（光学工程专业论文）纯电动汽车车载信息的采集与远程监测系统的研发.pdf

摘要 摘要 随着石油能源的日益短缺和c 0 2 等温室气体大量排放对环境的影响不断加 剧，“节能减排”这一主题在世界范围内引起共同关注。在汽车领域，以纯电动 汽车为导向的新能源汽车研发已经成为各国的重点。在电动汽车的研发过程中， 要想降低开发成本、优化电动汽车性能、推动技术的改进与创新，必需对纯电 动汽车运行工况数据参数进行了解和分析。因此，研究和开发电动汽车的车载 信息远程监测系统具有重要意义。 本文根据汽车现场数据采集的现状与发展趋势，结合c a n 网络通信技术、 g p r s 网络远程无线数据通信技术以及虚拟仪器在工业上的广泛应用，研发了一 种基于a r m 9 和l a b v i e w 的纯电动汽车车载信息远程监测系统。该系统主要包 括车载终端硬件数据采集与传输系统的设计和远程监测软件系统的开发。 在硬件系统设计上，采用以a r m 9 - - 2 4 4 0 芯片作为现场数据采集和发送系 统的核心处理器，并选择m c p 2 5 1 0c a n 控制器，8 2 c 2 5 0c a n 收发嚣模块及 m 2 2g p r s 数据无线传输模块等辅助元件，通过对相关电路连接图的设计，完成 系统硬件平台的搭建。在软件程序开发上，通过c a n 和g p r s 相关通信原理及 通信协议，应用c 语言在a d s 开发环境下编写、调试程序，完成车载信息( 如 电机转速、电机温度、电池剩余电量、电池电压、电池电流等) 的采集及远程 传输功能。 远程监测软件系统采用图形化语言l a b v i e w 编写，使其通过网络协议与硬 件系统建立远程通信，并通过设计人机界面，直观的显示车载信息，同时还具 有数据存储、回放等功能，实现对电动汽车运行状况的监测。 通过显示数据对比，该系统运行稳定，能准确接收车载信息，显示直观， 存储和回放方便，达到了预期设计效果。 关键词：纯电动汽车：车载信息：数据采集；无线传输；远程监控 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h eg r o w i n gs h o r t a g eo fo i le n e r g ya n dt h ee n v i r o n m e n t a li m p a c tf r o m g r e e n h o u 辩g a s e se m i s s i o n ss u c h 嬲c 0 2 ，t h et h e m eo f ”e n e r g yc o n s e r v a t i o na n d e m i s s i o nr e d u c t i o n ”e 窟u s e dc o m m o nc o n c o r r li nw o r l d w i d e i nt h ea u t o m o t i v ef i e l d , t h en e we n e r g yv e h i c l e so r i e n t e do fp u r ee l e c t r i cv e h i c l e sh a sb & 。, o m et h ek e yo f r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n ti ns o m oc o u n t r i e s i nt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fe l e c t r i c v e h i c l e s ，w ee s s e n t i a lt ou n d e r s t a n da n da n a l y z et h ed a t ao ft h ep u r ee l e c t r i cv e h i c l e o p e r a t i n gc o n d i t i o n si no r d e rt or e d u c ed e v e l o p m e n tc o s t s ，o p t i m i z ep e r f o r m a n c e ， p r o m o t et e c h n o l o g yi m p r o v e m e n ta n di n n o v a t i o no ft h ep u r ee l e c t r i cc a r t h e r e f o r e ， t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fp u r ee l e c t r i cc a r sv e h i c l e m o u n t e di n f o r m a t i o n r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e t l l i sp a p e rb a s e do nt h ef i e l do fv e h i c l ed a t ac o l l e c t i o ni np r e s e