1、引言
現(xiàn)代交通的迅猛發(fā)展帶來的能源與環(huán)境危機已經(jīng)成為世界性的難題。發(fā)展電動汽車，采用清潔能源，被認為是最好的解決方案之一。為此，各國投入了大量的人力物力進行電動汽車的研究，并取得了可喜成果。
電動汽車不僅包括傳統(tǒng)汽車的運行速度、行駛里程等參數(shù)，還包括電動汽車獨有的能耗、電源電壓、電流及電機轉(zhuǎn)速等電氣參數(shù)，參數(shù)多達100多項。掌握這些參數(shù)對于分析電動汽車整體運行性能有著重要意義。這些參數(shù)類型各異、位置分散，要想集中測量存在很大困難。因此，需要分散測量，再通過監(jiān)控節(jié)點集中顯示和記錄的方式構造測試網(wǎng)絡?？刂破骶钟蚓W(wǎng)CAN（controller area network）能有效支持分布式和實時控制的串行通訊，與其它現(xiàn)場總線相比，它具有簡單可靠、速率高、無主從以及連接方便等諸多優(yōu)點，是一種在汽車車載測控網(wǎng)絡中成熟應用的總線形式。因此，我們選用CAN總線構造電動汽車整車參數(shù)測試網(wǎng)絡。
2、 CAN總線網(wǎng)絡總體結構
2.1 監(jiān)測網(wǎng)絡總體結構
圖1 系統(tǒng)總體結構框圖
電動汽車整車運行參數(shù)監(jiān)測網(wǎng)絡共由9個CAN節(jié)點構成，包括1個負責網(wǎng)絡調(diào)度與數(shù)據(jù)處理的PC104監(jiān)控節(jié)點和8個單片機數(shù)據(jù)采集節(jié)點。8個數(shù)據(jù)采集節(jié)點包括1個車輛參數(shù)采集節(jié)點、1個動力電池參數(shù)采集節(jié)點、1個輔助電池參數(shù)采集節(jié)點、1個電機參數(shù)采集節(jié)點和4個電池參數(shù)采集節(jié)點。由于動力電池節(jié)點、輔助電池節(jié)點和電機節(jié)點采集的參數(shù)都是電壓、電流以及充放電的能量，因此可以將這三個節(jié)點作為一類節(jié)點設計，統(tǒng)稱為電量參數(shù)采集節(jié)點。動力電池由40節(jié)12V鉛酸蓄電池串聯(lián)而成，串聯(lián)電池組的性能取決于每節(jié)電池的性能，40組電池參數(shù)在4個電池節(jié)點中分別進行測量，每個節(jié)點負責測試10節(jié)電池的參數(shù)，因此4個電池參數(shù)采集節(jié)點是另一類數(shù)據(jù)采集節(jié)點。此外，還有1個車輛參數(shù)采集節(jié)點，主要采集車輛的各種狀態(tài)，包括車輛啟動、停止，空調(diào)的開關狀態(tài)，發(fā)動機的轉(zhuǎn)速（針對混合動力車），電機轉(zhuǎn)速。因此這個系統(tǒng)包括了3類數(shù)據(jù)采集節(jié)點，即電量節(jié)點、電池節(jié)點和車輛節(jié)點。整個系統(tǒng)的結構如圖1所示。
在整個的系統(tǒng)中，共有3類8個數(shù)據(jù)采集節(jié)點，完成146項參數(shù)的采集。采集的數(shù)據(jù)通過CAN總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控節(jié)點，監(jiān)控節(jié)點也通過微處理器完成總線上數(shù)據(jù)的接收。同時，該節(jié)點通過雙口RAM和一臺PC104計算機的ISA總線通訊，PC104通過雙口RAM獲取監(jiān)控節(jié)點從總線上收到的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)進行顯示和記錄。同時，PC104還通過一個串行口直接接收GPS數(shù)據(jù)接收板的車輛速度、經(jīng)緯度和時鐘信息，并作為同步信息進行記錄和顯示，以便將汽車的實時性能與速度和運行地況聯(lián)系起來。信息每0.5秒記錄一次，采用變化記錄的數(shù)據(jù)壓縮算法，并以*.dat文件格式進行存儲。
