CN103837075A - 基于车载can总线的动态位移采集系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于车载CAN总线的动态位移采集系统，包括：安装于车辆待测部件上的多个传感器，用于对待测部件的动态位移信息进行采集；与各个传感器连接的动态位移采集设备，该设备包括：多路模拟输入单元，用于将多个传感器采集到的各路动态位移信息分别进行信号转换；处理单元，用于接收各路转换后信号，对所接收的信号进行数字化处理，并将该信号发送出去；CAN总线数据发送单元，用于接收处理单元发送的数据，通过CAN总线将该数据共享至车载网络。本发明的系统将车辆某部件的位移作为整车的一部分进行测量，并通过CAN总线共享位移数据，方便车辆或其他CAN总线设备读取该位移数据以为后期车辆的维护提供准确的数据。

Description

基于车载CAN总线的动态位移采集系统

技术领域

本发明涉及汽车主动安全和车载通信领域，尤其涉及一种基于车载CAN总线的动态位移采集系统。

背景技术

汽车的局部位移常常对汽车的操纵稳定性有着非常重要的作用。比如，对于事故频发的重型车，悬架的位移关乎车辆的安全操纵。

对于传统的悬架测量方法来说，其主要是对单根悬架弹簧的测量或者对分解的车辆悬架部分的测量。但是，由于装配后的特性和分解特性的差异，整车的悬架变形量（位移）不能仅仅由分解的悬架弹簧进行简单组合来等效，这样难以反映车辆悬架在实车上的动态特性。此外，现有的多种测试变形量的手段并没有实现测量结果的实时传输与共享。并且，很多车的悬架为独立悬架，使得需要同时测量采集的悬架对象就相对较多，仅仅使用传统的测量方式不但无法做到多路同时采集，还难以共享采集数据。

此外，对于长度、尺寸、高度、液位以及其他与车辆操作稳定性相关的变形量的测量也存在同样的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题之一是需要提供一种基于车载CAN总线的动态位移采集系统，其可实现高精度悬架动态位移的采集，并共享所采集到的数据。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于车载CAN总线的动态位移采集系统，包括：安装于车辆待测部件上的多个传感器，各个传感器在车辆的行驶过程中，对待测部件的动态位移信息进行采集，所述待测部件为影响车辆操作稳定性的部件；与所述各个传感器连接的动态位移采集设备，该设备包括：多路模拟输入单元，其与各个传感器连接，用于将多个传感器采集到的各路动态位移信息分别进行信号转换，并将转换后的信号发送出去；处理单元，其与所述多路模拟输入单元连接，用于接收所述多路模拟输入单元发送的各路信号，对所接收的信号进行数字化处理，并将处理后的信号发送出去；CAN总线数据发送单元，其与所述处理单元连接，用于接收所述处理单元发送的数据，并通过CAN总线将该数据共享至车载网络。

在一个实施例中，所述多路模拟输入单元的每一路进一步包括：输入转换电路，其包括与对应传感器连接的精密电阻，以将从该传感器中获取的关于车辆实时动态位移的电流信号分别转换为对应的电压信号；RC滤波电路，其与所述输入转换电路耦接，并对所述输入转换电路输出的电压信号进行预处理，滤除其中的干扰信号；输入保护电路，其分别与所述输入转换电路和RC滤波电路耦接，以保证所述输入转换电路中信号的稳定性，并对所述RC滤波电路输出的电压信号进行钳位处理，以避免所述电压信号过压。

在一个实施例中，所述输入保护电路为箝位二极管电路，其包括两个分别与所述RC滤波电路连接的箝位二极管。

在一个实施例中，所述传感器为电流型传感器。

在一个实施例中，所述处理单元进一步包括：AD采集电路，其与所述输入保护电路耦接，用于将所接收的各路电压信号分别转换为设定位数的数字信号；微处理器，其与所述AD采集电路耦接，初始化设定数量的各路的DMA缓冲，使各路DMA缓冲依次接收各路设定位数的数字信号，在一路DMA缓存已满时，根据不同模式对所述数字信号进行不同处理，将处理结果转换为可在CAN总线上传输的数据格式，并发送出去。

