CN102507190A - 一种自动数据记录和压缩的发动机试验数据采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于实时采集发动机试验数据的系统，包括试验数据采集装置和数据处理模块。试验数据采集装置由微控制器、CAN通信模块、电源模块、串行通信接口、液晶显示模块、时钟电路和存储器组成。数据处理模块安装于笔记本电脑中，以labview为软件平台，通过电脑串行接口与试验数据采集装置通信。数据处理模块用于数据读取、记录参数设置、记录状态显示等。所述装置能在车载环境条件下，自动记录发动机试验数据，并自行对数据压缩，从而实现快速可靠的记录发动机试验数据，以备后续控制系统的功能验证和控制参数的定量分析。本发明还提供了发动机试验数据采集系统数据压缩算法。

Description

一种自动数据记录和压缩的发动机试验数据采集系统

技术领域

本发明专利涉及车用发动机试验技术领域，特别是涉及发动机试验数据采集装置。

背景技术

发动机电控系统在运行过程中利用CAN总线与其它控制器进行数据通信。在发动机试验中通过CAN总线接受发动机状态数据和整车其它控制器信息，按照测试要求将相关信息保存到存储器中，并通过特定程序读取，以备测试人员用于控制功能和控制效果分析。

当前，发动机控制系统朝着功能复杂化，运算高速化的方向发展，需要记录的数据量日渐增大，且车载试验条件恶劣。现有通过外接电脑采集数据的方法，就曝露出数据冗余度高，使用场合受限等一系列缺点，限制其在整车匹配试验中的应用。为此研究设计一种采集速率高，使用简便，可靠性高的嵌入式发动机试验数据采集装置具有重要意义和实用价值。

发明内容

针对发动机数据采集系统的实际需求，本发明的目的在于提供可用于车载环境条件下，采集、存储和上传发动机状态参数的试验数据采集系统。

本采集系统由两部分组成：嵌入式发动机试验数据采集装置和基于labview软件平台的数据处理模块。

所述试验数据采集装置包括：

微控制器，用于运行采集程序，执行数据压缩算法，实现对存储器的读写；

CAN通信模块，用于数据采集装置与发动机控制器之间进行通信；

电源模块，用于在车载环境条件下向数据采集装置提供稳定电源；

串行通信接口，用于实现数据采集装置与测试电脑中数据处理模块的通信，

液晶显示模块，与微控制器相连，通过数据总线显示数据内容；

时钟电路，用于为所记录的数据提供时间标记；

和存储器，与微控制器相连，通过数据总线数据将采集到的数据存入；

所述数据处理模块通过串行接口与试验数据采集装置连接，用于上传数据的管理，包含：串行通信接口(串行通信硬件电路)，串行通信程序(即串口驱动驱动程序)，后台数据处理(对数据解压，并对前台接收的指令进行解释)，前台数据显示(存储状态显示和设置采集装置工作参数)。

本发明能在车载环境条件下，通过CAN总线实现发动机试验数据以及部分整车数据的在线采集，并根据参数变化情况自行压缩数据，从而实现快速可靠的记录发动机试验数据，以备后续控制系统的功能验证和控制参数的定量分析。若采集和存储8项试验参数，并选取最高压缩率，可连续记录6个小时。所用压缩算法有效，压缩后数据与实测数据误差小于％5，满足试验分析需要。试验进行中液晶屏可直接显示参数变化规律，为测试人员现场分析提供依据。此外，试验数据采集装置抗干扰能力强，可保证准确接受数据，实现车载条件下得稳定运行。

附图说明

图1是根据本发明的数据采集系统原理框图。

图2是根据本发明的电源模块硬件设计原理图。

图3是根据本发明的数据处理模块前台显示界面。

图4是根据本发明的数据压缩算法图。

图5是根据本发明的数据压缩流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述。

图1示出本发明的用于发动机试验数据记录系统的原理框图。采集系统由采集装置和数据处理模块组成。试验数据采集装置由7部分组成：微控制器MC9S12DP256，CAN通信模块，电源模块，串行通信接口，液晶显示模块，时钟电路和存储器组成。各组成部分均集成在一张印刷电路板上，并用金属壳体封闭。所引出端口包括：电源输入(与电源模块相连)和串行通信接口(与电脑中数据处理模块连接)，其中串行通信接口使用扁平电缆实现两者电连接。

