基于CAN总线的汽车组合仪表行车电脑算法及软件实现研究

丁家俊

(延锋国际技术中心,上海 200233)

0 引言

CAN 总线汽车已经成了各汽车厂家的主力车型，除极低成本的汽车外各汽车厂家都或多或少地推出了自己的CAN总线车型，一些国外品牌和合资品牌更是所有的产品线都需要CAN 总线或更复杂的网络。国内行车电脑的概念包含的范围很广，目前主要是指车载电脑及嵌入式的车载控制单元[1]，比如集成了行车助手、自动导航、可视倒车、娱乐欣赏、网络通信和用户设置等功能的车载电脑[2]以及汽车行驶记录仪等。文中所述的行车电脑是从英文Trip Computer翻译过来的一个专用词汇，是指安装在车上的一种可以记录行驶距离、平均速度、平均油耗、实时油耗等信息的计算设备[3]。国外最早期的机械式行车仪表盘，作为一种独立汽车配件，只能实现非常简单的功能，而现代行车电脑的显示屏已经被并入汽车组合仪表盘或导航系统的屏幕上，成为其中的一项备选功能。为满足终端客户对汽车燃油使用情况和经济性的查询要求，特别随着点阵液晶显示屏和TFT(薄膜晶体管型)液晶显示屏在组合仪表上的大范围使用，越来越多的汽车厂家都要求汽车组合仪表能提供行车电脑的功能，越是高端的车型越需要提供更为精确的信息。在汽车组合仪表中行车电脑最重要的4个参数为：瞬时油耗、平均油耗、平均车速和续航里程，这几个参数的计算一直是汽车组合仪表设计的难点。

1 瞬时油耗

瞬时油耗是指汽车在一段相对比较短的时间内(比如500 ms)所消耗燃油的总和。它主要与汽车自身特性、道路交通条件、自然环境等因素相关[4]。在CAN总线汽车上，一般发动机电控单元会定周期地发送喷油量到CAN总线上，喷油量以脉冲数或占空比的形式表示，通过发动机电控单元厂家提供的计算公式可以计算出；汽车行驶的里程是由车速传感器发出的脉冲个数经过公式计算而来，有些通过仪表直接处理，有些由车身控制系统处理并发送到CAN 总线上，文中按后一种情况来进行分析。

瞬时油耗有两种表现形式：一种是单位时间内的喷油量总和，如式(1)，单位是L/h;另一种是单位里程的喷油量总和，如式(2),单位是L/100 km。

(1)

(2)

在实际项目设计中，考虑到汽车驾驶员的习惯和感受，设计中加入了如下显示策略：当车速比较低时，比如怠速或车速低于一定的阈值，仪表显示的是单位时间的喷油量;当车速较高时，仪表显示的是单位里程的喷油量。考虑到喷油量和里程信号都是定周期发送，可以通过对接收到的每个消息帧计数的方式来得到统计时间，针对嵌入式软件的特点，可以采用如图1所示瞬时油耗软件设计流程图进行软件设计。

图1 瞬时油耗软件设计流程

2 平均油耗

平均油耗是指用户通过按键操作清零后开始的一段相对较长的时间内(比如一个月)汽车所消耗的燃油量，这是一个统计平均值，用这段时间所消耗的燃油与行驶的里程数的比值来表示。这里的平均油耗是实际油耗，除了和汽车自身特性、道路交通条件、自然环境相关外，还和驾驶员的驾驶习惯等因素相关[5]。按照概念，平均油耗的基本计算公式为：

(3)

如果用户两次按键清零之间累计的时间足够长，式(3)计算出来的结果完全可以用来衡量该汽车的燃油经济性，但它有个很明显的缺点:从公式中分母可知，如果累计里程非常小，特别是车还处于低速甚至是怠速停止的状况下，计算出来的AFE将会非常大，那就会导致用户感觉耗油量巨大的错觉，从而怀疑整车的质量性能，在这种情况下必须引入理论油耗作为参考参数， “理论油耗”是指汽车厂商按照国家标准规定的温度、风向、风速等客观环境要求下 ，使汽车在平坦路面(机场路面)或在底盘测功机上保持一定车速等速行驶(一般有60、90，120 km/h 3种选择)，然后通过专业方法(一般有“流量计法”或“碳平衡法”)计算测出的平均百公里油耗[4]。引入理论油耗后的计算公式为：

