新能源汽車(chē)多接口數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)研究

張文強(qiáng) 陳晨 劉文軍 吳新兵 浦信 李大鵬

摘要：新能源汽車(chē)的發(fā)展代表了汽車(chē)工業(yè)的一種新趨勢(shì)。為了加強(qiáng)行車(chē)安全及提升車(chē)輛運(yùn)行效率，高效地獲取新能源車(chē)輛行車(chē)數(shù)據(jù)成為一種迫切需要。設(shè)計(jì)了一種基于 S3C6410 主控芯片的多功能通用車(chē)載數(shù)據(jù)采集終端，并給出了相應(yīng)的數(shù)據(jù)獲取軟件實(shí)現(xiàn)。硬件方面，車(chē)載終端支持兩路CAN總線、GPS、無(wú)線通信和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等多種接口。軟件方面，圍繞新能源汽車(chē)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用，構(gòu)建了一個(gè)穩(wěn)定、高效的數(shù)據(jù)流傳輸通道。實(shí)驗(yàn)表明，數(shù)據(jù)采集終端實(shí)現(xiàn)了多種接口支持并在功能上能夠很好地滿(mǎn)足應(yīng)用需求。

關(guān)鍵詞：新能源汽車(chē)；CAN總線；數(shù)據(jù)收集；無(wú)線通信

中圖分類(lèi)號(hào)：U463 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B 文章編號(hào)：1009-3044（2018）12-0290-03

Abstract： The development of green vehicle represents a new trend in the automotive industry. In order to enhance road safety and improve the efficiency of vehicle operation， efficiently access to driving data become an urgent requirement. Based on S3C6410 master chip， we design a versatile vehicle data collection terminal， and give the corresponding software implement. In hardware， the terminal supports two-way CAN bus， GPS， wireless communication and data storage capability. In software， concerning the data collect of green vehicles， we construct a stable and efficient data transmission channel. Experiments show that the designed vehicle data collection terminal can meet the application requirements adequately in function.

Key words： CAN bus； green vehicle； data collection； vehicle terminal

隨著全球汽車(chē)工業(yè)的飛速發(fā)展，能源和交通等問(wèn)題日益突出，大力發(fā)展節(jié)能環(huán)保的新能源汽車(chē)，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)提升傳統(tǒng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)成為一種趨勢(shì)?；旌蟿?dòng)力、純電動(dòng)、燃料電池電動(dòng)汽車(chē)等新能源汽車(chē)的機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但電池、電機(jī)及電氣結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。加強(qiáng)行車(chē)安全、提高車(chē)輛的運(yùn)行效率，對(duì)車(chē)輛運(yùn)行狀況的監(jiān)管成為一種必然。當(dāng)前行車(chē)數(shù)據(jù)采集終端多實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)車(chē)輛控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）接口中的數(shù)據(jù)[1-2]，沒(méi)有進(jìn)行本地化保存，一旦信號(hào)較差時(shí)容易造成數(shù)據(jù)丟失，無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)再現(xiàn)。基于車(chē)載診斷系統(tǒng)（Second On-Board Diagnostics， OBDII）的數(shù)據(jù)采集模式一般通過(guò)藍(lán)牙通信將數(shù)據(jù)發(fā)送至用戶(hù)手機(jī)，用途主要體現(xiàn)在車(chē)速測(cè)量、體檢打分等后裝市場(chǎng)上。由于該模式采集數(shù)據(jù)類(lèi)型較為單一、準(zhǔn)確性和可靠性相對(duì)不足等缺點(diǎn)，制約了深層應(yīng)用[3]。設(shè)計(jì)一款多功能通用型車(chē)輛數(shù)據(jù)采集終端成為一種迫切需求，通過(guò)該新型終端獲得的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)能夠用于車(chē)輛監(jiān)控，給技術(shù)研發(fā)人員、售后人員及管理人員等提供針對(duì)性服務(wù)。此外，基于車(chē)輛大數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析可以用于車(chē)輛的駕駛行為分析[4]、油耗分析[5]、故障診斷與預(yù)測(cè)[6-7]等。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1終端設(shè)計(jì)