以下为各部分的具体设计：

1.发动机试验数据采集装置

试验数据采集装置由7部分组成：微控制器MC9S12DP256，CAN通信模块，电源模块，串行通信接口，液晶显示模块，时钟电路和存储器。

1)微控制器

微控制器是发动机实验数据采集装置的核心，用来执行数据压缩算法和数据存储驱动程序，并可与数据处理模块进行交互。采集装置中微处理器可选用Freescale公司的16位微处理器MC9S12DP256BMVP。

该芯片基于模块化设计理念，芯片内部的各个功能模块相对独立，有足够的响应速度和丰富的资源，微控制器包括的主要模块有：16位处理单元，实时中断模块，片内12K字节的RAM、4K字节的E²PROM，256K字节的程序存储器，串行通讯模块(MSI)包含：一路同步串行通讯SPI，两路异步串行通讯SCI0、SCI1，实现数据采集和标定；拥有五路独立的CAN总线接口，支持CAN2.0A/B规范。

微控制器通过CAN通信模块与发动机控制器之间进行通信，通信方式为单向，即只接受接收发动机状态数据以及整车信息。利用异步串行通信SCI0与安装于电脑中的数据处理模块连接，将采集到的数据上传或接收采集装置控制参数。采用同步串行通讯SPI与液晶屏相连，将采集到的数据实时显示在液晶屏上。微处理器通过同步串行通讯SPI将需要存储的数据发送至存储器。

2)CAN通信模块

CAN通信模块用于数据采集装置与发动机控制器以及整车其它控制器之间通信，通信方式仅为接收，并不影响原整车网络。通信协议遵循J1939通信协议，在该协议中定义从CAN总线上采集的发动机试验数据和整车信息，以及各帧的ID和每帧数据的内容，具体内容见附表一：

3)电源模块

电源模块用于为试验数据采集装置提供稳定电源。电源模块可采用汇众宽域电源模块HZD10C-24S05W，蓄电池电压在+9V至+36V，该电源模块均可稳定输出5V电压。在电源滤波器中，通过选取滤波电容参数抑制整车电网中高频干扰，硬件设计原理图见图2。

4)串行通信接口

串行通信接口以MAX232芯片为串口驱动器，依据自行定义的串口通信协议，并利用微控制器异步串行通讯SCI0通道，实现数据采集装置与电脑数据处理模块的通信。通信方式为异步半双工双向通信，既接收数据模块下发的采集控制命令，又可向上发送存储的数据。

串行通信接口还包括矩形硬件连接器DB9和9芯扁平电缆与电脑串口构成物理连接。

5)液晶显示模块

液晶显示模块采用蓝海微芯科技发展有限公司智能终端LJD-ZU043，用于显示采集到的发动机状态数据和整车数据。所显示数据由微控制器从整车总线上获得，并通过异步串行通讯SCI1将数据和显示命令传至液晶显示模块。在满足液晶显示模块串行通信协议的前提下，液晶屏无需额外控制可自行显示出数据。

6)时钟电路

时钟电路用于为所记录的数据提供时间标记，以区分数据前后顺序。时钟电路由16M晶体振荡器构成，在采集装置上电后晶体振荡输出标准的16MHz的脉冲信号，以作为微处理器定时中断时基，根据定时中断中计数值，可获得采集数据的准确时间。

7)存储器

存储器与微控制器通过同步串行通讯SPI接口相连，按照自定义的SPI串口通信协议，微控制器将需要存储的数据或控制命令以FAT16格式发送至便携设备存储器SD卡中。无需额外操作，存储器可按照微控制器指令将数据存储或擦除存储器中指定的簇空间。

