燃料電池車位置姿態(tài)電池信息監(jiān)測采集系統(tǒng)

楊光友，劉威宏，余兆成，姜 帆，陳 明，史建鵬

(1 湖北工業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)機(jī)械工程研究設(shè)計院， 湖北 武漢 430068；2 東風(fēng)汽車集團(tuán)有限公司前瞻技術(shù)研究院， 湖北 武漢 430050)

對行駛過程中的燃料電池車發(fā)生故障的統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析表明，燃料電池車常見故障單元多集中在燃料電池系統(tǒng)[1]。因汽車橫擺角速度過大等相關(guān)因素造成汽車側(cè)翻同樣是影響汽車安全性的重要問題[2]。美國福特公司研發(fā)了一套新能源汽車的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)用來獲取電池信息[3]。齊光石基于ARM處理器，通過GPS、CAN控制器，將采集的數(shù)據(jù)通過3G網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控中心，構(gòu)建了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[4]。金振華設(shè)計的燃料電池車監(jiān)控系統(tǒng)，通過GPS和CAN網(wǎng)絡(luò)采集位置信息和整車參數(shù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控[5]。近年來，該領(lǐng)域相對成熟的設(shè)計多將監(jiān)控系統(tǒng)與智能手機(jī)結(jié)合，在手機(jī)連網(wǎng)的情況下通過智能手機(jī)APP對汽車的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測[6-7]，或是以嵌入式智能芯片為基礎(chǔ)構(gòu)建汽車終端，結(jié)合外圍傳感器獲取狀態(tài)信號，將采集到的數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)[8-10]。

通過獲取燃料電池汽車運(yùn)行狀態(tài)下的運(yùn)維數(shù)據(jù)，除了可以對汽車狀況進(jìn)行實時監(jiān)測，還能達(dá)到對即將出現(xiàn)的風(fēng)險進(jìn)行預(yù)警的目的，提高了車輛的安全性和可靠性，燃料電池車位置姿態(tài)電池信息監(jiān)測采集系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)功能要求

燃料電池車監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要功能是獲取車輛運(yùn)行時的實時狀態(tài)，將實時采集到的數(shù)據(jù)存儲到SD卡，并通過4G模塊傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)測服務(wù)器，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測。

1.2 監(jiān)測參數(shù)

根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，以及數(shù)據(jù)的來源途徑，將選取的監(jiān)測參數(shù)劃分為兩部分(表1)。

表1 選取的監(jiān)測參數(shù)

高精度姿態(tài)傳感器通過RS232接口傳輸給采集節(jié)點加速度、橫擺角速度和傾角數(shù)據(jù)；GPS通過UART傳輸時間和位置信號。踏板電壓信號由AD接口采集獲取[11]。

1.3 系統(tǒng)總體架構(gòu)

監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由采集節(jié)點和通信節(jié)點兩部分構(gòu)成。采集節(jié)點連接姿態(tài)傳感器、GPS以及加速踏板，并通過這些傳感器獲取有關(guān)加速度、側(cè)傾角、橫擺角速度、經(jīng)緯度等車輛狀態(tài)數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到通信節(jié)點；整車控制器VCU、燃料電池控制器FCU和電機(jī)控制器MCU通過汽車CAN總線向通信節(jié)點傳輸燃料電池狀態(tài)、電堆電壓，以及車速、電機(jī)轉(zhuǎn)速、加速度等數(shù)據(jù)。通信節(jié)點將采集節(jié)點和CAN總線傳輸來的數(shù)據(jù)進(jìn)行本地SD卡存儲，并通過4G模塊上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。在通信節(jié)點的設(shè)計上，由于4G技術(shù)性能優(yōu)越且能夠與多項其他通信技術(shù)兼容[12]，所以選用4G模塊來對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。采集節(jié)點核心處理器選用400 MHz主頻，1M SRAM的STM32H750芯片，通信節(jié)點核心處理器選用STM32F407芯片，同時在節(jié)點控制板上配置板載SD卡接口和4G通信模塊，以滿足本地數(shù)據(jù)存儲以及數(shù)據(jù)上傳至云服務(wù)器的需求。采集節(jié)點經(jīng)由串口與通信節(jié)點進(jìn)行交互。