車(chē)載終端負(fù)責(zé)新能源車(chē)輛運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定、可靠、實(shí)時(shí)采集與存儲(chǔ)。要求該采集終端在硬件方面能夠支持多種接口，做到良好的通用性和擴(kuò)展性；軟件方面則需要構(gòu)建各種數(shù)據(jù)源穩(wěn)定、高效的傳輸通道。車(chē)載終端在功能上主要針對(duì)車(chē)輛的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、故障診斷、原始數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與發(fā)送、本地化程序升級(jí)等應(yīng)用。其中，原始數(shù)據(jù)以文件保存于本地存儲(chǔ)卡，用于后期針對(duì)性的數(shù)據(jù)挖掘和數(shù)據(jù)分析。終端設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)包括 CAN 總線獲取的車(chē)輛實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和通過(guò)車(chē)載全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System ， GPS）模塊獲取的車(chē)輛實(shí)時(shí)位置信息兩種。圖1給出了終端的硬件結(jié)構(gòu)框圖。

1.2 終端結(jié)構(gòu)與功能分析

考慮功耗和性能需求，數(shù)據(jù)采集終端選用成熟穩(wěn)定的基于 ARM11 架構(gòu)的三星 S3C6410 處理器[8]。該處理器具有 128MB 的 DDR 內(nèi)存以及 1GB 的 NANDFLASH，具有多種硬件加速器和高達(dá) 667M 的主頻，功耗低、數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大、擴(kuò)展性良好等特點(diǎn)。由于S3C6410芯片沒(méi)有集成CAN控制器，兼顧 CAN節(jié)點(diǎn)的性能和成本，終端采用符合CAN2.0B技術(shù)規(guī)范并支持 SPI 接口的 Microchip MCP2515 CAN 控制器實(shí)現(xiàn)濾波。主控芯片通過(guò)MCP2551收發(fā)器連接到汽車(chē) CAN網(wǎng)絡(luò)上，該芯片支持1Mb/s的運(yùn)行速率且具有很強(qiáng)的抗噪性。

車(chē)載終端采集獲取的GPS數(shù)據(jù)主要用于監(jiān)控車(chē)輛的行車(chē)位置，ARM主控芯片通過(guò)UART2串口與GPS模塊相連。車(chē)載終端與外部設(shè)備通過(guò)短距離和長(zhǎng)距離通信進(jìn)行交互。短距離通信包括終端和手機(jī)（或Pad、筆記本電腦）之間的實(shí)時(shí)雙向高速數(shù)據(jù)流的穩(wěn)定傳輸。一方面，終端無(wú)顯示屏幕時(shí)可以借助手機(jī)、Pad實(shí)時(shí)顯示車(chē)輛運(yùn)行狀況信息。另一方面，要求能夠完成本地化的整車(chē)控制器程序更新。較高數(shù)據(jù)傳輸速率的雙向通信，通過(guò)WiFi無(wú)線通信實(shí)現(xiàn)。選用支持 SDIO 接口的 RTL8189芯片，該芯片支持 AP/STA 主從兩種工作模式，具有高性能、低成本特征。長(zhǎng)距離傳輸主要完成原始數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)中心服務(wù)器的數(shù)據(jù)傳輸，使用中興 MC2716 3G 無(wú)線通信模塊。考慮到本地?cái)?shù)據(jù)存儲(chǔ)的需要，采用支持 SDIO 接口的TF卡。

2 軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)前常見(jiàn)的嵌入式操作系統(tǒng)有Linux、WinCE、VxWorks、Android等[9-11]。由于Linux系統(tǒng)具有開(kāi)放源代碼、內(nèi)核穩(wěn)定，支持多任務(wù)、完善的硬件驅(qū)動(dòng)和多種文件系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn)，終端選擇采用 Linux 嵌入式操作系統(tǒng)。對(duì)終端進(jìn)行系統(tǒng)移植，并通過(guò)修改驅(qū)動(dòng)、配置內(nèi)核、加載驅(qū)動(dòng)、系統(tǒng)燒寫(xiě)等操作完成對(duì)各硬件模塊的支持。