2.数据处理模块

数据处理模块用于读取采集装置中已存储的数据，并设置采集装置控制参数。该模块以labview软件为平台，通过可视化界面与测试人员进行交互，并将测试人员命令转化为二进制数据，通过异步串行通讯SCI送至采集装置；其还可读取来自采集装置指定地址段的数据。其包括：

1)串行通信接口

数据模块中串行通信接口用于从计算机串口接受或发送数据。运行中软件调用labview中集成的串口动态链接程序，实现对计算机串口硬件的操作。

2)串行通信模块

在数据处理模块中，串行通信模块按照规定的协议，将收到的二进制文件解析为相应的命令和数据，或将下发的命令和数据转化为二进制代码传至采集装置。数据处理模块和数据采集装置均遵循相同的串行通信协议，否则不可通信。

3)后台数据处理模块

后台数据处理模块是将接受到的数据分送至前台显示所用的各个变量中，或将由测试人员从前台输入的采集参数，采集条件等转化为特定命令或数据文件。该命令或数据文件下传后，采集装置通过触发对应处理程序以执行测试人员命令。

4)前台数据显示模块

前台数据显示模块分为三部分：参数选取，存储器状态显示，采集条件设置三部分组成。参数选取是指根据测试人员需要，人为选取要采集的发动机数据内容，设置数据地址，并根据存储器大小和测试时间长短设置合适数据压缩率。

在装置上电伊始，装置自行向数据处理模块发送存储器状态，前台显示出SD卡已使用的地址段和已用空间的大小。采集条件设置由状态标志和组合逻辑两部分组成，已定义的发动机状态参数是否达到某一限值作为状态标志，以及各标志之间通过与、或、异或实现的逻辑关系组合，见附图3。

本试验数据采集系统中，采集装置是核心，能够按照规定的存储设置，有条件的将发动机参数保存，并根据存储器状态自行分配参数的存储地址，以及根据设定的压缩率自动对数据进行压缩。

具体做法是，上电伊始微控制器进行自检并将存储状态信息显示在液晶屏幕上或上传至数据处理模块。具体做法是读取默认地址段上存储的数据已存储地址和已使用空间大小。

随后，读取默认地址段上已存储的需要采集的数据ID和其在数据帧中的位置(字节)，数据压缩率，以及采集条件设置。若在采集开始前，接收到来自数据处理模块下发的最新的采集参数内容和采集条件，则更改此前的采集设置，如数据ID，压缩率，采集条件等。

当发动机起动后，微控制器开始接收CAN总线信息，并将其显示在液晶屏上，但并不记录数据。当运行中采集条件满足时，微控制器开始采集的数据，并按照压缩算法有选择的记录发动机状态参数，将其保存在易失性存储器(内存)中。当内存中达到512字节时，调用SPI通信接口将512字节传至非易失性存储器SD卡中，随后存储器自行存入数据。

当试验结束后，微处理器根据向存储器发送的数据量计算出当前存储位置和存储器已使用的地址空间，并将它们保存至微处理器固定位置。随后将本次采集的参数和记录的条件等保存至微处理器另一地址段。若此时通过SCI接口接收到来自数据处理模块的读取命令时，微控制器通过SPI通信方式，将存储器内的数据读出并发送至测试人员电脑中的数据处理模块。

图2示出本发明用于发动机试验数据记录系统的电源模块，主要由宽域DCDC模块和滤波电容组成。宽域DCDC模块将蓄电池电压(通常蓄电池远大于+5V)变换后输出+5V，供给采集装置中各电器模块。该模块具有稳压作用，可适应车载条件下蓄电池电压的大幅波动。

整车电源网络通常连接有多个执行器，且存在同时工作的状况。当电磁阀工作时会在电源线上产生高频干扰，影响到采集系统的正常工作。滤波电容用于去除电源中的差模干扰和共模干扰，将电源波动频率保持在20KHz以下，以保证数字电源的可靠。