n ts i t u a t i o no r d e v e l o p m e n tt e n d e n c y , c o m b i n e dt h et e c h n o l o g yo fc a nn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n , r e m o t ew i r e l e s sd a t ac o m m u n i c a t i o no fg p r s ，a n dt h ev i r t u a li n s t r d m e n tt h a tw i d e l y u s e di ni n d u s t r y i td e v e l o p e dt h er e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mo fv e h i c l e - m o u n t e d i n f o r m a t i o nb a s e do na r m 9a n dl a b v i e w ：n 璩s y s t e mm a i n l yc o n s i s t e do fc a rd a t a t e r m i n a lh a r d w a r es y s t e md e s i g na n dr e m o t em o n i t o r i n gs o r w a r es y s t e mr e s e a r c h i nt h eh a r d w a r es y s t e md e s i g n , i ta d o p t sc h i pa r m 9 - 2 4 4 0a st h ec o r ep r o c e s s o r o ft h ed a t ac o l l e c t i o na n dt h et r a n s m i s s i o ns y s t e m ，a n dt h e n ，i ts e l e c t ss o m e s u p p l e m e n t a r yc o m p o n e n t s ，s u c ha s ，m c p 2 5 10c a nc o n t r o l l e rm o d u l e ，8 2 c 2 5 0 c a nt r a n s c e i v e rm o d u l ea n dm 2 2g p r sd a t aw i r e l e s st r a n s m i s s i o nm o d u l e ， c o m p l e t i n gh a r d w a r es y s t e mp l a t f o r mt h r o u g hd e s i g nt h er e l e v a n tc i r c u i tc o n n e c t i o n d i a g r a m i nt h er e s e a r c ha b o u ts o r w a r ep r o g r a m s ，w ew r i t i n ga n dd e b u g g i n gt h e p r o g r a m sa p p l i c a t i o ncl a n g u a g eu n d e rt h ea d sd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tt h r o u g h t h ec a no rg p r sr e l a t e dc o m m u n i c a t i o nt h e o r ya n dc o m m u n i c a t i o np r o t o c 0 1 i t c o u l dc o m p l e t et h ef u n c t i o no fv e h i c l e - m o u n t e di n f o r m a t i o n ( s u c ha sm o t o rs p e e d ， m o t o rt e m p e r a t u r e ，b a t t e r yr e m a i n i n gc a p a c i t y , b a t t e r yv o l t a g e ，b a t t e r yc u r r e n t , e t c ) a c q u i s i t i o na n dr e m o t et r a n s f e r r e m o t em o n i t o r i n gs o f t w a r ew r i t t e nu s e dt h eg r a p h i c a ll a n g u a g eo fl a b v i e w 1 1 a b s t r a c t m a k ei te s t a b l i s hr e m o t ec o m m u n i c a t i o nw i t ht h eh a r d w a r es y s t