基于LabVIEW的智能汽車自動駕駛開發平臺數據采集監測系統

毋青松，鐘兵*，羅映，許本博

1.山東交通學院汽車工程學院，山東濟南 250357；2.山東建筑大學機電學院，山東濟南 250101

0 引言

隨著新一代信息技術、人工智能等的飛速發展[1]，智能化、網聯化已經成為汽車產業新的戰略制高點[2-3]。智能汽車集成了大量先進的傳感器、雷達等設備[4-6]，對這些設備數據的實時采集監測是智能駕駛汽車開發、維護和檢修的重要工作之一[7-9]。傳統數據采集監測系統一般由檢測儀表、示波器和頻率分析儀等組成[10-12]，其系統體積大、成本高、智能化程度低，采集數據不穩定[13-15]，難以滿足智能化裝備對數據采集系統實時化、標準化的需求[16-18]。LabVIEW圖形化編程軟件作為目前測控領域的主流技術之一，基于數據流的編譯型圖形編程環境[19-20]，利用簡單的圖形編程方式替代復雜而繁瑣的語言編程，可方便的完成信號的調理、采集與測量[21-22]，廣泛應用于軍事、工業、通信等行業[23-25]。

本文基于已有的智能汽車開發平臺，設計該平臺數據采集監測系統，以期滿足智能化裝備對數據采集系統的實時化、標準化需求。

1 系統總體設計

智能汽車自動駕駛開發平臺數據采集監測系統的基本任務是完成車輛平臺信息的讀取和顯示。系統的整體設計架構如圖1所示，主要包括底層硬件和工控機軟件部分。硬件部分由傳感器模塊、信號處理模塊以及數據采集設備(CAN分析儀、數據采集板卡、工控機等)組成；工控機軟件部分主要由基于LabVIEW設計的程序顯示界面構成。根據圖1所示的數據采集監測系統架構，在EV150車輛基礎上搭建如圖2所示的數據采集系統監測平臺。

圖1 系統整體架構圖 圖2 數據采集系統監測平臺

1.1 系統工作原理

數據采集監測系統以車輛開發平臺傳感器模塊為基礎，通過信號處理模塊對傳感器采集到的原始信號數據進行預處理，將其轉化為數據采集設備可識別的電壓信號，并完成信號的穩壓濾波處理，得到數字I/O信號、模擬信號和CAN總線信號；數據采集板卡完成數字信號和模擬信號的數據采集，并通過USB接口將信號上傳至工控機，CAN總線信號經過CAN分析儀由USB接口上傳至工控機；工控機為微型電腦，集成了數據采集板卡、CAN分析儀驅動程序、數據采集板卡驅動程序及LabVIEW圖形化編程軟件的平臺，可以實現信號的讀取、顯示和存儲，并最終將采集到的信號通過數據采集監測系統顯示面板展示給用戶，完成對車輛狀態的實時監測。

1.2 系統的組成

1)傳感器模塊

表1 傳感器參數

車輛開發平臺集成了多個測量用傳感器，傳感器的具體參數如表1所示。

2)信號調理模塊

LabVIEW通過濾波器對數據采集板卡采集的傳感器原始信號進行相應處理，去除不符合預期實驗結果的頻率成分，提高采集信號的準確性。通常可選用的濾波器有Elliptic濾波器、Chebyshev濾波器和InverseChebyshev濾波器，因各濾波器對數據處理方式的不同，濾波波形呈現出較明顯的差別，因此，在實際程序設計過程中，應根據實際需要選擇合適的濾波器對信號進行處理。

3)采集設備

采集設備由工控機、數據采集板卡和CAN分析儀組成。

根據數據采集系統的設計要求，選用PCIe-6320數據采集板卡。PCIe-6320板卡輸入阻抗達10 GΩ，能有效減小干擾電流對輸入信號的影響，提高數據采集的精確度；靈敏度極高，能檢測到最小電壓為4 mV的輸入信號；PCIe-6320提供多種不同模式的連接信號方法，包括8個差分信號及16路模擬輸入通道的非接地單端模式等，可實現模擬和數字量的輸入和輸出、A/D轉換、定時和計數等。

