燃料電池車位置姿態電池信息監測采集系統

楊光友，劉威宏，余兆成，姜 帆，陳 明，史建鵬

(1 湖北工業大學農業機械工程研究設計院， 湖北 武漢 430068；2 東風汽車集團有限公司前瞻技術研究院， 湖北 武漢 430050)

對行駛過程中的燃料電池車發生故障的統計數據分析表明，燃料電池車常見故障單元多集中在燃料電池系統[1]。因汽車橫擺角速度過大等相關因素造成汽車側翻同樣是影響汽車安全性的重要問題[2]。美國福特公司研發了一套新能源汽車的遠程監控系統用來獲取電池信息[3]。齊光石基于ARM處理器，通過GPS、CAN控制器，將采集的數據通過3G網絡傳輸至監控中心，構建了遠程監控系統[4]。金振華設計的燃料電池車監控系統，通過GPS和CAN網絡采集位置信息和整車參數，并將數據傳輸至遠程監控中心，實現遠程監控[5]。近年來，該領域相對成熟的設計多將監控系統與智能手機結合，在手機連網的情況下通過智能手機APP對汽車的相關數據進行遠程監測[6-7]，或是以嵌入式智能芯片為基礎構建汽車終端，結合外圍傳感器獲取狀態信號，將采集到的數據上傳至遠程監測系統[8-10]。

通過獲取燃料電池汽車運行狀態下的運維數據，除了可以對汽車狀況進行實時監測，還能達到對即將出現的風險進行預警的目的，提高了車輛的安全性和可靠性，燃料電池車位置姿態電池信息監測采集系統應運而生。

1 系統總體設計

1.1 系統功能要求

燃料電池車監測數據采集系統主要功能是獲取車輛運行時的實時狀態，將實時采集到的數據存儲到SD卡，并通過4G模塊傳輸到遠程監測服務器，實現遠程監測。

1.2 監測參數

根據系統的功能要求，以及數據的來源途徑，將選取的監測參數劃分為兩部分(表1)。

表1 選取的監測參數

高精度姿態傳感器通過RS232接口傳輸給采集節點加速度、橫擺角速度和傾角數據；GPS通過UART傳輸時間和位置信號。踏板電壓信號由AD接口采集獲取[11]。

1.3 系統總體架構

監測數據采集系統主要由采集節點和通信節點兩部分構成。采集節點連接姿態傳感器、GPS以及加速踏板，并通過這些傳感器獲取有關加速度、側傾角、橫擺角速度、經緯度等車輛狀態數據，然后將數據通過串口發送到通信節點；整車控制器VCU、燃料電池控制器FCU和電機控制器MCU通過汽車CAN總線向通信節點傳輸燃料電池狀態、電堆電壓，以及車速、電機轉速、加速度等數據。通信節點將采集節點和CAN總線傳輸來的數據進行本地SD卡存儲，并通過4G模塊上傳至遠程監測系統。在通信節點的設計上，由于4G技術性能優越且能夠與多項其他通信技術兼容[12]，所以選用4G模塊來對數據進行傳輸。采集節點核心處理器選用400 MHz主頻，1M SRAM的STM32H750芯片，通信節點核心處理器選用STM32F407芯片，同時在節點控制板上配置板載SD卡接口和4G通信模塊，以滿足本地數據存儲以及數據上傳至云服務器的需求。采集節點經由串口與通信節點進行交互。

為滿足系統實時性和多任務的功能需求，監測系統的兩個節點均移植UCOS嵌入式系統[13]。另外，移植FATFS文件管理系統[14]對通信節點的數據存儲進行管理。系統架構如圖1所示。

