CN105681435B - 一种基于大学生方程式赛车的整车通信系统的实现方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于大学生方程式赛车的整车通信系统的实现方法,包括:确定本次纯电动赛车需要采集的数据;根据需求确定使用CAN总线通信的模块;CAN总线优先级的制定:制定各个模块的协议标识符ID;CAN总线协议的制定,根据使用要求,定制总线协议;CAN通信程序开发设计;CAN总线通信测试及分析。
Description
技术领域
本发明涉及大学生电动方程式赛车的整车通信的方法。
背景技术
Formula SAE(FSAE)是一项面向大学生的综合性工程教育赛事,由国际汽车工程师学会(SAE International)于1978年开办,赛事遍及全世界15个国家。赛前车队通常用8至12个月的时间设计、建造、测试和准备赛车,预期做出一辆制成本低廉、易于维修、可靠性好同时美观、舒适,零部件也有通用性的赛车。现已成为具有全球影响力的世界性大学生工程设计竞赛,被誉为“学术界的F1”。
中国大学生方程式汽车大赛(FSC):
中国在2010年引入这一国际赛事,国内大学与相关行业人士积极参与其中。比赛要求各参赛队按照赛事规则和赛车制造标准,自行设计和制造方程式类型的小型单人座休闲赛车,并携该车参加全部或部分赛事环节。比赛过程中,参赛队伍不仅要阐述设计理念,还要由评审裁判对该车进行若干项性能测试项目。
现有的其他车队的电动赛车,多采用单电机驱动方案,设计上基于现有技术,与国外赛车相比性能均不是十分优秀,也未取得较好成绩,因此造一辆具有前瞻性方案,性能优越的赛车是当务之急。我校赛车虽是第一年造车及参赛,却前瞻性地采用了国内少见的双电机驱动动力总成方案,独立开发了整车通信系统,具备创新性和技术性,将具备一定竞争力。
一般的整车通信方法都是用于商业化的整车生产上面,而我们是要求独立自主的设计建造一辆双电机后轮驱动的赛车,所以一般的整车上的通信技术不适用与赛车设计上面,原因有两点:一是整车的通信技术是由专业的生产厂商所生产,很难从厂商那里直接买过来,厂商不愿意为电动赛车专门设计一套通信方案,二是一般整车上用的通信技术及方案是非常复杂的,而且包含了许多电动赛车上不需要用到的功能,而且如果直接从厂商那里买来也不能直接应用,而是要经过修改,但是修改的难度很大,厂商是一体开发研究的,修改起来几乎就相当于从新设计,所以不适用与电动赛车上。
发明内容
本发明要克服现有技术缺乏适用于电动赛车的通讯技术的缺点,提供一种基于大学生方程式赛车的整车通信系统的实现方法。
本发明设计了方程式电动赛车的整车通信网络,基于CAN总线网络通信协议规范,制定CAN总线通信的应用层协议,使用图形化编程软件LabVIEW设计编写总线通信程序。该设计简单实用,且完全满足电动赛车的使用要求,也更加适合电动赛车的设计目标,而且升级更新方便,可以为我们下一年的通信方案留下足够大的升级空间。
一种基于大学生方程式赛车的整车通信系统的实现方法,所述方法包括以下步骤:
(1)首先,确定本次纯电动赛车需要采集的数据,即确定整车需要配置的所有传感器以及数量。
(2)根据需求确定使用CAN总线通信的模块包括整车控制器、电池管理器、电机控制器、方向盘转角传感器和三轴加速度&陀螺仪这5类模块。
(3)CAN总线优先级的制定,具体步骤如下:
(3.1)首先整车控制器作为整车的控制中心,为了能够进行整车的协调控制,必须要具备整个通信网络的最高优先级,所以把控制器设定为最高优先级。
(3.2)其次是电池管理器,作为整车的能量来源,同时具有较高的输出电压和输出电流,具有一定的危险性,所以必须要让驾驶员时时刻刻知道电池的运行状况,以便能在危险发生时,及时进行处理。
(3.3)然后是整车的动力系统控制中心——电机控制器。在接收到整车控制器的命令之后,必须要在短时间内对电机进行操控,以达到相应的运行要求。同时,电机控制器要与整车控制器进行实时通信,使得驾驶员能对电机的运转状况有着详细的了解。