為滿足系統(tǒng)實時性和多任務(wù)的功能需求，監(jiān)測系統(tǒng)的兩個節(jié)點均移植UCOS嵌入式系統(tǒng)[13]。另外，移植FATFS文件管理系統(tǒng)[14]對通信節(jié)點的數(shù)據(jù)存儲進(jìn)行管理。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2 硬件設(shè)計

2.1 采集節(jié)點硬件設(shè)計

2.1.1控制器選擇根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計，采集節(jié)點采用了STM32H750核心板作為控制器。該核心板具有足夠的外設(shè)資源，滿足本系統(tǒng)的要求。

2.1.2RS232 根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計，GPS的串口是TTL，直接與節(jié)點控制器相連，而姿態(tài)傳感器與節(jié)點控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸是通過RS232[15]實現(xiàn)。STM32H750核心板板載了一公一母兩個RS232接口，由于控制器的通訊電平不同于姿態(tài)傳感器，故使用SP3232芯片作為電平轉(zhuǎn)換芯片。控制器具有的RS232電路原理如圖2所示。

圖2 RS232電路

2.2 通信節(jié)點硬件設(shè)計

2.2.1控制器選擇根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計，選擇性能較強(qiáng)的STM32F407作為通信節(jié)點控制器。該控制器板載了系統(tǒng)所需要的CAN接口、4G通信模塊和SD卡接口。

2.2.2CAN通信根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計，通信節(jié)點通過汽車CAN總線[16]獲取有關(guān)燃料電池狀態(tài)、電堆電壓，以及車速、電機(jī)轉(zhuǎn)速、加速度等數(shù)據(jù)。該節(jié)點控制器具有的CAN接口，通信原理如圖3所示。

圖3 CAN通信電路

2.2.3 4G通信模塊根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計，選用墨子號公司發(fā)行的EC20模塊，將采集的實時數(shù)據(jù)通過4G通信網(wǎng)絡(luò)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。該模塊最大上行速率和最大下行速率分別為500 Mbps和100 Mbps，信號覆蓋范圍廣泛，并且支持多輸入多輸出技術(shù)(MIMO)[17]，完全符合本系統(tǒng)功能要求。模塊接口原理如圖4所示。

圖4 EC20模塊接口和SIM卡電路

2.2.4SD卡接口根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計，監(jiān)測系統(tǒng)需要將實時采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行本地存儲。該節(jié)點控制板板載了SD卡接口，SD卡采用4位SDIO方式驅(qū)動，理論最大速度可以達(dá)到25 MB/S。其原理如圖5所示，包括數(shù)據(jù)線、時鐘線和命令線。

圖5 SD卡電路

3 軟件設(shè)計

3.1 采集節(jié)點

根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計，采集節(jié)點通過板載的AD通道以5 ms/次的接收頻率獲取由加速踏板傳輸來的電壓信號，通過RS232和UART接收中斷以10 ms/次的接收頻率獲取姿態(tài)傳感器傳輸來的加速度、傾角和橫擺角速度信號，并通過UART以50 ms/次的頻率接收來自GPS傳輸來的經(jīng)緯度和時間信號。在采集到各傳感器數(shù)據(jù)后，采集節(jié)點以50 ms/次的頻率通過UART將接收到的來自各傳感器的數(shù)據(jù)打包發(fā)送給通信節(jié)點。采集節(jié)點通過UCOS實時操作系統(tǒng)對各個實時任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，實現(xiàn)上述功能。系統(tǒng)的實時任務(wù)包括：加速踏板采集任務(wù)、姿態(tài)傳感器采集任務(wù)、GPS采集任務(wù)和數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)。采集節(jié)點的任務(wù)優(yōu)先級如表2所示。

