一種電動汽車車載信息系統的研究與設計*

張泱泱，李優新，姚 震，蔡貴方，何東良

（廣東工業大學信息工程學院，廣東廣州 510006）

一種電動汽車車載信息系統的研究與設計*

張泱泱，李優新，姚 震，蔡貴方，何東良

（廣東工業大學信息工程學院，廣東廣州 510006）

車載信息系統是電動汽車的重要設備之一，介紹了車載信息系統的整體設計方案，采用STM32ZGT6為核心處理器，制定了適用于電動汽車CAN總線及GPRS數據通信的協議，研究了基于WinCE的信息系統軟件設計方法，實現了電動汽車整車及關鍵零部件運行參數的采集、分析、存儲、顯示以及數據通信等功能，為電動汽車的運行工況分析以及高效率運行提供了有力的幫助。

車載信息系統；CAN；GPRS

1 概述

電動汽車以其在節能環保領域的優勢成為當前的研究熱點，電動汽車采用大量的電子器件，擁有比傳統汽車更多的控制器，車載信息系統需要采集和處理的信息量大，整車的控制難度和數據的實時性要求高。在電動汽車開發過程中既需要對靜態整車信息進行記錄和診斷，又需要對動態運行數據進行采集、分析、存儲和通信。傳統的車載信息系統存在兼容性差、存儲效率低、功耗大等缺點。針對這些問題，本文研究開發了一種基于WinCE操作系統、低功耗與適用于電動汽車數據特點的車載信息系統。

2 車載信息系統總體功能模塊

車載信息系統主要分為三大模塊，分別為：CAN總線數據采集、數據管理和GPRS網絡數據通信，總體的模塊如圖1。

圖1 系統功能模塊圖

車載信息系統的主要目的是記錄電動汽車行駛過程中運行參數及車輛狀態值，為完善電動汽車整車控制策略、評估和改良電動汽車性能提供充足的數據分析素材。電動汽車信息系統通過CAN總線采集車輛數據，對于采集到的信息發送到服務器以完成數據通信功能。由于CAN總線數據量較大，終端無法將CAN總線數據全部發送至服務器，需要對電動汽車實時運行工況數據進行存儲。

在硬件方面采用監控終端主要由Cortex-M3內核的STM32ZGT6的核心模塊，具有高集成度易開發的特點，同時具有業界最優功耗水平[1]。軟件方面，移植了比較流行的WinCE操作系統，它支持多任務多線程操作，具有豐富的人機交互界面API函數，開發周期短，兼容性好[2]。

2.1 CAN數據采集

由于電動汽車運行時會產生大量的工況數據，為了充分模擬電動汽車的工況，系統中定義了一套應用層CAN總線協議，其模擬了16種汽車的數據類別，如表1。

表1 數據類別表

CAN總線上的這16種數據，分別由4個CAN智能節點采集和封裝，為節點0、節點1、節點2和節點3。這四個節點所采集的數據由CAN數據幀的ID為來區分，分別定義為0、1、2和3。ID0所包含的數據：電機轉速、電機電流、電機電壓和電機溫度。ID1所包含的數據：電池電壓、電池電流、電池SOC和電池溫度。ID2所包含的數據：速度、車內外溫度、水溫和油耗。ID3所包含的數據：整車狀態、電機狀態、電池狀態和累計里程。

系統采集CAN總線的數據，并且定時發送。為了用戶更加直觀地參看汽車的運行狀態，系統擴展了觸摸屏模塊，設置有四個界面，分別是信息錄入、發送數據、發送數據顯示和CAN總線動態信息顯示。完成系統的功能要求。顯示界面包括兩個：實時顯示從CAN總線讀取的數據和從數據庫讀取并且發送到服務器的數據。發送數據顯示的界面如圖2所示。

圖2 發送數據顯示界面

從整個系統方面來考慮，一方面要求實時地讀取CAN總線的數據幀，另一方面還要通過GPRS網絡定時發送到服務器。所以采用了多線程技術[3-4]，主要功能是實時的采集CAN總線的數據，只要讀到CAN總線上有數據，就將其存入數據庫中。系統收到CAN網絡的數據幀時，將幀ID和幀數據剝離，不同的ID所對應不同數據類型的數據，系統中是根據幀ID數來創建數據庫中表的數量的。

2.2 CAN網絡數據的管理

在數據管理模塊中，關鍵問題是數據的存儲，隨著電動汽車的快速發展，車載信息系統復雜性不斷增加，對存儲設備的管理顯得越來越必要，根據車載信息系統的數據特點和對文件管理的要求，選擇使用Nand Flash作為存儲設備，介于CAN網絡上數據種類較多，為了方便對數據的有效管理，需要構建文件系統來對不斷增加的數據進行組織和管理。文件系統的核心功能是對文件進行高效、可靠的管理，而文件的組織方式是管理的基礎，Flash文件系統主要有兩種管理方式：一種是基于轉換層的塊設備文件系統，比如FAT文件系統，另一種是日志結構的Flash文件系統，如JFFS、YAFFS等。表2是幾種常見文件系統之間的優缺點比較。

從以上簡單的比較來看，FAT是通用性的文件系統，方便上層數據庫的開發，系統消耗內存小，為了滿足系統實時性的要求，并且為了對WinCE系統有良好的兼容和支持，本文采用FAT文件系統格式。使用開源的嵌入式系統中的FAT文件系統FatFs。