图3示出本发明用于发动机试验数据记录系统的数据处理模块的前台显示界面，包括：存储参数选取，存储器状态显示，采集条件设置。

在不同试验中，研究人员对不同的发动机控制参数的关心程度不同，研究人员可通过数据处理模块选取所需参数。选取参数的数目受记录的时间t以及存储器的大小U决定，具体计算方法如下：

$n=\frac{U}{t\×v_{\max }\×\mathrm{\λ}}$ (v_max为最大存储密度)

最大存储密度v_max(不等于采样速率)与设计的数据压缩率有关。上式中λ代表数据类型，当数据为word型时λ＝2。

需根据实际试验需求对参数进行压缩存储以降低数据量。数据压缩可分为两类：有损压缩和无损压缩。本发明中采用有损压缩，对于同一数据压缩率CR计算由下式给出。选取的压缩率越高代表实际存储的采样值越少。

该数据记录装置在使用时并不需要每次试验后，都将数据从存储器中读取，可在一组试验结束后或存储器已满时将数据整体取出。为保证装置上电后或使用中将上次未读取的数据覆盖，必须在每次数据存储前计算出当前可用的存储区位置，当装置运行时自动连接在上次存储的数据之后。此外，在每次装置运行结束后均会将存储器使用状态传至数据处理模块。

不加区分的采集试验中的所有数据，将增加数据的采集量，占用微控制器内存，并为日后分析增加难度，因此需根据试验内容进行采集条件设置本试验数据采集系统可支持8个状态标志组成的采集条件，所有8个标志之间可通过与、或、异或等逻辑关系组成。每个状态标志由已定义的发动机状态参数构成，当该状态参数达到某一设定限值，视为状态标志置位；当多个状态标志经组合后的采集条件满足时方可采集数据。

图4示出本发明用于发动机试验数据记录系统的数据压缩模块，其是一种数据压缩算法，数据压缩原理分析如下。

首先，利用采样数据S(k-n)估计出第K个采样点上数据S(k)的估计值Se(k)，然后，计算两者差值为预测误差信号d(k)，随后，经量化器得到预测误差量化信号dq(k)。最后，当预测误差量化信号大于阈值时，记录采样点并存储发动机状态参数。

预测误差信号：d(k)＝S(k)-Se(k)

预测器模型：Se(k)＝(n+1)·S(k-n)-n·S(k-n-1)

量化器模型： $\mathrm{dq}\left(k\right)=\frac{d\left(k\right)}{n^2}$

筛选模型：|dq(k)|≥α_max

其中α_max代表发动机状态参数所允许最大变化因子，该参数为采集系统的敏感参数，其性能的优劣影响系统的工作效果。

图5示出本发明用于发动机试验数据记录系统的数据压缩过程。

Claims (10)

1.一种自动数据记录和压缩的发动机试验数据采集系统，其特征在于包括嵌入式发动机试验数据采集装置和基于labview软件平台的数据处理模块；所述试验数据采集装置包括：

微控制器，用于运行采集程序，执行数据压缩算法，实现对存储器的读写；其通过CAN通信模块与发动机控制器之间进行通信，通信方式为单向；利用异步串行通信接口与测试电脑中数据处理模块连接，将采集到的数据上传或接收采集装置控制参数；采用同步串行通讯接口与液晶屏相连，将采集到的数据实时显示在液晶屏上；通过同步串行通讯接口将需要存储的数据发送至存储器；

CAN通信模块，用于嵌入式发动机试验数据采集装置与发动机控制器之间进行通信；

电源模块，用于在车载环境条件下向嵌入式发动机试验数据采集装置提供稳定电源；

串行通信接口，用于实现嵌入式发动机试验数据采集装置与测试电脑中数据处理模块的通信，

液晶显示模块，与微控制器相连，通过数据总线显示数据内容；

时钟电路，用于为所记录的数据提供时间标记；

和存储器，与微控制器相连，通过数据总线数据将采集到的数据存入；

所述数据处理模块通过串行接口与嵌入式发动机试验数据采集装置连接，用于上传数据的管理，进行数据解压、存储状态显示和设置采集装置工作参数，其包括：

串行通信接口，用于从计算机串口接受或发送数据，运行中软件调用labview中集成的串口动态链接程序，实现对计算机串口硬件的操作；

串行通信模块，按照规定的协议，将收到的二进制文件解析为相应的命令和数据，或将下发的命令和数据转化为二进制代码传至采集装置，数据处理模块和嵌入式发动机试验数据采集装置均遵循相同的串行通信协议，否则不可通信；

