張泱泱，李優(yōu)新，姚 震，蔡貴方，何東良

（廣東工業(yè)大學信息工程學院，廣東廣州 510006）

一種電動汽車車載信息系統(tǒng)的研究與設(shè)計*

張泱泱，李優(yōu)新，姚 震，蔡貴方，何東良

（廣東工業(yè)大學信息工程學院，廣東廣州 510006）

車載信息系統(tǒng)是電動汽車的重要設(shè)備之一，介紹了車載信息系統(tǒng)的整體設(shè)計方案，采用STM32ZGT6為核心處理器，制定了適用于電動汽車CAN總線及GPRS數(shù)據(jù)通信的協(xié)議，研究了基于WinCE的信息系統(tǒng)軟件設(shè)計方法，實現(xiàn)了電動汽車整車及關(guān)鍵零部件運行參數(shù)的采集、分析、存儲、顯示以及數(shù)據(jù)通信等功能，為電動汽車的運行工況分析以及高效率運行提供了有力的幫助。

車載信息系統(tǒng)；CAN；GPRS

1 概述

電動汽車以其在節(jié)能環(huán)保領(lǐng)域的優(yōu)勢成為當前的研究熱點，電動汽車采用大量的電子器件，擁有比傳統(tǒng)汽車更多的控制器，車載信息系統(tǒng)需要采集和處理的信息量大，整車的控制難度和數(shù)據(jù)的實時性要求高。在電動汽車開發(fā)過程中既需要對靜態(tài)整車信息進行記錄和診斷，又需要對動態(tài)運行數(shù)據(jù)進行采集、分析、存儲和通信。傳統(tǒng)的車載信息系統(tǒng)存在兼容性差、存儲效率低、功耗大等缺點。針對這些問題，本文研究開發(fā)了一種基于WinCE操作系統(tǒng)、低功耗與適用于電動汽車數(shù)據(jù)特點的車載信息系統(tǒng)。

2 車載信息系統(tǒng)總體功能模塊

車載信息系統(tǒng)主要分為三大模塊，分別為：CAN總線數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理和GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信，總體的模塊如圖1。

圖1 系統(tǒng)功能模塊圖

車載信息系統(tǒng)的主要目的是記錄電動汽車行駛過程中運行參數(shù)及車輛狀態(tài)值，為完善電動汽車整車控制策略、評估和改良電動汽車性能提供充足的數(shù)據(jù)分析素材。電動汽車信息系統(tǒng)通過CAN總線采集車輛數(shù)據(jù)，對于采集到的信息發(fā)送到服務(wù)器以完成數(shù)據(jù)通信功能。由于CAN總線數(shù)據(jù)量較大，終端無法將CAN總線數(shù)據(jù)全部發(fā)送至服務(wù)器，需要對電動汽車實時運行工況數(shù)據(jù)進行存儲。

在硬件方面采用監(jiān)控終端主要由Cortex-M3內(nèi)核的STM32ZGT6的核心模塊，具有高集成度易開發(fā)的特點，同時具有業(yè)界最優(yōu)功耗水平[1]。軟件方面，移植了比較流行的WinCE操作系統(tǒng)，它支持多任務(wù)多線程操作，具有豐富的人機交互界面API函數(shù)，開發(fā)周期短，兼容性好[2]。

2.1 CAN數(shù)據(jù)采集

由于電動汽車運行時會產(chǎn)生大量的工況數(shù)據(jù)，為了充分模擬電動汽車的工況，系統(tǒng)中定義了一套應(yīng)用層CAN總線協(xié)議，其模擬了16種汽車的數(shù)據(jù)類別，如表1。

表1 數(shù)據(jù)類別表

CAN總線上的這16種數(shù)據(jù)，分別由4個CAN智能節(jié)點采集和封裝，為節(jié)點0、節(jié)點1、節(jié)點2和節(jié)點3。這四個節(jié)點所采集的數(shù)據(jù)由CAN數(shù)據(jù)幀的ID為來區(qū)分，分別定義為0、1、2和3。ID0所包含的數(shù)據(jù)：電機轉(zhuǎn)速、電機電流、電機電壓和電機溫度。ID1所包含的數(shù)據(jù)：電池電壓、電池電流、電池SOC和電池溫度。ID2所包含的數(shù)據(jù)：速度、車內(nèi)外溫度、水溫和油耗。ID3所包含的數(shù)據(jù)：整車狀態(tài)、電機狀態(tài)、電池狀態(tài)和累計里程。

系統(tǒng)采集CAN總線的數(shù)據(jù)，并且定時發(fā)送。為了用戶更加直觀地參看汽車的運行狀態(tài)，系統(tǒng)擴展了觸摸屏模塊，設(shè)置有四個界面，分別是信息錄入、發(fā)送數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)顯示和CAN總線動態(tài)信息顯示。完成系統(tǒng)的功能要求。顯示界面包括兩個：實時顯示從CAN總線讀取的數(shù)據(jù)和從數(shù)據(jù)庫讀取并且發(fā)送到服務(wù)器的數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)顯示的界面如圖2所示。

