基于LabVIEW的一種車輛無(wú)線采集系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

沈鵬飛　孫冰寒　普俊春　邵良卓　杜昌博

摘 要：針對(duì)中國(guó)大學(xué)生方程式大賽的參賽賽車，為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)賽車跑動(dòng)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)了一種基于LabVIEW的車輛無(wú)線采集系統(tǒng)，以便于為對(duì)賽車后期的參數(shù)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)采用STM32作為主控芯片，采用AS61-T30無(wú)線傳輸模塊、使用LabVIEW搭建上位機(jī)數(shù)據(jù)采集、分析框架，對(duì)賽車相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集。調(diào)試及測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)運(yùn)行可靠，數(shù)據(jù)采集及時(shí)、準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)了賽車在行進(jìn)中動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)控與分析，同時(shí)解決了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊布線困難、裝機(jī)復(fù)雜等問題，具有一定的實(shí)用性、可推廣性。關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集;無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸;LabVIEW中圖分類號(hào)：N945.23 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1671-7988（2020）11-68-03

Abstract：?In order to monitor the running data of the racing cars in the formula university race in China in real time， a vehicle wireless acquisition system based on LabVIEW was designed to provide data for the parameter optimization of the racing cars in the later stage. The system adopts STM32 as the main control chip， and AS61-t30 as wireless transmission module， and LABVIEW to build the data collection and analysis framework of the upper computer， to conduct real-time collection of racing-related data. The results of debugging and testing show that the system runs reliably， the data collection is timely and accurate， the dynamic data monitoring and analysis of the racing car is realized， and the problems such as the wiring difficulty and the complex installation of the traditional data collection module are solved.Keywords： Data collection; Wireless data transmission; LabVIEWCLC NO.： N945.23 ?Document Code：?A ?Article ID：?1671-7988（2020）11-68-03

引言

在中國(guó)大學(xué)生電動(dòng)方程式大賽中，為了得到賽車跑動(dòng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以達(dá)到對(duì)賽車參數(shù)優(yōu)化、數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、全安監(jiān)控的目的，同時(shí)解決傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊布線困難等問題，本文提出采用無(wú)線數(shù)據(jù)采集的方式，基于LabVIEW數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行更加合理、深入的分析。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，本系統(tǒng)主要由三大部分組成：數(shù)據(jù)采集模塊、無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和PC上位機(jī)。數(shù)據(jù)采集模塊中核心處理器采用STM32F103ZET6;無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送基于澤耀科技AS61-T30無(wú)線模塊;PC上位機(jī)由裝有LabVIEW程序的電腦組成。數(shù)據(jù)采集模塊采集車輛的CAN數(shù)據(jù)并在模塊中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理;無(wú)線模塊接收采集模塊處理后的數(shù)據(jù)并發(fā)送給PC上位機(jī);在上位機(jī)中數(shù)據(jù)通過(guò)串口進(jìn)入LabVIEW軟件，在軟件中有已編譯好的數(shù)據(jù)處理程序，在程序運(yùn)行后數(shù)據(jù)就以虛擬儀表、柱狀圖、波形圖等形式實(shí)時(shí)展現(xiàn)，利用這一系統(tǒng)可對(duì)賽車數(shù)據(jù)進(jìn)行更加有效的分析。

2 無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線采集系統(tǒng)的硬件部分由四部分組成：整車數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)采集模塊、無(wú)線模塊、PC上位機(jī)如圖2所示。

2.1 整車數(shù)據(jù)

為了保證比賽中賽車重要數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)，為此將整車的數(shù)據(jù)以CAN總線的方式進(jìn)行處理。電機(jī)的電壓、轉(zhuǎn)速、電流、扭矩由電機(jī)控制器采集后轉(zhuǎn)換為CAN協(xié)議數(shù)據(jù)發(fā)送給整車控制器再并入CAN總線協(xié)議;懸架位移傳感器、輪速傳感器、前后制動(dòng)油壓傳感器、方向盤轉(zhuǎn)角傳感器，水溫傳感器等傳感器信息由整車控制器采集匯入CAN總線協(xié)議中。在整車控制器CAN通信中截取外部CAN數(shù)據(jù)作為數(shù)據(jù)源。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

