（控制理论与控制工程专业论文）电动汽车车载数据采集系统的研究和设计.pdf

武汉遴下大学醺学位论文 摘要 本文主要磷究熬粒电遵奄礁汽车车载数摇采爨系统夔设计方案霹：l 实凌方 法。其蠢静怒在燃料电港电动汽车行驶过程中同步缝记录其体系中的诸多参数， 为燃料电池电动车整车控制策略的制定和优化提供充足客观的数据分析依据。 文章分析车载数据采集系统的数据源一一分布式光纤c a n 网络的组网结 构，通过比较几神车载数据采集方案，提出了基于u s b 主机技术的车载c a n 网络数据采畿系统设诗方案，莠会绥了援关凌议肉卷。 论文鬟患瀚述车载数据聚祭系统的硬伟设计积底层驱动软件设计。冀中系 统硬件设计主要叙述主芯片的造型和数据采集电路的构建，以及抗电磁干扰设 计等内容。底层驱动软件主要叙述数据采集过程、采集数据的传输和保存。由 于包含u s b 、m a s ss t o r a g e 、f a t l 6 等协议，因而怒率系统设计中最为艇杂的部 分。这部分鹣设诗主要采翔c 谣言模块讫缓程，镪捻c a n 题络豹数攘收发搡 乍、针对m a s ss t o r a g e 类设蚕麓u s b 主税软睾实蕊萃羹采集鼗疆的存德镣凌容。 最后简爱叙述了在b o r l a n dc + + b u i l d 平台上实现采集数据的离线撼示。 本课磁麒有以下特色和创新： 1 、u s b 主机技术的引用，使得在无p c 机参与的情况下，采集数据通过u s b 总线囊接存入移动存镶器簸为了可能。 2 、数瓣存德载薅舞u s b 阕存盘，降低了系统磴传漫诗或奉蠢功耗，捷蠢了 系统可靠性、便携性和通用性。 3 、u s b 主机软件系统程序采用高级编程语言进行模块化设计，从而降低了 设计难度，方便了用户升级和维护。 在车捌行驶实验过程中，该数据采集运行稳窥，数据记录完整、凇确。离 线鼗蒺分揆遮程孛，鼗撵莛线缝较磐豹爱映车辆行装狻态。 关键词；数据采集系统，c a n ，u s b ，u s b 主机，m a s ss t o r a g e 类指令 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t d e s i g na n di m p l e m e n to fv d a s ( v e h i c l ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ) o ff c e v ( f u e lc e l l e l e c t r i cv e h i c l e ) ，i sd e s c r i b e di nd e t a i li nt h i sp a p e r t h ea i mo ft h es y s t e md e s i g ni st o s y n c h r o n o u s l yc a p t u r ea n dm e m o r ym a n yp a r a m e t e r sv a l u e so ff c e vi no r d e rt os u p p l y a b u n d a n c ed a t af o ro p t i m i z i n ga n de s t a b l i s h i n gt h ev e h i c l ec o n t r o ls y s t e ms t r a t e g yo ff c e v a tf i r s t ，t h es t r u c t u r eo fd i s t r i b u t i n gf i b e rc a nb u sn e t ，w h i c hi sd a t as o u r c eo fv d a s ， i si n t r o d u c e di nt h i sp a p e r b yc o m p a r e dw i t hs e v e r a lv d a sb l u ep r i n t s ，t h ev d a sd e s i g n b a s e do nu s bh o s ti sp u tf o r w a r d a n ds o m ep r o t o c o lc o n t e n t sa r ei n t r o d u c e d t h e n ，h a r d w a r ed e s i g na n db o t t o md r i v e rs o f t w a r ed e s i g na r ed e s c r i b e di n d e t a i l h a r d w a r ed e s i g no ft h ed a t aa c q u i s i t i o ni sa b o u tt h ec h i ps e l e c t i n g ，d a t aa c q u i s i t i o nc i r c u i t d e s i g na n de m cd e s i g n b o t t o md r i v e rc o n t r o l st h ed a t aa c q u i s i t i o n ，d a t at r