基于ARM的混合動力汽車在線數據采集與監控系統

羅國富，劉小娟，段 瑞，楊文超

（鄭州輕工業學院 機電工程學院，鄭州 450002）

0 引言

混合動力汽車作為新能源汽車的一種重要形式，在節能和環保方面的貢獻越來越得到人們的認可，和國外相比，我國的新能源汽車發展狀況尚處在起步階段，和人們相對比較理想的純電動汽車相比，混合動力汽車的發展還有很長一段路要走[1]，一些關鍵技術現在還沒有完全成熟，可靠性、耐久性、節能比例還有待進一步提高，因此需要及時了解車輛運行中的信息，監控車輛運行中的狀態。文獻[2]介紹了微處理器S3C2440和CAN 總線控制器SJA1000 構建CAN 通信電路,采用CPLD實現接口時序設計的方法，這一點是非常有意義的。文獻[3]闡述了幾種數據采集及分析方法，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監控系統開發，實現了所需功能，但是系統不利于擴展。文獻[4]基于混合動力電動汽車CAN網絡的在線數據采集系統研究，該數據系統基于CAN 網絡對數據進行采集分析，并能用SD卡的優勢進行存儲SD卡中，實用性強。文獻[5]針對三種不同結構形式的混合動力車參數分別提出了不同的方案，然后對采集到的數據進行綜合評定，由于不同系統存在不同的結構及不同傳輸協議，設計出通用型的混合動力電動汽車數據采集系統仍需努力。文獻[6]利用GPRS無線網絡結合整車CAN總線，滿足了遠程監測的需要，可以和3G網絡結合進一步提高數據傳輸的速度和流量。文獻[7]中電動車用CAN網絡數據記錄系統的設計，該系統基于嵌入式主機，能夠實時地將數據存儲在U盤中，即插即用。對其他系統有一定的參考意義。文獻[8]選用ARM 9—2440芯片作為數據采集與發送的核心芯片，完成系統硬件平臺的搭建，在ADS開發環境下，編寫調試程序，完成數據采集及傳輸，但系統應結合FlexRay總線技術和3G網絡通信技術，在傳輸速率和信號穩定性方面能保障數據信息的實時性和可靠性；對采集的數據的管理應該和數據庫技術結合在一起，便于查找；系統的智能化仍需進一步提高。本文綜合以上各個系統的優缺點，開發了基于ARM的混合動力汽車數據采集與監控系統。

建立基于ARM的混合動力汽車的在線數據采集與監控系統，符合國家新能源汽車構建以信息化、標準化、產業化為特征的戰略發展目標[9]。建立統一的平臺把已有的和新產生的實時的系統數據進行采集、存儲和傳輸，按照信息化的標準為國家新能源汽車和市新能源汽車管理層提供現場運行的各種基礎數據，為企業生產廠家進一步改善新能源汽車提供幫助，推動新能源汽車產業化發展。

1 系統結構設計

本文所設計的數據采集及監控系統應用在混合動力汽車的整車分布式CAN網絡中，它涉及到數據采集、數據管理、平臺搭建、接口設計等多方面的內容，是一項復雜的系統工程。系統作為一個節點接在CAN網絡上，對整個CAN網絡上的節點數據進行采集、存儲和傳輸。混合動力汽車包括很多控制單元，它們也作為節點連接在CAN網絡上，主要包括有：發動機電控單元(ECU)、整車控制單元(HCU)、電機控制單元(IPU)、電池控制單元(BCM)、變速箱控制單元(TCU)、顯示控制單元(DCU)、轉向角傳感器、制動防抱死控制單元(ABS)。這個系統結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構圖

2 數據采集硬件設計

該系統在數據采集方法基礎上，結合本系統要求，考慮到系統安全性、實時性、可靠性、易維護性、可擴展性方面的需要，基于模塊化的設計方法，設計出了系統硬件結構圖如圖2所示。

圖2 數據采集硬件結構圖

選定采用S3C2440作為為核處理器，具有高速運算和處理能力，能夠滿足系統數據實時計算和處理的能力。S3C2440集成化程度高，它集成了3個通道UART、4個通道的DMA、4個具有PWM功能的計時器和一個內部時鐘、8通道的10位ADC、一個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USB主機接口、一個USB設備接口、SD卡接口、兩個SPI接口等，因此也大量減少了外部電路。由于S3C2440最大工作時鐘頻率為533MHz，而外面的晶振只有幾十兆，因此在ARM中要做倍頻處理。對于其他含有RS232接口或者RS485接口設備，可通過MAX232或者MAX485完成核微處理器和該設備之間的電平轉換。

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 收發器TJA 1050組成。為增強系統的抗干擾性，提高系統的穩定性，在CAN控制器和CAN收發器之間加入光耦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，存儲模塊的工作電壓為3.3V，而汽車上的電壓為12V，因此要進行相應的轉換，此工作由電源模塊完成。無線通信模塊采用CONEXTOP（凌創）產品WgBoard 3G模塊, 利用它，任何帶有標準串口的設備都可以輕松連入3G/3.5G網絡。