圖1 系統架構

2 硬件設計

2.1 采集節點硬件設計

2.1.1控制器選擇根據系統總體設計，采集節點采用了STM32H750核心板作為控制器。該核心板具有足夠的外設資源，滿足本系統的要求。

2.1.2RS232 根據系統總體設計，GPS的串口是TTL，直接與節點控制器相連，而姿態傳感器與節點控制器之間的數據傳輸是通過RS232[15]實現。STM32H750核心板板載了一公一母兩個RS232接口，由于控制器的通訊電平不同于姿態傳感器，故使用SP3232芯片作為電平轉換芯片。控制器具有的RS232電路原理如圖2所示。

圖2 RS232電路

2.2 通信節點硬件設計

2.2.1控制器選擇根據系統總體設計，選擇性能較強的STM32F407作為通信節點控制器。該控制器板載了系統所需要的CAN接口、4G通信模塊和SD卡接口。

2.2.2CAN通信根據系統總體設計，通信節點通過汽車CAN總線[16]獲取有關燃料電池狀態、電堆電壓，以及車速、電機轉速、加速度等數據。該節點控制器具有的CAN接口，通信原理如圖3所示。

圖3 CAN通信電路

2.2.3 4G通信模塊根據系統總體設計，選用墨子號公司發行的EC20模塊，將采集的實時數據通過4G通信網絡傳輸至遠程監控系統。該模塊最大上行速率和最大下行速率分別為500 Mbps和100 Mbps，信號覆蓋范圍廣泛，并且支持多輸入多輸出技術(MIMO)[17]，完全符合本系統功能要求。模塊接口原理如圖4所示。

圖4 EC20模塊接口和SIM卡電路

2.2.4SD卡接口根據系統總體設計，監測系統需要將實時采集到的數據進行本地存儲。該節點控制板板載了SD卡接口，SD卡采用4位SDIO方式驅動，理論最大速度可以達到25 MB/S。其原理如圖5所示，包括數據線、時鐘線和命令線。

圖5 SD卡電路

3 軟件設計

3.1 采集節點

根據系統總體設計，采集節點通過板載的AD通道以5 ms/次的接收頻率獲取由加速踏板傳輸來的電壓信號，通過RS232和UART接收中斷以10 ms/次的接收頻率獲取姿態傳感器傳輸來的加速度、傾角和橫擺角速度信號，并通過UART以50 ms/次的頻率接收來自GPS傳輸來的經緯度和時間信號。在采集到各傳感器數據后，采集節點以50 ms/次的頻率通過UART將接收到的來自各傳感器的數據打包發送給通信節點。采集節點通過UCOS實時操作系統對各個實時任務進行調度，實現上述功能。系統的實時任務包括：加速踏板采集任務、姿態傳感器采集任務、GPS采集任務和數據發送任務。采集節點的任務優先級如表2所示。

表2 采集節點任務優先級

采集節點運行開始時創建各個實時任務，并由系統任務調度器進行各個實時任務的切換。當最高優先級的任務為加速踏板數據采集任務，則對踏板電壓進行AD采集，發送相應事件標志組到數據發送任務，然后調用OSTimeDlyHMSM()函數對任務延時5 ms。延時函數在該任務中不僅起著任務掛起的作用，還起著任務喚醒的作用。當最高優先級的任務為姿態傳感器數據采集任務，若該任務請求到了相應串口接收中斷發送的消息隊列，該任務得到執行，對消息隊列數據進行解析，并發送相應事件標志組到數據發送任務，執行完成后將該任務延時10 ms，否則將任務掛起；當最高優先級的任務為GPS數據采集任務時，若該任務請求到了相應串口接收中斷發送的消息隊列，則對GPS數據進行解析，發送相應事件標志組到數據發送任務，否則將任務掛起；當最高優先級任務為數據發送任務，若請求到了相應事件標志組時，則將數據進行發送，發送完成后調用任務延時函數對該任務延時50 ms。該節點各任務間的同步與切換如圖6所示。