表2 采集節(jié)點任務(wù)優(yōu)先級

采集節(jié)點運(yùn)行開始時創(chuàng)建各個實時任務(wù)，并由系統(tǒng)任務(wù)調(diào)度器進(jìn)行各個實時任務(wù)的切換。當(dāng)最高優(yōu)先級的任務(wù)為加速踏板數(shù)據(jù)采集任務(wù)，則對踏板電壓進(jìn)行AD采集，發(fā)送相應(yīng)事件標(biāo)志組到數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)，然后調(diào)用OSTimeDlyHMSM()函數(shù)對任務(wù)延時5 ms。延時函數(shù)在該任務(wù)中不僅起著任務(wù)掛起的作用，還起著任務(wù)喚醒的作用。當(dāng)最高優(yōu)先級的任務(wù)為姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)采集任務(wù)，若該任務(wù)請求到了相應(yīng)串口接收中斷發(fā)送的消息隊列，該任務(wù)得到執(zhí)行，對消息隊列數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并發(fā)送相應(yīng)事件標(biāo)志組到數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)，執(zhí)行完成后將該任務(wù)延時10 ms，否則將任務(wù)掛起；當(dāng)最高優(yōu)先級的任務(wù)為GPS數(shù)據(jù)采集任務(wù)時，若該任務(wù)請求到了相應(yīng)串口接收中斷發(fā)送的消息隊列，則對GPS數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，發(fā)送相應(yīng)事件標(biāo)志組到數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)，否則將任務(wù)掛起；當(dāng)最高優(yōu)先級任務(wù)為數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)，若請求到了相應(yīng)事件標(biāo)志組時，則將數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送，發(fā)送完成后調(diào)用任務(wù)延時函數(shù)對該任務(wù)延時50 ms。該節(jié)點各任務(wù)間的同步與切換如圖6所示。

圖6 采集節(jié)點軟件流程

3.2 通信節(jié)點

根據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計，通信節(jié)點通過CAN總線獲取燃料電池狀態(tài)、電堆電壓，以及車速、電機(jī)轉(zhuǎn)速、加速度等數(shù)據(jù)，經(jīng)由串口接收來自采集節(jié)點的車輛狀態(tài)等數(shù)據(jù)。此外，通信節(jié)點還需將所獲取的數(shù)據(jù)通過4G通信模塊上傳至遠(yuǎn)程服務(wù)器，并同時將數(shù)據(jù)存儲在本地SD卡中。通信節(jié)點也通過UCOS對各個實時任務(wù)進(jìn)行調(diào)度，實現(xiàn)上述功能。實時任務(wù)包括：4G通信模塊初始化任務(wù)、串口數(shù)據(jù)接收任務(wù)、CAN總線數(shù)據(jù)接收任務(wù)、數(shù)據(jù)上傳任務(wù)、數(shù)據(jù)存儲任務(wù)和LED指示燈任務(wù)。該4G模塊支持AT指令配置，使用之前需要發(fā)送相關(guān)AT指令對其進(jìn)行配置，配置指令如表3所示。通信節(jié)點的任務(wù)優(yōu)先級如表4所示。

