基于Android平臺(tái)的電動(dòng)汽車(chē)檢測(cè)儀

豆宏賢，石 春，秦琳琳，吳 剛

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)自動(dòng)化系，合肥 230027)

基于Android平臺(tái)的電動(dòng)汽車(chē)檢測(cè)儀

豆宏賢，石 春，秦琳琳，吳 剛

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)自動(dòng)化系，合肥 230027)

為便于電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)調(diào)試和故障診斷，研制了一套基于Android平臺(tái)的檢測(cè)儀，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)整體架構(gòu)，移植了Android操作系統(tǒng)和FlexCAN、WiFi驅(qū)動(dòng)程序，編寫(xiě)了FlexCAN中間件。應(yīng)用程序調(diào)用硬件服務(wù)接口實(shí)現(xiàn)了CAN總線數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和解析，用Protobuf實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)序列化。終端通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)把序列化后的電動(dòng)汽車(chē)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)每隔300ms采集一次電動(dòng)汽車(chē)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，該套檢測(cè)儀具有很好的穩(wěn)定性與實(shí)時(shí)性，能滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的要求。

電動(dòng)汽車(chē)；檢測(cè)儀；Android；Protobuf

前言

能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題使政府大力支持電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展，但電動(dòng)汽車(chē)的研發(fā)在全球范圍內(nèi)仍處于初級(jí)階段，降低研發(fā)成本、提高汽車(chē)性能、推動(dòng)技術(shù)改進(jìn)和創(chuàng)新都需要大量運(yùn)行數(shù)據(jù)支持[1]；電動(dòng)汽車(chē)架構(gòu)中電子控制單元眾多，而這些控制單元多屬于不同廠家，由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念和生產(chǎn)方法不夠成熟，電子控制單元的協(xié)調(diào)運(yùn)作在整車(chē)應(yīng)用中需要經(jīng)過(guò)多次調(diào)試和檢測(cè)；電池的過(guò)充、過(guò)放也會(huì)直接影響電動(dòng)汽車(chē)的行駛安全[2]。

在電動(dòng)汽車(chē)生產(chǎn)研制過(guò)程中需要進(jìn)行多次系統(tǒng)調(diào)試和檢測(cè)，高效的數(shù)據(jù)分析和處理可提高生產(chǎn)效率，降低研發(fā)成本。電動(dòng)汽車(chē)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和解析能幫助整車(chē)生產(chǎn)廠商了解各個(gè)電子控制單元的狀況，快速檢測(cè)出有故障的器件，為車(chē)輛的安全生產(chǎn)提供保障；在電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，用戶(hù)可實(shí)時(shí)了解車(chē)輛狀況，及時(shí)檢修帶有安全隱患的部件；檢修人員通過(guò)車(chē)輛數(shù)據(jù)的獲取能夠很快找到故障原因，高效完成故障修復(fù)工作；車(chē)輛實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)庫(kù)的建成，為電動(dòng)汽車(chē)各個(gè)部件性能的改善以及動(dòng)力系統(tǒng)的優(yōu)化提供了實(shí)際指導(dǎo)[3]。

文中開(kāi)發(fā)了基于Android的電動(dòng)汽車(chē)檢測(cè)儀軟硬件架構(gòu)，重點(diǎn)描述了檢測(cè)儀的軟件實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)采集整車(chē)控制器、電機(jī)控制器、電池管理系統(tǒng)發(fā)送的信息[4]。為解決數(shù)據(jù)量大導(dǎo)致的界面卡死，每隔300ms采集一次車(chē)輛CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)與工作原理

檢測(cè)系統(tǒng)主要有Android信息娛樂(lè)終端、WiFi熱點(diǎn)和便攜式電腦等部分組成。信息娛樂(lè)終端通過(guò)CAN總線采集電動(dòng)汽車(chē)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)并完成了數(shù)據(jù)的解析、顯示和存儲(chǔ)。WiFi熱點(diǎn)負(fù)責(zé)提供無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，便攜式電腦作為數(shù)據(jù)服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收信息終端發(fā)送的電動(dòng)汽車(chē)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)。檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，電子控制單元如整車(chē)控制器、電機(jī)控制器和電池管理系統(tǒng)間通過(guò)CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互[5]。Android信息終端從CAN網(wǎng)絡(luò)獲取車(chē)輛實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中，經(jīng)J1939協(xié)議解析后在液晶觸摸屏上顯示車(chē)輛狀態(tài)，當(dāng)用戶(hù)選擇發(fā)送到服務(wù)器時(shí)，信息終端對(duì)車(chē)輛數(shù)據(jù)用Protobuf (protocol buffers)協(xié)議序列化后通過(guò)WiFi網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖銛y式電腦。便攜式電腦存儲(chǔ)獲取數(shù)據(jù)，并編寫(xiě)上位機(jī)軟件利用Protobuf協(xié)議反序列化獲得電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行數(shù)據(jù)。利用電腦端豐富的資源，對(duì)反序列化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和顯示[6]。通過(guò)分析顯示的數(shù)據(jù)信息，維修人員可以很快地找到電動(dòng)汽車(chē)故障，快速消除故障[7]。