(3.4)根据赛事规则的要求,对整车的制动可靠性有着极高的要求,因此,定义了优先级从高到低的顺序依次为制动油压传感器、方向盘转角传感器、车轮转速传感器、三轴加速度传感器、陀螺仪角速度、陀螺仪角位移。
(4)制定各个模块的协议标识符ID(接收和发送)
(5)CAN总线协议的制定,根据使用要求,定制总线协议。
(6)CAN通信程序开发设计,具体步骤如下:
(6.1)、CAN总线接收程序的开发设计开发流程说明:
(S1)在每一次应用程序的使用之前,必须要对CAN网络进行对象配置,包括哪个接口,波特率等等初始参数。通过ncConfigCANNet.vi这个子程序对每个目标对象进行配置。
(S2)当配置好所有的对象之后,只有通过ncOpen.vi这个子程序打开对象,这个函数接收一个对象名称之后,返回一个后续调用NI-CAN函数的句柄。
(S3)之前的两步操作为使用CAN通信的必要操作,目的是配置好CAN总线交互界面,之后,CAN总线上的通信数据将会开始通信。
(S4)在通信开始后,整车控制器将会接收到CAN总线上的数据,然后通过ncGetAttr.vi子程序获取对象属性,开始接收数据。
(S5)在接收到数据之后,需要通过一个子程序ncReadNetMult.vi开始读取数据,并对数据进行解读。
(S6)最后,当完成CAN设备的访问之后,需要使用ncClose.vi子程序关闭对象接口,同时,显示在通信过程中出现的错误。
(6.2)、CAN总线数据处理程序,当总线接收到数据之后,数据帧仍然以簇的形式存在,因此,需要先按名称将簇解绑之后,提取出簇中对应的各项内容,包括时间标志、帧ID、帧类型、数据长度以及数据字节,然后才能够开始进行数据的翻译。
(6.3)、CAN总线发送程序,CAN总线发送程序与CAN总线接收程序流程基本相同,仍旧需要先进行配置对象以及打开对象。由于是事件触发型,因此需要先进行判断是否需要写数据,当需要写数据时,则通过子程序ncWriteNet.vi写入数据或者发送远程帧,最后,当数据帧发送完成之后,关闭对象并显示错误。
(7)、CAN总线通信测试及分析
(7.1)、CAN通信网络的硬件连接,CAN通信网络中,整车控制器上的硬件主要为NI-9853高速CAN模块,双端口高速CAN模块,端口1为内部供电,端口2为外接供电。且能以1Mb/s的速率发射/接收所有总线载荷。在CAN通信网络中,传输线缆的形势对CAN通信传输也有很大的影响。通常,CAN总线采用差分信号传输方式,以双绞线作为物理层,需要有2根线作为差分信号线(CAN_H、CAN_L)。如果使用屏蔽双绞线,屏蔽层应被连接到CAN_Shield或外壳。
(7.2)、CAN通信测试,本次纯电动赛车的CAN通信测试主要是在PC端进行检测,因此,需要一款USB-CAN的总线适配器。本次选取的是CANalyst-II分析仪,这款分析仪带有USB2.0接口和2路CAN接口的CAN分析仪,具备CAN总线协议分析功能,支持SAE J1939、DeviceNet、CANopen、iCAN以及自定义高级协议分析功能。采用该接口适配器,PC可以通过USB接口连接一个标准CAN网络,应用于构建现场总线测试实验室、工业控制、智能楼宇、汽车电子等领域中,进行数据处理、数据采集、数据通讯。按照要求将各个模块挂接到总线上,实物连接。同时,通过USB接口将CANalyst-II分析仪连接到电脑,设置传输速率为500kbps(整车通信速率),点击启动设备,便可以开始进行CAN通信测试。
(7.3)、存储的CAN接收文件中,一共有八千多帧数据帧,数据量庞大,不可能进行一一分析,而且不必要进行如此耗时的工作,因为每个周期内,能够接收所有发送的数据帧。所以,从中随意截取3个周期的数据进行分析,便能够满足分析要求。先对每个传输周期进行检查,是否出现数据帧未传输的情况。检查结果未发现有数据帧丢失。再对传输数据进行校验,3个周期内数据传输均没有错误。最后观察数据传输顺序,发现并不是按照优先级高的数据先进行传输。分析其原因为在刚开始供电时,每个传感器的上电时间不同,这时候,最先供电的传感器先发送数据帧,所以传感器的上电时间决定了数据帧的发送顺序。又由于总线的负载率较低,且传感器数量较少,因此,需要总线对优先级判别的情况不常见,所以在一定的总线传输周期内,各个传感器的传输时间也已经固定,也就基本形成了上述的数据帧传输顺序。
