基于CAN总线的新能源车辆远程实时监控及数据采集系统研究

基于CAN总线的新能源车辆远程实时监控及数据采集系统研
究
王海平
【摘要】设计了基于CAN总线的新能源车辆远程实时监控及数据采集系统.该系
统通过CAN总线实时采集车辆的各种状态信息,并使用3G网络进行数据回传,利用远程服务器来存储及处理回传的数据.同时,它还可对车辆控制器进行远程升级,大大提高了车辆故障处理的时效性.另外,此技术还可对车辆的控制策略参数进行在线标
定和修改,方便优化车辆控制策略,提高了车辆控制系统的稳定性,为新能源车辆安全、稳定、高效地运行提供保障.
【期刊名称】《中原工学院学报》
【年(卷),期】2017(028)004
【总页数】6页(P19-24)
【关键词】CAN总线;远程升级;在线标定;实时监控;数据采集
【作者】王海平
【作者单位】北京亿华通科技股份有限公司, 北京 100192
【正文语种】中文
【中图分类】U469.72
近年来，由于传统化石燃料(如石油、煤炭等)的燃烧造成了严重的环境污染，以及能源危机的日趋严重，使得探索和开发转换效率高、环境污染少的绿色新能源成为
全世界关注的热点[1]。

新能源汽车能够有效地解决交通能源重消耗的问题，然而其在快速发展的同时，也面临着很多问题和挑战，其中新能源汽车的安全性问题尤为突出。

因此，对新能源汽车动力系统运行状态进行实时监控和数据采集，能够为车辆的安全运行提供必要保障。

目前，常用的新能源汽车远程监控系统大多仅能采集数据然后进行本地存储，不能实现远程数据处理、系统升级和在线标定功能。

针对这些问题，本文设计了一种基于CAN总线的远程实时监控数据采集系统，该系统通过CAN总线实时采集车辆各种状态的数据信息，并通过3G网络对数据进行回传，利用远程服务器对数据进行存储及处理。

它对车辆控制器可进行远程升级，对车辆的一些控制策略参数进行在线标定和修改[2]，方便优化车辆的控制策略，提高了车辆控制系统的稳定性。

远程实时监控数据采集系统通过CAN总线采集车辆总线上各个控制单元的数据、车辆的运行状态信息，并将所得数据存储在本地的存储单元中或者是通过3G无线数据传输系统上传到服务器进行存储和处理。

处理后的数据通过网络传输到用户的监控界面，用户可以实时地监控车辆的状态信息、故障信息等，并根据这些信息进行车辆的故障处理和远程控制。

远程实时监控数据采集系统主要包括数据监控采集终端、远程服务器、远程用户界面3部分，见图1。

数据监控采集终端主要是通过CAN总线实时采集车辆总线上的各种数据流并对其进行存储和远程传输，同时还担负着升级车辆控制系统、在线标定车辆各种参数的任务；远程服务器主要是接收来自数据监控采集终端的数据并进行存储和处理，然后将处理后的数据通过网络传输给用户；远程用户界面主要是显示服务器传来的车辆的各种状态信息，同时接收用户的操作命令，对车辆进行远程控制。

图1中：VCU，整车控制器，是车辆信息的交互平台，负责车辆各个控制器的信息交互及控制车辆；数据监控采集终端，由MCU、CAN收发模块、数据存储SD
卡、系统的内存SDRAM、FLASH、无线数据通讯及定位模块SIM5320组成；服务器，是数据监控采集终端与用户界面的数据传输通道；显示界面，是用户监控车辆状态的工具；其他模块，是车辆正常运行所需的其他功能模块。

数据采集监控终端的硬件设计原理如图2所示。

图2中，微处理器采用的是意法半导体(ST)公司F4系列的STM32F427ZGT6，是基于 ARMR CortexTM M4 微控制器的主频为180 MHz 的CPU，容量可达256 KB SRAM，且双存储库闪存高达2 MB，其高主频的特点保证了车辆数据处理的时效性。

它带有RTC模块,为车辆故障数据的掉电存储提供时间基准，具有丰富的通信接口，如USART、UART、SPI、I2C、CAN和SDIO等，可以灵活地兼容多种外设，支持 Compact Flash、SRAM、PSRAM、NOR 和 NAND 以及 SDRAM 存储器的扩展，为大数据的实时处理提供保障，同时具有省电模式，满足车辆的低功耗应用需求。