在整車數(shù)據(jù)與單片機(jī)的通信過(guò)程實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，CAN數(shù)據(jù)和單片機(jī)的引腳是無(wú)法直接進(jìn)行通信。經(jīng)過(guò)分析可知，CAN數(shù)據(jù)和單片機(jī)所采取的通信方式是不一致的。為了實(shí)現(xiàn)通信，在 CAN數(shù)據(jù)和單片機(jī)之間加一個(gè)CAN數(shù)據(jù)接收器，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。由于51單片機(jī)的128Byte無(wú)法滿足27組數(shù)據(jù)的處理，因此本系統(tǒng)采用62K數(shù)據(jù)處理能力的STM32F103ZET6做下位機(jī)的核心處理器。

2.3 無(wú)線發(fā)送模塊

根據(jù)實(shí)車跑動(dòng)情況，對(duì)賽車的27組相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集發(fā)送。在滿足數(shù)據(jù)量的前提下實(shí)現(xiàn)功率較小、頻率快的目的，采用的無(wú)線模塊型號(hào)為AS61-T30，其頻率為433MHz，功率為1W。試驗(yàn)證明此模塊符合使用要求。

3 上位機(jī)設(shè)計(jì)

3.1 LabVIEW簡(jiǎn)介

LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境。LabVIEW 所使用的是G語(yǔ)言編寫程序，程序以框圖的形式進(jìn)行編寫，可以達(dá)到縮短編程周期，LabVIEW也是測(cè)量監(jiān)控的理想選擇，可以搭配不同的硬件設(shè)置出相應(yīng)的上位機(jī)軟件。

3.2 上位機(jī)設(shè)計(jì)流程

上位機(jī)系統(tǒng)主要包括以下功能：

（1）上位機(jī)需接收車輛發(fā)來(lái)的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)的進(jìn)制轉(zhuǎn)換并進(jìn)行數(shù)據(jù)解析與分析數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示到儀表顯示面板。

（3）將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。將數(shù)據(jù)以實(shí)時(shí)時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)成TXT文件，并且可以將存儲(chǔ)好的TXT格式數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)回放，進(jìn)行分析如圖3所示。

3.3 上位機(jī)接收與處理方法

下位機(jī)以波特率9600周期100ms為一次的向上位機(jī)發(fā)送一組十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，本文使用LabVIEW VISA模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)接收。為了對(duì)數(shù)據(jù)方便分析，對(duì)十六進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，因此搭建轉(zhuǎn)換模塊，將十六進(jìn)制數(shù)據(jù)進(jìn)行十進(jìn)制的轉(zhuǎn)換。最后，將處理好的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，測(cè)試時(shí)因數(shù)據(jù)量的龐大，設(shè)置了緩存模塊防止數(shù)據(jù)出錯(cuò)。數(shù)據(jù)以12為數(shù)據(jù)首部識(shí)別碼，上位機(jī)以此碼識(shí)別數(shù)據(jù)的首部。

4 實(shí)驗(yàn)與測(cè)試

4.1 智能報(bào)警及數(shù)據(jù)分析

本文根據(jù)大賽要求及設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)出進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及其報(bào)警模塊，本文將采集到的母線電壓電流進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算功率設(shè)置上限值進(jìn)行比較，超功率時(shí)報(bào)警燈亮起，提示數(shù)據(jù)分析人員。并且還會(huì)對(duì)低壓電池電量水溫進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，防止低壓電池虧電縮短壽命，水溫過(guò)高情況出現(xiàn)，還可以將采集的實(shí)時(shí)母線電流進(jìn)行計(jì)算監(jiān)測(cè)SOC。如圖4所示。

4.2 系統(tǒng)驗(yàn)證

系統(tǒng)運(yùn)行后結(jié)束后會(huì)將系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集到的并處理好的數(shù)據(jù)與車輛自身CAN數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。圖 5為試驗(yàn)后單點(diǎn)歷史數(shù)據(jù)，接收穩(wěn)定，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

（1）通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)行進(jìn)賽車進(jìn)行實(shí)時(shí)采集及分析，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控賽車整車數(shù)據(jù)，及時(shí)查看每個(gè)部件工作情況，對(duì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，并進(jìn)行檢驗(yàn)和有效反饋。

（2）通過(guò)驗(yàn)證，上位機(jī)采集到的數(shù)據(jù)在精度上符合我們的使用要求，母線電壓值，母線電流值，電機(jī)轉(zhuǎn)速，電機(jī)輸出扭矩值，轉(zhuǎn)速值等值比較精確。

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