周 雅 夫， 連 靜＊， 李 駿， 劉 明 輝， 趙 子 亮， 潘 姝 月

（1.大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；3.中國(guó)第一汽車(chē)集團(tuán)公司技術(shù)中心，吉林 長(zhǎng)春 130011）

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車(chē)已成為人們?nèi)粘Ｉ钪须x不開(kāi)的交通運(yùn)輸工具，汽車(chē)工業(yè)在當(dāng)代世界經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中發(fā)揮著巨大的作用，是最大、最重要的工業(yè)領(lǐng)域之一，已經(jīng)成為改變整個(gè)社會(huì)面貌的一個(gè)重要手段[1].同時(shí)，汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展所帶來(lái)的對(duì)石油資源需求的急劇增加和對(duì)環(huán)境嚴(yán)重的負(fù)面影響引起了人們的日益關(guān)注.為了適應(yīng)這個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，世界各國(guó)的政府，學(xué)術(shù)界、工業(yè)界正在加大對(duì)電動(dòng)汽車(chē)開(kāi)發(fā)投入的力度，加速電動(dòng)汽車(chē)的商品化步伐[2].2009年2月，《節(jié)能與新能源汽車(chē)示范推廣財(cái)政補(bǔ)助資金管理暫行辦法》[3]中決定在上海、北京、大連、長(zhǎng)春、武漢、深圳等13個(gè)城市開(kāi)展節(jié)能與新能源汽車(chē)示范推廣試點(diǎn)工作，為配合這項(xiàng)工作的開(kāi)展，各地都加大了對(duì)電動(dòng)汽車(chē)的研究力度.在新車(chē)型研發(fā)的過(guò)程中，需要隨時(shí)掌握車(chē)輛的駕駛條件及運(yùn)行狀況，為后續(xù)車(chē)輛行駛工況的構(gòu)建、控制策略的改進(jìn)優(yōu)化等提供技術(shù)支持，指導(dǎo)車(chē)輛進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì).因此，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)研發(fā)電動(dòng)汽車(chē)試驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng).

1 試驗(yàn)設(shè)備及原理

電動(dòng)汽車(chē)試驗(yàn)運(yùn)行參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合車(chē)輛自身已安裝多處傳感器的特點(diǎn)，通過(guò)控制器局域網(wǎng)（controller area network，CAN）通訊網(wǎng)絡(luò)，將原車(chē)采集到的信號(hào)通過(guò)CAN總線發(fā)送給信號(hào)接收電路；由dsPIC33F微控制器利用串行通訊方式把數(shù)據(jù)傳遞給無(wú)線GPRS（general packet radio service）數(shù)據(jù)傳輸模塊，再通過(guò)GPRS無(wú)線網(wǎng)關(guān)將所接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到Internet網(wǎng)絡(luò)中；上位機(jī)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)接收、顯示、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)工作過(guò)程如圖1所示.此方式既節(jié)約了成本，又方便地實(shí)現(xiàn)了對(duì)行駛車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)、電池工作狀態(tài)、電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，可隨時(shí)掌握車(chē)輛運(yùn)行狀況.

該系統(tǒng)主要由車(chē)載終端（下位機(jī)）和監(jiān)測(cè)終端（上位機(jī)）組成；下位機(jī)采集汽車(chē)所需監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，上位機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收并存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，如圖2所示，其中 UART （universal asynchronous receiver/transmitter）為通用異步接收/發(fā)送裝置，SPI（serial peripheral interface）為串行外圍設(shè)備接口.

2 數(shù)據(jù)采集器開(kāi)發(fā)

在下位機(jī)車(chē)載終端開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集器，通過(guò)CAN總線接口與車(chē)載CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享，所有需要檢測(cè)的信號(hào)參數(shù)都通過(guò)CAN總線被發(fā)送出來(lái).利用無(wú)線GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊將CAN總線上的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳回上位機(jī)監(jiān)測(cè)終端.

