車輛運行實時數據采集系統設計

張帆

(陜西國防工業職業技術學院 計算機學院， 西安 710300)

0 引言

隨著我國汽車產業的擴大，汽車運輸量逐步提升。而隨著汽車運輸的不斷增加，汽車的安全性開始日益受到人們的重視，特別是客運專線運輸車輛的安全，更是受到人們的高度關注。對汽車運動來講，是一個非常復雜的過程。要保障汽車的穩定運行，需要各個系統的協調、配合，并且影響汽車安全運行的因素很多，如機械因素、道路因素、人為因素等等。因此，加強對車輛的安全運行檢測，特別是加強對汽車關鍵設備參數的采集和監控，是提高汽車安全運行的重要途徑。但是，通過對目前文獻的檢索發現，針對車輛運行實時數據的采集中，大部分集中在對車輛的速度、溫度、進氣壓力等進行采集。如梁浩(2018)在其發表的文章中，則通過CAN總線技術完成對溫度、速度等基本車輛參數的采集；馬偉(2015)則采用LabVIEW對電動汽車的電池數據進行采集。通過以上的文獻看出，目前針對汽車車輛運行參數的采集中，只是對其運行的基本數據進行了采集，而沒有對汽車運行的姿態、導航等參數進行采集。對此，在上述研究基礎上，本文以客運車輛為例，提出一種專門采集車輛姿態參數的采集系統，并對其實現進行了詳細的設計。

1 系統設計目的與需求分析

本文所設計的車輛運行數據實時采集系統主要致力于對汽車運行基本參數、姿態參數以及導航參數進行采集，以此對車輛安全適應性進行深度的評估。由此，本文構建的系統其主要有以下幾方面的需求：

(1) 采集系統能夠對車輛運行過程中的各項數據進行檢測，包括車輛行駛速度、三軸加速度、橫擺角速度等，并且系統所檢測到的頻率不能夠低于20 Hz；

(2) 采集系統除了需具備數據采集與提取功能以外，還需具備數據實時存儲、數據表格生成以及匹配道路線形信息等功能；

(3) 整個系統在設計過程中應以模塊化思想為前提，系統應具備較高的易集成性；

(4) 需對整體設計成本進行控制，不得超過系統實際應用價值。

2 總體方案設計

根據上述的需求，本文將系統整體架構方案設計為如圖1所示。

圖1 系統總體框架

該整體方案中，系統主要由采集端、CAN通信、PC端，其中采集端又包含視頻參數采集、導航參數采集、基本參數采集和姿態參數采集。

在圖1的姿態采集方案中，姿態特征參數的可靠性與準確性主要取決于陀螺儀及加速度計等慣性器件輸出參數的精度，并且對車輛運行數據實時采集系統穩定整體性能起到極大的控制與影響作用。因此，為提高采集測量的精度，首先確定了車輛的各角度范圍，其中，車輛俯仰角、橫滾角以及航向角測量范圍控制在±90°；測量精度控制在±0.2°。導航系統則選擇GPS/INS組合導航系統。同時，在采集后數據的傳輸方面，基本參數采集后的傳輸采用CAN總線技術；視頻參數的采集采用Net;姿態參數采集采用I2C，而姿態參數與電腦的通信，則采用串口通信模式。

3 采集功能設計

3.1 功能結構

根據上述的需求分析，以及結合車輛運行數據采集系統構建的相關原則，本文將該系統的整體結構設計為如圖2所示。

圖2 系統總體架構設計

在該電路模塊中，具體是對包括速度、油門大小、踏板、方向盤轉角、加速度等進行詳細的采集。

通過圖2看出，本文將整體整個采集系統分為兩個部分：數據采集與傳輸、數據存儲與處理。同時在對系統結構的搭建中，按照模塊化設計的思想，將不同類型的參數采集按照不同的模塊進行采集。因此，上述的兩個部分可以歸納為硬件部分設計和軟件部分設計。同時，由于本文采用的是GPS/INS組合導航，所以姿態參數模塊和導航參數模塊是相互聯系的。由此，在開展車輛運行數據實時采集系統的硬件電路設計時，必須對姿態參數模塊與導航參數模塊之間后期的融合進行考慮。另外為了使系統后期數據處理能夠獲取到道路性數據和視頻參數，在系統的硬件電路部分設計時，需預留對應的硬件接口。

3.2 各功能模塊具體業務

① 方向盤轉角接受模塊

該模塊主要作用于對車輛運行方向盤轉動角度進行采集，這兩大模塊之間借助無線通信方式取得聯系。

② 車輛運行基本參數模塊

該模塊中包含車輛多種狀態下的參數狀態，具體包括車輛運行速度、踏板、剎車等。車輛運行基本參數采集模塊主要負責對車輛運行基本參數以及車輛方向盤轉角進行采集。在完成數據采集工作之后，將借助CAN總線將各節點中傳感器采集參數上傳至系統采集板中，便于系統上位機部分通信與存儲。