圖6 采集節點軟件流程

3.2 通信節點

根據系統總體設計，通信節點通過CAN總線獲取燃料電池狀態、電堆電壓，以及車速、電機轉速、加速度等數據，經由串口接收來自采集節點的車輛狀態等數據。此外，通信節點還需將所獲取的數據通過4G通信模塊上傳至遠程服務器，并同時將數據存儲在本地SD卡中。通信節點也通過UCOS對各個實時任務進行調度，實現上述功能。實時任務包括：4G通信模塊初始化任務、串口數據接收任務、CAN總線數據接收任務、數據上傳任務、數據存儲任務和LED指示燈任務。該4G模塊支持AT指令配置，使用之前需要發送相關AT指令對其進行配置，配置指令如表3所示。通信節點的任務優先級如表4所示。

表3 AT指令

表4 通信節點任務優先級

在通信節點程序運行開始時，首先創建各個實時任務，其后便由操作系統按照任務就緒表中查詢到最高優先級的任務進行任務切換。當最高優先級的任務為CAN總線接收任務，執行該任務，該任務執行完成后調用OSTaskSuspend()延時函數將任務掛起；當任務優先級為2的任務獲得最高優先級，并接收到CAN接收中斷發送的相應消息隊列，則執行程序，信號量將被發送到數據上傳任務，另一個信號量將被發送到數據存儲任務，事件標志組也將被發送到LED指示燈任務；當任務優先級為3的任務獲得CPU使用權，若該任務接收到了串口接收中斷發送的消息隊列,則任務執行程序并向數據上傳任務發送信號量，向數據存儲任務發送信號量，并將相應事件標志組發送到LED指示燈任務；當最高優先級的任務為數據上傳任務，若請求到信號量時，則將采集的數據打包上傳至服務器，上傳完成后發送事件標志組到LED指示燈任務，否則將任務掛起，進入等待態；當任務優先級為5的任務獲得CPU使用權，若請求到信號量時，則使用FATFS文件系統將所有獲取到的數據打包并進行本地SD卡存儲，然后發送相應事件標志組到LED指示燈任務，調用OSTimeDlyHMSM()函數對任務延時；當最高優先級的任務為LED指示燈任務，若請求到相應事件標志組時，則執行相應程序。通信節點各任務間的同步與切換如圖7所示。

圖7 通信節點軟件流程

4 系統測試

在完成系統總體設計后，將系統進行整合封裝，制作出系統終端如圖8所示。

圖8 系統終端

為檢測該監測數據采集系統的準確度與穩定性，本項目進行了實車測試。

實車測試安排在東風汽車公司某試驗場地、某車型燃料電池試驗車環境下進行。將該監測終端固定在駕駛座底座位置(圖9)，監控系統數據界面如圖10所示。經多次試驗，系統獲取的時間信息完全與云端時間同步，經緯度信息也與地圖定位相同。由遠程監控系統界面得知，車輛狀態和燃料電池狀態信息與車載電腦顯示信息基本相同。

圖9 實車試驗

圖10 監控系統界面

5 結論

本文針對需求，設計出燃料電池車位置、姿態、電池信息監測采集系統，通過試驗車實驗分析得出以下結果：

1)該燃料電池車實時狀態監測系統具有一定的實時性，軟件上使用較為成熟的μ-COS嵌入式操作系統，可將實時獲取車輛狀態和燃料電池狀況信息通過合理任務調度進行本地存儲并傳輸至遠程服務器。相較于其他裸機開發的系統而言，實時性得到大幅提升。

2)該系統具有一定的可靠性，硬件上選用的兩塊STM32開發板作為節點控制器很好地與Lpms-IG1姿態傳感器、GPS模塊等外部傳感器相適應，且具有系統所需要的各種接口。相較于其他以工控機為基礎設計得到的系統，能更便攜、更方便部署到車內。

3)通過試驗車多次實驗，證明該系統滿足系統基本要求。由該系統采集整理得到的數據集可為下一階段開展汽車安全行駛監測研究奠定數據基礎。