a n s m i s s i o na n d d a t as t o r a g e i tc i t e sm a n yp r o t o c o l ss u c ha su s b ，m a s ss t o r a g e ，c a n ，f a t l 6 ，s oi ti st h e m o s tc o m p l e xp a r ti nt h ew h o l e s y s t e md e s i g n p r o g r a ml a n g u a g e ci su s e df o r m i c r o c o n t r o l l e rf i r m w a r ed e s i g n ，w h i c hi n c l u d e sd a t ar e c e i v e da n ds e n to nc a nb u sn e t ， u s bh o s ts o f t w a r es y s t e ma i m i n ga tu s bm a s ss t o r a g ed e v i c ea n dd a t as t o r a g e f i n a l l y 。o f f - l i n ea n a l y s eo fa c q u i r e dd a t a , b a s e do nb o r l a n dc + + b u i l d ，i si n t r o d u c e d 。 t h e r ea r es o m ea d v a n t a g e sc o m p a r e dw i t he x i s t i n gv e h i c l ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ： 1 u s bh o s ti su s e df o rd a t at r a n s m i s s i o na n ds t o r a g e + t h a tc a nd i r e c t l ys t o r ea c q u i r e d d a t ai nu s bm a s ss t o r a g ed e v i c ew i t h o u tp c 2 d a t as t o r a g ec a r r i e ri su s bm a s ss t o r a g ed e v i c e ，w h i c hi sc h e a p ，a n dh a v i n gas m a l l s i z ea n dl o wp o w e r t h a tr e d u c e st h ec o s ta n ds i z eo fh a r d w a r ed e s i g na n dt h ep o w e r t h ed a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m , w h i l ei n c r e a s e s t h er e f i a b i 珏t y , c o n v e n i e n c ea n d v e r s a t i l i t yo ft h es y s t e m 3 。m o d u l a rp r o g r a m m i n gd e s i g no fu s bh o s ts o f t w a r er e d u c e st h ed e g r e eo fd i f f i c u l t y o ft h es o f t w a r ed e s i g n ，a n dc o n v e n i e n c e su s e rs o f t w a r eu p g r a d ea n dm a i n t e n a n c e d u r i n gv e h i c l er u n n i n g ，t h es y s t e m r u n ss t a b i l i z a t i o na n da c q u i r e sd a t af u l l ya n d a c c u r a t e l y d u r i n ga n a l y z i n go f f - l i n ed a t a ，t h ed a t ac u r v ec a ns h o wv e h i c l er u n n i n gs t a t u s a c t u a l l y 。 k e yw o r d s ：d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，c a n ，u s b ，u s bh o s t ，m a s ss t o r a g ec l a s si n s t r u c t i o n i t 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景及意义 1 1 1 课题研究背景 现代科技带动了交通运输业的迅猛发展。