CAN收发器采用的是德州仪器(TI)公司的SN65HVD230QDG4Q1，最高波特率可达1 Mbps，能满足车辆数据采集对速率的要求;它采用ADI高速磁耦数字隔离器ADUM1201ARZ实现单片机与控制器的电气隔离，保护控制系统，以满足最高通讯速率1 Mbps下的电气响应。

它具有更高的数据传输速率、时序精度和瞬态共模抑制能力，同时也消除了光电耦合中不稳定的电流传输率、非线性传输及温度和使用寿命等方面的问题。

无线通讯模块采用SIMCOM公司的SIM5320E。

该模块为城堡式SMT封装，尺寸紧凑，超薄，支持下行速率达3.6 Mbps，并且内置GPS和A-GPS，静态功耗低，使用温度范围较宽。

它支持GSM/GPRS/EDGE4频：850/900/1 800/1 900 MHZ和UMTS/HSDPA2频：900/2 100 MHZ，且具有丰富的应用接口(USIM 接口、UART串口、USB、音频、状态指示)。

模块内嵌LUA脚本，支持多线程编程，内嵌FTP/FTPS/HTTP/HTTPS/SMTP/POP3/DNS/TCP/IP协议[3]。

外扩存储器有2种(NAND FLASH MT29F4G08 ABADAWP和SDRAM
MT48LC4M16A2P)，可辅助实现车辆远程升级和远程标定的功能。

3.1 远程在线标定
在不影响燃料电池发动机正常运行的情况下，远程在线标定系统可对控制系统参数进行实时动态修改，提高控制系统的稳定性和精度。

3.1.1 远程在线标定原理
远程在线标定采用了基于数据双备份的设计方案。

将控制系统的控制参数存储在燃料电池控制器的2种存储介质FLASH和RAM中。

FLASH用于ECU断电后保存
数据。

ECU在上电初始化后，由FLASH将散热系统的控制参数复制到RAM中，RAM对数据读写速度高，可快速修改控制参数。

RAM分为数据区和备份区，通
过切换起始地址指针，确定有效的控制参数工作区域。

一般情况下，指针指向数据区，通讯模块接收到数据修改指令后将指针切换到备份区，待标定完成后将指针返回数据区，以确保控制系统在标定过程中仍能获得正确完整的参数，不影响燃料电池系统的正常运行。

3.1.2 远程在线标定流程
在标定过程中，用户可根据监控界面中燃料电池系统的运行状况，确定控制系统的控制参数，再经远程无线通讯实时在线修改控制器的控制参数，完成标定操作。

完成标定的燃料电池系统参数由远程服务器反馈给用户。

远程在线标定操作流程图如图3所示。

3.2 远程程序升级
基于IAP技术的远程程序升级不是到现场对单片机芯片进行程序升级，而是通过
远程控制方法对控制器的软件进行升级。

该方法调试方便，简化了产品的优化过程，缩短了开发时间。

3.2.1 远程程序升级原理
IAP是应用在FLASH程序存储器中的一种编程模式。

它将FLASH存储器从结构
上映射为2个存储区域，通过运行其中一个存储区域上特定的IAP程序来对另一
个存储区域进行编程操作，编程完成后跳转到新用户程序并开始运行。

这就要求在其中一个存储区域中预先装入引导加载程序，即bootloader程序。

将编写好的bootloader程序通过JTAG接口烧写到需要远程升级的控制器的特定地址FLASH 区域中，而用户程序可以由Bootloader程序的IAP功能写入。

当控制器上电初始化完成后，首先，程序跳至Bootloader程序开始运行，然后检查升级条件或标记，如果需要升级，则接收数据，执行升级服务程序进行程序升级，否则，跳至用户程序。

3.2.2 远程程序升级系统构成
远程升级系统由远程上位机界面、数据采集终端、云端服务器以及终端控制器组成。

数据采集终端与终端控制器通过CAN总线接口进行通信[4]，远程上位机界面与云端服务器通过网络交互，数据采集器与云端服务器通过无线网络交互。

3.2.3 远程程序升级流程
单片机开发环境生成的代码文件(如*.bin代码文件)经过远程上位机界面打包后，
通过云端服务器将要更新的打包好的代码文件远程下发到数据采集终端。