圖1 系統(tǒng)工作過(guò)程示意圖Fig.1 Sketch map for system working process

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖Fig.2 Principle chart for system design

2.1 主控制芯片

下位機(jī)車(chē)載終端硬件部分，采用Microchip公司的dsPIC33F[4]微控制器作為本采集器的控制器芯片.通過(guò)兩組CAN總線通訊電路，分別對(duì)電動(dòng)汽車(chē)A網(wǎng)、B網(wǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集.在控制器內(nèi)部對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，通過(guò)UART將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綗o(wú)線GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊，硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2數(shù)據(jù)采集器部分所示，其中 GSM（global system for mobile communications）為全球移動(dòng)通訊系統(tǒng).

作為協(xié)調(diào)各部分共同工作的主控制芯片dsPIC33F，是一種高性價(jià)比、系統(tǒng)可靠性高、設(shè)計(jì)靈活方便的控制芯片.在數(shù)據(jù)采集器中，它用來(lái)控制CAN模塊通訊、串口通訊、時(shí)鐘芯片、存儲(chǔ)芯片等多個(gè)部分協(xié)同工作.

2.2 CAN接口模塊

CAN接口模塊主要用于完成與車(chē)載CAN總線的通訊，接收所需參數(shù)，實(shí)現(xiàn)采集器與電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)部控制系統(tǒng)之間的無(wú)干擾通訊.

德國(guó)Bosch公司推出的CAN[5]性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉，被廣泛地應(yīng)用于汽車(chē)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò).它是一種具有很高保密性，有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)[6].限于篇幅，此處僅以消息接收過(guò)程為例簡(jiǎn)要說(shuō)明其通訊原理：當(dāng)有CAN幀到達(dá)時(shí)，自動(dòng)觸發(fā)CAN底層硬件驅(qū)動(dòng)程序的中斷接收函數(shù)，此時(shí)中斷接收函數(shù)會(huì)將最原始的CAN擴(kuò)展幀報(bào)文存放到驅(qū)動(dòng)程序的消息臨時(shí)接收緩沖區(qū)中.協(xié)議棧的消息接收模塊將調(diào)用相關(guān)函數(shù)對(duì)消息進(jìn)行解析，通過(guò)計(jì)算29位CAN標(biāo)識(shí)符所對(duì)應(yīng)的J1939協(xié)議消息的參數(shù)組編號(hào)PGN值，來(lái)判斷該消息是什么類型的消息，根據(jù)不同的消息類型進(jìn)行不同的處理[7].

了解CAN通訊原理后，要選用可以配合協(xié)議的硬件設(shè)備.dsPIC33F芯片內(nèi)部集成了增強(qiáng)型CAN控制器模塊，因此無(wú)需擴(kuò)展CAN控制器芯片，使用其內(nèi)部集成的CAN模塊進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，在降低成本的同時(shí)提高了電路設(shè)計(jì)集成度.為了與電動(dòng)汽車(chē)上的信號(hào)傳輸相匹配，在CAN控制器模塊與CAN總線之間增加了一片經(jīng)典的CAN收發(fā)器芯片PCA82C250；考慮到車(chē)載環(huán)境的惡劣性，為進(jìn)一步加強(qiáng)抗干擾措施，在兩個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)之間又增加了由高速光電隔離器件6N137[8]構(gòu)成的隔離電路；CAN總線通信電路如圖3所示.