2.2 網(wǎng)絡中傳輸?shù)男畔?/p>
CAN總線是通過信息幀傳輸數(shù)據(jù)的，可分為數(shù)據(jù)幀、遠程幀、錯誤幀和超載幀。信息以報文為單位傳輸，不同的報文以標識符（ID）進行區(qū)分，標識符越小，報文的優(yōu)先級越高。
監(jiān)控節(jié)點發(fā)送信息的報文標識符為00H，用于向數(shù)據(jù)采集節(jié)點發(fā)送查詢信息，采集節(jié)點收到監(jiān)控節(jié)點的查詢信息后，向總線上發(fā)送自己的一包數(shù)據(jù)，監(jiān)控節(jié)點收到以后確認此節(jié)點工作正常。通過這種方式，監(jiān)控節(jié)點可以隨時查詢網(wǎng)絡中連接了那些數(shù)據(jù)采集節(jié)點。由于報文所帶數(shù)據(jù)長度最大為8字節(jié)，對于測量參數(shù)較多的電量節(jié)點和電池節(jié)點，需要分配較多的報文標識符。每個電量節(jié)點分配2個標識符，每節(jié)電池分配1個標識符。因為與參數(shù)相聯(lián)系的報文標識符是固定的，根據(jù)收到的標識符就可判斷收到的是哪個參數(shù)。電動汽車整車參數(shù)監(jiān)測網(wǎng)絡中傳送的報文標識符（ID）與參數(shù)的對應關系見表1：
表1 報文標識符與參數(shù)對應表
3、數(shù)據(jù)采集節(jié)點的設計
作為一個運行參數(shù)監(jiān)測網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)采集是系統(tǒng)工作的基礎。本系統(tǒng)共有3類8個數(shù)據(jù)采集節(jié)點，即車輛參數(shù)采集節(jié)點，3個電量參數(shù)采集節(jié)點和4個電池參數(shù)采集節(jié)點。下面將分別就3類節(jié)點的設計進行介紹。
系統(tǒng)中所有的數(shù)據(jù)采集節(jié)點都采用如圖2所示的結構，包括一個微處理器、一個CAN控制器和一個CAN收發(fā)器。微處理器采用INTEL公司的80C196KB，主要負責采集外界的各項參數(shù)，同時管理和調(diào)度節(jié)點的工作，當采集到一組合理的數(shù)據(jù)以后，通過操作CAN控制器向總線上發(fā)送數(shù)據(jù)。CAN控制器選用了SJA1000，它集成了CAN2.0A和CAN2.0B的總線協(xié)議，負責完成數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。CAN收發(fā)器82C250是CAN控制器和物理總線的接口，其內(nèi)部驅(qū)動電路具有限流電路，提供對總線的差動發(fā)送和接收功能，同時采用了光電隔離同總線交換數(shù)據(jù)，有助于抑制汽車等惡劣電氣環(huán)境下的瞬變干擾。
3.1 車輛參數(shù)采集節(jié)點的設計
車輛節(jié)點采集的參數(shù)包括車輛啟動、停止的狀態(tài)，空調(diào)的開關狀態(tài)，電機與發(fā)動機的轉(zhuǎn)速信息，從采集參數(shù)的特征來看，分為開關量和頻率量。對于開關量的采集，無需額外的傳感器，只需要將電壓信號通過光電耦合直接輸入微處理器的輸入口即可檢測；對于頻率量的轉(zhuǎn)速，我們選用了霍爾傳感器進行測量。在輸出軸上貼磁鋼片，當磁鋼片通過霍爾元件時，霍爾傳感器輸出脈沖，此脈沖通過光電隔離輸入到80C196的高速輸入口，由于高速輸入口可以自動記錄脈沖跳變的時刻，可以對脈沖進行精確測量，而且高低頻率都適用。車輛采集節(jié)點的結構框圖如圖3所示。