本发明有以下优点:该方案简单实用,且完全满足电动赛车的使用要求,也更加符合电动赛车的设计目标,而且升级更新方便,可以为通信方案改进留下足够大的升级空间,成本低,适合大学生这个群体进行研发设计,可以进行快速检测,维护简便。
附图说明
图1本发明所用系统的CAN总线的物理连接
图2本发明所用系统的整车CAN总线拓扑图
图3本发明所用系统的前轮齿轮盘参数
图4本发明所用系统的CAN总线接收程序流程图
图5本发明所用系统的CAN总线接收程序框图
图6本发明所用系统的CAN总线接收程序的前面板
图7本发明的CAN数据翻译程序框图
图8本发明的CAN总线发送程序流程图
图9本发明的CAN总线发送程序的程序框图
图10本发明的CAN总线发送程序的前面板
图11本发明的CAN电缆的剖析与连接
图12本发明的PC端CAN接收界面
具体实施方法
下面结合附图进一步说明本发明。
下面对本发明的系统以表格形式进行说明。
表1传感器的选型
名称 | 型号 | 数量 | 安装位置 |
陀螺加速度计 | GY-521MPU-6050 | 1 | 整车质心 |
方向盘转角传感器 | Bourns 6004-006 | 1 | 方向盘转向柱 |
轮速传感器 | M8电感式接近开关,PNP常开 | 4 | 前轮转向节 |
制动油压传感器 | QY240 | 1 | 前后制动油路 |
加速踏板传感器 | ZQ-80002288 | 1 | 加速踏板转轴 |
表2各个模块的协议标识符ID
表3电池管理系统电池组CAN协议
表4电池组单体电池以及故障信息
表5方向盘转角传感器参数
名称 | 非接触式转角传感器 |
型号 | 6004-006 |
角度范围 | ±780° |
分辨率 | 0.1° |
精度 | ±2° |
转角速度范围 | ±2000°/s |
分辨率 | 4°/s |
输出信号 | CAN 2.0A |
传输速率 | 500kbit/s |
发送周期 | 10ms |
供电电压 | 8~18VDC |
电流消耗 | 50mA(无需静态电流) |
温度范围 | -40~85℃ |
表6方向盘转角传感器校准CAN协议
表7方向盘转角传感器发送CAN协议
表8陀螺加速度计详细参数
表9三轴加速度CAN协议
表10陀螺仪角速度CAN协议
表11陀螺仪角位移CAN协议
表12轮速传感器详细参数
表13任意3个周期数据
一种基于大学生方程式赛车的整车通信系统的实现方法,所述方法包括以下步骤:
(1)首先,确定本次纯电动赛车需要采集的数据,即确定整车需要配置的所有传感器以及数量。
(2)根据需求确定使用CAN总线通信的模块包括整车控制器、电池管理器、电机控制器、方向盘转角传感器和三轴加速度&陀螺仪这5类模块。
(3)CAN总线优先级的制定,具体步骤如下:
(3.1)首先整车控制器作为整车的控制中心,为了能够进行整车的协调控制,必须要具备整个通信网络的最高优先级,所以把控制器设定为最高优先级。
(3.2)其次是电池管理器,作为整车的能量来源,同时具有较高的输出电压和输出电流,具有一定的危险性,所以必须要让驾驶员时时刻刻知道电池的运行状况,以便能在危险发生时,及时进行处理。
(3.3)然后是整车的动力系统控制中心——电机控制器。在接收到整车控制器的命令之后,必须要在短时间内对电机进行操控,以达到相应的运行要求。同时,电机控制器要与整车控制器进行实时通信,使得驾驶员能对电机的运转状况有着详细的了解。
(3.4)根据赛事规则的要求,对整车的制动可靠性有着极高的要求,因此,定义了优先级从高到低的顺序依次为制动油压传感器、方向盘转角传感器、车轮转速传感器、三轴加速度传感器、陀螺仪角速度、陀螺仪角位移。