2 硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用飛思卡爾公司推出的用于車(chē)載系統(tǒng)的i.MX6Q處理器，它有4顆運(yùn)行速度達(dá)1.2GHz的ARM Cortex-A9內(nèi)核，集成3D圖形單元和1080P編碼/解碼引擎，在苛刻的汽車(chē)環(huán)境中工作穩(wěn)定可靠。

系統(tǒng)硬件包括CAN數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和發(fā)送以及供電系統(tǒng)和調(diào)試接口等。i.MX6Q具有豐富的片上資源，支持常見(jiàn)的外圍設(shè)備。外圍設(shè)備包括音視頻采集、顯示電路、以太網(wǎng)電路、電源接口、UART、NAND Flash、SD卡、DDR3、USB2.0和I2C等，其外圍電路如圖2所示。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用的CAN收發(fā)器是TI公司的SN65HVD230芯片，完成CAN控制器邏輯電平到CAN總線差分電平的轉(zhuǎn)換。CPU通過(guò)集成的Flex-CAN控制器發(fā)送邏輯電平信號(hào)，經(jīng)收發(fā)器轉(zhuǎn)換為CAN總線傳輸?shù)牟罘中盘?hào)。SN65HVD230芯片抗干擾能力強(qiáng)、可靠性和數(shù)據(jù)傳輸速率高，在車(chē)載環(huán)境中能很好地保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)需要移植FlexCAN，RT5370驅(qū)動(dòng)，編寫(xiě)FlexCAN中間件以及上層應(yīng)用程序。

3.1 FlexCAN驅(qū)動(dòng)

在Android內(nèi)核源碼中已支持FlexCAN設(shè)備，但檢測(cè)儀樣機(jī)與默認(rèn)配置中的接口有差異，需在飛思卡爾提供的i.MX6Q處理器端口配置文件中，把i.MX6Q相應(yīng)端口配置為CAN_TX和CAN_RX功能。然后重新配置內(nèi)核，將FlexCAN驅(qū)動(dòng)加入內(nèi)核。

3.2 USB-WiFi驅(qū)動(dòng)

檢測(cè)儀使用的USB-WiFi芯片RT5370，因在內(nèi)核中沒(méi)有對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)文件，故須下載相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)文件進(jìn)行編譯。在驅(qū)動(dòng)的源碼目錄中對(duì)Makefile文件進(jìn)行修改，使其支持實(shí)際應(yīng)用中的硬件平臺(tái)和交叉編譯環(huán)境，編譯出驅(qū)動(dòng)模塊RT5370sta.ko。重新配置內(nèi)核，增加內(nèi)核對(duì)802.11協(xié)議棧的支持、USB接口對(duì)WiFi模塊的支持和用戶(hù)空間對(duì)mdev和fireware的支持。在USB-WiFi驅(qū)動(dòng)移植過(guò)程中，須將驅(qū)動(dòng)模塊和對(duì)應(yīng)的RT5370STA.dat文件拷貝到Android系統(tǒng)相應(yīng)目錄下，以便Android系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)能成功打開(kāi)WiFi模塊。

3.3 Android中間件

1916年葉良輔、1928年楊曾威、1936年熊秉信、1938年王竹泉、1963年李星學(xué)、1960年北京礦業(yè)學(xué)院、1961年北京地質(zhì)學(xué)院、1976年北京礦務(wù)局等許多地質(zhì)學(xué)家及地質(zhì)研究單位都曾來(lái)此作過(guò)研究工作，并最終確立了以本區(qū)地名命名的上古生界北京地區(qū)代表剖面，適合地質(zhì)剖面測(cè)定、巖性巖相分析及沉積環(huán)境分析等基礎(chǔ)性教學(xué).

Android系統(tǒng)沒(méi)有提供FlexCAN中間件，上層應(yīng)用軟件要使用FlexCAN的硬件服務(wù)，必須在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，編寫(xiě)對(duì)應(yīng)的Android中間件，使上層應(yīng)用軟件能正常調(diào)用硬件模塊。FlexCAN中間件主要有FlexCAN Stub模塊、FlexCAN本地服務(wù)模塊和Flex-CAN服務(wù)管理模塊。