然而，随着全球汽车总有量的增 加，传统汽车发动机在提供强大动力的同时，消耗了大量能源，并排放大量尾气污 染物，导致严重的大气污染。同时世界石油资源的日趋紧张，石油价格不断攀升， 这些都迫使人类需要研制出无污染和节能汽车【1 】。有效节能、减少环境污染，成为 各国关注的焦点。各国投入了大量的人力物力进行电动汽车的研究工作。由于 电动能源具有无排放污染、噪声低、易于操纵、维修以及运行成本低等在环保 和节能上具有不可比拟的突出的优势，使得电动汽车的开发和研究成为各国开 发绿色汽车的主流，是解决人类巨大能源和环境压力的有效途径 2 1 。 电动汽车是指全部或者部分由电机驱动的汽车，目前主要分为三种：纯电 动汽车、燃料电池电动汽车和混合动力电动汽车【3 】。纯电动汽车是指以车载电源、 蓄电池等为动力，用电机驱动车轮行驶；燃料电池电动汽车是一种可以将燃料 中的化学能直接转化为电能的能量转化装置，它的特点是能量转化效率高，约 是内燃机的2 3 倍，生成物是水，不污染环境，缺点是造价太高，目前仅燃料电 池的价格就要近2 0 万元；混合动力电动汽车是装有两种或两种以上的储能器、 能源或转换器作驱动能源，其中至少有一种能提供电能的汽车，一般说就是既 有内燃机又有电动机驱动的车辆。 电动车与常规的内燃汽车相比有可使用能源种类多、环境污染低、效率高、 噪声低、结构简单、使用维修方便、使用范围广等优点p j 。随着石油资源的日渐 枯竭和燃油汽车排放造成的环境污染日益加剧，电动车具有诸多优点，在环保和 节能上具有解决人类巨大能源和环境压力的优势。因此，研究电动汽车势在必 行。 1 1 2 课题研究的目的及意义 控制策略的制定是混合动力电动汽车丌发的关键，因为其直接影响着能量 在车辆内部的流动及整车的性能。如今，控制策略研究作为电动汽车的关键技术 武汉理工大学硕士学位论文 之一，得到了国内外汽车科技工作者的普遍重视 4 1 。 车载数据采集系统的研制，采集记录了混合电动汽车体系中的许多参数， 如燃料电池的电压、电流，d c d c 变换器的电压、电流，辅助电池的电压、电 流、荷电量( s o c ) ，电机电流等相互关联的参数，以及车辆的加、减速过渡过程 信息量等，能为混合动力电动车整车控制策略的发展和完善提供充足客观的数 据依据。为此在研究改进混合电动汽车的控制策略的同时，提出了本课题车载 数据采集系统的研究。其主要功能就是在车辆运行实验中，采集和存储各类车 载参数和车辆行驶状态值，作为改善电动车控制策略和完善电动车性能数据分 析来源。 1 2 课题的研究现状 1 2 1 电动汽车的研究现状 节能与环保成为当今世界汽车发展的两大主题 3 】 5 1 【“。电动能源以其突出的 优势，使得电动汽车的开发和研究成为各国开发绿色汽车的主流。电动汽车丌 发曾经历过两次高潮，一次是二战期间，当时汽油都用于战争；另次是第一 次中东战争期间，美国联合其他国家开发电动车1 5 】1 6 】。在我国，在“2 0 0 5 年中国 汽车产业发展国际论坛会”上，国家发改委工业司副司长陈斌等有关专家就“十 一五”期间国家对发展汽车产业的相关政策方面的问题发表了讲话【7 】。专家表示， “十一五”期问，发展环保型汽车将得到国家政策的大力支持，同时，部分重 点城市将积极发展电动汽车。据介绍，“十一五”期间，国家将继续在发展节 能技术产品、形成高效率、低污染、实用安全的汽车产品结构，促进新能源技 术产品的研究与开发上加大扶持力度。 2 0 世纪7 0 年代，汽车保有量呈几何级数增长，造成了严重的环境污染。西 方发达国家政府开始注重环境保护，一些著名的汽车公司转向研究和开发电动 汽车 5 1 。从2 0 世纪9 0 年代起，世界发达国家均投入巨资进行电动汽车的商业化丌 发和应用。1 9 7 6 年7 月，美国国会通过电动汽车和复合汽车的研究开发和样车 试用法令，以立法的形式、政府资助和财政补贴等手段加速发展电动汽车 6 】。 从世界范围的电动汽车产业化发展现状看，日本是最早开始发展电动汽车的国 家之一【6 】。门本通产省1 9 6 5 年正式把电动车列入国家项目，开始进行电动汽车的 武汉褒王天学蘸圭学德论文 研制。根据日本电动车辆协会的统计，在日本使用的电动汽车1 9 8 9 年为1 0 4 6 辆， 1 9 9 0 年为1 2 7 1 辆，1 9 9 1 年为1 0 3 7 辆，1 9 9 2 年为1 3 0 0 辆。法圈是一个缺少石油的 国家，也是全世界最积极研制鞠拯广电动汽车的国家之一i 】。法国政府非鬻鼓融 使霜电动汽车，褒法国逛凄汽车瓣发震位瑟藿赛蘩列。麴毽纪9 0 年代踱来，法 国电动汽车得到了迅速的发展。霞前，法国已有十余个城市运行电动汽车且有 比较完善的充电站等服务设施，政府机关带头使用电动汽车。德国政府十分重 视环境保护，投入大量资金用于电动汽车的研制。1 9 7 1 年，成立了城市电动车 交通公司f g e s ) ，积极组织电动车的研究与开发 2 1 。1 9 9 4 年德国展示出了1 9 静轿 车，1 3 秘蘸瞧莩，4 耱大客车，都避入了实舔狳段。茭阉是当今遣爨生产穗凌汽 车较先进和谈用最广泛的国家，便用历史已有5 0 年之久，土个世纪8 0 年代中麓 英国就有1 2 万辆电动汽车在运行，目前全国己拥有4 0 万辆电动汽车【”。端士为了 防止环境污染，要求在旅游区只能使用电动汽车，它是欧洲电动汽车使用效益 最高的国家之一。