基于FSAE賽事的數據采集系統的設計與開發

文/彭奕超 鄧植云

大學生方程式汽車大賽（簡稱FSAE）是一項由世界上高等院校在校學生組隊參加的汽車設計與制造比賽。利用數據采集系統進行賽車行駛過程的整車實時監控，通過試驗反饋改進設計，不斷優化賽車設計參數，可提升賽車性能。本項目提出的數據采集系統，可以對動態的賽車進行數據的實時采集、顯示、記錄與分析，并計算處理獲得的數據曲線，研究賽車在制動、加速等極限工況下的荷載情況，以指導賽車整車性能優化

1 整體架構

1.1 整體架構分析

傳感器部分包括三維陀螺儀（用于賽車側傾角，俯仰角等檢測）、減震器線位移傳感器（用于對減震器行程檢查）、踏板線位移傳感器（用于踏板深度檢查）、輪速傳感器（利用霍爾效應原理測量輪速）、方向盤轉角傳感器（用于AFS，ESP等系統）及電機控制器、電池管理系統(BMS)內部的傳感器等，可以通過對模擬量的采集、方波脈沖的捕捉、CAN報文的解讀等，采集減震器的壓縮/回彈速度、踏板的深度、輪速、方向盤轉向角度，電池總電壓、電流、溫度、SOC等數據，將這些數據通過單片機傳輸到數傳電臺，再由電臺接收數據在上位機整合顯示，最后通過MATLAB分析建立數據庫。

1.2 整體架構優點

（1）由于采用了異步傳輸的方式，取消了鏈路的差錯控制和流量控制等，這些措施提高了傳輸效率。

（2）由于是由傳感器直接傳輸，降低了其他干擾源干擾的可能性，從而增加了數據的真實性。

（3）采用數據集成的方式，通過應用間的數據交換從而達到集成，主要解決數據的分布性和異構性的問題。

圖1：避震器速度分布

2 硬件系統選型與設計

數據采集系統需要檢測的傳感器明細如表1所示。

脈沖信號通過單片機直 接采集，電壓信號經過 A/D 轉換芯片得到數字信號，單片機通過巡檢的方式定時檢測上述數據，經過整理打包，發送至無線電臺模塊。數傳電臺采用全雙工2.4GHz無線電臺，有效傳輸距離2100米，符合Modbus RTU協議，可實現對所需數據的傳輸。

3 軟件系統開發與分析

3.1 單片機設計

為實現項目預期功能，主要調用了單片機的ADC模塊、ECT模塊、PIT模塊、MSCAN模塊及SCI模塊。

（1）ADC模塊設置7通道12bit精度轉換，轉換序列的掃描周期為8us。考慮到賽車在行駛過程中，受到路面激勵復雜且高頻，讀取ADC轉換結果寄存器的頻率取100Hz，即隔10ms采集一次減震器的行程或踏板的行程。

（2）ECT模塊使用8bit脈沖累加器對方波信號的脈沖上升沿進行計數，由于齒圈齒數（前50齒后60齒）較多、為保證車輪轉速較快時仍能對上升沿進行計數而不至于重疊，選擇讀取脈沖累加計數寄存器的頻率同樣為100Hz，即每10ms對齒圈轉過的齒數進行一次計數并將計數寄存器清零。

表1：FSAE 賽車傳感器明細表

（3）PIT模塊主要起精確定時的作用，對該模塊內的8bit和16bit計數器的值進行寫入，使能PIT中斷功能，設置定時時間為10ms，以滿足采集的時間要求。即定時器每隔10ms觸發一次定時中斷，在定時中斷函數中將讀取AD轉換結果寄存器、脈沖累加計數寄存器的程序語句寫入，即實現了對采樣周期的精確控制。

（4）MSCAN模塊用于接收電池管理系統（BMS）、方向盤轉角傳感器及電機控制器(MCU)發送的CAN報文。采用BOSCH2.0標準的CAN通訊協議，總線頻率為250Kb/s，數據格式根據節點的不同而相應選用了標準幀和擴展幀。通過廠家提供的CAN通訊協議，解析每一幀報文的信息，得到所需的數據。

（5）SCI模塊使用8N1數據格式，即1位起始位，8位數據位，一位停止位，無奇偶校驗。由于傳輸的數據量較大，應選用較大的的波特率，但是波特率過高會使得無線傳輸的穩定性下降，丟幀嚴重，所以選取折中的波特率38400，發送方式為中斷發送。自定數據包格式為定長格式，包括幀頭、幀長、數據域、校驗和、幀尾。幀頭為避免與數據重復，設為FAFF；幀長為固定的37字節，數據域內包含傳感器采集到的信息及BMS、MCU內讀取的信息，校驗和確保數據幀傳輸的正確性，幀尾為FE。

3.2 上位機系統設計與實現

上位機實現數據的實時顯示功能，可分為串口數據接收、數據處理、數據顯示、數據保存四部分。

（1）串口數據接收使用LabVIEW的VISA模塊，根據串口通訊的數據格式（8N1）及數據幀的協議，對VISA串口進行相應的配置如圖。根據下位機發送的周期，每10ms運行一次for循環進行一幀數據的判斷、接收，將數據放入“串口數據處理”子VI中進行幀頭判斷、校驗，并提取有效的數據域輸出到“幀數組”。

（2）串口數據處理部分，對數據幀的幀頭、幀長等進行判斷，格式正確、校驗通過的數據幀將被接收，否則該幀數據被丟棄。

（3）數據顯示部分，根據數據的類型，選擇合適的顯示控件如數值顯示控件、量表、水平進度條等，將數據實時的顯示在程序界面中，顯示的數據包括SOC、輸出功率、轉速等等。通過數據域解析將數據域的各字節數據按照協議規定，拆分成1個字節或2個字節的數據并將字符串數據類型轉為數值類型輸出。輸出后的部分數據需要進行相應的公式乘以比例加上偏移量才能得到需要觀測的數據值。

3.3 數據采集實驗驗證

通過賽車實際跑動采集回來的數據，應用MATLAB軟件繪制賽車四避避震器壓縮回彈速率所占的比例。這里的“速度”是指避震器活塞的線速度。如圖1所示。

一般來說，速度在較低范圍，阻尼力由車身側傾、俯仰等運動引起，輪胎、車身、車手受此速度區間的運動影響明顯；速度在較高范圍，主要是路面不平引起的激勵；所以，區分高低速就是要將路面輸入和車身運動分開控制，因為各自需要的吸收的能力和要求的響應速度是不同的。應盡可能使輪胎載荷保持恒值，以提升輪胎適從性。所以得出的結論是壓縮與回彈分布盡量對稱（符合正態分布）；峰值、正態分布形狀取決于賽道、車手等因素。此外還可以借助線位移傳感器分析賽車在直線行駛中的下壓力來調整空套的角度，從而獲得更高的速度與更大的抓地力。此上數據分析成功驗證了數據采集系統，說明該方案的可實現性