圖3 CAN模塊接口電路圖

3 系統軟件設計

通過軟件設計，主要完成數據采集、數據通信與傳輸、實時數據處理、參數設置、數據實時監測、數據實時顯示等功能，如圖4所示。

圖4 系統軟件功能框圖

1）數據采集

混合動力汽車中的各個控制單元通過CAN總線進行數據交換。在其他控制單元中，傳感器信號按照DAVE（程序編寫軟件）可視化軟件編好的C語言程序經過放大、濾波、A/D轉換處理，存儲到微控制器中的輸入存儲器中，然后存儲器內的數據會被CPU運算處理，然后存入輸出存儲器，至此完成數據計算過程。CAN 收發器將CAN控制器產生的數據信號轉換為適合在CAN總線上的發送信號發送出去。此時，一個控制單元產生的信號就到達CAN 總線上了。數據采集系統中收發器接收CAN總線上的數據并將數據傳送到CAN 控制器，然后經S3C2440內部處理后，通過接口讀入到核存儲器，做進一步處理和分析。

2）數據通信與傳輸

數據通信與傳輸功能是通過3G 模塊實現的，采用CONEXTOP（凌創）面向3G/3.5G網絡而推出的高速串口接入Inernet傳輸的產品，它能同時傳送TCP/UDP包給多個數據接收設備，是一種高性能串口聯網模塊，保證在所有串口在最高波特率下雙向全速不間斷傳輸數據不丟包，支持4路高速串口，波特率高達921600bps。提供多種配置管理通道，同時支持串口AT命令配置，Web配置，以及跨網段任意IP管理配置的設備管理軟件。我們可根據需要，設置一定的時間間隔來傳輸采集到的數據。

3）數據實時處理模塊

實時數據處理模塊是將接收到的數據按照一定的協議進行解碼并將其存在數據庫里一個過程。

4）參數設置

參數設置模塊可以使得用戶自行設置采樣間隔時間和其它控制參數。本系統平臺實時數據采集和互動響應時間不大于2分鐘。

5）數據實時監測

監控中心可設定監控的間隔跟蹤任何車輛，被監控的車輛將按照中心設置的時間間隔自動回復車輛的位置、行駛速度、運行方向、時間等信息到監控中心，監控中心可實現24小時實時監控車輛運行情況。

6）數據實時顯示

實時數據顯示的功能是將數據通過曲線圖或者表格的形式及時的將系統獲得的數據顯示出來，以便監視和分析車輛異常情況。

4 應用案例

本文開發的基于ARM的混合動力汽車數據采集與監控系統，在鄭州市混合動力汽車運行線路從火車站到鄭大新區南門的B12路公交上得到了應用。現將其運行中的情況進行介紹。

首先，從經濟性、動力性能方面考慮，采集相關方面的信號，并根據采集到的信號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，車號分別為4423、4425、4429，圖6為車輛功率圖，車號為4423。

圖5 車輛百公里耗電量

圖6 車輛功率圖

在監控方面，采用點、線、面相結合的方式，建立立體化網絡監控網絡。將單個車輛作為一個點，車輛運營線路作為線，整個示范運營車輛的運營狀態作為一個面進行監控。監控中心可根據需要調取任一運營車輛的運行監控圖像，以車號為5125的B12 車輛為例進行說明，如圖7 所示。

圖7 車輛監控圖像

5 結束語

基于ARM的混合動力汽車數據采集與監控系統在鄭州市混合動力汽車運行線路28路及B12路上得到了應用，驗證了其實用性。試驗表明，系統能夠完成對新產生的數據實時采集、存儲和傳輸，整個系統擴展性強、運行穩定、便于程序維護和系統升級。

[1] 崔勝民,韓家軍.新能源汽車概論[M].北京:北京大學出版社,2011,5.

[2] 聶火勇,鐘思琦.基于ARM卡的CAN總線接口設計與實現[J].機車電傳動,2010,(1).

[3] 陳勇.混合動力電動車數據采集及分析管理系統的研制[D].武漢理工大學,2006.

[4] 張蔭先,羅玉濤,趙克剛,魏建軍,. 基于混合動力電動汽車CAN網絡的在線數據采集系統研究[J].機床與液壓,2008,(4).

[5] 熊偉威,張勇,舒杰.基于CAN總線的分布式控制網絡在串并聯式混合動力客車上的應用[J]. 汽車工程,2008,(8).

[6] 楊亞聯,曹紫微.混合動力車輛遠程采集監控系統的研發[J]. 重慶理工大學學報(自然科學版),2010,(4).

[7] 謝長君.電動車用CAN網絡數據記錄系統的設計[J].武漢理工大學學報(信息與管理工程版),2006,(6).

[8] 吳晶晶.純電動汽車車載信息的采集與遠程監測系統的研發[D]. 南昌大學,2012.

[9] 王金麗,盛萬興,王金宇,楊洪磊,宋祺鵬.中低壓配電網統一數據采集與監控系統設計和實現[J].電力系統自動化,2012,(18).

[10] 李念強,等.數據采集與系統設計[M].北京:機械工業出版社,2009,2.