新能源汽车多接口数据采集终端设计与实现

付贺阳

(烟台汽车工程职业学院 汽车工程系，山东 烟台 265500)

0 引言

目前汽车已经成为日常生产生活中不可或缺的交通工具，不断增加的汽车保有量使能源与环境污染问题日益突出，市场对清洁高效的新能源汽车的需求量不断增加。目前国内的新能源汽车的性能仍然有待进一步完善，新能源汽车行驶过程中会产生大量有价值的数据，采集并分析这些数据能够为提升新能源汽车技术提供重要支撑，进而使新能源汽车的相关性能得以不断优化。现有的新能源汽车数据采集方法普遍存在无法实时高效采集先关数据的不足，设计开发一种性能稳定的新能源汽车多功能数据采集终端成为目前行业内的主要工作方向之一。

1 需求分析

近年来社会及公众对环保问题的重视程度不断提高，对节能环保的生产生活方式和相关技术方法的需求不断提高，飞速发展的汽车工业日渐暴露出了能源和交通等问题，为解决由持续增长的汽车保有量带来的环境污染问题，新能源汽车得到了快速发展及广泛的应用，通过结合运用包括互联网等在内的现代化新技术大力发展新能源汽车已经成为传统汽车产业顺应汽车发展趋势的有效手段，我国新能源汽车发展起步较晚，在一些基础领域的发展仍有所欠缺。新能源汽车的生产过程较为复杂，ECU(专用微机控制器)的制作则是汽车中的关键部分，新能源汽车发展面临着很多方面没有相应实际数据提供支撑的问题，汽车行业很难仅通过理论指导实践获取相关结论，大多需从大量的实验数据中获取设置汽车相关数值的支撑，针对新能源汽车的数据采集处理系统应运而生，其主要设计目标在于实现对新能源汽车数据的实时准确、高效稳定的采集过程，并在此基础上通过构建一个完整的实验系统实现高质量的实验过程，为汽车工程师了解并不断提升新能源汽车的相关性能提供坚实的基础[1]。本文根据汽车数据采集系统的实际功能需求采用模块化的设计思想完成了一种多接口数据采集终端的设计，有效实现了整个数据采集流程。

2 新能源汽车多接口数据采集终端设计

相比于传统内燃机汽车，新能源汽车(包括混合动力、纯电动、燃料电池等类型的汽车)虽具有更加简单的机械结构，但其电池、电机及电气结构的复杂程度更高，这就对新能源汽车运行状况的监管提出了更高的要求，现阶段针对的新能源汽车的数据采集终端大多通过对车辆CAN(控制器局域网络)接口中的数据进行实时转发实现数据采集过程，由于缺少本地化保存环节在信号较差的情况下极易导致数据丢失，难以重新获取数据。基于车载诊断系统(OBDII)的数据采集模式主要用于后装市场上(包括车速测量、体检打分等)，通常将数据向用户手机发送(通过蓝牙通信完成)，此种数据采集模式因存在数据采集类型单一、准确性不足、可靠性较差等问题而限制了深层应用范围[1]。

2.1 终端设计

本文在现有研究基础上通过设计一种通用型车辆数据采集终端实现了对新能源汽车数据采集系统的进一步优化设计，该采集终端能够对相关数据进行实时采集，这些数据除了能够用于车辆监控及驾驶行为分析、油耗分析和故障诊断等外，还能将有价值的数据信息提供给技术研发人员，技术研发人员可根据采集到的数据提高车辆的运行效率及安全稳定性能，构建起用于车辆优化的车辆大数据库。本文所设计的车载数据采集终端主要用于监控车辆运行状态、存储和发送数据和故障诊断等，具体负责稳定可靠、实时高效的采集和存储新能源车辆的运行数据，数据采集终端的硬件结构(ARM主控器)示意图如图1所示。

图1 新能源汽车数据采集终端硬件结构示意图

该采集终端硬件支持多种接口，从而使数据采集终端的通用性和扩展性得以显著提升；通过构建稳定高效的数据源传输通道使数据采集的实时性和准确性得到有效提升。采集到的数据主要包括车辆实时数据(通过CAN总线获取)以及车辆实时位置信息(通过GPS模块获取)2类，车载终端在本地存储卡保存采集到的原始数据保存(以文件的形式)，为后续进行有针对性的数据挖掘及分析操作提供支撑[2]。

2.2 采集终端的结构及功能设计

为有效满足数据采集终端的性能及功耗需求，本文选用了具备成熟稳定、低功耗、扩展性良好优势的三星S3C6410处理器(主频高达667M)，该处理器基于ARM11架构具有强大的数据处理功能，包含多种硬件加速器、DDR内存(128MB)和NANDFLASH(4MB)，S3C6410芯片兼顾了CAN的性能和成本。采集终端通过使用Microchip MCP CAN控制器(支持SPI接口)实现滤波过程，终端的ARM主控芯片具有较强的抗噪性，支持较高的运行速率，具体同汽车CAN网络相连(通过MCP收发器完成)和GPS模块相连(通过UART2串口完成)，整车控制器程序能够完成本地化的更新过程，数据采集终端主要通过获取的GPS数据完成对车辆具体行车位置的监控，终端使用RTL8 189芯片(支持SDIO接口和AP/STA主从工作模式)同外部设备进行通信，具体采用长距离和短距离(包括PC终端和手机等)相结合的通信交互方式，实现了数据流的高速稳定的实时双向传输过程，终端可借助手机、Pad实时显示采集到的信息。采集终端通过WiFi无线通信实现数据双向通信过程。长距离传输采用MC2 716无线通信模块将原始数据传输到数据中心服务器。采用TF卡(支持SDIO接口)满足采集终端的本地数据存储需求[3]。

