)控終端的系統(tǒng)平臺(tái)，對(duì)系統(tǒng)資源進(jìn)行管理和調(diào)度。供電模塊使用車(chē)載電源（12 V或者24 V蓄電池）作為輸入電源，為車(chē)載監(jiān)控終端中的各個(gè)電壓等級(jí)的芯片提供電源。TTCAN總線控制器通過(guò)SPI（串行設(shè)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(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。GPS選用的型號(hào)是GPS3110，該模塊價(jià)格低廉，模塊功率較小，通過(guò)RS232串口與主控板相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。車(chē)載監(jiān)控終端中的GPRS模塊選用的型號(hào)是ZSD3100，該型無(wú)線通信模塊支持GPRS和CDMA兩種移動(dòng)通信方式，具有較好的靈活性，并且價(jià)格不高。GPRS模塊通過(guò)RS232串口與主控板相連，進(jìn)行通信。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊選用Mini-SD卡作為存儲(chǔ)介質(zhì)，通過(guò)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(chǔ)。

圖4 車(chē)載監(jiān)控終端系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.4.2 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)車(chē)載監(jiān)控終端（圖5）的特點(diǎn)，該車(chē)載監(jiān)控終端包括人機(jī)交互模塊、無(wú)線通信模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、TTCAN通信模塊、BMS（電池管理系統(tǒng)）模塊、車(chē)載導(dǎo)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(jī)交互模塊用于展示各功能模塊的輸出信息，并提供對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的控制功能。無(wú)線通信模塊用于通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)通信。TTCAN通信模塊是通過(guò)TTCAN總線控制器采集TTCAN總線上的節(jié)點(diǎn)信息或者下發(fā)控制命令。BMS模塊則通過(guò)TTCAN通信模塊與動(dòng)力蓄電池的監(jiān)控裝置進(jìn)行交互，對(duì)動(dòng)力蓄電池的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控，使得各個(gè)電池發(fā)揮出最優(yōu)性能，使電機(jī)能夠輸出目標(biāo)功率。車(chē)載導(dǎo)航模塊從GPS設(shè)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(chē)輛位置。電動(dòng)汽車(chē)所在位置、速度、電池運(yùn)行狀態(tài)等信息通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)上送給監(jiān)控中心，以便監(jiān)控中心能夠監(jiān)控車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)。

歷史記錄模塊記錄車(chē)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(duì)車(chē)載監(jiān)控終端的用戶的角色進(jìn)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(cè)電動(dòng)汽車(chē)的狀態(tài)，當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)出現(xiàn)故障時(shí)，發(fā)出故障報(bào)警提示。故障報(bào)警信息通過(guò)無(wú)線通信模塊上傳到作為遠(yuǎn)程服務(wù)端的監(jiān)控中心。 使得司機(jī)和監(jiān)控人員可以同步獲取故障報(bào)警信息，以便及時(shí)排除故障，也便于監(jiān)控人員及時(shí)對(duì)車(chē)輛進(jìn)行調(diào)度。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊采用了SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)是一款輕型的數(shù)據(jù)庫(kù)，占用資源非常低，能夠支持Linux/Unix操作系統(tǒng)，并且是一款開(kāi)源數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)嵌入式設(shè)備有良好的支持。 在車(chē)載監(jiān)控終端中包含地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)、電動(dòng)汽車(chē)狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，日志數(shù)據(jù)庫(kù)。 其中，地理信息數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)了地圖數(shù)據(jù)和地理信息數(shù)據(jù)，用于車(chē)載導(dǎo)航功能；電動(dòng)汽車(chē)狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)電動(dòng)汽車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)；系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)保存用戶賬戶等一些系統(tǒng)信息，日志數(shù)據(jù)庫(kù)則記錄了車(chē)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(chē)載監(jiān)控終端功能框圖

3 結(jié)語(yǔ)

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(chē)載監(jiān)控終端—監(jiān)控中心的三級(jí)模式，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的運(yùn)營(yíng)進(jìn)行監(jiān)控。信息處理在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，監(jiān)控中心集中管理電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)營(yíng)的模式，使得技術(shù)人員可以全面考核和分析現(xiàn)有電動(dòng)汽車(chē)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性和整車(chē)可靠性，進(jìn)一步完善電動(dòng)汽車(chē)的設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)組織。 采用TTCAN總線技術(shù)，提高了系統(tǒng)的可靠性和實(shí)時(shí)性，降低了車(chē)載監(jiān)控終端控制系統(tǒng)因?qū)崟r(shí)性不足而出現(xiàn)的安全隱患。車(chē)載監(jiān)控終端采用開(kāi)源的SQLite數(shù)據(jù)庫(kù)，使得系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更為簡(jiǎn)潔，降低了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本。從該設(shè)計(jì)方案在現(xiàn)場(chǎng)惡劣環(huán)境下的運(yùn)行情況來(lái)看，它能夠經(jīng)受住現(xiàn)場(chǎng)的考驗(yàn)，出錯(cuò)率低，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，較好的實(shí)現(xiàn)了對(duì)電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)營(yíng)的監(jiān)控。