圖3 CAN總線通信電路Fig.3 Communication circuit based on CAN bus

2.3 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊

GPRS是通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)[9]的簡(jiǎn)稱，是一種以全球手機(jī)系統(tǒng)為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，在用戶和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間提供一種連接，給用戶提供高速無(wú)線IP或X.25服務(wù).因此，本文使用無(wú)線GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊實(shí)現(xiàn)車(chē)載終端與上位機(jī)監(jiān)控終端的無(wú)線通訊，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸.將GPRS無(wú)線通訊技術(shù)與車(chē)載CAN總線通訊技術(shù)結(jié)合到一起，以精簡(jiǎn)的硬件結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛實(shí)時(shí)狀態(tài)遠(yuǎn)程在線監(jiān)控的功能.對(duì)無(wú)線GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊，完成簡(jiǎn)單的設(shè)置后，通過(guò)串行接口即可將從數(shù)據(jù)采集器采集來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送出去.

3 上位機(jī)監(jiān)測(cè)終端

PC上位機(jī)接入Internet網(wǎng)絡(luò)后，可以從Internet網(wǎng)絡(luò)上接收到無(wú)線GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊所發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，監(jiān)測(cè)終端實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的功能.監(jiān)測(cè)終端主要由后臺(tái)程序、組態(tài)王顯示界面程序、Access數(shù)據(jù)庫(kù)3部分組成.在上位機(jī)上采用Visual C＋＋6.0開(kāi)發(fā)后臺(tái)程序，通過(guò)Internet實(shí)現(xiàn)與多臺(tái)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊的通訊，并監(jiān)測(cè)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊的工作狀態(tài).采用組態(tài)王6.5開(kāi)發(fā)前臺(tái)程序，對(duì)車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行還原并顯示.利用Windows NT的DDE（動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換機(jī)制，dynamic data exchange）技術(shù)，將后臺(tái)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息共享到前臺(tái)監(jiān)控中心軟件，以圖形、動(dòng)畫(huà)等形式實(shí)時(shí)顯示CAN總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，監(jiān)控車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)；并開(kāi)發(fā)了自動(dòng)繪制實(shí)時(shí)曲線、生成數(shù)據(jù)報(bào)表等功能.通過(guò)連接Access數(shù)據(jù)庫(kù)，將采集數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)，可隨時(shí)查看與繪制歷史曲線.在上位機(jī)可以監(jiān)控和記錄來(lái)自多臺(tái)數(shù)據(jù)采集器的實(shí)時(shí)信息，上位機(jī)監(jiān)控終端設(shè)計(jì)原理框圖如圖4所示.

圖4 上位機(jī)監(jiān)控終端設(shè)計(jì)原理框圖Fig.4 Principle chart for host computer monitoring terminal

3.1 VC后臺(tái)程序

采用Visual C＋＋6.0開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)接收程序，通過(guò)Internet網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與多臺(tái)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊的數(shù)據(jù)通訊.Visual C＋＋6.0通過(guò)調(diào)用與下位機(jī)中用到的宏電公司開(kāi)發(fā)的GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊配套的動(dòng)態(tài)庫(kù)wcomm＿dll.dll中的API（應(yīng)用程序編程接口，application programming interface）函數(shù)來(lái)完成和GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊之間的通訊，API函數(shù)包括服務(wù)的啟動(dòng)、服務(wù)的停止、數(shù)據(jù)的發(fā)送、數(shù)據(jù)的接收、參數(shù)的配置、參數(shù)的查詢等函數(shù).當(dāng)上位機(jī)接入Internet網(wǎng)絡(luò)后，可以通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接收到來(lái)自下位機(jī)的整車(chē)數(shù)據(jù)、電機(jī)數(shù)據(jù)和電池?cái)?shù)據(jù).VC后臺(tái)程序的顯示界面如圖5所示.