在一个实施例中，在所述模式为传输模式时，所述微处理器将缓存已满的DMA缓冲中的数字信号以设定格式的CAN数据帧进行发送。

在一个实施例中，在所述模式为计算模式时，所述微处理器通过以下公式计算动态位移值：

$y=\left(\frac{\mathrm{FS}}{I_{\max }-I_{\min }}\right)(\frac{V_{\mathrm{ref}}}{2^n-1R}\·x-I_{\min })$

其中，I_max为所述电流型传感器输出的直流电流的最大值，I_min为所述电流型传感器输出的直流电流的最小值，R为精密电阻阻值，V_ref为参考电压，n为数字信号的设定位数，x为所述AD采集电路输出的数据，FS为传感器的最大量程。

在一个实施例中，还包括：多级电源管理单元，其分别与所述多路模拟输入单元和处理单元连接，用于通过多级电压转换给多路模拟输入单元和处理单元供电。

在一个实施例中，所述多级电源管理单元进一步包括：两级稳压电路，其对车载电源供给的电压进行两次降压以得到第一电压；微处理器供电电路，其连接在所述两级稳压电路和所述微处理器之间，用于将所述第一电压转换为适用于所述微处理器的第二电压；AD精密稳压电路，其连接在所述两级稳压电路和所述AD采集电路之间，用于将所述第一电压转换为适用于所述AD采集电路的第三电压。

在一个实施例中，所述CAN总线数据发送单元进一步包括：CAN收发器，其与所述处理单元耦接，用于接收所述处理单元发送的处理结果；至少两个CAN接口，其连接在所述CAN收发器和CAN总线之间。

在一个实施例中，所述待测部件为悬架。

与现有技术相比，本发明的一个或多个实施例可以具有如下优点：

本发明的动态位移采集系统实现了车辆某部件在整车中的特性测量，而不是将该部件作为独立部件测量，这样考虑到了部件安装到车辆上后的形变，从而采集到的位移数据更加准确。并且本系统通过CAN总线数据发送单元，可将计算后的位移数据实时在CAN总线上共享，方便车辆或其他CAN总线设备读取该位移数据以为后期车辆维护提供准确数据。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明一实施例的动态位移采集设备的结构示意图；

图2是根据本发明一实施例的多路模拟输入单元11中一路模拟输入单元的部分电路图；

图3是根据本发明一实施例的传输模式下微处理器132对所接收的数字信号处理的方法流程图；

图4是根据本发明一示例的测量车辆悬架动态位移的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明作进一步地详细说明。

本实施例的基于车载CAN总线的动态位移采集系统包括：安装于车辆待测部件上的多个传感器，以及与各个传感器连接的动态位移采集设备。其中，各个传感器在车辆的行驶过程中，对待测部件的动态位移信息进行采集，并且待测部件为可影响车辆操作稳定性的部件。

图1是根据本发明一实施例的动态位移采集设备的结构示意图。下面结合图1对该动态位移采集设备进行详细说明。

从图1可以看出，该动态位移采集设备主要包括多级电源管理单元10、多路模拟输入单元11、处理单元13以及CAN总线数据发送单元14。

具体地，多级电源管理单元10分别与多路模拟输入单元11和处理单元13连接，用于通过多级电压转换给多路模拟输入单元11和处理单元13供电。

为了实现这个功能，多级电源管理单元10进一步包括两级稳压电路102，其对车载电源101供给的电压进行两次降压以得到第一电压。在一个示例中，针对多数货车、重型车的蓄电池电源设计，可将车载电源101选择为24V车载电源，如果要将其应用在小型车辆上，则可以通过电源逆变的方式来使用24V的车载电源。由于电源的品质是保证电路和微处理器可靠的基础，因此，为了给处理单元13中的微处理器132和AD采集电路131提供上级电源，两级稳压电路102需要将电源电压经过两次降压，即从24V降到15V，然后从15V降到5V（第一电压）。