(4)制定各个模块的协议标识符ID(接收和发送)
(5)CAN总线协议的制定,根据使用要求,定制总线协议。
(6)CAN通信程序开发设计,具体步骤如下:
(6.1)CAN总线接收程序的开发设计开发流程说明:
(S1)在每一次应用程序的使用之前,必须要对CAN网络进行对象配置,包括哪个接口,波特率等等初始参数。通过ncConfigCANNet.vi这个子程序对每个目标对象进行配置。
(S2)当配置好所有的对象之后,只有通过ncOpen.vi这个子程序打开对象,这个函数接收一个对象名称之后,返回一个后续调用NI-CAN函数的句柄。
(S3)之前的两步操作为使用CAN通信的必要操作,目的是配置好CAN总线交互界面,之后,CAN总线上的通信数据将会开始通信。
(S4)在通信开始后,整车控制器将会接收到CAN总线上的数据,然后通过ncGetAttr.vi子程序获取对象属性,开始接收数据。
(S5)在接收到数据之后,需要通过一个子程序ncReadNetMult.vi开始读取数据,并对数据进行解读。
(S6)最后,当完成CAN设备的访问之后,需要使用ncClose.vi子程序关闭对象接口,同时,显示在通信过程中出现的错误。
(6.2)、CAN总线数据处理程序,当总线接收到数据之后,数据帧仍然以簇的形式存在,因此,需要先按名称将簇解绑之后,提取出簇中对应的各项内容,包括时间标志、帧ID、帧类型、数据长度以及数据字节,然后才能够开始进行数据的翻译。
(6.3)、CAN总线发送程序,CAN总线发送程序与CAN总线接收程序流程基本相同,仍旧需要先进行配置对象以及打开对象。由于是事件触发型,因此需要先进行判断是否需要写数据,当需要写数据时,则通过子程序ncWriteNet.vi写入数据或者发送远程帧,最后,当数据帧发送完成之后,关闭对象并显示错误。
(7)、CAN总线通信测试及分析
(7.1)、CAN通信网络的硬件连接,CAN通信网络中,整车控制器上的硬件主要为NI-9853高速CAN模块,双端口高速CAN模块,端口1为内部供电,端口2为外接供电。且能以1Mb/s的速率发射/接收所有总线载荷。在CAN通信网络中,传输线缆的形势对CAN通信传输也有很大的影响。通常,CAN总线采用差分信号传输方式,以双绞线作为物理层,需要有2根线作为差分信号线(CAN_H、CAN_L)。如果使用屏蔽双绞线,屏蔽层应被连接到CAN_Shield或外壳。
(7.2)、CAN通信测试,本次纯电动赛车的CAN通信测试主要是在PC端进行检测,因此,需要一款USB-CAN的总线适配器。本次选取的是CANalyst-II分析仪,这款分析仪带有USB2.0接口和2路CAN接口的CAN分析仪,具备CAN总线协议分析功能,支持SAE J1939、DeviceNet、CANopen、iCAN以及自定义高级协议分析功能。采用该接口适配器,PC可以通过USB接口连接一个标准CAN网络,应用于构建现场总线测试实验室、工业控制、智能楼宇、汽车电子等领域中,进行数据处理、数据采集、数据通讯。按照要求将各个模块挂接到总线上,实物连接。同时,通过USB接口将CANalyst-II分析仪连接到电脑,设置传输速率为500kbps(整车通信速率),点击启动设备,便可以开始进行CAN通信测试。
(7.3)、存储的CAN接收文件中,一共有八千多帧数据帧,数据量庞大,不可能进行一一分析,而且不必要进行如此耗时的工作,因为每个周期内,能够接收所有发送的数据帧。所以,从中随意截取3个周期的数据进行分析,便能够满足分析要求。先对每个传输周期进行检查,是否出现数据帧未传输的情况。检查结果未发现有数据帧丢失。再对传输数据进行校验,3个周期内数据传输均没有错误。最后观察数据传输顺序,发现并不是按照优先级高的数据先进行传输。分析其原因为在刚开始供电时,每个传感器的上电时间不同,这时候,最先供电的传感器先发送数据帧,所以传感器的上电时间决定了数据帧的发送顺序。又由于总线的负载率较低,且传感器数量较少,因此,需要总线对优先级判别的情况不常见,所以在一定的总线传输周期内,各个传感器的传输时间也已经固定,也就基本形成了上述的数据帧传输顺序。