表2 常見文件系統的比較表

FatFs的設計思想是小塊的數據可以通過Buf?fer存儲，大塊的數據直接存取，提高了存取速度和效率。FatFs的開源代碼一共包括6個文件：in?teger.h、diskio.h、diskio.c、ff.h、ff.c和ffconf.h。

interger.h是數據類型定義的頭文件，diskio.h中定義了一些簡單的配置常量，主要是兩個數據類型，一個是DRESULT，用來表示磁盤操作的返回結果。另一個是DSTSTUS，表示磁盤的狀態。其余的是一些變量的聲明定義以及五接口函數的聲明。Ffconf.h都是一些配置項的宏定義。可以修改該文件中的一些變量的值來配置FatFs文件系統的特性。Ff.h根據ffconf.c中的配置定義了一些宏常數和帶宏參數的宏。主要是定義了FATFS、FIL、DIR和FILINFO四個文件信息結構體，用來存儲文件系統、目錄、文件的相關信息。定義了FRESULT這個枚舉類型結構體。FatFs文件系統提供的主要接口函數如表3所示。

表3 FatFs文件系統接口函數表

FatFs文件系統是將存儲介質看做磁盤來對待的，認為磁盤可以在任意位置擦寫的。而Nand Flash是有擦寫要求的，必須先擦除后寫入，并且擦寫粒度不均衡，擦寫次數有限制。文中考慮到FAT32文件系統在均衡磨損方面的缺陷，通過保留已刪除文件在FAT表中的表項和重寫文件時將內容寫入新簇的方式，實現了對Nand Flash的均衡使用[5]。

2.3 數據通信

系統是通過串口外接ZWG-23A來連接到互聯網的。通過GPRS網絡上網，連接到服務器之后，按照通信協議定時向服務器發送數據。其協議格式是在《深圳市公交車車輛GPS監管系統車載終端》文件定義的協議的基礎之上，根據項目的需要制定的[1]。

圖3 數據通信流程

圖4 電動汽車運行特性曲線圖

GPRS終端向服務器發送請求包與數據包的數據流程如圖3所示。

服務器端接收并解析終端發送的數據包，是電動汽車信息終端與監控中心信息交互的重要接口。電動汽車車載終端發送實時監測數據包到Web服務器，經過服務器的數據處理，對重要信息進行存儲，選擇性地返回數據請求，同時，GPRS數據接口對外可進行數據封裝。

3 實驗與分析

本系統被安裝于深圳某公司電動汽車上進行實驗，實驗測試了車載信息系統對電動汽車CAN網絡數據的采集，以及遠程下載運行工況數據的功能，此次測試的起始時間為：10：55am至12：25pm。遠程下載選擇此時間段的實驗數據，客車在此時間段的電池與電機各特性曲線圖如圖4所示：

從圖4（a）電壓變化曲線可以看出，汽車在運行的過程中，電池的總電壓是比較穩定的，從圖4（b）中電池的SOC的變化范圍不超過2%，可以推測出整車控制器中的能量回饋環節在此起到了一個重要的作用。圖4（c），電機的轉速最大值為2 500 r/min左右，此路程中，怠速時間最長為2分鐘，轉速時在1 800～2 200 r/min之間，最長時間為60 s左右。對比圖4（c）與（d），發動機的轉速與電機的轉速的變化趨勢一致。

4 結論

本文提出的新型電動汽車車載信息系統充分利用了STM32豐富的片上資源，大大節約了硬件投資，自定義了一套適用于電動汽車的CAN總線協議，增強了數據通信的實時性與可靠性，采用FAT文件系統對車載網絡數據進行管理，提高了數據存儲的速度和效率，利用GPRS移動網絡通信，建設和運行成本低，對于項目以后大規模的示范運行有很大的幫助。目前系統仍需要更多的研究和改進，系統僅僅是將汽車底層工況源數據的采集遠程發送至服務器，并沒有實現預見可能出現故障的功能。利用大量的數據作為基礎，實現數據的分析并提示故障功能，是系統待解決的問題，也是下一步的研究重點。

參考文獻：

［1］蔡貴方.基于μC/OS_Ⅱ的電動汽車通用監控系統的研究［D］.廣州：廣東工業大學，2013.

［2］張冬泉，譚南林，蘇樹強.Windows CE實用開發技術［M］.北京：電子工業出版社，2009.

［3］Chen I-An，Cheng Chang-Hsin，Jheng Hong-Yuan et al.An error-correction scheme with Reed-Solomon codec for CAN bus transmission［A］.19th International Sym?posium on Intelligent Signal Processing and Communica?tion Systems［C］.Chiang Ma， Thailand： IEEE，2011.

［4］Ran Li，Junfeng Wu，Haiying Wang，et al.Design method of CAN BUS network communication structure for electric vehicle［A］.The 5th International Forum on Strategic Technology［C］.Ulsan， Korea： IEEE，2010.

［5］謝琦，胡俊，王磊.FAT文件系統在NAND FLASH上磨損均衡研究［J］.微電子學與計算機，2011，28（7）：34-37.

Research and Design of an On-Board Information System for Electric Vehicle

ZHANG Yang-yang，LI You-xin，YAO Zhen，CAI Gui-fang，HE Dong-liang
（Information Engineering College，Guangdong University of Technology，Guangzhou510006，China）

The on-board information System is one of important equipments for Electric Vehicle.This article describes the overall vehicle information systems design，using STM32ZGT6 as core processor，developed electric vehicle CAN bus and GPRS data communication protocols.Studied WinCE-based information system software design methods.The functions of operation parameters acquisition，analysis，saving，display and sending data-center for Electric Vehicle are achieved.It provides a strong assistance for the Electric Vehicle research.

on-board information system；CAN；GPRS

TP274

：A

1009－9492(2014)01－0026－05

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.01.007

張泱泱，女，1987年生，湖南株洲人，碩士研究生。研究領域：電動汽車信息系統。

(編輯：向 飛)

*廣東省重大科技專項計劃項目（編號：2011AA080402010）

2013－07－11