多级电源管理单元10还包括微处理器供电电路103以及AD精密稳压电路104。具体地，微处理器供电电路103连接在两级稳压电路102和微处理器132之间，将第一电压转换为适用于微处理器132的第二电压，而AD精密稳压电路104连接在两级稳压电路102和AD采集电路131之间，将第一电压转换为适用于AD采集电路131的第三电压。

在一个示例中，两级稳压电路102将经两次降压获取的5V电压分两路，分别通过微处理器供电电路103向微处理器132提供幅值为3.3V的稳压源，以及通过AD精密稳压电路104向AD采集电路131提供精确的3V参考电源。这样既保证了电源的可靠性，也使得两级稳压电路102的功耗较低。

对于多路模拟输入单元11来说，其与各个传感器连接，用于将多个传感器采集到的各路动态位移信息分别进行信号转换，并将转换后的信号发送出去。可以理解，每个传感器采集一路与车辆实时动态位移相关的信号。在一个例子中，多路模拟输入单元11优选为16路模拟输入单元，这样就可以实现同时采集多达16个汽车悬架变形量的数据。

由于通常重型车的体积较大，因此传感器优选为电流型传感器。与电压型传感器相比，电流型传感器可提供的长距离传输时稳定且抗干扰性强的电流信号。并且，由车载电源101为所采用的各个电流型传感器供电。

作为该实施例的动态位移采集系统的核心环节，多路模拟输入单元11的每一路进一步包括：输入转换电路111、RC滤波电路112以及输入保护电路113。根据待测部件位移测量的实际需要，可灵活选取一定数量的拉线传感器（图1中未示出，一种电流型传感器）来采集各路位移模拟信号。

详细地说，输入转换电路111包括与对应传感器连接的精密电阻，其通过精密电阻将从各个拉线传感器中获取的各路关于车辆实时动态位移的电流信号分别转换为对应的电压信号。之后，与输入转换电路111耦接的RC滤波电路112对经过流保护后的电压信号进行预处理，滤除其中的干扰信号。分别与输入转换电路111和RC滤波电路112耦接的输入保护电路113用于保证输入转换电路111中信号的稳定性，并对RC滤波电路112输出的电压信号进行钳位处理，以避免该电压信号过压。经过处理的电压信号与AD精密稳压电路104一起保证了AD采集的准确可靠，以对后续动态位移进行精确计算。

所谓精密电阻，举例而言，对1欧姆以上阻值的电阻，与标识阻值相比±0.5%以内阻值误差的电阻可称为精密电阻，更高精密的可以做到0.01%精度。1欧姆以下阻值的电阻，一般能达到±1%精密度之内，就算做精密电阻范畴。当然，更高精密的可以做到±0.5%以内，但工艺要求，技术要求较高。本实施例通过使用精密电阻，保证了转换后的电压信号的精确性。

图2为多路模拟输入单元11中一路模拟输入单元的RC滤波电路112与输入保护电路113的电路图。

参考图2可知，RC滤波电路112包括一电阻RR0和一电容CC0，优选地，该电阻RR0的阻值为1KΩ，电容CC0的大小为0.1μF。输入保护电路113为箝位二极管电路，其包括两个分别与RC滤波电路112连接的二极管PN0和PN1。具体地，在接收到输入转换电路111获取的电压信号V0后，RC滤波电路112对该电压信号进行滤波处理。RC滤波电路112分别与箝位二极管PN1的阳极A和箝位二极管PN0的阴极K连接。钳位二极管电路以对经RC电路112滤波后的电压信号进行钳位处理，然后得到作为处理单元13输入的ADC-INO信号。而且，PN1的阴极K与高电平VCC33（3.3V）连接，PN0的阳极A接地。在一个示例中，高电压箝位为4V，而低电压钳位在-0.7V。