CAN分析儀具有較強的數據分析能力，體積小巧、即插即用，符合車輛平臺的設備布置要求；CAN接口卡自帶USB接口，集成了CAN接口電氣隔離保護模塊，可以避免由于瞬間過流/過壓對設備造成損壞，可靠性好；CAN兼容的USB2.0接口符合相關協議規范，通過USB接口可快速連接至整車CAN局域網絡，進行數據采集處理。

圖3 工控機工作流程圖

4)工控機

所選MIC-7700型工控機支持2千兆級傳輸速率的局域網口、8個USB3.0端口、6個串行端口、3個獨立顯卡和各種可選模塊，通過英特爾第七代桌上型處理器提供高度靈活的擴展能力、良好的計算能力和可選I/O模塊。

工控機主要包括虛擬儀器顯示面板、板卡驅動程序和CAN分析儀驅動程序、LabVIEW軟件編程環境和LabVIEW函數庫。工控機的工作流程圖如圖3所示，在數據采集系統開始工作之前，首先要確保車輛處于正常狀況，動力電池電量充足，整車平臺無錯報故障等情況發生，檢查工控機、數據采集板卡和CAN分析儀是否連接正常、供電是否正確。在確認硬件設備連接正常之后，啟動車輛，開啟數據采集系統，在CAN分析儀驅動程序中，對CAN總線進行配置，完成初始化設置，之后啟動系統進行數據采集。

2 系統工控機軟件設計

本文基于LabVIEW圖形化編程軟件設計數據采集監測系統的程序。系統的軟件設計采用模塊化和分類化思想，針對不同的信號采集類型設計不同的數據采集方法，以便于程序編寫，增加程序的可讀性和可維護性[26]，避免大量重復的編程工作。

2.1 模擬信號與數字信號采集

PCIe-6320數據采集卡配備的模擬輸入和數字I/O接口，可方便的對模擬信號和數字信號進行采集和讀取。正確安裝PCIe-6320數據采集卡及驅動程序，利用LabVIEW數據采集模塊中的DAQ助手設計模擬信號和數字I/O信號的數據采集程序。

數據采集系統需采集的模擬信息包括：油門踏板和方向盤扭矩信號。數字信號包括：轉向燈撥桿、擋位信息；電池管理系統(battery management system，BMS)使能信號，微控制器(micro controller unit，MCU)高壓主繼電器、MCU高壓預充繼電器、高/低壓使能轉換信號；整車控制器(vehicle control unit，VCU)/仿真機模式切換、剎車、防抱死剎車系統(antilock brake system，ABS)電子泵開關等信號。

在測量和自動化資源管理器(measurement & automation explorer，MAX)中對各信號的采集通道信息進行配置，以油門踏板信號的采集通道信息配置為例說明。為了有效提高油門踏板信號的采集精度,消除共模噪聲的影響，對數據采集板卡的油門踏板輸入信號采用差分輸入。經測定，油門踏板兩差分信號的輸入頻率為1000 Hz，電壓變化范圍為0.3～4.7 V，兩差分信號采用連續采樣模式。在MAX中對油門踏板信號采集通道的采樣頻率、電壓范圍、采樣模式等配置信息依次選擇1000 Hz、0～5 V、連續采樣。在LabVIEW前面板中使用DAQ助手和索引數組將數據采集板卡采集到的信號依次顯示出來。

對于數字信號部分，除擋位信號外，其余數字信號如轉向燈撥桿、BMS使能信號、MCU高壓主繼電器、MCU高壓預充繼電器、高/低壓使能轉換信號、VCU/仿真機模式切換信號、剎車信號、ABS電子泵開關等信號的采集處理方式與模擬信號相同。擋位信號是由B2、B3、B4、B5等4路信號通過不同真值表示。如表2所示，當系統檢測到的電壓信號大于3.5 V時，將其置為高電平1；當檢測到的電壓信號小于3.5 V時，將其置為低電平0。當變速桿分別置于R(倒車擋)、D(前進擋)、E(經濟模式)不同位置時，B2～B5分別呈現高、低不同的電平。根據表2，采用While循環和條件判斷結構，依次循環檢測所采集到的信息并進行判斷，當采集到的擋位信號為1100、1001、0101、0110時，控制數據采集系統分別顯示出R、N、D、E擋。