表3 AT指令

表4 通信節(jié)點任務(wù)優(yōu)先級

在通信節(jié)點程序運(yùn)行開始時，首先創(chuàng)建各個實時任務(wù)，其后便由操作系統(tǒng)按照任務(wù)就緒表中查詢到最高優(yōu)先級的任務(wù)進(jìn)行任務(wù)切換。當(dāng)最高優(yōu)先級的任務(wù)為CAN總線接收任務(wù)，執(zhí)行該任務(wù)，該任務(wù)執(zhí)行完成后調(diào)用OSTaskSuspend()延時函數(shù)將任務(wù)掛起；當(dāng)任務(wù)優(yōu)先級為2的任務(wù)獲得最高優(yōu)先級，并接收到CAN接收中斷發(fā)送的相應(yīng)消息隊列，則執(zhí)行程序，信號量將被發(fā)送到數(shù)據(jù)上傳任務(wù)，另一個信號量將被發(fā)送到數(shù)據(jù)存儲任務(wù)，事件標(biāo)志組也將被發(fā)送到LED指示燈任務(wù)；當(dāng)任務(wù)優(yōu)先級為3的任務(wù)獲得CPU使用權(quán)，若該任務(wù)接收到了串口接收中斷發(fā)送的消息隊列,則任務(wù)執(zhí)行程序并向數(shù)據(jù)上傳任務(wù)發(fā)送信號量，向數(shù)據(jù)存儲任務(wù)發(fā)送信號量，并將相應(yīng)事件標(biāo)志組發(fā)送到LED指示燈任務(wù)；當(dāng)最高優(yōu)先級的任務(wù)為數(shù)據(jù)上傳任務(wù)，若請求到信號量時，則將采集的數(shù)據(jù)打包上傳至服務(wù)器，上傳完成后發(fā)送事件標(biāo)志組到LED指示燈任務(wù)，否則將任務(wù)掛起，進(jìn)入等待態(tài)；當(dāng)任務(wù)優(yōu)先級為5的任務(wù)獲得CPU使用權(quán)，若請求到信號量時，則使用FATFS文件系統(tǒng)將所有獲取到的數(shù)據(jù)打包并進(jìn)行本地SD卡存儲，然后發(fā)送相應(yīng)事件標(biāo)志組到LED指示燈任務(wù)，調(diào)用OSTimeDlyHMSM()函數(shù)對任務(wù)延時；當(dāng)最高優(yōu)先級的任務(wù)為LED指示燈任務(wù)，若請求到相應(yīng)事件標(biāo)志組時，則執(zhí)行相應(yīng)程序。通信節(jié)點各任務(wù)間的同步與切換如圖7所示。

圖7 通信節(jié)點軟件流程

4 系統(tǒng)測試

在完成系統(tǒng)總體設(shè)計后，將系統(tǒng)進(jìn)行整合封裝，制作出系統(tǒng)終端如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)終端

為檢測該監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的準(zhǔn)確度與穩(wěn)定性，本項目進(jìn)行了實車測試。

實車測試安排在東風(fēng)汽車公司某試驗場地、某車型燃料電池試驗車環(huán)境下進(jìn)行。將該監(jiān)測終端固定在駕駛座底座位置(圖9)，監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)界面如圖10所示。經(jīng)多次試驗，系統(tǒng)獲取的時間信息完全與云端時間同步，經(jīng)緯度信息也與地圖定位相同。由遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)界面得知，車輛狀態(tài)和燃料電池狀態(tài)信息與車載電腦顯示信息基本相同。

圖9 實車試驗

圖10 監(jiān)控系統(tǒng)界面

5 結(jié)論

本文針對需求，設(shè)計出燃料電池車位置、姿態(tài)、電池信息監(jiān)測采集系統(tǒng)，通過試驗車實驗分析得出以下結(jié)果：

1)該燃料電池車實時狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)具有一定的實時性，軟件上使用較為成熟的μ-COS嵌入式操作系統(tǒng)，可將實時獲取車輛狀態(tài)和燃料電池狀況信息通過合理任務(wù)調(diào)度進(jìn)行本地存儲并傳輸至遠(yuǎn)程服務(wù)器。相較于其他裸機(jī)開發(fā)的系統(tǒng)而言，實時性得到大幅提升。

2)該系統(tǒng)具有一定的可靠性，硬件上選用的兩塊STM32開發(fā)板作為節(jié)點控制器很好地與Lpms-IG1姿態(tài)傳感器、GPS模塊等外部傳感器相適應(yīng)，且具有系統(tǒng)所需要的各種接口。相較于其他以工控機(jī)為基礎(chǔ)設(shè)計得到的系統(tǒng)，能更便攜、更方便部署到車內(nèi)。

3)通過試驗車多次實驗，證明該系統(tǒng)滿足系統(tǒng)基本要求。由該系統(tǒng)采集整理得到的數(shù)據(jù)集可為下一階段開展汽車安全行駛監(jiān)測研究奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。