处理单元13，其与多路模拟输入单元11连接，用于接收多路模拟输入单元11发送的各路信号，对所接收的信号进行数字化处理，并将处理后的信号发送出去。处理单元13包括AD采集电路131和微处理器132。具体地，AD采集电路131与输入保护电路113耦接，将所接收的各路电压信号分别转换为设定位数的数字信号，在一个示例中，设定位数为12。微处理器132则与AD采集电路131耦接，初始化设定数量的各路的DMA缓冲，使各路DMA缓冲依次接收各路设定位数的数字信号，在一路DMA缓存已满时，根据不同模式对该数字信号进行不同处理，将处理结果转换为可在CAN总线上传输的数据格式，并发送出去。在多路模拟输入单元11为16路模拟输入单元时，该处理单元可优选为STM32系列的支持16路AD采集和CAN总线通信的高效率低功耗处理芯片。

在一个示例中，上述模式包括两种：传输模式和计算模式。其中，传输模式相比于计算模式不需要计算出实际的位移值，而将AD值直接发送，因此具有更高的运行速度。而计算模式中计算出了实际采集的位置值，虽然运行速度相对较慢，但可减少后续需要调用该位移值的设备的运算量。

图3是在传输模式下微处理器132对所接收的数字信号进行处理的方法流程图。下面结合图3对这种方法进行详细说明。

首先，在步骤S210中，初始化AD采集电路131上与电流传感器个数对应的各个传输通道，并且初始化微处理器132上同样数量的DMA传输通道。此外，还初始化CAN总线数据发送单元14的CAN接口。

然后，在步骤S220中，AD采集电路131采集多路模拟输入单元11输出的各路模拟信号，并将其转换成各路设定位数的数字信号，并且各个DMA缓冲依次接收各路设定位数的数字信号。

进一步地，在步骤S230中，微处理器132判断是否至少一路DMA缓存所存储的数据已满，若已满，则在步骤S240中，微处理器132将存储数据已满的每路DMA缓冲中的数字信号打包成设定格式的CAN数据帧，并将CAN数据帧发送出去，否则返回步骤S220继续接收相应的数字信号。此外，DMA缓冲在将所存储的数字信号发送出去后，也返回步骤S220继续接收相应的数字信号。

在另一种计算模式中，微处理器132通过以下公式计算动态位移值：

$y=\left(\frac{\mathrm{FS}}{I_{\max }-I_{\min }}\right)(\frac{V_{\mathrm{ref}}}{2^n-1R}\·x-I_{\min })$

其中，I_max为拉线传感器输出的直流电流的最大值，I_min为拉线传感器输出的直流电流的最小值，R为精密电阻阻值，V_ref为参考电压，n为数字信号的设定位数，x为AD采集电路131输出的数据，FS为传感器的最大量程。在得到该动态位移值后，微处理器132将该动态位移值转换为可在CAN总线上传输的数据格式，并发送出去。

根据上述公式可计算出AD采集电路131采集得到的AD值所对应的位移传感器的长度。位移传感器为模拟信号，且AD采集电路131的采集频率非常高，微处理器中可以设置采集后的数据的CAN总线ID值和波特率，对于不同的采集频率和总线波特率都能够兼容。

在采用支持16路AD采集的处理单元时，目前的位移采集精度为0.001m。当然，本领域技术人员根据需要可以通过选用更高采集位数的ADC（高于12位，目前是12位分辨率的ADC）或更高精度的AD参考电压源和精密电阻等，就可以获得更高精度的数据值。

CAN总线数据发送单元14与处理单元13连接，用于接收处理单元13发送的数据，并通过CAN总线将该数据共享至车载网络。CAN总线数据发送单元14进一步包括CAN收发器141和至少两个CAN接口。CAN收发器141与微处理器132耦接，用于接收微处理器132发送的处理结果（比如，CAN数据帧），而CAN接口则连接在所述CAN收发器141和CAN总线之间。在一个示例中，CAN接口分别为DB9/F-CAN接口142和DB9/M-CAN接口143。这两个CAN接口与CAN总线连接，以将CAN数据帧共享至车载网络。采用冗余的一公一母双DB9-CAN接口，可根据需要匹配接口接入车载CAN总线上，并设计了终端电阻的开关电路，保障CAN总线通信的可靠实施。在一个例子中，CAN收发器141可以采用功能集成的CTM8251T芯片。