③ 姿態參數采集模塊

該模塊主要包括三軸加速度、三軸陀螺儀等傳感器，主要通過I2C總線與ARM處理器之間進行通信，系統與上位機之間的數據傳輸則借助串口進行實現。

4 系統詳細設計

4.1 硬件選擇

4.1.1 陀螺儀和慣性加速度計

在本文中，結合市場中的有關陀螺儀和慣性加速度的產品，選擇Sensonor公司生產的高性能傳感器STIM300，如圖3所示。

圖3 STIM300

該型號中集成了慣性加速度計和陀螺儀的功能，具體參數見表1所示。

4.1.2 GPS定位裝置

對GPS的選擇，主要是依據定位精度。定位精度的計算見如式(1)。

CEP=vtsin(Δθ)

(1)

其中，CEP表示定位精度；v表示物體的運動速度；Δθ表示偏移姿態角度。

表1 STIM300技術參數

而根據精度的要求，本文則選擇Trimble BD982定位裝置。之所以選擇該型號的裝置，是因為該裝置可實現長時間的定位。

4.2 硬件電路設計

依據上述的硬件選型，本文主要對采集模塊進行設計，包含模擬量采集電路、頻率量采集和開關量采集模塊等，以此對車輛在運行過程中的基本參數與姿態參數進行采集，并通過GPS秒脈沖時鐘對所有數據時間進行同步。

4.2.1 模擬量采集電路

在模擬量采集電路模塊，將通過時間及數值連續變化的物理量對模擬量進行定義。在開展非電量的測量、處理以及控制工作之前，還需對非電量信號進行轉換，使其由非電量信號轉換為模擬電信號。標準的模擬點壓信號與模擬電路信號應為0-10 V及4-20 mA。在本文中，選擇LM324完成對信號的放大。具體電路如圖4所示。

圖4 模擬量采集電路

在模擬量采集電路中，檢測端與檢測電路輸入端之間保持連接關系，檢測信號在經過LM324之后將被放大，并與CPU中ADC通道進行連接，以此達到非電量量化與檢測的目的。

4.2.2 開關量采集電路

開關量主要是指控制繼電器在接通狀態以及斷開狀態時所對應的值，也就是數值“1”與“0”。除此之外，開關量也被視為非連續信號的采集與輸出。在實際生活中對汽車某些特定器件狀態進行描述時，主要通過開關量對其狀態進行記錄。其中，汽車車燈與車門等器件僅有兩種狀態量，這些器件通常皆采用開關量對其狀態進行記錄。因此，本文將開關量采集電路設計為如圖5所示。

圖5 開關量采集電路

4.2.3 頻率量采集電路

頻率量測量是借助傳感器對物理量進行轉換，將原本具備周期變化特性的物理量變為電信號，再利用電子頻率計獲取到工頻、聲頻及振動頻率等。當前，在頻率量測量領域中主要具備3種測量法，分別為無源測頻法、有源測頻法以及電子計數法。本文在對這三種方法進行研究后，選取電子技術法進行頻率量測量。電子計數法又包括測頻率法以及測周期法兩種。其中，測頻率法主要是對被測信號脈沖進行計數，通常用作于高頻信號的測量工作中；側周期法主要是對某一周期內某一基準時鐘脈沖進行計數，通常被應用至較低頻率信號的測量工作中。考慮到本文所采集的車輛信號屬于低頻率信號，本文采用電子計數法中的測頻率法開展頻率量測量。具體頻率量采集電路如圖6所示。

5 軟件部分設計

在軟件設計部分，本文采用uCLinux系統。同時，重點就數據傳輸、系統主程序等進行設計。

5.1 系統主程序設計

在系統運行中，主要對各個模塊進行初始化，將采集到的數據上傳到上機位處理。具體流程則設計如圖7所示。

在主程序啟動中，首先對各個模塊進行初始化，然后將傳感器采集到的數據存儲，并通過導航解算方法，定位采集數據的坐標，最后將數據輸出。

5.2 數據傳輸

在數據傳輸模塊，本系統采用串口與上位機進行數據傳輸。具體串口程序軟件流程如圖8所示。

6 車輛采集界面實現

在本文的開發中，是以STM32作為主要的開發板，所以在開發前需要搭建Linux系統，同時安裝GNU工具包，從而實現對系統的開發。同時以某客運車輛為例，經采集得到的數據采集界面如如圖9所示。

圖6 頻率量采集電路

圖7 系統主程序設計

通過上述的界面圖線，展示了不同采集參數的狀態值，進而通過這些狀態值，可及時了解當前車輛運行的情況。如通過黃色的曲線，可清晰的看出車輛在不同時間的加速度大小，當加速度較大的情況下，說明車輛在加速，并且變化較大。

圖8 串口程序軟件流程

圖9 車輛數據采集界面

7 總結

通過上述的設計看出，本文構建的專門用于汽車運行參數采集的系統，可全面采集汽車的各項運行參數，從而通過這種參數的采集，保障系統安全運行提供了借鑒。但本文在接下來的工作中，還需要重點就車輛的導航坐標變換進行研究，以提高測量的準確度。