3.2 電量節(jié)點的設計
對于電壓電流等電參數(shù)來說，應用通常的A/D變換很容易測量；但是對于電能參數(shù)，由于是電壓電流的時間積分值，應用普通方法測量起來難度很大。因此對于電量測量選用集成電量測量芯片CS5460A，該芯片可以同時測量電壓、電流以及兩者的功率和能量。CS5460A是帶有串行SPI接口的單相雙向功率/電能計量集成電路芯片，主要應用在單相電子式電能表和三相電子式電能表中。芯片完成一次校準后，將校準系數(shù)存到系統(tǒng)的EEPROM中，每次上電CPU從EEPROM中讀出校準系數(shù)，并寫入測量芯片中，然后通過SPI接口寫入命令，即可進行相應電流電壓和電能的測量。通過SPI接口，微處理器讀出該芯片中的測量結果，更新EEPROM中的電能信息，并通過報文的方式發(fā)送到CAN總線上。
為了保證測量電路的工作可靠，測量電路在設計時通過光電隔離器件將CS5460A的SPI接口和微處理器的I/O口進行隔離，防止了相互的干擾。由于芯片SPI接口的數(shù)據(jù)線(SDI、SDO)和時鐘線(SCLK)信號變化很快，選用高速光耦6N137隔離，其耦合速率可達10Mbps；而芯片的片選（CS）、復位(RESET)和中斷(INT)輸出信號屬于電平信號，變換速率很低，用普通光耦TLP521-1即可實現(xiàn)。
3.3 電池參數(shù)采集節(jié)點設計
電動汽車動力電池是由40節(jié)12V鉛酸蓄電池串聯(lián)而成，每節(jié)電池的性能將影響整個電池組的性能。因此有必要對每一個電池的參數(shù)進行測量。包括每節(jié)電池的電壓，電流以及測量傳感器的狀態(tài)。由于共有40節(jié)電池，用一個節(jié)點進行測量任務量太大，因此設計了4個節(jié)點對40節(jié)電池進行測量，每個節(jié)點負責10節(jié)電池參數(shù)的測量，電池參數(shù)只有電壓和電流，可以通過簡單的A/D變換得到，因此，電池節(jié)點的設計不再詳細介紹。
4、基于PC104的監(jiān)控節(jié)點的設計
由于整個網(wǎng)絡測試的146項參數(shù)都要進行顯示和記錄，以微處理器為核心的單片機系統(tǒng)顯然無法勝任如此繁重的任務需求。另外采用單片機開發(fā)必然會帶來巨大的工作量。為了給用戶提供友好的人機交互界面，減小開發(fā)工作量，監(jiān)測節(jié)點選擇了結構緊湊，軟硬件功能和PC相近的嵌入式PC104模塊進行開發(fā)。
PC104模塊采用嵌入式CPU，選用256MB 袖珍Flash 盤作為系統(tǒng)硬盤，存儲操作系統(tǒng)、應用程序和采集數(shù)據(jù)，選用夏普10.4英寸液晶顯示屏作為人機交換的界面。
PC機與外設的接口方式靈活多樣決定了CAN控制器和PC機的接口方式也是多種多樣的，常用的方式有：RS-232串口、并行打印口、USB接口、ISA總線接口等。本系統(tǒng)中PC104通過雙口RAM通訊獲取智能接收節(jié)點的數(shù)據(jù)。所謂的智能接收節(jié)點，是指該節(jié)點配有微處理器，它通過雙口RAM和PC104完成數(shù)據(jù)交換，將從總線上接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到PC104進行顯示和記錄，并將PC104要發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上。由于加入了微處理器，極大地減輕了主機PC104的負擔，提高了系統(tǒng)的實時性能。
圖4 試驗過程中電機電流變化圖
4.1 基于信箱格式的雙口RAM通訊