e mt h r o u g ht h e n e t w o r kp r o t o c o l ，t h e n , d e s i g nh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c ea n dr e a l i z em o n i t o rt h e o p e r a t i o nc o n d i t i o no ft h ee l e c t r i cc a r i tw o u l dn o to n l yd i s p l a yv e h i c l ei n f o r m a t i o n i n t u i t i v e l y , b u ta l s oh a st h ef u n c t i o no fd a t es t o r a g ea n dp l a y b a c k b yt h ed a t ad i s p l a yc o n t r a s t , t h i ss y s t e mo p e r a t es t a b l e ，c o u l da c c u r a t er e c e i v i n g v e h i c l ei n f o r m a t i o n , d i s p l a yi n t u i t i v e l y , s t o r a g ea n dp l a y b a c kc o n v e n i e n t ，a c h i e v et h e d e s i g ne f f e c t k e yw o r d s ：p u r ee l e c t r i cv e h i c l e s ；v e h i c l e - m o u n t e di n f o r m a t i o n ；d a t aa c q u i s i t i o n ： w i r e l e s st r a n s m i s s i o n ：r e m o t em o n i t o r i 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题研究背景与研究意义 汽车工业自上世纪初以来，特别是经历近3 0 年的一个迅猛发展阶段，给人 类的生活和社会的进步带来了巨大影响。汽车工业的快速发展不仅大大减小了 城乡之间在物质文化交流上的距离，同时也大大加快了农村的城市化进程和国 民经济的发展。由于汽车产业涉及到钢铁、机械、电子、交通、服务、保险等 多种不同行业，目前汽车产业正成为大多数国家的支柱产业，是国家经济增长 和发展的强劲动力源。 随着生活水平的不断提高和汽车性能的优化，普通家庭对汽车的需求逐渐 增多。据统计，目前全球的汽车保有量已突破8 5 亿辆，并保持其快速增长的势 头。然而庞大的汽车使用量消耗着大量的不可再生能源。不仅带来了油价的快 速上涨。同时因大量汽车尾气排放而造成的环境问题也日益突出，由此引发的 能源危机与极端气候直接威胁着人类的可持续发展。目前，“节能减排 这一主 题已经在世界范围内引起了共同关注，世界各国和全球相关企业一致将实现低 能耗、低污染、低排放这一目标放在重要位景，积极推行能源的高效利用、清 洁能源的开发、绿色g d p 核算等，以应对由于大量化石能源消耗而带来的环境 及气候变暖等问题的严峻挑战。近年来，我国为改善城市交通和环境，一些大 城市采取了提升尾气排放标准和汽车限购等措施，以此来限制城市汽车数量的 过快增长，缓解环境污染和城市交通压力。对于汽车工业未来的发展方向来说， 研发环保、节能、安全的绿色汽车是人类的迫切需要，是汽车工业可持续发展 的需求，更是解决石油能源短缺和改善生存环境的根本出路。 目前，以美国和日本为首的汽车强国在新能源汽车的研发上走在世界的前 列，表1 1 是主要国家在新能源汽车上的研究成果【l 埘。大力推进传统汽车节能 减排和新能源汽车的产业化也是我国汽车产业目前和今后亟须解决的重大课 题。近年来，以一汽、东风、长安为主要代表的国内大型汽车企业及相关科研 院校在新能源汽车的研发上展开了深入研究并投入了大量资金翻，在国家“8 6 3 新能源汽车重大专项的支持和相关政策扶持下降5 1 。经过多年的研究和对国外先 进技术的学习和消化吸收，我国对于新能源汽车的研究取得了初步成果。以天 第1 章绪论 然气汽车、油电混合动力汽车、电池动力源纯电动汽车为代表的各种新能源汽 车逐步进入人们的生活【6 1 ，市场占有率开始逐步提高，图1 1 是关于未来三十年 各类汽车占有率的预测【3 】。在北京奥运会和上海世博会上，国内各大汽车厂商和 科研院校将研发的新能源汽车投入使用，为盛会服务，受到好评川。与此同时， 一些大城市已经在公交、出租车、环卫、邮政等公共服务领域上采用新能源汽 车进行试点工作，积累相关经验，为将来的全面推广打下基础。 表1 1主要汽车强国在新能源汽车上的研究成果 汽车公司车型动力电池电机续驶里程( k m ) 通用t m h d 混合动力氢燃料电池交流 2 0 0 福特f c v 电动汽车铅酸电池交流 1 4 4 丰田r a v - 4 e 镍氢电池永磁 2 2 0 本田 f e v 二2 锂电池交流 2 0 0 宝马 b f w e 1 铅酸电池2 4 0 雪铁龙 s a x o 镍镉电池直流 1 0 0 ： l ( ! j：f | i：。