3.3.1 FlexCAN Stub設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

Android為保護(hù)硬件廠商的信息，避開(kāi)Linux的通用性公開(kāi)許可證GPL(general public license)的束縛，設(shè)計(jì)了硬件抽象層HAL(hardware abstraction layer)模塊，它是Linux內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序的封裝，向上提供接口，屏蔽底層實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)[8]。在硬件抽象層中，Stub是一種代理人(proxy)概念，它向硬件抽象層提供操作函數(shù)，runtime則從硬件抽象層獲得特定模塊Stub的操作函數(shù)，再回調(diào)這些操作函數(shù)。硬件抽象層與Stub是一種包含關(guān)系。

FlexCAN在內(nèi)核中使用Socket接口和Linux協(xié)議棧，因此在FlexCAN Stub設(shè)計(jì)時(shí)使用系統(tǒng)調(diào)用socket()、bind()完成套接字的創(chuàng)建和綁定。系統(tǒng)調(diào)用sendto()利用套接字發(fā)送CAN數(shù)據(jù)，recvfrom()負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)。

FlexCAN Stub是硬件抽象層中眾多模塊之一，它是FlexCAN控制的代理，當(dāng)FlexCAN控制的本地服務(wù)需要調(diào)用FlexCAN Stub時(shí)，會(huì)利用hw_get_module()函數(shù)向HAL申請(qǐng)F(tuán)lexCAN Stub模塊，hw_get_ module()函數(shù)根據(jù)Stub對(duì)應(yīng)的ID號(hào)找到對(duì)應(yīng)的FlexCAN Stub，獲得對(duì)應(yīng)的Stub操作函數(shù)[9]。圖3為FlexCAN Stub實(shí)現(xiàn)過(guò)程。

圖3 FlexCAN Stub實(shí)現(xiàn)過(guò)程

3.3.2 硬件控制服務(wù)的JNI實(shí)現(xiàn)

Java本地接口JNI(Java native interface)模塊處在硬件抽象層與Framework層之間，Android應(yīng)用程序框架層用Java語(yǔ)言編寫(xiě)，而本地庫(kù)是C/C++實(shí)現(xiàn)，為使Android框架層能調(diào)用本地庫(kù)，應(yīng)用框架層需要使用native方法，而這些native方法需要在Java本地接口層實(shí)現(xiàn)。

FlexCAN控制服務(wù)的JNI實(shí)現(xiàn)見(jiàn)圖4，F(xiàn)lexCAN控制服務(wù)作為系統(tǒng)服務(wù)被添加到系統(tǒng)服務(wù)列表中。Android系統(tǒng)啟動(dòng)，F(xiàn)lexCAN控制服務(wù)隨之被啟動(dòng)。System Server是Android系統(tǒng)啟動(dòng)后運(yùn)行的第一個(gè)Java進(jìn)程，它通過(guò)System.load.library()方法來(lái)轉(zhuǎn)載庫(kù)文件libandroid_server，進(jìn)而調(diào)用庫(kù)文件里的JNI_ Onload()函數(shù)，把FlexCAN的方法表注冊(cè)到虛擬機(jī)，Java本地接口層函數(shù)flexcan_native_init()會(huì)調(diào)用硬件抽象層函數(shù)hw_get_module()找到FlexCAN Stub并獲得Stub操作函數(shù)。flexcan_native_send()函數(shù)調(diào)用FlexCAN Stub模塊的回調(diào)函數(shù)flexcan_send()向FlexCAN設(shè)備發(fā)送CAN幀。flexcan_native_receive()函數(shù)調(diào)用回調(diào)函數(shù)flexcan_receive()從Flex-CAN設(shè)備獲取CAN數(shù)據(jù)。

FlexCAN控制服務(wù)隨著系統(tǒng)啟動(dòng)而啟動(dòng)，并利用服務(wù)管理器的addService()函數(shù)把自己注冊(cè)到服務(wù)管理器中。

3.4 Android應(yīng)用程序

Android應(yīng)用程序完成數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、解析、顯示和WiFi傳輸。應(yīng)用程序從服務(wù)管理器獲取FlexCAN控制服務(wù)并完成CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集，利用sqlite3數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)CAN幀[10]。

應(yīng)用程序定義HandlerListener接口，讓Activity類(lèi)以及FlexCANHandler類(lèi)實(shí)現(xiàn)該接口。在Flex-CANHandler類(lèi)中把獲取的電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行數(shù)據(jù)向?qū)崿F(xiàn)了HandlerListener接口的Activity類(lèi)分發(fā)。在Activity類(lèi)中利用J1939協(xié)議對(duì)獲取的電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行解析和顯示[11]。

圖4 FlexCAN控制服務(wù)的Java本地接口層實(shí)現(xiàn)