圖2 發(fā)送數(shù)據(jù)顯示界面

從整個系統(tǒng)方面來考慮，一方面要求實時地讀取CAN總線的數(shù)據(jù)幀，另一方面還要通過GPRS網(wǎng)絡(luò)定時發(fā)送到服務(wù)器。所以采用了多線程技術(shù)[3-4]，主要功能是實時的采集CAN總線的數(shù)據(jù)，只要讀到CAN總線上有數(shù)據(jù)，就將其存入數(shù)據(jù)庫中。系統(tǒng)收到CAN網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)幀時，將幀ID和幀數(shù)據(jù)剝離，不同的ID所對應(yīng)不同數(shù)據(jù)類型的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)中是根據(jù)幀ID數(shù)來創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫中表的數(shù)量的。

2.2 CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的管理

在數(shù)據(jù)管理模塊中，關(guān)鍵問題是數(shù)據(jù)的存儲，隨著電動汽車的快速發(fā)展，車載信息系統(tǒng)復(fù)雜性不斷增加，對存儲設(shè)備的管理顯得越來越必要，根據(jù)車載信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)特點和對文件管理的要求，選擇使用Nand Flash作為存儲設(shè)備，介于CAN網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)種類較多，為了方便對數(shù)據(jù)的有效管理，需要構(gòu)建文件系統(tǒng)來對不斷增加的數(shù)據(jù)進行組織和管理。文件系統(tǒng)的核心功能是對文件進行高效、可靠的管理，而文件的組織方式是管理的基礎(chǔ)，F(xiàn)lash文件系統(tǒng)主要有兩種管理方式：一種是基于轉(zhuǎn)換層的塊設(shè)備文件系統(tǒng)，比如FAT文件系統(tǒng)，另一種是日志結(jié)構(gòu)的Flash文件系統(tǒng)，如JFFS、YAFFS等。表2是幾種常見文件系統(tǒng)之間的優(yōu)缺點比較。

從以上簡單的比較來看，F(xiàn)AT是通用性的文件系統(tǒng)，方便上層數(shù)據(jù)庫的開發(fā)，系統(tǒng)消耗內(nèi)存小，為了滿足系統(tǒng)實時性的要求，并且為了對WinCE系統(tǒng)有良好的兼容和支持，本文采用FAT文件系統(tǒng)格式。使用開源的嵌入式系統(tǒng)中的FAT文件系統(tǒng)FatFs。

表2 常見文件系統(tǒng)的比較表

FatFs的設(shè)計思想是小塊的數(shù)據(jù)可以通過Buf?fer存儲，大塊的數(shù)據(jù)直接存取，提高了存取速度和效率。FatFs的開源代碼一共包括6個文件：in?teger.h、diskio.h、diskio.c、ff.h、ff.c和ffconf.h。

interger.h是數(shù)據(jù)類型定義的頭文件，diskio.h中定義了一些簡單的配置常量，主要是兩個數(shù)據(jù)類型，一個是DRESULT，用來表示磁盤操作的返回結(jié)果。另一個是DSTSTUS，表示磁盤的狀態(tài)。其余的是一些變量的聲明定義以及五接口函數(shù)的聲明。Ffconf.h都是一些配置項的宏定義?？梢孕薷脑撐募械囊恍┳兞康闹祦砼渲肍atFs文件系統(tǒng)的特性。Ff.h根據(jù)ffconf.c中的配置定義了一些宏常數(shù)和帶宏參數(shù)的宏。主要是定義了FATFS、FIL、DIR和FILINFO四個文件信息結(jié)構(gòu)體，用來存儲文件系統(tǒng)、目錄、文件的相關(guān)信息。定義了FRESULT這個枚舉類型結(jié)構(gòu)體。FatFs文件系統(tǒng)提供的主要接口函數(shù)如表3所示。

表3 FatFs文件系統(tǒng)接口函數(shù)表

FatFs文件系統(tǒng)是將存儲介質(zhì)看做磁盤來對待的，認為磁盤可以在任意位置擦寫的。而Nand Flash是有擦寫要求的，必須先擦除后寫入，并且擦寫粒度不均衡，擦寫次數(shù)有限制。文中考慮到FAT32文件系統(tǒng)在均衡磨損方面的缺陷，通過保留已刪除文件在FAT表中的表項和重寫文件時將內(nèi)容寫入新簇的方式，實現(xiàn)了對Nand Flash的均衡使用[5]。

2.3 數(shù)據(jù)通信

系統(tǒng)是通過串口外接ZWG-23A來連接到互聯(lián)網(wǎng)的。通過GPRS網(wǎng)絡(luò)上網(wǎng)，連接到服務(wù)器之后，按照通信協(xié)議定時向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。其協(xié)議格式是在《深圳市公交車車輛GPS監(jiān)管系統(tǒng)車載終端》文件定義的協(xié)議的基礎(chǔ)之上，根據(jù)項目的需要制定的[1]。