d 1：f c i：i 一：； ：( 州 图1 1 未来三十年各类汽车占有率预测 然而，无论是在国内还是在国外，新能源汽车都是汽车发展史上一个全新 的产物。各国对新能源汽车的研究和开发还处于初级阶段，与传统的燃油汽车 相比，在技术方面它还有很多不够成熟和需要改进的地方，特别是纯电动汽车， 2 第1 章绪论 由于相关电子控制技术和功能复杂，电池成本高昂，电池性能还受到充放电管 理及使用寿命的限制，因此纯电动汽车的购置和维护成本都要比传统汽车高出 不少。在电动汽车的研发过程中，为降低其开发成本并优化产品性能，实现电 动汽车技术的改进与创新，必需对其在运行过程中的工况数据进行了角翠和分析。 因此，我们非常有必要在电动汽车试运行阶段中开发电动汽车的车载信息远程 监测系统。 本课题的研究对于纯电动汽车整车控制系统的开发和电动汽车的试运行都 具有十分重要的意义，具体体现在： ( 1 ) 在纯电动汽车开发阶段方便对各电控单元进行调试，为完善电动汽车 整车控制策略，评估、改善电池性能提供数据支持，是开发整车控制系统的必 要前提和基础； ( 2 ) 为试运行纯电动车辆的考核、评估和改进工作提供科学依据； ( 3 ) 克服距离的限制，能够随时在监控中心了解和分析电动汽车的运行状 况并能对故障做出报警，保障电动汽车的行驶安全，同时为推动电动汽车的技 术创新和改进提供客观的数据分析素材； ( 4 ) 为未来新能源汽车的全面推广和资源整合带动全行业加速发展打下 良好的基础。 1 2 国内外研究现状及发展趋势 在汽车行驶过程中，其运行工况会受到各方面未知因素的影响，及时了解 汽车的运行状况，不仅能延长汽车的使用寿命，同时也能减少因车辆故障不能 及时排除而引发的交通事故。随着数据采集技术和无线通信技术在汽车上的应 用不断深入，车载信息的采集和监测技术在车辆运行安全方面发挥着举足轻重 的作用。 1 2 1 国外车载监测系统的研究现状 国外对于汽车运行状况信息的记录和监测研究经历了近百年发展，并逐步 取得完善。早在1 9 2 5 年，德国首先研制出用纸带和纸盘来记录汽车行驶里程与 停止时间的记录仪，拉开了汽车车载信息记录研发的序幕f 8 l 。到2 0 世纪7 0 年代 后期，欧洲在汽车中大量推广了一种用于记录汽车行驶速度和距离的机电模拟 式驾驶记录仪。上世纪9 0 年代初。为预防和减少司机因疲劳驾驶或超速驾驶而 3 第1 章绪论 引发交通事故，美国和德国开发出了一种显示更为直观和精确的数字式汽车行 驶记录仪【9 j ，这与平常我们看到的汽车上仪表盘显示基本相同。与此同时，随着 科学技术的日新月异，远程监控技术的重要性在生活中越来越被人们所认识并 应用。1 9 9 7 年，在美国，世界著名的斯坦福大学和麻省理工学院共同主办了“基 于i n t e m e t 的远程监控诊断工作会议 1 1 0 ，会议对那些应用于远程监控系统中 的开放式体系、诊断信息规程、相关传输协议以及如何对用户的含法限制等与 技术和法规相关的内容进行了深入讨论和交流，并且对于合作开发相关示范系 统达成一致意见，这也为相关制造业和计算机行业中的各大公司的合作奠定了 基础。 近年来，随着电子技术和网络通信的飞跃发展，车辆行驶记录仪与远程监 控技术的融合也在不断加快。特别是在注重汽车行驶安全的美国，美国国家运 输安全委员会( n t s b ) 一直致力于推广车辆行驶记录仪的工作，2 0 0 1 年n t s b 正式强制要求各汽车生产厂商必须为新下线的汽车安装相关汽车行驶记录仪并 配有完整的远程监控系统【l 。这些汽车行驶记录仪不仅拥有自身的核心微处理 器、传感器和存储模块，同时它还附加了无线卫星通讯、g p s 定位导航系统、 电子计费、声音识别等功能模块，在保障行车安全的同时也为驾驶员带来了快 捷方便的服务。 每一种新生事物的诞生必将促进科学技术的飞速进步与跨越，电动汽车的 问世将不可避免的推动车载监控系统迅速向智能化、控制化方面发展。日前， 美国福特公司就针对即将上市的一款纯电动汽车开发了一套远程监控系统，该 系统不仅可以实时远程获取电池的工作状态等信息，同时也可以在电动汽车充 电时随时对其电池管理软件进行升级并根据最新的反馈信息及时地调整电池管 理策略，便捷智能的完成对电动汽车性能的优化。日产和通用汽车公司更是将 监控系统与其开发地智能手机软件结合起来，实现手机对电动汽车相关车载信 息的远程监测和智能控错l j 1 2 - 1 3 。2 0 0 9 年，日产公司在推出e v - 1 1 型纯电动汽车 的同时，还向人们展示了一款i p h o n e 手机软件，运用该手机软件可以通过网络 远程连接e v - 1 1 纯电动汽车的主控系统，对其充电状况等信息进行监控，同时 车主甚至可以通过该软件查看车内的温度并远程开启空调。近日，通用公司也 宣布将在2 0 1 1 年全系列车种上使用类似的方式用手机智能监控车辆的状况，使 用者只要手持一台i p h o n e 、b l a c k b e r r y 或者是a n d r o i d 手机，就可以远程开启或 关闭车门、监控轮胎胎压、查看电池充电等状况甚至远程发动汽车。 