(4)

其中Fuel_default与Odo_default的比值为理论油耗。式(4)存在比较明显的缺点，即对当前实际油耗的变化趋势反应略微迟钝。为此，对式(3)和式(4)进行了简单的加权调整：

AFE=(w_afe/100%)·AFEcal+(w_rafe/100%)·rAFEcal

(5)

式中：w_afe从 0递增到100%，w_rafe从 100 %递减到0，加权的幅度可以按实际的项目开发中权值转换的速度要求进行调整。这种计算方法既可以实时反映汽车的燃油消耗率，又能照顾到用户的使用体验，当用户按键清零后,平均油耗的显示值会从理论油耗值慢慢过渡到实际油耗值。可以采用图2所示的软件设计流程图进行软件设计。

3 平均车速

平均车速是指用户通过按键操作清零后开始的一段相对较长的时间内汽车速度的统计平均值。其计算公式为：

(6)

平均车速的计算相对比较简单，可以采用图3平均车速的软件设计流程图进行软件设计。

图3 平均车速的软件设计流程

4 续航里程

续航里程是汽车油箱剩余油量可继续行驶里程，这是一个预测学的概念，需要根据以往燃油消耗量和已经行驶的里程来预测将来的平均油耗，从而和油箱剩余油量计算出可持续行驶的距离。其概念公式为：

(7)

对油耗的预测有两种方法：一种是一次移动平均法;另一种是一次指数平滑法[6]。

4.1 一次移动平均法

其基本思路是：每次取一定数量的周期数据平均，按时间顺序逐次推进，每推进一个周期时，舍去前一个周期的数据，增加一个新周期的数据，再进行算术平均。这种预测计算方法最大的优点是简单易行，在以前的续航里程设计中被采用过，但有明显的不足：(1)每计算一次移动平均值，需要存储最近N个观察数据，单片机由于存储容量的限制，不可能开出很大的空间来存储非常大的历史数据;(2)移动平均实际上是对最近的N个观察值等权看待，且更早前的数据不参与计算。

4.2 一次指数平滑法

(8)

式中:α为平滑系数，0<α<1。

观察式(8)，实际值Xt、Xt-1、Xt-2的权系数分别为α、α(1-α)、α(1-α)2。依次类推，离现在时刻越远的数据，其权系数越小。指数平滑法就是用平滑系数α来实现不同时间的数据的非等权处理的。把式(8)进行变换后可得：

(9)

(10)

按式(10)对燃油消耗量和里程进行预测，可得到

(11)

(12)

(13)

4.3 预测误差调整

公式(13)对续航里程的计算是一个预测的值，一定会与最后行驶的里程有误差，所以有必要做一些动态的调整。在实际项目开发中摸索了一种策略对计算出来的剩余里程进行调整，如式(14) ，使之拟合实际的行驶里程，从而实现里程表的显示每减少1 km,续航里程的显示也减少1 km。

(14)

表1 误差调整参数

软件设计流程如图4 所示的续航里程软件设计流程图。

图4 续航里程软件设计流程

5 结束语

文中所述计算方法不仅从燃油经济性指标计算本身更从满足用户感受的显示策略的角度对行车电脑的各个方面进行了考虑，在实际使用中被应用于长安和江铃等客户的组合仪表项目中，并受到终端客户的认可，实践证明该算法是可行的。另外，文中主要针对的是纯燃油车型的行车电脑算法，如果是混合动力车型或电动车，需要在算法的基础上做一些补充和演化，但基本的统计与预测思路仍然是可行的。

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