意大利为了降低空气污染，上世筑8 0 年代末建立了曦渤汽车 车麸，共投入5 2 羲电动汽车试验，掰有车稳瑗锻酸魄涟。丹麦、奥遗利、涟克、 匈牙利等搬郝在开展电动汽车懿磷发工终。 汽车产业的可持续发展战略及我国汽车产业所丽临的现状，迫使我们必须 寻求新的发展道路。电动汽车为我国汽车产业提供了次发展机遇。我国在电 动汽车研发方面呈现出明显的跟进战略特点，与发达国家的科技水平麓距不是 很大，鼹以，我国完全有条 譬、有可能生产出达至l 豢饯国际东平劳具有塞圭知 识产权静彀韵汽车。面对这一撅兴我国汽车产监酌甄大税逶，我国必须借鉴国 外经验，集中力量在全国建设1 2 个产业化体系健全，研发、试验、制造水平 先进，实力雄厚，具有强大产业竞争力、发展环境良好的电动汽车产业中心城 市，积极参与国际竞争，在竞争中快速发展我国的魄动汽车工业。 。2 。2 数掇采集系统魏国内终发震获凝 数据采熬( o a t aa c q u i s i t i o n ) 技术是信息科学的一个重要分支，它研究信息数 据的采集、存储、处理及控制铸工作，它与传感器技术、信号处理技术、计算机 技术一起构成了现代检测技术的基础| 8 1 。数据采集是指从传感器和其它待测设备 等模拟和数字被测单元中鱼动采袋倍息酶过程。 数据采聚系统起始予黧釜鳃s o 年 弋，1 9 5 6 霉美瓣营先磺究了霆在军攀上豹 测试系统，强标是测试中不依靠相关的测试文件，由非熟练人员进行攥作，并 武汉理j ：大学硕士学位论文 且测试任务是由涮试设备高速自动控制完成的 9 1 。由于该静数据采集测试系统具 有高速性和一定的灵活性，可以满足众多传统方法不能完成的数据采集和测试 侄务，因蕊褥到了初步的认可。大约在6 0 年代后期，国外就有成套的数据慕集 设备产品逐入市场，瑟淤段豹数据鬈集设备帮系绕多蓬于专蔫瓣系统。 2 0 世纪7 0 年代中后期，随着微型机的发展，诞生了采集器、仪表同计算机 溶为一体的数据采集系统。由于这种数据采集系统的性能优良，超过了传统的 囊动捡测仪表魏专用数攥慕集系统，羧建获褥了蒙人茨发震。麸为年代起，数 据采集系统发展过程中逐渐分为两类，一类是实缎室数据采集系统，另一类是 工业现场数据采集系统【”。就使用的总线而言，实验室数据采集系统多采用并行 总线，工她现场数据采榘系统多采髑枣行数据总线。随着工业现场总线的广泛 瘟瑶，事行憨线数据采集系统自分布式系统结稳和智能证方囱发震，可靠稳不 断提高i ”。数据采集系统物理层通信，由于采用r s 4 8 5 、双绞线、电力载波、无 线和光纤，所以其技术褥到了不断发展和完善。辩在工业现场数据采集和控制 等众多镶蠛簿囊了广泛熬疫蠲。 2 0 世绍8 0 年代随着计算机的普及应用，数据采集系统得到了极大的发鼹， 开始出现了通用的数据袋集与自动测试系统【9 l 。该阶段的数据采集系统主要有两 类，一类以仪器仪表和采集器、通髑接口总线和计辣枫等构成。这类系统主聚 用于实验鬻，在工韭玺产现场也耷一定豹应翔。第二类鞋数据采集卡、标猴慧 线和计算枫构成，在工蚍现场应用较多。2 0 世纪8 0 年代后期，数据采集系统发 生了极大的变化，工业计算机、单片机和大规模集成电路的组合，用软件管溅， 捷系绞的裁本降纛，髂积减小，珐簸缓蘩璞攘，数攥楚瑾笈力大大熬强。 2 0 世纪9 0 年代至今，在国际上技术先进的国家，数据采集技术已经在军潦、 航空电子设备及宇航技术、工业等领域被广泛应用。由于集成电路制造技术的 不断提赢，出现了高性筑、赢可靠瞧的肇片数据采嶷系统( d a s ) 。数据聚集技术 已经成为一种专门的技术，在工韭领域褥妥了广泛的应增。该阶段数据采集系 统采用更先进的模块式结构，根据不同的应用要求，通过简单的增加和更改模 块，并结合系统编程，魏可扩展或修改系统，迅速地组成一个新的系统。标志 蓑数舞采集技术基自蓉著雩亍、毫速、大量存旗、实辩分辑楚鬟、集袋纯等方翔 发展。 在计算机广泛应用的今天，数据采集的重要性十分显著，是计算机与外部物 理篷雾连接兹辑粱。数攥采集系绞鼷寒采集过程掇l 乍数据，并瀛数提存放予璇 武汉理t 大举硕士学位论文 助存储器中作以后分耩翊 ”j 。许多数瓣采集系统需要高速采集数据，这样就没有 时间进行必耍或期望的数据处理和简化了。所有的数据都存储在辅存中，并随 后对其进行处理以推导出感兴趣的变量。由于数搬源以及用户霈求的多样性， 逶羯熬采鬃凌备不霹熊总是满足定涮要求。设诗专蠲数据采集系统及荬接鞠是 经常的事，而这种设计可能是非常昂贵的。使用标准接口，是种极好的收集 过程数据的方法。然后褥p c 上进行数据分析时，进行必要的运算以向过程操作 员提供毽鼹感兴趣豹继惑。分橱采集筏弱鼗据，可以建立逶过避程变量阚熬楣 互关系( 鲫果有的话) ，还可班建立自适应和优化控制所需的数学建模。 现代的数据采集系统在采集速媵和数据处理软件方面的发展越来越快。数 据采集技术的发展一方蕊是从采集芯片硬件的发展，另一方谣总线技术应用的 不錾发袋，傻憨线技术在数据采集中豹结合疰矮也越来越广泛 “l 。采集速度越浃， 获取的数据信息越完整；数据处理软件越优化，数据产生的现场还原的更加逼 真。这都将为现代控制策略分析和改罄提供了强有力的依据。 | l 枣罄鬻终蹶毫予投零、计数撬技术、灏控按零秘数字逶僖技术戆发震，囊 前国外数搦采集技术已较初期有了很大的发展。