4 第1 章绪论 1 2 2 国内车载监测系统的研究现状 和国外相比，由于技术的落后和相关安全意识的缺乏，我国对车辆行驶记 录仪与监测系统的研究一直都比较落后。直到最近2 0 年，一些科研单位和企业 才开始大力研究相关产品。 1 9 9 4 年，中国航空工业第6 11 研究所研制出的“c x 3 车辆行驶记录系统” 通过了国家科技成果鉴定并进行了装车应用，在一定时间内取得了显著的社会 效益。此后，北京伟航、广州车卫士、深圳华强等相关电子企业也相继开发出 了车辆行驶记录仪与监测系统【1 4 1 。它们开发的产品可根据用户需求设定数据记 录周期来记录汽车运行相关数据信息，同时其产品还预留了g p s g s m 接口，以 便未来扩展车辆行驶导航和数据信息的无线传输等功能。 与此同时，国内各大知名高校也积极投入到车辆行驶记录仪与监测系统的 研究之中。清华大学汽车安全与节能国家重点实验室就对混合动力汽车监测与 诊断系统进行了研究并开发出了相关产品1 1 射，该系统由车载硬件随时对汽车的 工况信息进行采集，通过车内显示屏实时显示车速、耗油量、水温等数据信息 并能对相关汽车部件的故障及时报警。武汉理工大学研制出了一种以p l c 为核 心处理单元的w g 6 1 2 0 h d 串联式混合动力公交车数据采集系统【1 6 l ，通过组态软 件f a m e v i e w 实现监测及数据的存储，在车辆开发过程中进行了大量数据跟踪 反馈信息。在北京理工大学研制的纯电动客车上，为防止车辆上的锂离子电池 出现问题而引发故障，专门研发了智能调度监测系统对其进行远程监测，使得 电动客车实现整车信息化旧。天津大学根据车辆道路运行监控标定以及示范运 营管理的需要，开发了基于高性能单片机的车载智能信息单元以及服务中心无 线远程监控管理软件1 1 8 。车载智能信息单元通过c a n 接口接入车辆c a n 总线 网络。并通过g p r s c d m a 无线通信模块接入i n t e r a c t 互联网，与接入互联网的 远程监控中心进行信息交换，实现道路车辆的无线远程监控、标定、诊断、定 位、防盗等功能。2 0 0 9 年底由上海汽车集团股份有限公司技术中心、同济大学、 上海燃料电池汽车动力系统有限公司合作开发的新能源汽车远程监控系统通过 了上海市科学技术委员会的专家组验收【1 9 1 ，该系统不仅无需人工值守全自动实 现车辆数据实时传输，同时具备车辆状态评估技术，能在故障未发生之前参与 系统运行，实现车辆故障诊断智能化，且监控中心能与车载终端实现双向通讯。 汽车车载监测系统的发展历程和发展方向表明，该装置和系统不仅在车况 显示和交通安全管理方面有着明显而积极的意义，同时在车辆设各开发和车辆 5 第l 章绪论 性能维护及优化等方面也有着非常重要的作用。在高科技技术普遍应用于生活 的今天随着车载信息记录仪与网络通信技术融合程度的深入，汽车车载监测 系统功能与智能化程度越来越完善和人性化，不仅仅只是简单的显示其数据信 息，丽是向远程控制方面发展。 1 3 论文的研究意义和研究内容 1 3 1 论文的研究意义 本课题来源于江西省科技厅“电动汽车开发的关键技术研究( 编号： s 0 0 5 5 1 ) 这一课题项目，电动汽车开发的关键技术主要包括：电池和电池管理 系统、电机和电机控制器、整车控制器以及车身轻量化。对于电动汽车整车控 制系统，首先必须完成的是对电动汽车车载信息的采集，然后根据控制策略实 现对电动汽车运行性能进行优化。本课题的研究将主要实现电动汽车运行工况 信息的数据采集、远程传输及监测功能，了解电动汽车的运行状况，为整车控 制系统的研发打下坚实的基础。 1 3 2 论文的研究内容 本系统将主要完成电动汽车数据采集硬件部分的整体设计，通过对软件程 序的编写和调试，使之实现对电动汽车运行状况( 如车速、电机状态、电池状 态等多种信息) 数据的采集，并通过无线网络通信技术将数据信息发送到监控 中心网络，根据l a b v i e w 开发的数据分析软件与网络建立连接，实现对电动汽 车运行工况信息的监测显示及数据的存储、回放等功能。 本课题研究工作为： ( 1 ) 在了解c a n 总线技术、g p r s 远程通信原理和相关协议，及l a b v i e w 编程规范的基础上，针对纯电动汽车运行状况信息分析记录的需求，确定系统 的总体设计方案； ( 2 ) 以模块为主要单元，完成系统硬件的整体结构设计。主要包括微处理 器、c a n 模块、g p r s 模块以及其它外围硬件设备的选型与接口设计，并绘制 相关电路图； ( 3 ) 在a r m 集成开发工具a d s ( a r md e v e l o p e rs u i t e ) 环境下采用c 语 言编写、调试程序，主要实现c a n 模块数据采集、g p r s 模块数据传输及相关 6 第1 章绪论 辅助功能； ( 4 ) 采用l a b v i e w 编写监控中心数据分析软件，使其通过网络协议建立 远程通信，并完成车载数据信息的显示、存储、分析等各子模块，监测电动汽 车的运行状况； ( 5 ) 通过试验，对比监测软件显示的数据与车载硬件显示的信息，验证系 统运行的准确性； 7 第2 章系统的总体方案设计与相关技术概述 第2 章系统的总体方案设计与相关技术概述 本章主要介绍车载信息远程监测系统的总体设计方案及课题中主要应用的 两大技术叫a n 总线通信和g p r s 通信技术。 