由于车辆的悬架对车辆的操作稳定性影响最为深远，因此在实际进行测量时，可优选悬架作为待测部件进行位移采集。容易理解，本实施例的系统并不仅仅局限于测量悬架位移，还可以测量悬架变形频率、车身振动位移和频率以及其他与车辆部件相关的变形量。

而且，由于上述采集设备具有完善的电路保护设计、CAN接口冗余设计、模拟电流型位移传感器匹配和多波特率CAN总线网络适应等功能，保障了位移采集过程的可靠性和牢固性，并有效地克服不同车型的悬架距离造成的信号干扰问题。

示例

为了进一步理解本发明，下面结合图4对一示例进行说明。

图4是根据本发明一示例的测量车辆悬架20动态位移的示意图。

在本示例中，高精度动态位移采集设备23用于测量汽车底盘某车轴的独立悬架20形变量，即位移量。当然，在其他示例中，高精度动态位移采集器23也可动态测量其他类型的位移变量。在待测量悬架弹簧22之上安装固定拉线位移传感器21。拉线位移传感器21将拉线的长度转变为电流信号。在悬架弹簧22的一端固定好拉线位移传感器21，在另一端固定好拉线，在弹簧变化时，拉动拉线变化，进而引起拉线位移传感器21的输出电流变化。

多个位移传感器通过电缆及航空接插件和高精度动态位移采集设备23连接，而高精度动态位移采集设备23则通过DB9-CAN接口24将采集到的各路动态位移信息发送到CAN总线上。

由于位移传感器与采集设备分离，便于将位移传感器灵活安装在各个悬架位置，免去了拆解悬架的过程，同时也更加真实地反映悬架与整车其他部件作用过程下的变形量信息，对测量而言具有重要的实际意义。

作为测量核心，高精度动态位移采集设备23放置在车上固定位置，由车载电源供电（DC24V），同时通过电缆给每个安装在悬架弹簧22处的位移传感器供电并采集电流输入，经过高精度动态位移采集设备23中诸多子单元处理之后，将采集的位移变化数据，动态传输到车载CAN总线上。

高精度动态位移采集设备23发送CAN总线数据。由于CAN总线具有仲裁机制，因此保障了重要的数据帧ID可以及时让所有节点采集到，且信号传输距离远，稳定抗干扰，可以在总线上的任何一个节点获取到，波特率和总线的波特率一致，并可通过CAN总线ID识别出所采集的位移信息。所采集到的动态位移结果可以用于悬架20的调节，也可以存储后用于悬架20的动态数据分析。

利用CAN总线通信，能够在车辆实际运行过程中，进行悬架变形量的采集，既不用专门模拟悬架与其他部件的作用，又能精确测量悬架的动态响应。

综上所述，本实施例的基于车载CAN总线的动态位移采集系统通过采用传感器，将车辆某部件的位移作为整车的一部分进行测量，而不是将该部件作为独立部件测量，这样考虑到了部件安装到车辆上后的形变，从而采集到的位移数据更加准确，并且本系统通过CAN总线数据发送单元，可将处理单元计算后的位移数据实时在CAN总线上共享，方便车辆或其他CAN总线设备读取该位移数据以为车辆后期维护等操作提供准确数据。

虽然，本发明的实施例主要针对位移量的动态测量，因为动态所以也可以分析出频率响应并且通过CAN总线进行数据共享，所以该系统不仅仅适用于车上的位移量，其他的领域也可以应用。

以上所述，仅为本发明的具体实施案例，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术的技术人员在本发明所述的技术规范内，对本发明的修改或替换，都应在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种基于车载CAN总线的动态位移采集系统，包括：