从近来国步 公司展示的新产品 呵以看出，主要的发展可阻概括为功能多样，体积减小和使用方便等方面。上 l 鳖纪8 0 年代来到9 0 年代甥，我国一砦仪器厂已研制蹬了多种数攘采集器，能够 适应辍嚣设备的一觳状况篮测窝藏簿诊凝，基搴已经达餮了鹫终数据采集嚣的 初期水平。但是，国内数据采集器与目前国外数据采集器相比，在技术上仍然 存在着一定的差距。 1 。2 。3e 绷总线发展现状 c a n 全称为“c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ”，即控制器局域网，是国际上应用最 广泛的现场总线之一。c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 总线鼹予现场总线靛蘧 畴，它是德国b o s c h 公嗣从2 0 氆纪8 0 年代裙为解决现代汽擎中众多的控制与 测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据邋信协议。c a n 可实现全分布 式多机系统，且无主、从机之分；c a n 可以用点对点、一点对多点及全局广播几 零孛方式传送帮渡毂数据；c a n 壹接遁僖疆褰最送可达l 馥m 0 淹埝率为5 k b s ) ，通 讯速率最高i j _ 1 达1 m b s ( 传输距离为4 0 m ) ；c a n 总线上节点数可达1 1 0 个 1 3 。 最初，c a n 被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车裁各电子控制装 霉e c u 之闺交换信感，形残汽车电予羧裁网络f 1 3 l 。院如：发动雾警理系绞、变 戴汉理工大学碳士学位论文 逮筵控制器、仪袭装备、魄予主予系统中，均嵌入c a n 羧豢l 装罨。c a n 跫一耪 多主方式的率行邋讯总线，基本设计规范鬻求有商的位遮率，高擒电磁予抗性， 丽醴能够梭测文产生的任何镄误。当信号馋输距离达到1 0 k i n 时，c a n 仍可提 蔟离达5 0 k b i t s 的数据传输速率【1 2 l 。它是萃中有效支持分布式控荒或实时控制酌 窜行通讯嘲络。c a n 兹应爝范强遍及扶惑速阙终剐低或本瓣多线鼹剐终。在蠢 动化电子领域的汽车发动机控制部件、传感器、抗滑系统等应用中，c a n 的位 遮率可高达1 m b p s 。c a n 总线是一种多主机局域网，由于其卓越性能现融广泛 寝箱子工效蠡动仡、多种撩螽l 设螯、交邋工翼、隧疗仪嚣璐及建筑、嚣浚控潮 等众多部门 。c a n 总线以其卓越的特性，低廉的价格，极高的可嚣性和灵活的 缩构，特弼适合工业过程稔控设备的互联，并已被公认为最有前途的瑷场总线 之- - ”】。 1 2 4u s b 技术发展现状 隧着计舞穰技术静飞速发鼹，传统摸式p c 税羧瓣已经无法满跫p c 每外部设 备之闻不糖提蕊的速度以及易用性、兼容牲等要求。这不仅使外设鄹煎多样化 的发展趋势与系统( i o 端麟、l r q ) 有限骼静矛盾燹嬲突积，雨量绘用户对外设的 连接和使用带来极大不便，并且在一定程度上给p c 系统的设计者带来了越来越 多茨窳颓。疆戴，追弼需癸激熬遴蘧壅外设标准溺叁。烫了赛瑗熬令诗舞橇系 统中总线的一致饿，从2 0 懒纪9 0 年代以来，有许多新的总线接霸协议问世，其 中袋成功酾蹩懿赫t e l 为首豹7 家公霹f 美莺豹i n t e l 、c o m p a q 、m i c r o s o f t 、i b m 、d e c 、 n o r t h e r nt e l e c o m 以及日本的n 嚣c ) 于1 9 9 4 年1 1 月摊出的u s b 协议规范第”一个革 鬃帮美嚣电气及电子工程爨狯会( i e e e ) 拯澎靛i e e e l 3 9 4 戆线秘议邵l 。 i e e e l 3 9 4 的主要特点嫩高速，但它的成本比较高，目前只用于些专用系 统耱蠢窜撬、秘麓饺等数攥蕊输襞求鞍舔翡设螽，瑟不然普遍矮予鲡藏拣、键 盘等低价使、速度要求不简的设备。所以1 e e e l 3 9 4 更适合于应用在许多专业领 域。 u s b 可把多达1 2 7 个外部设备连到用户的系统上，通过协议来共事u s b 的带 宽，其1 2 m b p s 熬黪宽对予艇据等中，低遴强部设蘩已经足够了。j 珂在2 0 0 0 年发 布的u s b 2 0 版本中，u s b 的带宽已经被掇升至4 8 0 m b p 菇1 6 l 。u s b 支持即插即用 ( p l u ga n dp l a y ) ，帮竞诲终竣在量援霸其它羚嫒王终对逡行连接、嚣黉、镬羯积 删除。应用u s b 总线规范，可以清除p cl 过多的i 0 接口，而仅以一个帛行接n 武汉毽1 j 大学硕士学往论文 取代，使得p c 与外部设备之间的避接变得更加容易。i f 是u s b 具有商遽、低成 本、兼容性强、支持热插拔等优点，自从1 9 9 6 年2 月u s b l 0 版本正式发布后短短 几年内，u s b 习；仅成为了p c 主扳上的标准接口，弼旺成为了所有p c 枧外部设备 蟊德盘、簸豁、蠡窜瓤、数弱摆援窝游戏手旗等每p c i b r l 穗连熬标准协议之一， 迅速占领了计算机中、低速外部设备的市场，大裔取代串口和并日之势。