2 1 系统整体方案 一般而言，一套完整的车载数据信息远程监测系统主要包括车载测试装置 和监测中心分析软件两大部分，其中车载测试装置不仅要完成车载工况数据信 息的实时采集，同时还需要将这些数据信息通过无线通信技术或移动硬盘工具 传输给监控中心网络，以便对数据信息进行分析和存储，系统结构示意图如图 2 1 所示。因此，根据系统的功能需求分析，本系统研究的内容主要包括：智能 化的现场数据采集硬件开发、g p r s 数据无线传输的实现和监测中心数据分析软 件的开发三大部分。 图2 1 系统结构不恿图 ( 1 ) 车载数据采集硬件部分：它将安装在纯电动汽车上以获取相关数据信 息，是整个系统运作的核心和基础。该硬件的开发主要是通过选择合适的核心 处理器、辅助芯片，根据相关硬件的接口原理设计连接电路，实现各模块的集 成并采用c 语言编写与调试程序，获取车辆行驶速度、电机状态( 转速、电流) 、 电池状态( 电压、电流、s o c 值) 等车辆实时运行的各种数据信息，为获取这 r 第2 章系统的总体方案设计与相关技术概述 些车载信息，我们采用被认为是实现电动汽车内部电控系统与各检测单元间最 佳数据通讯的工具【2 0 啦l a n 总线通讯技术。 ( 2 ) 无线数据传输部分：考虑到电动汽车与监测中心传输距离及实时性监 测的要求，我们在硬件上需扩展无线通信产品，即g p r s 通信模块田埘l ，利用 现有的通信网络和t c p 球协议与监控中心网络实现无缝连接。当数据采集硬件 获取车载数据信息后，通过具有内嵌t c p i p 协议的g p r s 模块将这些数据发送 到数据服务器，用户主要通过监控软件登录互联网即可获取所需的数据。除此 之外，也可以在监控中心计算机上直接接入一个g p r s 模块，使其与已经接入 到网络中的车载硬件部分g p r s 模块通过g p r s 网络进行数据交流或插入u 盘 等外接存储设备来获取数据信息。 ( 3 ) 监测中心数据分析部分：该部分需要利用合适的虚拟工具开发数据分 析软件。通过编程技术，编写和调试相关程序，使它与网络建立连接，同时开 发直观的人机操作界面，实现对数据的接收、显示功能。为方便日后对车载信 息迸行调用或分析，还需对各类不同的子菜单进行研究，使其能够对数据信息 进行存储和回放。系统的总体设计流程如图2 2 所示。 图2 2 系统设计流程图 9 第2 章系统的总体方案设计与相关技术概述 2 2c a n 总线技术规范及其通讯原理 数据采集系统就使用豹总线性质而言，主要可以分为以并行数据总线为主 的实验室数据采集系统和以串行数据总线为主的工业现场数据采集系统瞄】。在 2 0 世纪8 0 年代初，德国b o s c h 公司提出了一种多主方式工作的串行通讯通信协 议叫a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ，控制器局域网络) 总线，以此来解决高 档车中因性能不断完善或更新而引起的线束过多问题。此后，c a n 总线还通过 i s 0 1 1 8 9 8 ( 高速应用) 和i s 0 1 1 5 1 9 ( 低速应用) 进行了标准化，使其在国际上获 得推广应用。目前，它已广泛的应用在工业中众多领域上，为解决众多控制与 测试仪器之间数据的交换问题提供了方便。 为便于车载数据信息的交换和共享，目前应用于汽车的通信网络主要有： c a n 总线，l i n ( l o c a li n t e r c o n n e c t n e t w o r k ) 总线，f l e x _ r a y 总线等这三种各具 特色的网络通信技术。在汽车实际应用中，汽车内的电子控制装置不仅数目繁 多，同时人们对各部件的功能及数据传输速率要求也不尽相同。因此，在高档 汽车的电子设备系统中，往往是将这三种网络通信技术的自身特点与数据通信 需求结合在一起使用的。表2 1 为这三种典型汽车总线技术的比较【2 6 1 ，它们各自 在汽车网络上的应用分布如图2 3 所示。 图2 3c a n 总线在汽车上的应用 1 0 第2 章系统的总体方案设计与相关技术概述 表2 1三种典型汽车总线技术的比较 总线类型特点应用范围 c a n总线空闲时即可发送信息仪表盘，车灯。座位 l i n 成本低易于实现但信息传输速率低车门，天窗。锁 f i e x r a y传输速率快，能够利用宽带网 电控系统，导航系统 2 2 1g 蝌总线的特点 目前，c a n 总线已经是国际上应用最广泛的现场总线之一，和传统的 r s 2 3 2 ，r s 4 8 5 以及其它通信协议相比，c a n 总线无论是在通信速率、可靠性、 实时性方面还是在开发周期与性价比上都具有无与伦比的优势。其主要特点如 百 2 7 - 2 8 1 ( 1 ) 灵活性 由于在c a n 网络上进行通信时没有主动和被动之分，只要是在总线空 闲状态下，理论上c a n 总线上任何一个节点均可以在任意时刻向网络上其它节 点发送信息，实现相互间的通讯。 