圖5 VC后臺(tái)程序顯示界面Fig.5 Display interface for VC background program

3.2 組態(tài)王顯示界面

采用組態(tài)王6.5開(kāi)發(fā)前臺(tái)程序，顯示并監(jiān)測(cè)車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài).利用Windows NT的DDE技術(shù)，將2.1節(jié)中后臺(tái)程序接收到的實(shí)時(shí)信息共享到由組態(tài)王6.5開(kāi)發(fā)的前臺(tái)監(jiān)控軟件，以圖形、動(dòng)畫(huà)等形式實(shí)時(shí)顯示車(chē)載CAN總線采集的數(shù)據(jù)，監(jiān)控各臺(tái)車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)，具有自動(dòng)繪制實(shí)時(shí)曲線、生成數(shù)據(jù)報(bào)表等功能.另外通過(guò)組態(tài)王內(nèi)部的Web發(fā)布功能，可以把當(dāng)前數(shù)據(jù)顯示界面發(fā)布到Internet網(wǎng)頁(yè)上，這意味著除了運(yùn)行上位機(jī)軟件的計(jì)算機(jī)外，其他地域的計(jì)算機(jī)，只要可以上網(wǎng)，就能以網(wǎng)頁(yè)的方式察看當(dāng)前監(jiān)控頁(yè)面.開(kāi)發(fā)的組態(tài)王實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示界面如圖6所示.

圖6 組態(tài)王實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示界面Fig.6 Real－time data display interface of the King View

3.3 Access數(shù)據(jù)庫(kù)

采用Microsoft Office的Microsoft Office Access作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)庫(kù).利用SQL語(yǔ)句將來(lái)自VC后臺(tái)程序的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息按照車(chē)輛編號(hào)分別存儲(chǔ)在各自編號(hào)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)表中，存儲(chǔ)結(jié)果如圖7所示.

圖7 Access數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)果Fig.7 Results of Access data store

同時(shí)組態(tài)王可以通過(guò)內(nèi)部的歷史曲線控件調(diào)用存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)來(lái)繪制各特定參數(shù)相對(duì)于時(shí)間的歷史曲線圖，如圖8所示.

圖8 歷史曲線圖Fig.8 Chart for history curves

4 電動(dòng)汽車(chē)參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)

圖9 數(shù)據(jù)采集器Fig.9 Data collector

圖10 上位機(jī)監(jiān)測(cè)終端工作界面Fig.10 Work interface of host computer monitoring terminal

圖9為本項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的電動(dòng)汽車(chē)參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)中下位機(jī)數(shù)據(jù)采集器；圖10為上位機(jī)監(jiān)測(cè)終端工作界面.目前該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于大連市節(jié)能與新能源車(chē)輛大規(guī)模示范運(yùn)營(yíng)項(xiàng)目的數(shù)百輛混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)上，近6個(gè)月的實(shí)車(chē)測(cè)試表明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)且易于維護(hù)，能夠準(zhǔn)確、可靠地完成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、傳輸和管理.所采集的數(shù)據(jù)可用于電動(dòng)汽車(chē)能量回收分析、節(jié)油分析與優(yōu)化、動(dòng)態(tài)工況測(cè)試、控制策略改進(jìn)等，為后續(xù)車(chē)輛的改進(jìn)優(yōu)化提供技術(shù)支撐.

5 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了電動(dòng)汽車(chē)參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)車(chē)輛運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè).目前，該系統(tǒng)在大連市節(jié)能與新能源車(chē)輛大規(guī)模示范運(yùn)營(yíng)項(xiàng)目混合動(dòng)力電動(dòng)汽車(chē)上的成功應(yīng)用充分證明了其可行性及有效性.同時(shí)，也可將該系統(tǒng)應(yīng)用于其他節(jié)能與新能源車(chē)輛、特種車(chē)輛等，只需將所開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)采集器的CAN總線接口與被測(cè)車(chē)輛CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享，所有需要檢測(cè)的信號(hào)參數(shù)就可通過(guò)CAN總線被發(fā)送出來(lái)，然后通過(guò)無(wú)線傳輸模塊將CAN總線上的數(shù)據(jù)傳回上位機(jī)監(jiān)測(cè)終端，為后續(xù)車(chē)輛的改進(jìn)優(yōu)化提供技術(shù)支撐.因此，該系統(tǒng)具有廣泛的適用性和良好的應(yīng)用前景.

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