表2 擋位信號真值

在實際數據采集過程中，通過采集板卡采集到的轉向撥桿信息處于高低電平不斷變化的狀態且變化周期為21 ms。為解決此問題，添加While循環結構和條件判斷結構，并設置左右轉向燈控件為局部變量。當系統的條件判斷結構檢測到1次轉向燈信號變化周期為21 ms時，說明系統處于正常狀態，即轉向燈撥桿沒有撥動。利用While循環結構依次不斷地采集轉向撥桿信號，并定時將所采集到的信號清零；反之，當系統檢測到轉向燈信號變化頻率大于21 ms時，說明轉向燈撥桿已經撥動，此時控制左右轉向燈控件進行相應動作。模擬信號和數字I/O信號的程序如圖4所示。

圖4 模擬信號與數字I/O信號程序框圖

2.2 CAN總線數據采集

2.2.1 CAN總線協議

CAN總線協議是智能駕駛汽車開發平臺監控軟件、轉向控制器、制動控制器、整車控制器的網絡通訊協議，主要包括通道定義和報文格式。

1)通道定義

如表3所示，采用7通道數據采集模式。通道代碼由固定的2個標志位“0X”和3個數字的端口標識位組成，主要用于識別不同的通道，防止數據出現重復解析。

2)報文格式

如表4所示，每一通道的最長報文長度為8個字節，即Byte 0～Byte 7，Byte 0為收到或發送的第一個字節，即Byte 0位是最低有效位(least significant bit，LSB)，Byte 7位為最高有效位(most significant bit，MSB)，共包含64位有效數據。表4中，方括號內第1位數據為數據起始位，第2位數據為數據結束位，每一字節包含8位有效數據。

表3 CAN協議通道定義

表4 整車CAN協議報文格式

2.2.2 CAN總線數據解析方案

對于CAN總線數據解析的要求是系統可以準確讀取到各通道的數據信息，且不能出現重復解析的情況。在數據解析時，系統識別需要采集的通道代碼后，根據幀數和字節順序確定數據的位置和數據類型，將讀取到的十六進制數還原為十進制數顯示在LabVIEW界面中。按照整車CAN總線通訊協議，每組通道內的數據計算方式為：實際物理地址等于其數據域數值與數據采集精度的乘積加上數據的偏置量。

依照數據采集監測系統要求，CAN總線部分需采集的數據包括車輛的當前車速，方向盤轉角，BMS模塊總電壓、總電流、當前剩余電量(state of charge，SOC)，MCU溫度，1～4號電機的溫度、母線電流、母線電壓、給定扭矩、反饋扭矩、轉速及電機狀態。根據整車CAN總線協議，通道1～4分別對應4個驅動電機的運行狀態信息；通道5對應當前車速信息，為-120 ～120 km/h；通道6對應方向盤轉角信息，為-470°～ 470°；通道7對應BMS模塊的總電壓、總電流和當前剩余電量，分別為0～255 V、0～255 A、0～100%。

通道1即OX120通道的數據解析如圖5所示。

圖5 0X120通道數據解析代碼

利用PCAN Driver工具包中的PCAN-INIT和PACAN-READ模塊分別完成對CAN總線信號的初始化和數據讀取，在系統接收到CAN總線數據后，按照整車CAN總線通訊協議一次對相應通道的電機狀態數據進行解析。圖5通道1中0～7表示通道數據的第1～8位，0～5分別表示1號電機的反饋扭矩、母線電壓、母線電流、MCU溫度、故障代碼、電機溫度，6、7共同表示電機的轉速信息。