在c a n 网络中，总线上的信息以不同的固定报文格式发送，且在对其 身份进行识别时是通过自身的内容进行辨别的，因此在报文的识别上，我们不 需要用专门的节点标识符来进行区分。 c a n 要实现节点a 对节点b 、节点a 对节点b 、c 、d 等多个或者 其它所有不同的节点等几种不同通信方式进行数据的传送或接收时，无需通过 专门的调度，只需通过报文滤波的方式即可实现。因此，对于那些被破坏的报 文，只要总线处于空闲状态，通过报文的标识符滤波就会自动对破坏的报文进 行重新传输。 c a n 可以灵活的选择通讯介质，常用的主要有双绞线、同轴电缆或光纤， 通过这种方式的选择能够有效减少电磁对数据通信的干扰。 ( 2 ) 可靠性和实时性 c a n 总线采用的是非破坏总线仲裁技术且c a n 的节点分为不同的优先 级。在信息发送过程中，当多个节点同时向总线发送信息而出现冲突时，这时 将根据标识符( i d e n t i f i e r 以下简称i d ) 决定优先级，即对各消息i d 的每个位进 行逐个仲裁比较，通过比较，那些优先级相对于那些优先级较低的节点会继续 第2 章系统的总体方案设计与相关技术概述 进行数据传输，而优先级较低的节点则需进行排队等候，这样不仅可以防止通 信信息同时涌入导致过量而使网络陷入瘫痪，同时这样的方式在仲裁时间上也 比较短暂。 由于c a n 报文采用短帧的格式，且每帧的字节数不会超过8 个，因此 其传输时间相当短，同时这也大大降低了其受干扰的概率，从而保障了数据传 输的可靠性和通信的实时性。 c a n 网络中每帧信息都具有c r c 校验功能及其他检错措施，在信息传 递过程中，所有节点都具备检测错误的功能并能够立即通知其它节点，对于已 经检测出错误的节点，c a n 将强制关闭那些出现错误帧的节点，而其它节点不 会受到影响。 c a n 可以判断出总线上错误的类型并进行处理。当判断的错误是单元内 部故障或驱动器故障等持续数据错误类型时，它们可以自动将这些引起故障的 单元从总线上隔离出去。 ( 3 ) 高性价比和高速率 c a n 模块一般结构简单，器件购置容易且价格较低，对于技术人员来说 易于掌握，同时具有良好的通用性，能与现有的单片机广泛兼容。 理论上，c a n 总线上任意两个节点之间的通信距离最大可达1 0 k i n 。随 着通信距离的减小，其通信速率会随距离的减小而增加，在传输距离小于4 0m 时，最大传输速率甚至可达lm b s 。 2 2 2c a n 总线技术规范1 2 9 3 0 l ( 1 ) c a n 分层结构 c a n 网络依据i s o o s i 参考模型进行分层，主要包括数据链路层和物理层 两部分，这使得设计更加透明，执行起来更灵活。其分层和功能如图2 4 所示。 其中数据链路层又包括被称为目标层的逻辑链路控制子层l l c 和被称之为传输 层的媒体访问子层m a c 。 其中l l c 予层主要用来进行报文滤波和恢复管理，并对过载进行通知。m a c 子层是c a n 协议的核心部分，它将对帧的结构进行控制，确定报文发送和报文 接收何时进行，并能够执行仲裁和对错误信息的检测或界定。 1 2 第2 章系统的总体方案设计与相关技术概述 图2 4c a n 的i s o o s i 参考模型的层结构 ( 2 ) c a n 报文类型 在c a n 2 0 a 通信协议中规定了四种不同的帧格式：首先将数据信息从c a n 发送器传输到c a n 接收器的数据帧、在信息发送过程中请求发送具有同意标识 符的远程帧、根据局部检测到总线错误进行判断后丽发出的错误帧和必要时需 用于提供时间延迟的过载帧。通过这些不同的帧格式，可以对c a n 网络通信中 出现的各种不同情况进行处理。而在c a n 2 0 b 中还包括了根据帧标识符域长度 不同而划分的两种帧：含有l l 位标识符的标准帧和含有2 9 位标识符的扩展帧。 i ) 数据帧 数据帧由7 个不同的位域组成，如图2 5 所示。 1 3 第2 章系统的总体方案设计与相关技术概述 数据域 c r c 城 爬符域l 帧缔m 图2 , 5 报文的数据帧结构 帧起始标志位：它仅由一个显性( 此时逻辑值表示为“o ) 位组成，标志着 数据帧和远程帧的起始。不过，各个站点只有在总线处于空闲状态时才能开 始进行信号的发送。同时所有的站点与首先开始发送报文的那个站的帧起始 前沿保持同步。 仲裁域：由于在c a n 总线中任一个只要处于空闲的节点都可以发送报文， 因此可能会出现多个单元同时传送报文而造成c a n 总线数据通信的冲突。 不过在c a n 的格式中包括了标识符和远程发送请求位( r 1 r ) 这两个重要 部分，因此将很好的解决通信冲突这一问题。在c a n 模块进行初始化时， 具有相同标识符的数据帧优先于远程帧进行。进入仲裁期后，每一个发送器 都将通过比较发送位的电平与被监控的总线电平之间的关系来确定是否启 用发送以此来起到仲裁的效果。如果通过对比发现它们的电平相同，则这 个单元的报文发送将可以继续进行。否则，将退出发送状态。 控制域：它由6 个位组成，用来表示数据场的字节长度。包括4 个位的数据长 度代码d l c 和两个将来作为扩展用的保留位r 1 和r 2 。其保留位发送必须为 “显性，但接收器接收时将所有由“显性”和“隐性( 此时逻辑值表示为 “l ”) ”组合在一起的位。 