后台数据处理模块，将接受到的数据分送至前台显示所用的各个变量中，或将由测试人员从前台输入的采集参数，采集条件等转化为特定命令或数据文件，所述命令或数据文件下传后，嵌入式发动机试验数据采集装置通过触发对应处理程序以执行测试人员命令；

前台数据显示模块，分为参数选取、存储器状态显示、采集条件设置三部分组成；参数选取是指根据测试人员需要，人为选取要采集的发动机数据内容，设置数据地址，并根据存储器大小和测试时间长短设置合适数据压缩率。

2.如权利要求1所述的发动机试验数据采集系统，其特征在于，其特征在于在微控制器内存储有数据采集程序和数据压缩算法；        

所述数据采集程序包含以下步骤：

初始化存储参数，设置存储条件，计算存储地址，选取参数压缩率；

通过CAN总线与发动机控制器通信，确认通信无误后，开启存储程序，实时记录发动机试验数据；

在发动机试验结束后，试验数据采集装置通过串口与电脑连接，经确认通信成功后，将采集数据上传或根据试验人员要求更改存储属性。

3.如权利要求2所述的发动机试验数据采集系统，其特征在于，所述数据采集程序中存储参数、设置存储条件、计算存储地址等采集控制参数默认条件下采用原先已存储在微处理器中的参数，或通过数据处理模块设置。

4.如权利要求3所述的发动机试验数据采集系统，其特征在于，所述存储参数是通过电脑中的数据处理模块人为选取，选取的存储参数数目受记录的时间以及存储器的大小决定。

5.如权利要求3所述的发动机试验数据采集系统，其特征在于，所述存储条件由至多8个状态标志按照与、或、异或等逻辑关系组成。

6.如权利要求3所述的发动机试验数据采集系统，其特征在于，所述参数压缩率为单次采集的数据总量除以单次存储的数据总量。

7.如权利要求2所述的发动机试验数据采集系统，其特征在于，所述数据压缩算法采用有损压缩算法，根据参数相对预测值的变化程度作为是否压缩的标准，包括以下步骤

利用上一次采样数据                                                

估计出本次采样点上数据

的估计值

；

将估计值

与本次采样数据

相减，两者差值为预测误差信号

；

经量化器得到预测误差量化信号

；

当预测误差量化信号大于阈值时，记录采样点并存储发动机状态参数。

8.如权利要求1-7之任意一项所述的发动机试验数据采集系统，其特征在于，

所述系统采用CAN总线与发动机控制器进行数据传输，所用CAN总线接口芯片为飞利浦82C250；

采用串行通信接口与测试电脑连接，符合标准串口协议，所用串口芯片为MAX232CE；

所用数据处理模块安装于测试电脑中，通过串行接口SCI与数据采集装置连接，数据处理模块以labview软件为开发平台。

9.如权利要求1-7之任意一项所述的发动机试验数据采集系统，其特征在于，

所述微控制器是Freescale公司的MC9S12DP256型单片机；

所述电源模块采用汇众宽域电源模块HZD10C-24S05W；

所用液晶显示模块与微控制器采用SCI数据总线连接，液晶显示模块选用蓝海微芯科技发展有限公司智能终端LJD-ZU043，屏幕大小3.5英寸；

采用时钟电路标记数据记录的时刻，所用电路包含16M有源晶体振荡器；

所用存储器为金士顿SD卡，容量为2G，与微控制器采用SPI数据总线连接。

10.如权利要求1-7之任意一项所述的发动机试验数据采集系统，其特征在于，所述数据处理模块由参数选取，存储器状态显示，采集条件设置三部分组成。

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