圖3 數(shù)據(jù)通信流程

圖4 電動汽車運行特性曲線圖

GPRS終端向服務(wù)器發(fā)送請求包與數(shù)據(jù)包的數(shù)據(jù)流程如圖3所示。

服務(wù)器端接收并解析終端發(fā)送的數(shù)據(jù)包，是電動汽車信息終端與監(jiān)控中心信息交互的重要接口。電動汽車車載終端發(fā)送實時監(jiān)測數(shù)據(jù)包到Web服務(wù)器，經(jīng)過服務(wù)器的數(shù)據(jù)處理，對重要信息進行存儲，選擇性地返回數(shù)據(jù)請求，同時，GPRS數(shù)據(jù)接口對外可進行數(shù)據(jù)封裝。

3 實驗與分析

本系統(tǒng)被安裝于深圳某公司電動汽車上進行實驗，實驗測試了車載信息系統(tǒng)對電動汽車CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的采集，以及遠程下載運行工況數(shù)據(jù)的功能，此次測試的起始時間為：10：55am至12：25pm。遠程下載選擇此時間段的實驗數(shù)據(jù)，客車在此時間段的電池與電機各特性曲線圖如圖4所示：

從圖4（a）電壓變化曲線可以看出，汽車在運行的過程中，電池的總電壓是比較穩(wěn)定的，從圖4（b）中電池的SOC的變化范圍不超過2%，可以推測出整車控制器中的能量回饋環(huán)節(jié)在此起到了一個重要的作用。圖4（c），電機的轉(zhuǎn)速最大值為2 500 r/min左右，此路程中，怠速時間最長為2分鐘，轉(zhuǎn)速時在1 800～2 200 r/min之間，最長時間為60 s左右。對比圖4（c）與（d），發(fā)動機的轉(zhuǎn)速與電機的轉(zhuǎn)速的變化趨勢一致。

4 結(jié)論

本文提出的新型電動汽車車載信息系統(tǒng)充分利用了STM32豐富的片上資源，大大節(jié)約了硬件投資，自定義了一套適用于電動汽車的CAN總線協(xié)議，增強了數(shù)據(jù)通信的實時性與可靠性，采用FAT文件系統(tǒng)對車載網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進行管理，提高了數(shù)據(jù)存儲的速度和效率，利用GPRS移動網(wǎng)絡(luò)通信，建設(shè)和運行成本低，對于項目以后大規(guī)模的示范運行有很大的幫助。目前系統(tǒng)仍需要更多的研究和改進，系統(tǒng)僅僅是將汽車底層工況源數(shù)據(jù)的采集遠程發(fā)送至服務(wù)器，并沒有實現(xiàn)預(yù)見可能出現(xiàn)故障的功能。利用大量的數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析并提示故障功能，是系統(tǒng)待解決的問題，也是下一步的研究重點。

參考文獻：

［1］蔡貴方.基于μC/OS_Ⅱ的電動汽車通用監(jiān)控系統(tǒng)的研究［D］.廣州：廣東工業(yè)大學，2013.

［2］張冬泉，譚南林，蘇樹強.Windows CE實用開發(fā)技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［3］Chen I-An，Cheng Chang-Hsin，Jheng Hong-Yuan et al.An error-correction scheme with Reed-Solomon codec for CAN bus transmission［A］.19th International Sym?posium on Intelligent Signal Processing and Communica?tion Systems［C］.Chiang Ma， Thailand： IEEE，2011.

［4］Ran Li，Junfeng Wu，Haiying Wang，et al.Design method of CAN BUS network communication structure for electric vehicle［A］.The 5th International Forum on Strategic Technology［C］.Ulsan， Korea： IEEE，2010.

［5］謝琦，胡俊，王磊.FAT文件系統(tǒng)在NAND FLASH上磨損均衡研究［J］.微電子學與計算機，2011，28（7）：34-37.

Research and Design of an On-Board Information System for Electric Vehicle

ZHANG Yang-yang，LI You-xin，YAO Zhen，CAI Gui-fang，HE Dong-liang
（Information Engineering College，Guangdong University of Technology，Guangzhou510006，China）

The on-board information System is one of important equipments for Electric Vehicle.This article describes the overall vehicle information systems design，using STM32ZGT6 as core processor，developed electric vehicle CAN bus and GPRS data communication protocols.Studied WinCE-based information system software design methods.The functions of operation parameters acquisition，analysis，saving，display and sending data-center for Electric Vehicle are achieved.It provides a strong assistance for the Electric Vehicle research.

on-board information system；CAN；GPRS

TP274

：A

1009－9492(2014)01－0026－05

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.01.007

張泱泱，女，1987年生，湖南株洲人，碩士研究生。研究領(lǐng)域：電動汽車信息系統(tǒng)。

(編輯：向 飛)

*廣東省重大科技專項計劃項目（編號：2011AA080402010）

2013－07－11