为了防止发送过程中数据包丢失，在数据存储之前先对数据进行校验[5]，在校验无误的情
况下，将数据存储在数据采集器的专用外扩FLASH中。

待数据包全部发送并校验存储成功后，数据采集终端会通过CAN总线给终端控制器发送更新指令。

终端控制器接收到更新指令后，进行数据的接收并将其存储在FLASH的专用区，在接收更新数据的同时其仍然能够正常工作。

更新完成后，新程序会覆盖原来的程序，远程升级过程结束。

为保证接收数据的正确性和远程在线升级的可靠性，对下载传输的代码数据进行打包，并规定打包的数据格式。

在传输过程中增加回传确认机制，即当引导加载程序
发现数据有误时，会发送重发上一帧数据的请求[6]。

通过不同的帧ID来区分首帧、末帧、其他帧。

当判断收到首帧且数据校验成功后，先备份Bootloader入口地址，然后擦除用户程序的FLASH区，再恢复Bootloader入口地址，并写入到Bootloader区指定位置，其余数据从单片机FLASH的APP区开始写入，对用户程序进行更新。

待更新完末帧后，在Bootloader区指定地址写入用户程序有效标志，将单片机软件复位，然后进入到用户程序。

远程程序升级流程图如图4所示。

将远程监控数据采集终端(图5)安装在车辆上，并将其与远程服务器、用户的人机
界面进行联合调试。

分别采集燃料电池的数据、DCDC数据、动力电池的数据，
并对其进行存储和处理。

对车辆出现的故障进行远程诊断和控制，对车辆的整车控制器的控制策略进行远程优化升级，对车辆的控制参数进行在线标定。

在整个远程采集系统的调试运行过程中，系统、终端等模块运行状态良好，通信的时效性完全满足车辆的要求。

系统对车辆的程序进行远程升级的成功率为100%，对控制参数的在线标定方式灵活，有效地解决了散热系统在不同实验环境下的误差问题，提高了整个燃料电池系统运行的稳定性和车辆的稳定性。

装有燃料电池系统的新能源车辆，由于燃料电池对温度敏感，其散热系统的热管理对于燃料电池的稳定运行起着至关重要的作用。

在散热系统中，一般以散热器的出口温度为控制参数。

在散热器的出口处安装温度传感器，温度的控制方式为无极变速方式。

由于燃料电池系统散热器的迎风面积不同，布置的位置不同，导致散热器出口温度出现大的波动。

所以，需要对散热系统的PI控制参数进行在线标定，对
控制程序进行远程升级。

散热器出口温度控制标定的数据对比情况见图6，从数据对比曲线可以看出，在线标定后的散热器出口温度控制得更加平稳，从而提高了燃料电池系统的稳定性。

对应用在新能源车辆上的基于CAN总线的远程数据监控采集系统的结构、各个模块的功能、终端的硬件设计方案、远程在线标定及远程程序升级方案设计以及整个
系统的调试运行情况等进行了详细的介绍，并利用实际车辆对远程监控系统进行测试。

测试结果表明本文设计的系统能够更好地提高新能源车辆的性能。

【相关文献】
[1] Hanane H, Jamel G, Ahmed C. A Real Time Fuzzy Logic Power Management Strategy
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[2] Meng D W, Zhang Y, Zhou M L, et al. Intelligent Fuzzy Energy Management Research for a Uniaxial Parallel Hybrid Electric Vehicle[J]. Computers & Electrical Engineering, 2017,58:447-464.
[3] 李兵.3G WCDMA SIM5320E模块应用开发指南[R].上海：芯讯通无线科技有限公司,2013:3-7.
[4] 付伟，秦树人，邱建伟. 基于CAN总线的车载数据采集器的设计[J].重庆大学学报(自然科学版)，2006，29(3)：19-22.
[5] 李杰. 基于CAN总线的汽车远程故障诊断及驾驶行为的研究[J].电子技术与软件工程，2015，
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[6] 刘清华，邹小金. 基于AT指令的远程监控与采集系统的设计[J].微计算机信息， 2012(9)：
375-377.。