数据域：由数据帧中被发送数据组成。它可以为0 - - 8 个字节，每字节包含 了8 个位。 c r c 域：它在数据域之后，用来检测报文传输错误，它包括c r c 序列和隐 性位的c r c 界定符。 应答域：它的长度为2 个位，包含应答间隙和应答界定符。在应答场里，c a n 发送器发送两个“隐性”位。如果接收器正确地接收到有效的报文，则c a n 1 4 第2 章系统的总体方案设计与相关技术概述 接收器就会在应答间隙期间向发送器发送一个“显性 位以示应答。所有接 收到匹配c r c 序列的站通过在应答间隙内把显性位写入发送器的隐位来报 告。应答间隙被c r c 界定符和应答界定符这两个“隐性”的位包围。 帧结尾：每一个数据帧和远程帧均由一标志序列界定。这个标志序列由7 个 “隐性”位组成。 2 ) 远程帧 当数据发送出来后，远程帧要作为这些数据接收器的站，它用来请求总线 上某个远程节点发送自己想要接收的数据。具有发出这种远地消息能力的节点 收到这个远程帧后，就尽力响应这个远地传送要求。与数据帧相反，在远程帧 中，r t r ( 远程发送请求) 位将被设置为隐性。如图2 6 所示。 帧问窖塑- 一数据帧一 鳖i l 宅触 一 数据帧+ - 一错误帧叫一帧闻空阀或 一 锵误标志 l l 过载帧 一 l 锵误标志的霞甍 l 错误界定答 图2 7 错误帧结构 4 ) 过载帧 过载帧是由过载标志的叠加和过载界定符组成，如图2 8 所示。在c a n 系 1 5 第2 章系统的总体方案设计与相关技术概述 统中如果出现以下两种情况都会导致过载标志的传送： 帧结| l ：f 或错误界 定符或基载毽塞_一过载帧叫帧问空制或i 精_ _ 刊_ _ 碰轼俄_ _ _ _ _ o 剿l 州芏删饯 不j 。 l 图2 8 过载帧结构 在数据传输过程中，接收器对于下一数据帧或远程帧需要有一段延时。 在间歇场期间的前两位中检测到一“显性”位。 由过载条件l 而引发的过载帧只允许起始于所期望的间歇场的第一个位时 间开始。而由过载条件2 引发的过载帧应起始于所检测到“显性”位之后的位。 通常为了延时下一个数据帧或远程帧，两个过载帧都会产生。 数据帧( 或远程帧) 与其前面帧的隔离是通过帧间空间来实现的，无论其 前面的帧为何种类型( 数据帧、远程帧、错误帧、过载帧) 。所不同的是，过载 帧与错误帧之前没有帧间空间，同时，多个过载帧之间也不是由帧间空间进行 隔离的。 2 2 3c a n 总线通信原理1 3 l j c a n 总线通信时，网络中的任一节点a 可以像b ，c ，d 等其它所有节点 启动请求发送功能，并通过判断总线是否处于空闲状态丽继续进行。当其处于 空闲状态时，将对数据信息全部进行接收并通过仲裁判断该节点是继续进行报 文发送还是转为信息接收状态。对于那些处于空闲同时又没有失去仲裁能力的 节点，将继续进行报文发送并根据各自报文的标识符按优先级别获得总线的访 问权并依次进行发送。 在报文传送的过程中，c a n 节点能够时刻对其传送内容进行判断，当侦察 到错误报文或接收到的报文不是发给自己时，该节点都将发送出错帧来退出发 送或者根据报文优先级重新进行发送。对于那些能够正确接收的报文，c a n 总 线将通过接收应答域反馈的信息表示出来，实现c a n 总线节点通信功能。 1 6 第2 章系统的总体方案设计与相关技术概述 出错霞皱 图2 9c a n 总线通信原理 2 3g p r s 无线通信技术 2 3 1 无线通信的应用 数据传输作为信息社会的三大支柱之一，是人们长期研究的重要课豚。目 前，它已运用在各工程领域测量与控制系统中，目前常用的数据通信手段主要 有线和无线两种传输方式。通过各种通信技术，实现数据信息快速、可靠以及 有效的传输，确保系统远程监控的实时性和可靠性，它是测控系统的重要组成 部分。 在实际工业应用上，由于受到传输距离和物理环境的制约，越来越多的信 息采集和远程控制系统均利用网络或者电波等方式进行数据的无线传输 3 2 3 3 l 。 几种常见的无线数据通信方式如表2 2 ： 从表中可以看出，与其它无线通讯方式相比较，g p r s 具有网络覆盖范围广、 使用便捷、价格低廉、稳定性商、实时传输性强等优点。同时由于它一直处 于在线状态且能融入到i n t e r n e t 等网络中，因此，g p r s 的应用越来越得到人们 1 7 第2 章系统的总体方案设计与相关技术概述 的重视。 表2 2 几种常见的无线数据通信方式比较 g p r sg s m 短消息电台超短波卫星通信 覆盖范围全国全国不大于2 0 k i n受转发器限制 施工难度较低 低高 高 计费方式按流量或包月0 1 _ 元，条占频费协议 运行费用较低较高一般极高 维护成本低低高较高 通信速率 4 0 8 0 k b p s 每条1 4 0 字节 1 2 1 9 2 k b p s 协议宽带 可靠性 较高较低低 较高 群收群发支持不支持不支持支持 传输延时短 长 短短 基于g p r s 在当前远程无线数据传输中的完善功能和技术优势，目前，它 已经应用在各个领域，主要有； ( 1 ) 数据采集领域，特别是一些危险或难以接近的地方，如井下煤矿、石 油开采、高压电网等场合。相比于人工作业，g p r s 的应用不仅具有智能性，而