使用 u s b 接口的设备也随之以惊人的速度发展起来。n 2 0 0 3 年生产的p c 机几乎都有 u s b 接口，随后生产的p c 机又陆续具备了u s b 集线器( h u b ) 和4 6 个u s b 接口。 最新推出的u s b 2 ，o 版本，其速魔l l u s b l 。o 和1 1 版本快将近4 0 倍，达：至l j 4 8 0 m b p s ， 使u s b 接f 4 瓣硬盘、诞裁解臻嚣、慧感家毫鼹络产菇耧萁德浃速癸罄设餐域为了 可能。 随着u s b 应用领域的逐渐扩大，人们对于u s b 的期望也越来越高，希塑u s b 能应用在释种计算机领域中，尤其是在移动数据领域中，希望u s b 能, 应用在没有 p c 的领域中赢接与u s b # i 设通髂。而非p c 应用领域藏是u s b 一个致命的弱点【1 4 j 。 在u s b 的掇蛰税擒中藩予核心壹 | l 经戆是u s b 主凝( r t o s 0 ，任褥一次u s b 浆数据转 输都必须翻量穰。来发超帮控秘，蕊鸯u s b 设备帮只麓袋主捩| 建立连接，任何鼹个 外设之间或是两个主机之间无法直接通信。而目前，大量扮演主桃角德的是个 人电脑p c 机。因此，目前所买到和使用的u s b 移动设备，都是u s b 的设备，比 如u s b 的移动硬盘，u s b 接口的数码相机等等。所有这些设备都只能在p c 上使 用，只能逶避p c 来进行据互的文静秘数提交换。没露了p c ，这些设备簸“失灵” 了f 藏数攥交抉的功能嚣言) 。 因此，“如何将u s b 应用到嵌入式领域? 如何实现u s b 点对点的遥俺? ”等问 题，开始：i 藏u u s b 开发者的讨论议程。正是在这种新的需求下，u s b 主机的嵌 入式应用成了u s b 领域新的兴裔点。 ，3 本谭甏来源及研究懿内容 1 3 1 课腰来源 课题来源：电动汽车承载潜我国汽车工业太多的希望，因此，科技部在把 它确定为“卡五”8 6 3 重大秘技专瑷辩，明镄提出要在髂测羔送行割薪，逡撵“富、 产、学、磷”联合攻关静磅发模式，整合社会资源，磺铡具有鑫主知谈产投懿 武汉疆工大学硕士学位论文 电动汽车。本文正蹩在湖北省科技攻关和东风汽车公司联合研麓的燃料电池电 动汽车这一谖题顼嚣下完成的。该课题瘸子濒北省重大攻关项目( 2 0 0 3 a a l 0 3 b ) “东风爱丽舍燃料电池电动车”研究项目中的个分支，主要完成该电动车行驶期 闻静车载参数稻获森量麓数据采集和存德。 。3 。2 课题聚突内饔 车载数撼采集系统敦主要爨的是记浸电动车行驶过稷中车裁参数及车辆状 态值，为完善电动车整车控制策略、评估和改良燃料电池电动车性能提供客观 实际充是韵数攥分糖素桴。 车载数据采集系统的数据源是位予车体内的分布式光纤c a n 网络；u s b 具 有即插即用、兼容性强、速度快等优点应用于本设计中，擒成了基于u s b 主枫 技术的车载c a n 网络数据采集系统设计方寨。本论文的主要研究内容概括起来 有以下几点： ( 1 ) 蛰议疆究。赛l 辑c a n 逶信势议、u s b 协议和m a s ss t o r a g e 块议类携议， 为系统设计旗定理论基础。 e 2 ) 车载数据采集系统磋徉设诗，本文瓣重点之。主要完袋芯片选墨、疆 件电路设计和抗电磁干扰设计等，以及全电路的p c b 板设计和硬件调试。 ( 3 ) 系统底层驱动软件设计与调试，本文的重点和难点。运用c 语言模块亿 编理，完成c a n 嬲络的数据收发操 乍、针对m a s ss t o r a g e 类设备舱u s b 主枫设计 实现和采集数据的存储。 4 土位极数攥处理软 串豹设计与淫试。运爰b u i l dc + + 较件完成采集数据熬 转换处理和显示。 本课题其有戳下特色和翻瓤： 1 、u s b 主枫技术的引用，使得在无p c 枫参与的情况下，采集数据通过u s b 总线直接存入移动存储器成为了可能。 2 、数据存继载搏为u s b 阑存盘，降低了系统硬件设计成本和功耗，提裹了 系统可靠性、便携性和通用性。 3 、u s b 主橇软 孛系统程枣袋臻裹级缡稷涪言遴行模块纯没诗，扶纛降低了 设计难度，方便了用户升级和维护。 武汉理丁大学硕十学位论文 第2 章车载数据采集系统分析与总体方案设计 2 1 燃料电池电动汽车控制系统结构 燃料电池电动轿车( f c e v ：f u e lc e l le l e c t r i cv e h i c l e ) 实质上是电动汽车的一 种，在车身、动力传动系统、控制系统等方面，燃料电池电动轿车与普通电动汽车 基本相同，主要区别在于动力电池的工作原理不同。质子交换膜燃料电池电动轿 车( 以下简称燃料电池电动轿车) 是采用质子交换膜燃料电池做电源的燃料电 池电动轿车 6 1 。燃料电池电动轿车一般要配置一组容量较小的蓄电池或超级电容 器作为辅助电源，用于启动燃料电池、提高整车的动力性能、回收再生制动能 量以及为低压电气设备提供电能。因此从某种意义上讲燃料电池电动轿车也是 一种混合动力轿车。主体部分由熬车及能量流管理系统、燃料电池发动机、 d c d c 变换器、镍氢电池包、电机驱动系统、车轮等部件组成。 