Claims (1)
1.一种基于大学生方程式赛车的整车通信系统的实现方法,所述方法包括以下步骤:
(1)确定本次纯电动赛车需要采集的数据,即确定整车需要配置的所有传感器以及数量;
(2)根据需求确定使用CAN总线通信的模块包括整车控制器、电池管理器、电机控制器、方向盘转角传感器和三轴加速度&陀螺仪这5类模块;
(3)CAN总线优先级的制定,具体步骤如下:
(3.1)、首先整车控制器作为整车的控制中心,为了能够进行整车的协调控制,必须要具备整个通信网络的最高优先级,所以把控制器设定为最高优先级;
(3.2)、其次是电池管理器,作为整车的能量来源,同时具有较高的输出电压和输出电流,具有一定的危险性,所以必须要让驾驶员时时刻刻知道电池的运行状况,以便能在危险发生时,及时进行处理;
(3.3)、然后是整车的动力系统控制中心——电机控制器;在接收到整车控制器的命令之后,必须要在短时间内对电机进行操控,以达到相应的运行要求;同时,电机控制器要与整车控制器进行实时通信,使得驾驶员能对电机的运转状况有着详细的了解;
(3.4)、根据赛事规则的要求,对整车的制动可靠性有着极高的要求,因此,定义了优先级从高到低的顺序依次为制动油压传感器、方向盘转角传感器、车轮转速传感器、三轴加速度传感器、陀螺仪角速度、陀螺仪角位移;
(4)制定各个在接收和发送时的模块的协议标识符ID;
(5)CAN总线协议的制定,根据使用要求,定制总线协议;
(6)CAN通信程序开发设计,具体步骤如下:
(6.1)、CAN总线接收程序的开发设计开发流程说明:
(S1)在每一次应用程序的使用之前,必须要对CAN网络进行对象配置,包括哪个接口,波特率的初始参数;通过ncConfigCANNet.vi这个子程序对每个目标对象进行配置;
(S2)当配置好所有的对象之后,只有通过ncOpen.vi这个子程序打开对象,这个函数接收一个对象名称之后,返回一个后续调用NI-CAN函数的句柄;
(S3)之前的两步操作为使用CAN通信的必要操作,目的是配置好CAN总线交互界面,之后,CAN总线上的通信数据将会开始通信;
(S4)在通信开始后,整车控制器将会接收到CAN总线上的数据,然后通过ncGetAttr.vi子程序获取对象属性,开始接收数据;
(S5)在接收到数据之后,需要通过一个子程序ncReadNetMult.vi开始读取数据,并对数据进行解读;
(S6)最后,当完成CAN设备的访问之后,需要使用ncClose.vi子程序关闭对象接口,同时,显示在通信过程中出现的错误;
(6.2)、CAN总线数据处理程序,当总线接收到数据之后,数据帧仍然以簇的形式存在,因此,需要先按名称将簇解绑之后,提取出簇中对应的各项内容,包括时间标志、帧ID、帧类型、数据长度以及数据字节,然后才能够开始进行数据的翻译;
(6.3)、CAN总线发送程序,CAN总线发送程序与CAN总线接收程序流程基本相同,仍旧需要先进行配置对象以及打开对象;由于是事件触发型,因此需要先进行判断是否需要写数据,当需要写数据时,则通过子程序ncWriteNet.vi写入数据或者发送远程帧,最后,当数据帧发送完成之后,关闭对象并显示错误;
(7)CAN总线通信测试及分析
(7.1)、CAN通信网络的硬件连接,CAN通信网络中,整车控制器上的硬件主要为NI-9853高速CAN模块,双端口高速CAN模块,端口1为内部供电,端口2为外接供电;且能以1Mb/s的速率发射/接收所有总线载荷;在CAN通信网络中,传输线缆的形式对CAN通信传输也有很大的影响;通常,CAN总线采用差分信号传输方式,以双绞线作为物理层,需要有2根线作为差分信号线(CAN_H、CAN_L);如果使用屏蔽双绞线,屏蔽层应被连接到CAN_Shield或外壳;