車(chē)載終端軟件負(fù)責(zé)采集車(chē)輛數(shù)據(jù)源中的數(shù)據(jù)，構(gòu)建一個(gè)從源到監(jiān)控中心流向的穩(wěn)定通道，使數(shù)據(jù)可靠交付給監(jiān)控中心。本質(zhì)上，終端軟件設(shè)計(jì)可以分為數(shù)據(jù)采集融合、數(shù)據(jù)本地存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)傳輸三部分，如圖2所示。首先，軟件將獲取的CAN總線車(chē)輛數(shù)據(jù)和GPS位置數(shù)據(jù)進(jìn)行融合打包；然后，終端軟件將數(shù)據(jù)按照一定格式進(jìn)行本地化存儲(chǔ)。同時(shí)，采用TCP協(xié)議數(shù)據(jù)還會(huì)通過(guò)3G無(wú)線通信發(fā)送給監(jiān)控中心。注意，采集的原始數(shù)據(jù)是CAN數(shù)據(jù)幀，經(jīng)過(guò)協(xié)議解析后的車(chē)輛實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可以通過(guò)無(wú)線短距離通信發(fā)送給手持設(shè)備進(jìn)行顯示，輔助售后人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)故障排除等應(yīng)用。

2.1 CAN數(shù)據(jù)幀

按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織，CAN協(xié)議定義了物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。其中，物理層負(fù)責(zé)定義數(shù)據(jù)傳輸方式，數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)報(bào)文成幀、仲裁及報(bào)文濾波等，應(yīng)用層留給用戶(hù)定義。與CAN總線協(xié)議對(duì)應(yīng)，應(yīng)用于車(chē)輛中通信的為SAE J1939協(xié)議。其中J1939-21對(duì)數(shù)據(jù)鏈路層的格式進(jìn)行了定義，SAE J1939-71給出了應(yīng)用層定義。在數(shù)據(jù)鏈路層，數(shù)據(jù)幀以協(xié)議數(shù)據(jù)單元（Protocol Data Unit， PDU）為單位進(jìn)行信息傳送，一個(gè)PDU相當(dāng)于CAN協(xié)議中的擴(kuò)展幀。圖3給出了CAN數(shù)據(jù)擴(kuò)展幀和PDU格式。其中，P為優(yōu)先級(jí)，R為保留位（固定為0），DP為數(shù)據(jù)頁(yè)（固定為0），PF為PDU格式（報(bào)文編碼），PS為PDU細(xì)節(jié)，SA為原地址。R+DP+PF+PS構(gòu)成參數(shù)組編號(hào)（PGN）。如幀ID為18FEEE00的數(shù)據(jù)幀其PGN為0x00FEEE。

在應(yīng)用層消息以報(bào)文（Message）傳遞。此處的報(bào)文是指一個(gè)或多個(gè)具有相同PGN的CAN數(shù)據(jù)幀，即報(bào)文可能包含一個(gè)或多個(gè)CAN數(shù)據(jù)幀。以下僅舉一例表明協(xié)議數(shù)據(jù)幀的具體含義，如表1所示。

2.2 數(shù)據(jù)獲取

車(chē)輛數(shù)據(jù)獲取采用Socket CAN網(wǎng)絡(luò)編程模型。該模型中CAN協(xié)議位于操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層上。驅(qū)動(dòng)成功的CAN控制器可以被視為一個(gè)普通的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，這樣就可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)Socket接口調(diào)用CAN設(shè)備驅(qū)動(dòng)的方法以實(shí)現(xiàn)軟件編程。該模型的優(yōu)點(diǎn)是能夠同時(shí)打開(kāi)多個(gè)CAN套接字進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)管理，本實(shí)現(xiàn)中采用Epoll多接口編程模型進(jìn)行套接口數(shù)據(jù)收發(fā)管理。

使用Socket CAN編程模型獲得車(chē)輛CAN總線數(shù)據(jù)的步驟如下：

1） 網(wǎng)絡(luò)通信初始化。

socket（PF_CAN， SOCK_RAW， CAN_RAW）；

2） 將CAN套接字綁定到接口，注意需要監(jiān)聽(tīng)所有CAN接口。

sAddr.can_family = AF_CAN；

sAddr.can_ifindex = 0；//監(jiān)聽(tīng)所有CAN接口

bind（nSocket， （struct sockaddr*）&sAddr;， sizeof（struct sockaddr_can））；

3） 設(shè)置濾波功能，僅接收擴(kuò)展幀數(shù)據(jù)。

sFilter.can_id = 0x00000000U；

sFilter.can_id |= CAN_EFF_FLAG；

sFilter.can_mask = 0x80000000U；

setsockopt（nSocket，SOL_CAN_RAW，CAN_RAW_FILTER， &sFilter;， sizeof（struct can_filter））；