安装于车辆待测部件上的多个传感器，各个传感器在车辆的行驶过程中，对待测部件的动态位移信息进行采集，所述待测部件为影响车辆操作稳定性的部件；

与所述各个传感器连接的动态位移采集设备，该设备包括：

多路模拟输入单元，其与各个传感器连接，用于将多个传感器采集到的各路动态位移信息分别进行信号转换，并将转换后的信号发送出去；

处理单元，其与所述多路模拟输入单元连接，用于接收所述多路模拟输入单元发送的各路信号，对所接收的信号进行数字化处理，并将处理后的信号发送出去；

CAN总线数据发送单元，其与所述处理单元连接，用于接收所述处理单元发送的数据，并通过CAN总线将该数据共享至车载网络。

2.根据权利要求1所述的动态位移采集系统，其特征在于，所述多路模拟输入单元的每一路进一步包括：

输入转换电路，其包括与对应传感器连接的精密电阻，以将从该传感器中获取的关于车辆实时动态位移的电流信号转换为对应的电压信号；

RC滤波电路，其与所述输入转换电路耦接，并对所述输入转换电路输出的电压信号进行预处理，滤除其中的干扰信号；

输入保护电路，其分别与所述输入转换电路和RC滤波电路耦接，以保证所述输入转换电路中信号的稳定性，并对所述RC滤波电路输出的电压信号进行钳位处理，以避免所述电压信号过压。

3.根据权利要求2所述的动态位移采集系统，其特征在于，所述输入保护电路为箝位二极管电路，其包括两个分别与所述RC滤波电路连接的箝位二极管。

4.根据权利要求3所述的动态位移采集系统，其特征在于，所述传感器为电流型传感器。

5.根据权利要求4所述的动态位移采集系统，其特征在于，所述处理单元进一步包括：

AD采集电路，其与所述输入保护电路耦接，用于将所接收的各路电压信号分别转换为设定位数的数字信号；

微处理器，其与所述AD采集电路耦接，初始化设定数量的各路的DMA缓冲，使各路DMA缓冲依次接收各路设定位数的数字信号，在一路DMA缓存已满时，根据不同模式对所述数字信号进行不同处理，将处理结果转换为可在CAN总线上传输的数据格式，并发送出去。

6.根据权利要求5所述的动态位移采集系统，其特征在于，

在所述模式为传输模式时，所述微处理器将缓存已满的DMA缓冲中的数字信号以设定格式的CAN数据帧进行发送。

7.根据权利要求5所述的动态位移采集系统，其特征在于，

在所述模式为计算模式时，所述微处理器通过以下公式计算动态位移值：

$y=\left(\frac{\mathrm{FS}}{I_{\max }-I_{\min }}\right)(\frac{V_{\mathrm{ref}}}{2^n-1R}\·x-I_{\min })$

其中，I_max为所述电流型传感器输出的直流电流的最大值，I_min为所述电流型传感器输出的直流电流的最小值，R为精密电阻的阻值，V_ref为参考电压，n为数字信号的设定位数，x为所述AD采集电路输出的数据，FS为传感器的最大量程。

8.根据权利要求5所述的动态位移采集系统，其特征在于，还包括：

多级电源管理单元，其分别与所述多路模拟输入单元和处理单元连接，用于通过多级电压转换给多路模拟输入单元和处理单元供电。

9.根据权利要求8所述的动态位移采集系统，其特征在于，所述多级电源管理单元进一步包括：

两级稳压电路，其对车载电源供给的电压进行两次降压以得到第一电压；

微处理器供电电路，其连接在所述两级稳压电路和所述微处理器之间，用于将所述第一电压转换为适用于所述微处理器的第二电压；

AD精密稳压电路，其连接在所述两级稳压电路和所述AD采集电路之间，用于将所述第一电压转换为适用于所述AD采集电路的第三电压。

10.根据权利要求3所述的动态位移采集系统，其特征在于，所述CAN总线数据发送单元进一步包括：

CAN收发器，其与所述处理单元耦接，用于接收所述处理单元发送的处理结果；

至少两个CAN接口，其连接在所述CAN收发器和CAN总线之间。

11.根据权利要求1-10任一项所述的动态位移采集系统，其特征在于，所述待测部件为悬架。

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