信箱結構是實現(xiàn)對于雙口RAM內(nèi)部存儲區(qū)共享的一種邏輯結構。信箱式共享存儲區(qū)具有兩層含義：首先把各微處理器專用存儲區(qū)與共享存儲區(qū)劃分開來，僅建立一塊較小的共享區(qū)供通訊使用；其次對共享區(qū)作了細分，仿效郵政信箱格式建立了分格式邏輯結構。
智能節(jié)點的微處理器和PC104的ISA總線之間通過雙口RAM IDT7132進行數(shù)據(jù)交換，在雙口RAM中開辟了2塊公共存儲區(qū)作為通訊的2個公共信箱，一個用于微處理器向PC104傳輸數(shù)據(jù)，另一個用于PC104向微處理器傳送數(shù)據(jù)。下面以微處理器向PC104通訊的公共信箱為例介紹基于信箱格式的通訊方式。
智能節(jié)點向PC104傳送數(shù)據(jù)的公共信箱長度為16個字節(jié)，其中第一個字節(jié)為可讀寫標記，當任何一方需要操作讀寫數(shù)據(jù)時，先檢查該字節(jié)，若為0AAH，則不能進行操作；若為55H，可以操作；第二個字節(jié)是讀寫次數(shù)，表示在PC104讀出數(shù)據(jù)之前，智能節(jié)點寫入新的數(shù)據(jù)的次數(shù)；第三個字節(jié)為該組數(shù)據(jù)的ID號，以區(qū)分不同的數(shù)據(jù)；第四個字節(jié)開始為真正的數(shù)據(jù)區(qū)，數(shù)據(jù)區(qū)的長度依據(jù)前面ID的不同會有差別；數(shù)據(jù)區(qū)之后是一個字節(jié)的垂直異或校驗值（從讀寫次數(shù)開始的異或結果），可以據(jù)此對傳輸數(shù)據(jù)的正確性進行驗證。
4.2 基于VC的顯示記錄軟件設計
車載PC104節(jié)點基于Windows98操作系統(tǒng)完成了實時多任務的可視化程序設計，實現(xiàn)了對146項參數(shù)的數(shù)據(jù)接收、處理和顯示。采用“非定長”數(shù)據(jù)壓縮算法，對大量數(shù)據(jù)進行記錄。由于采用高級語言Visual C6.0進行編程，給設計工作帶來了很大方便，界面采用了傳統(tǒng)儀表顯示和動畫顯示的結合，搭建了友好的人機交換界面。
5、地面數(shù)據(jù)分析處理
地面數(shù)據(jù)分析處理軟件采用VisualBasic6.0作為開發(fā)工具，界面圖文并茂，操作簡單直觀。數(shù)據(jù)庫采用SQL數(shù)據(jù)庫對實驗數(shù)據(jù)進行存儲和操作。主要功能是將從PC104轉(zhuǎn)儲的實驗數(shù)據(jù)解壓后存儲為數(shù)據(jù)庫，同時描繪出各種參數(shù)隨時間變化的曲線。圖4為某次運行過程中記錄的電機電流曲線圖。
分析軟件的功能主要包括：（1）轉(zhuǎn)儲實驗數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)解壓形成實驗數(shù)據(jù)庫；（2）對實驗進行回放，再現(xiàn)實驗過程中各參數(shù)的變化過程；（3）可任意進行局部縮放，能夠仔細觀察某時刻的參數(shù)值；（4）可對數(shù)據(jù)庫進行查詢和簡單的統(tǒng)計，并可以打印查詢和統(tǒng)計結果的報表；（5）通過分析處理軟件，可以看出各個參數(shù)的變化趨勢，為分析電動汽車的性能提供參考。
6、結語
電動汽車整車運行參數(shù)記錄裝置在完成研制后，在汕頭國家電動汽車運行試驗基地裝車，經(jīng)過多次軟硬件調(diào)整后，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，各項參數(shù)測量準確，實時性好，記錄無誤，通訊工作正常，數(shù)據(jù)處理、分析正確，達到了預期效果，已經(jīng)通過項目組的驗收。
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