(7.2)、CAN通信测试,本次纯电动赛车的CAN通信测试主要是在PC端进行检测,因此,需要一款USB-CAN的总线适配器;本次选取的是CANalyst-II分析仪,这款分析仪带有USB2.0接口和2路CAN接口的CAN分析仪,具备CAN总线协议分析功能,支持SAE J1939、DeviceNet、CANopen、iCAN以及自定义高级协议分析功能;采用该接口适配器,PC可以通过USB接口连接一个标准CAN网络,应用于构建现场总线测试实验室、工业控制、智能楼宇、汽车电子等领域中,进行数据处理、数据采集、数据通讯;按照要求将各个模块挂接到总线上,实物连接;同时,通过USB接口将CANalyst-II分析仪连接到电脑,设置传输速率为500kbps(整车通信速率),点击启动设备,便可以开始进行CAN通信测试;
(7.3)、存储的CAN接收文件中,一共有八千帧数据帧,数据量庞大,不可能进行一一分析,而且不必要进行如此耗时的工作,因为每个周期内,能够接收所有发送的数据帧;所以,从中随意截取3个周期的数据进行分析,便能够满足分析要求;先对每个传输周期进行检查,是否出现数据帧未传输的情况;检查结果未发现有数据帧丢失;再对传输数据进行校验,3个周期内数据传输均没有错误;最后观察数据传输顺序,发现并不是按照优先级高的数据先进行传输;分析其原因为在刚开始供电时,每个传感器的上电时间不同,这时候,最先供电的传感器先发送数据帧,所以传感器的上电时间决定了数据帧的发送顺序;又由于总线的负载率较低,且传感器数量较少,因此,需要总线对优先级判别的情况不常见,所以在一定的总线传输周期内,各个传感器的传输时间也已经固定,也就基本形成了上述的数据帧传输顺序。
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CN201610056303.4A CN105681435B (zh) | 2016-01-27 | 2016-01-27 | 一种基于大学生方程式赛车的整车通信系统的实现方法 |
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Publication Number | Publication Date |
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CN105681435A CN105681435A (zh) | 2016-06-15 |
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CN201610056303.4A Active CN105681435B (zh) | 2016-01-27 | 2016-01-27 | 一种基于大学生方程式赛车的整车通信系统的实现方法 |
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CN113031573A (zh) * | 2021-04-16 | 2021-06-25 | 张瀚祺 | 基于互联网的fsac无人赛车数据采集监控系统 |
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CN103640534A (zh) * | 2013-12-19 | 2014-03-19 | 西华大学 | 学生方程式纯电动赛车的整车控制系统 |
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基于大学生方程式赛车整车控制器的开发;张奎;《电子世界》;20151103(第19期);60-62 * |
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GR01 | Patent grant | ||
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