3 新能源汽车多接口数据采集终端软件设计

终端软件设计主要由采集融合、本地存储和数据传输3部分构成，在常见的嵌入式操作系统中，源代码开放的Linux系统能够同时支持多任务，具有支持多种文件系统、内核稳定、硬件驱动完善等优势，采用Linux系统可有效满足数据采集终端的功能需求。对终端进行系统移植及相关操作(包括修改及加载驱动、配置内核、系统烧写等)完成对各硬件模块的支持，终端软件完成了稳定数据通道(从源到监控中心流向)的构建，负责对车辆数据源中的数据进行采集(此时得到的原始数据是CAN数据帧，需通过协议解析转换为车辆实时数据)，并向监控中心可靠交付数据。数据采集终端软件数据流示意图如图2所示。

图2 数据采集终端软件数据流示意图

终端软件先融合打包获取的车辆数据及位置数据(通过车辆CAN总线和GPS获取)，接下来完成数据的本地化存储(按照一定格式)。并可基于TCP协议采用无线通信方式向监控中心发送数据，也可通过手持设备显示(通过无线短距离通信接收)[4]。

3.1 CAN数据帧

CAN协议根据国际标准组织可划分为物理层(主要负责完成对数据传输方式的定义)、数据链路层(主要负责完成数据报文成帧、滤波及仲裁等功能)和应用层(主要向用户提供自定义功能)，CAN数据帧在车辆中主要应用SAE J1939通信协议(对应CAN总线协议)，数据链路层格式及应用层格式分别由SAEJ1939-21和SAEJ1939-71负责给出定义，数据帧在数据链路层传送数据信息时以PDU(协议数据单元，相当于CAN协议中的扩展帧)为单位进行，PGN(即参数组编号)由R+PF+PS+DP构成，SA为原地址，PS为PDU细节，P为优先级，PF为PDU格式(报文编码)，R为保留位、DP为数据页(固定为0)，如数据帧的ID为18FEEE00对应的PGN为0x00FEEE[5]。消息在应用层以报文(对应一个或多个CAN数据帧，具有相同PGN的)传递，协议数据帧的具体含义示例如表1所示。

表1 协议帧数据集含义示例

3.2 数据获取

本文通过Socket CAN网络编程模型(可同时打开多个CAN套接字)的使用完成数据的有效获取，CAN控制器成功驱动后可作为网络设备调用CAN设备驱动(通过网络Socket接口)完成软件编程，套接口收发管理功能采用Epoll多接口编程模型完成。车辆CAN总线数据的获取流程为：先完成网络通信的初始化，接下来在接口出绑定CAN套接字(需对全部CAN接口进行监听)，然后对滤波功能进行设置(仅接收扩展帧数据)，通过多接口完成CAN总线车辆数据的接收，数据进入数据队列，主要代码如下[6]。

socket(PF_CAN,SOCK_RAW,CAN_RAW);

sAddr.can_family =AF_CAN;

sAddr.can_ifindex =0;

bind(nSocket,(struct sockaddr*)&sAddr,sizeof(struct sockad-dr_can));

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));

Epoll编程模型操作流程如下[7]。

nEpoll =epoll_create(2);

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

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

融合后的车辆数据的数据流转过可分解为通过无线通信向远程监控中心实时发送的数据(经J1939协议规范解析)、存储到本地SD卡上的数据(存储文件大小可灵活配置)、在手持设备上本地化显示的数据。以实际需要为依据确定文件的命名策略，如采用“车架号-采集时间”命名以区分车辆终端及采集时间。

4 实验测试及结果分析

通过设计模拟测试对本文设计的数据采集终端的运行效果进行测试，数据的收发测试过程采用CANalyst-II CAN(可视为标准的CAN节点)总线分析仪完成，该分析仪与终端的连接，通过使用配套软件完成相关设置(包括CAN通道、报文发送的波特率、帧ID/格式/类型等)。上电后采集终端能够快速根据配置文件自动配置WiFi完成客户端程序的有效过程，测试结果表明该车载终端能够实时高效稳定地完成数据采集与传输过程。经解析后呈现的部分内容实现了对车辆实时运行状态及数据的直观反映，能够为参数优化和故障诊断提供依据[8]。

5 总结

随着代表汽车工业新发展趋势的新能源汽车应用范围的不断扩大，对行车数据的采集需求不断增加，实时高效地获取新能源汽车的行车数据已经成为提升车辆运行效率提升确保行车安全的重要手段，为有效满足现代新能源汽车对数据采集性能的需求，本文设计了一种多接口的通用型车载数据采集终端，支持两路CAN总线、GPS、TF存储接口，并通过完整的数据流向通道的构建使车辆数据的获取及传输质量和效率得以显著提升，该数据采集终端具备良好的稳定性及可拓展性，能够对整车的相关数据(包括CAN网络和GPS等)进行有效的采集、存储和发送，能够更好的满足新能源汽车的实际应用需求。