4） 多接口數(shù)據(jù)接收，完成CAN總線車(chē)輛數(shù)據(jù)的接收任務(wù)并使接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)入數(shù)據(jù)隊(duì)列。采用Epoll編程模型過(guò)程如下：

（a） nEpoll = epoll_create（2）；

（b） epoll_ctl（nEpoll， EPOLL_CTL_ADD， nSocket， &sEvent;）；

（c） nEvents=epoll_wait（nEpoll， sArrEvent， 2， 10）；

（d） 處理事件，數(shù)據(jù)接收并作入隊(duì)列操作。

2.3 數(shù)據(jù)解析顯示與存儲(chǔ)

融合后的車(chē)輛數(shù)據(jù)包含GPS位置數(shù)據(jù)和CAN總線數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)過(guò)程中進(jìn)一步分解為三路數(shù)據(jù)，一路通過(guò)J1939協(xié)議規(guī)范解析后由無(wú)線通信實(shí)時(shí)發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，另外一路存儲(chǔ)到本地SD卡上，第三路通過(guò)短距離通信傳輸?shù)绞殖衷O(shè)備上本地化顯示。解析處理后的數(shù)據(jù)需要通過(guò)格式化處理以方便與顯示設(shè)備進(jìn)行交互。文件的命名策略根據(jù)實(shí)際需要生成，比如為了區(qū)別車(chē)輛終端及記錄采集的時(shí)間，可以“車(chē)架號(hào)-采集時(shí)間”命名。此外，可以根據(jù)需要靈活配置存儲(chǔ)文件的大小。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)設(shè)定

以下采用模擬測(cè)試驗(yàn)證車(chē)輛采集終端的運(yùn)行效果。其中，在模擬測(cè)試方案中選擇 CANalyst-II CAN 總線分析儀測(cè)試數(shù)據(jù)的收發(fā)。該設(shè)備可以被視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 CAN 節(jié)點(diǎn)，在 CAN 總線產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、設(shè)備測(cè)試、數(shù)據(jù)分析等場(chǎng)景下應(yīng)用廣泛。試驗(yàn)中可以通過(guò)配套軟件設(shè)置報(bào)文發(fā)送的波特率、幀格式與類(lèi)型、幀 ID、CAN通道以及數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)采集終端原型系統(tǒng)與 CANalyst-II 分析儀的連接如圖4所示。數(shù)據(jù)采集模塊上電后，會(huì)依據(jù)配置文件對(duì) WiFi 進(jìn)行自動(dòng)配置，并運(yùn)行客戶(hù)端程序。設(shè)定分析儀的波特率為 250kbps，假定傳輸?shù)膸?lèi)型為數(shù)據(jù)幀、擴(kuò)展幀，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為 8 字節(jié)。

3.2 結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明車(chē)載數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作。圖5給出了軟件運(yùn)行獲取CAN分析儀數(shù)據(jù)并經(jīng)過(guò)解析后在屏幕上呈現(xiàn)的部分內(nèi)容。從圖中數(shù)據(jù)可以看出，解析后的數(shù)據(jù)直觀地反映了車(chē)輛的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)，從而采集的數(shù)據(jù)可以作為參數(shù)優(yōu)化和故障診斷的依據(jù)。車(chē)載終端軟件運(yùn)行在本地TF卡上存儲(chǔ)相應(yīng)的數(shù)據(jù)文件。所存儲(chǔ)的本地文件通過(guò)無(wú)線通信方式發(fā)送給遠(yuǎn)程服務(wù)器，為車(chē)輛數(shù)據(jù)分析和挖掘等潛在應(yīng)用服務(wù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)新能源汽車(chē)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用的實(shí)際需求，給出了一種多功能通用型智能車(chē)載數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)。該終端支持兩路CAN總線、GPS、無(wú)線通信以及TF存儲(chǔ)接口。軟件實(shí)現(xiàn)上圍繞車(chē)輛數(shù)據(jù)的獲取和傳輸建立了完整的數(shù)據(jù)流向通道。模擬實(shí)驗(yàn)表明，該車(chē)載終端能夠完成整車(chē) CAN 網(wǎng)絡(luò)和GPS數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和發(fā)送，性能穩(wěn)定，可靠性良好，很好地滿(mǎn)足了應(yīng)用需求。

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