燃料电池电动轿车主体部分由整车及能量流管理系统、燃料电池发动机、 d c d c 变换器、镍氢电池包、电机驱动系统、车轮等部件组成，其系统主体部 分组成结构框图 1 7 1 如图2 1 所示： 高压直流母拽车轮 二二稽霉 图2 - 1 燃料屯池电动轿车主体部分组成 与燃油汽车不一样，f c e v 没有传统的发动机，省去了离合器分离和接合这 一传统汽车必不可少的重要两步，使得驾驶员的操作变得更加简单和方便。驱 动车轮前进的是新型电机驱动系统，它由电机控制器和电机共同组成。电机控 制器接收整车控制器的扭矩指令束控制电机，进而控制车轮的前进和倒退。整 车及能量流管理系统即整车控制器是整个控制系统的核心，它要根据驾驶员的 操作信息及踏板位置来决定给电机控制器的扭矩大小，同时，还要根据燃料电 武汉理工入学硕士学位论文 涟发动税及镍氢电遗包豹狡态来凌宠二者虢能量黼阮。燃精宅波发动税是f c e v 的主要电源，它由燃料电池堆和燃料电池辅助系统构成。燃料电池本体的特性 是比较软的，电压随负泼变化比较大，需要经过大功率的d c d c 变换器，转换 或稳定、可控兹壹浚邀源。镰氧毫滚瞧 萋为辏霸电源，爨精邀泌发魂极窝镣氢 电池包并联组成一个2 8 8 v 的高压直流电源，给系统提供能源。 从控制系统角度而蠢，燃料电池电动轿车整车控制系统主臻由整车控制器 ( 包括整车控制模块秘戆量渡管理摸块) 、燃料电浓发动机控铡举元、镰氢魄波 包控割管理尊元、驱动控制系统、d c 3 4 5 窀匾变换控制模块、仪表及显示、数 据记录和有源光星等控制模块组成，熬个系统各模块由光纤、电气和机械逡接 成一个整体。燃料电浊电动车( f c e v ) 的整车控制系统是一个基于c a n 总线 懿努景式系统，痞寒传埝分覆为走终，瓣终餐羚缝秘惫星璧潮，该系统孛有整 车控制、熊量流控制、镰氢电池管理控制单元、燃料电池管理控制单元、d c d c 变换器单元、电机控制器、配电部分、显示控制器单元和数据采集单元等多个 采鼹不同熏控芯片螅e c u ( e l e c t r i c a lc o n t r o l l e ru n i 0 ，各e c u 都通过各自c a n 节点挂接在c a n 网络上，通过c a n 总线两络交换信息，完成攘车潮信号流灏 能量流的分配与控制。熊分布式c a n 网络结构如图2 2 所示。 c 脚l i - i c a hl 图2 - 2 车内分布式c a n 网络结构 2 。2 车载数据采集系统整体方案 2 2 1 率载数据采熊系统整体续构 穰攒燃辩电涟电动汽车的工箨缀理，可以翔邋，在整车联辊调试除敬，系 统许多参数如燃料电池的电压、电流，d c d c 变换器的电压，电流，辅助电池 的电压、电流、荷电量( s o c ) ，电机电流等相互关联的参数，以及车辆的加、 或汉遴上入学硕士学经论文 减速过渡过程都需要记录，以便为整车控制策略和能量流管理策略的制定、调 整和优化提供足够多的数据。特别是在燃料电池电动车行驶试验过程中，如果 出现了故鼯，那么故障的分据、处理和改善，都需要故障发生时段的各莘申数据 寒进行鼗摄分褥，查筏鼓薄覆瑗，我到簿决淘瑟豹途经。虽然接锻系绞中琵萋 了显示系统，但是显示系统的数据利新率低，故障时猁的数据未必可以扑援到。 针对这些需求，研发人员希飙任何时段车辆行驶的备类数据都被记录存储，即 便是突然断电也不会丢失已存储的数据。而且希黧记录数据的载体空间足够大， 可以存储太爨的数据；可以灵活地移动，方便研究人员豹携带和适应数据转换 平台的改变。由筵设诗了事载数援蓉集系统，该系绞侔为整令c a n 潮终戆令 节点参与通僚，著通过u s b 总线接口将从分南式c a n 霹上获取的数弦文本文 件格式保存在存储器( 如u 盘、电脑硬盘等) 中。系统整体结构如图2 3 所示。 2 。2 2 接掰方式选择 图2 - 3 车载数据采集系统熬体结构 考虑瓢数据静存储载体存储嚣静选择为笔记零滚麓硬盘或移动硬纛、u 盎， 目前能够使用的接口方式主要有r s 2 3 2 串口、红外线端口、e c p 并口、u s b 、 i e e e 1 3 9 4 、e t h e r n e t 等【1 8 】【”】。濑几种接口方式的比较如表2 - 1 所示。 收玉1 接口方式比较 揍日方式嫒大 最大速度( b f s 优点缺点 传输 长度 ( r a ) r s 2 3 2 1 5 2 0 k应用广泛，技术成熟，开发简传输速度慢 单，抟输距离较远 e c p 莠门3 l e8 m速度侠，援寒成熬，开发篱擎传输线较多，髂禚久 1 l 武汉理上大学硼j t ：学位论文 红外线 2 1 1 5 k无线抟竣 通讯距离短，翳受干 扰，只能肇点通讯， 耗电较大 u s b51 2 m 传输稳悫，速度较快，份位低协议复杂，软件设计l ( v e t 1 廉，佳弼方篌，兼容往强难度大 i e e e 1 3 9 41 54 0 0 m 传输速度快价格昂贵，开发难度 大 嚣t h e l e t5 弱1 0 唾t 1 0 0 m g速瘦毫，馋浚霹靠，使期方便研发罐菠丈 经过e e 较，u s b 的即插郾用、兼容憔好、速度茯、传输可靠性好，以及价 格低廉等特点，使之非常适合作为车载数据采集系统：j 藏行数据存储的接口方式。 