3 試驗驗證

3.1 模擬信號與數字信號驗證

在接線盒中外接滑動變阻器來驗證數字信號與模擬信號采集的準確性。將滑動變阻器一端接12 V直流穩壓電源，另一端接數據采集板卡的信號輸入端67、68引腳。改變滑動變阻器的電阻，使其輸出電壓值穩定在0～6 V。使用高精度萬用表量取滑動變阻器兩端的真實電壓，與數據采集監測系統采集的實際電壓對比。

試驗共測得8組數據，數據采集監測系統讀取的實際電壓與高精度萬用表量取的真實電壓如表5所示。 表5中：絕對誤差是指實際電壓與真實電壓之間的差值，絕對誤差與真實電壓的比為相對誤差。

表5 系統采集數據與萬用表測試數據對比

由表5可知：8組數據中絕對誤差最大為0.15 V，最小為0.01 V；相對誤差最大為5.0%，最小為1.0%。數據采集系統絕對誤差標準為0.18 V，相對誤差標準為5.2%，誤差均在系統允許范圍之內，由此可知數據采集監測系統數字I/O、模擬量部分的數據采集程序精度符合系統設計要求，滿足智能駕駛車輛平臺對數據采集的需求。

3.2 CAN總線數據解析程序驗證

使用CAN分析儀驅動程序將整車CAN通訊總線數據上發至工控機，之后利用LabVIEW圖形化編程軟件編寫的數據解析程序完成對CAN總線數據的解析。將CAN分析儀讀取的CAN總線真實值與數據采集監測系統解析出的實際數據進行對比，通過兩者間的誤差驗證CAN總線數據采集程序的準確性。

圖6 CAN數據讀取示意圖

在工控機中安裝好CAN分析儀驅動程序之后，按照圖2所示的連接方式連接好CAN分析儀，圖6所示為CAN分析儀驅動程序實際讀取的CAN通訊總線數據。在LabVIEW圖形化編程軟件中設計的工控機交互界面如圖7所示，圖7所示信息即為數據采集監測系統解析出的最終呈現給用戶的CAN總線數據。

由于4個電機的狀態信息基本一致，本文僅對系統采集到的和CAN分析儀驅動程序讀取到的1號電機的運行狀態信息和當前車速、方向盤轉角、BMS模塊的總電壓、總電流和SOC的信息進行對比，如表6所示。

圖7 數據采集監測系統儀表盤

表6CAN總線數據對比

參數CAN總線數據系統采集數據絕對誤差系統允許誤差當前車速/(km·h-1)131302BMS總電壓/V14514613BMS總電流/V363602BMS當前SOC/%596123電機轉速/(r·min-1)135130510參數CAN總線數據系統采集數據絕對誤差系統允許誤差電機溫度/℃262513MCU溫度/℃252613母線電流/ A6713母線電壓/ V14214645反饋扭矩/ (N·m)353235

將表6中數據采集監測系統采集的數值誤差與系統允許誤差對比可知，系統實際誤差均在系統允許誤差范圍內。由此可知，對CAN通訊總線部分的程序設計能夠精準反映車輛平臺的實時狀態信息，滿足數據采集監測系統的實際需求。

4 結論

本文設計了一種基于LabVIEW的智能駕駛汽車開發平臺數據采集監控系統，該系統借助數據采集板卡和分析儀完成車輛模擬信號、數字I/O信號以及整車CAN通訊總線數據的讀取和解析，利用LabVIEW實現車輛平臺實時狀態信息的讀取、顯示和監測任務，主要解決了智能車輛平臺測試開發過程中數據實時采集與顯示的問題。

試驗驗證結果顯示，系統能夠精確地采集車輛自動駕駛平臺數字和模擬信號，并且能夠對整車CAN總線信號進行分析采集、顯示，能夠完成智能車輛開發平臺的實時狀態監測，相對于傳統的數據采集系統具有采集數據精確、界面直觀簡潔的優點，具有一定的工程應用價值。