應(yīng)用程序與PC端采用Socket通信，利用Protobuf協(xié)議對(duì)CAN幀數(shù)據(jù)進(jìn)行序列化[12]。Protobuf協(xié)議是Google開(kāi)源的一種數(shù)據(jù)交換格式，它獨(dú)立于語(yǔ)言和平臺(tái)，能進(jìn)行多種語(yǔ)言的實(shí)現(xiàn)，是一種性能好、效率高的數(shù)據(jù)交互協(xié)議。對(duì)于每一種語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)都帶有編譯器和相應(yīng)的庫(kù)文件[13]。Protobuf使用二進(jìn)制序列化，可讀性比Json和XML差，缺少自描述，但用在電動(dòng)汽車(chē)上一定程度保障了車(chē)輛信息安全[14]。為使PC端能正確解析CAN幀數(shù)據(jù)，在傳輸數(shù)據(jù)之前定義一個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，使PC端能根據(jù)字節(jié)長(zhǎng)度獲知序列化后的CAN幀數(shù)據(jù)。

Android應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)流程如圖5所示。

圖5 Android應(yīng)用程序設(shè)計(jì)流程

3.5 數(shù)據(jù)服務(wù)器端程序

數(shù)據(jù)服務(wù)器與Android應(yīng)用程序采用Socket通信。服務(wù)器端創(chuàng)建一個(gè)監(jiān)聽(tīng)特定端口的TcpListener對(duì)象server。服務(wù)端開(kāi)啟監(jiān)聽(tīng)服務(wù)后，調(diào)用server的AcceptTcpClient()方法，該方法的執(zhí)行使服務(wù)端處于等待狀態(tài)，程序阻塞直到接收一個(gè)來(lái)自客戶(hù)端的請(qǐng)求并返回Socket對(duì)象TcpClient[15]。服務(wù)端使用TcpClient與客戶(hù)端通信。

服務(wù)端接收到客戶(hù)端數(shù)據(jù)后，先獲取幀的長(zhǎng)度，再使用Protobuf協(xié)議解析，即可獲得原始數(shù)據(jù)。服務(wù)端編寫(xiě)上位機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)原始數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、解析和顯示。上位機(jī)程序的實(shí)現(xiàn)為整車(chē)調(diào)試工程師以及售后維護(hù)工程師提供了查看電動(dòng)汽車(chē)故障信息的平臺(tái)。

4 系統(tǒng)測(cè)試

在項(xiàng)目實(shí)施中，為保證程序的正確性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在北京恒天純電動(dòng)物流車(chē)上進(jìn)行了測(cè)試。把Android影音娛樂(lè)平臺(tái)接入電動(dòng)物流車(chē)的CAN網(wǎng)絡(luò)，采集其實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，得到部分測(cè)試結(jié)果，如圖6所示。

圖6 電動(dòng)物流車(chē)運(yùn)行狀態(tài)信息

在PC端編寫(xiě)上位機(jī)軟件接收檢測(cè)終端發(fā)送的電動(dòng)汽車(chē)運(yùn)行數(shù)據(jù)，用Protobuf協(xié)議解析數(shù)據(jù)，對(duì)解析后的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到電動(dòng)汽車(chē)某個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)，如圖7所示。

圖7 電動(dòng)物流車(chē)靜止時(shí)的狀態(tài)信息

5 結(jié)論

針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)調(diào)試和故障診斷，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于Android的電動(dòng)汽車(chē)檢測(cè)儀，介紹了檢測(cè)儀各個(gè)硬件模塊配置，完成了系統(tǒng)軟件移植、編寫(xiě)，以及應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)。應(yīng)用端利用FlexCAN從CAN網(wǎng)絡(luò)讀取整車(chē)控制器、電機(jī)和電池等車(chē)輛信息，完成了存儲(chǔ)、解析與顯示。最后通過(guò)WiFi網(wǎng)絡(luò)把車(chē)輛數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C端進(jìn)行處理和分析。結(jié)果表明，該套方案能為電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)一步發(fā)展提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，同時(shí)能為維修人員提供檢修參考，具有實(shí)際的應(yīng)用意義。

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Detector for Electric Vehicle Based on Android Platform

Dou Hongxian，Shi Chun，Qin Linlin＆Wu Gang
Department of Automation，University of Science and Technology of China，Hefei230027

To facilitate the debugging and fault diagnosis of electric vehicle，a detector based on Android platform is developed，the overall framework of the system is designed，the Android operating system and the driver programs FlexCAN and WiFi are transplanted，and the middleware FlexCAN is developed.Then the application calls the service interface to fulfill the acquisition，storage and parsing of CAN bus data，and Protobuf is used to conduct data serialization.Finally，the terminal sends the serialized real operation data of electric vehicle to data server via wireless network，realizing real-time data display.The system collects vehicle data every 300 milliseconds.Test results show that the detector developed has good stability and real-time performance，meeting the requirements of practical application.

EV；detector；Android；Protobuf

原稿收到日期為2016年1月15日，修改稿收到日期為2016年2月25日。

吳剛，教授，博士生導(dǎo)師，E-mail：wug＠ustc.edu.cn。

10.19562/j.chinasae.qcgc.2017.02.016