2 。2 。3 系统设计方案 基于u s b 援口的u s b 技术存在u s b 设备和u s b 主机之分。燎于u s b 协 议的复杂性，在第一套车载数据采集系统方案中采用了相对简单u s b 设备技术， 帮对于u s b 圭穰或者是p c 露言，车载数器采集系绕整体裁是一令鬟骞特定功 能的u s b 设备，它必须连接在u s b 主机一丘使用，其熬体结构如图2 - 4 所示。 图2 4 设计方案一整体缩构框匿 在这套方紫中，数据存储器是笔记本电脑，从c a n 网络获取的需要记录的 数据是存锗在笔记本电脑的硬盘中的。根据u s b 协议，u s b 总线上任何一次通 髂鑫每发莛嫠强矮楚u s b 主撬。在这套方案中，熬u s b 协议建瘦寒羲，鼗豢采集 系统是一个u s b 设备，那么u s b 主机昵? 在这里，充当u s b 主机角色的就是 麓记本电脑，它将u s b 接口作为一个文件一样进行管理，在b o r l a n dc + + b u i l d 鲮 孛平台下，溺建w i n d o w s 攀懿一系舞黼数搡终u s b 接口，扶丽实疆对数据采 黎系统的各项操作，从车体内部分布式光纤c a n 网络获取需要汜蒙的数据量， 保存到自己的硬盘中。试验后期，研究人员再对记录在笔记本硬擞中的试验数 据进行分析达到预期目的。麓略地看，可以认为这套方案中的数掇采集系统的 本质就是一令c a n 到u s b 接口的转换。 这套方案的优点足在记录数据的同时可以通过电脑上制作的晁示界面实时 1 2 武汉理工大学硕士学技沧文 检测车辆行驶的状况；缺点就是必须配备台笔记本电脑作为u s b 主机，而且 必须要有专门的人员随车搽作电脑，从而实现对数据采集系统的控毹。这样， 无论是从数据采集系统的体积、成本考虑，还是对人力资源的充分利用考虑， 都不是较伉化的。考虑至i 车体己配备了专门的显示e c u ，闯时也为了节约人力 资源和提高车载数据采集系统的性价比，又研究了第二套方案，即本文研究的 基于嵌入式u s b 主辊技术的车载数据采集系统，蒸整体缡梅如图2 5 所示。 图2 - 5 殴计方案二：整体结构图 与第一套方案 l 较两畜，这套方案静数据存储载傣是功熊萃一瓣u s b 闵存 盘，其价格便宜、体积小、携带方便，而且功耗小，是u s b 总线供电的u s b 设 备。在这鼙，胰u s b 旃议豹蹙度来看，车载数据袋集系绕豁演着u s b 主褫夔囊 色，它将从车内分布式光纤c a n 网络获舣的有效数据直接通过u s b 接口写入 戮u s b 阗存盘内存德。试验结索，疆究入受壹攘联走u s b 阂存焱，霉在葵它平 台上读出u s b 闪存盘中记录的试验数据进行分析，达到预期目的。简略地看， 噩乏辩蘸车羧数据采集系统藏是一令带毒c a n 节点、铮对大容量存镰设备熬u s b 主机。 这套方案无甏酝备羧接暴赛瓣电麓，疑疆它瓣藏本低攘、蘩髂菇积小，在 性价比的提高上有很大升值空间；而且无需专门配备工作人员来对其进行操作， 爨以是一方嚣也节约了人力资源。它豹缺点在予u s b 办议靛复杂性致使较 孛设 计难度较大和没有实时显示的人机界面，不能满足实时检测车辆行驶状态的要 求。毽鉴予车薅内部酝务了专 1 鹣显示系统，鼹以没有实时显示的入枧界嚣这 方面的不足可以省略。 息 本来说，魏套方案都有各魍懿特点，可以说第二套方案是第一套方案的 升缴，从理论上丽言，它使系统本身的健价比和髓用性都得到了很大的提升。 2 。2 。4 基手u s b 主橇攘寒的车载数瓣采集系统总体设计 摄攥设计方案二款夔体结物燃不难羲堪，在完成基予u s b 主枫技术灼车载 数据采集系统的总体设计时，需隳完成一下几方面1 作： 1 、c a n 协议的研究、c a n 接口和c a n 控铡器的软硬件设计实现； 2 、u s b 协议的研究、u s b 下行接口鞠u s b 主机控制器的软硬件设计实现； 武汉理t 大学硕七学位论文 3 、针对u s b 阗存盘太窖塞存撩设签豹m a s ss t o r a g e 类蛰波及其予类攒令 的吾秀究和较释实现，及萁总线供电模式的实现； 4 、上位机数据处理软件的实现与调试； 5 、其它的通用模块软硬件设计与实现，如电源模块设计、抗电磁干扰的设 计实施等。 本文将分为u s b 主机技术、车载数据采集系统硬件设计、车载数据采集系 统底层驱动软件设计和上位机数据处趣软件设计4 章分别介绍系统全程设计的 相关内容。 2 。3 本章奎结 本章黄先费绍了项基来源燃料魄波毫动轿车的整体构架和主体部分豹缀娥 情况，然后根据其组成结构分析了燃料电池电动轿车的控制系统构成，激后熟 体讨论了整车控制系统组成之一的，也是本文所要研究和探讨的车载数据聚集 系统的设计方案的比较和确定，以及实施方案的具体内容。 1 4 戴汉溪i “大学疆士学位论文 第3 章u s b 主机技术基础 3 。1o s b 梅议麓会 3 1 1u s b 絮构 u s b 是英文u n i v e r s a ls e r i a lb u s 的简称，中文名称是“通用串行总线” 1 5 1 。 一个基本的u s b 架构包括以下三个部分p 5 】i ” 1 2 0 1 。1 l ： h o s t ：u s b 主茬镯器，p u s b 主褪，是