CN203340099U

CN203340099U - 车辆性能数据采集系统

Info

Publication number: CN203340099U
Application number: CN2013204224731U
Authority: CN
Inventors: 陶宇航; 郭孟琦; 崔管峰
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-07-16
Filing date: 2013-07-16
Publication date: 2013-12-11
Anticipated expiration: 2023-07-16

Abstract

本实用新型涉及汽车电子，公开了一种车辆性能数据采集系统，包括CAN总线，并设置有一个主控模块和N个数据采集模块，N为大于1的整数；主控模块中包括主控芯片、存储器和总线控制器，主控模块的存储器和总线控制器均与其主控芯片相连，数据采集模块中包括处理芯片、总线控制器和数据采集电路，数据采集模块的数据采集电路和总线控制器均与其处理芯片相连，各模块均通过其总线控制器同CAN总线相连。依托于CAN总线，节点数目无限，因此功能全面、可扩展性强且成本低，适用于车辆调试数据及行驶数据的记录，尤其是经费受限对成本敏感的领域，如科研院所及FSAE方程式赛车的开发调试。

Description

车辆性能数据采集系统

技术领域

本实用新型涉及汽车电子，特别涉及一种车辆性能数据采集系统。

背景技术

行驶记录仪是一种对车辆行驶状态信息，如：汽车发动机信号，车身信号，底盘悬挂信号及车内电器信号等，进行采集记录的装置。由于车辆行驶过程中环境可能很恶劣，振动及环境干扰均较大，并且不允许在系统故障时影响车辆基本行驶，所以对行驶记录仪的系统稳定性要求非常高。

在发展初期，行车记录系统为模拟纸盘机电式，需要将纸盘每天放入记录仪内进行打点记录，复杂繁琐而记录内容很少；到了二十一世纪初期，大部分国家开始推广电子行驶记录仪，并在中型以上客车中强制要求安装；事实上，在欧洲各国推广使用行驶记录仪后，在降低事故发生率，判定事故责任等方面发挥了重要的作用，截止2005年，欧盟已有500多万辆汽车安装行驶记录仪，交通事故发生率和死亡人数大幅降低。

另外，在车辆制造生产行业中，对车辆的调校分析在产品研发中占有非常重要的地位。一辆原型车设计生产出后，需要上路对动力系统，底盘悬挂系统，车内电器等进行数据分析调校，才能使整车性能达到最佳。传统上，此过程由人试车主观感觉进行调整，但此种方法主观因素较大，无法形成确切数据。因此，目前行驶记录仪除了用于对行车状态的记录外，也用于对车辆性能的校调。

目前，国内产品功能通常较少，市场上最为常见的是视频记录功能的行驶记录仪，此种型号用于在车辆前端进行录像对事故进行还原，在数据记录方面仅能记录车速时间等信息，难以做到全面数据分析，更难以灵活分析车辆及驾驶员表现。

而国外产品中，如：dSPACE公司的microautobox、Motec公司的赛车专用仪表等，功能较全，但其通常作为独立的动态性能测试的数据采集系统，价格昂贵，仅用于车辆的校调。具体的说，使用中，采用星形布线方式，以数据采集系统作为中心节点，对车辆性能进行监测的相关传感器直接与数据采集系统相连构成网络，也即众多的传感器均采用单独的线束与数据采集系统相连。而在整车中，传感器众多且分布较散，且在车辆校调时，除了车辆自身传感器外，还设置有众多的对车辆倾角等姿态进行监测的外挂传感器，从而导致行驶记录仪的接口、信道众多且复杂，维护不便，价格昂贵；并且由于使用的线束较多，也提升了使用成本。

CAN总线，CAN是Controller Area Network的缩写，中文称为控制器局域网络，由博世公司开发，其通过ISO11898及ISO11519进行了标准化，在欧洲已是汽车网络的标准协议。CAN总线的特点为：

一、对通信数据的成帧处理。CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。

二、可在各节点之间实现自由通信。CAN总线采用了多主竞争式总线拓扑结构，具有多主站运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信。

三、结构简单。采用差分式信号，只通过两根线与外部相连，并且内部集成了错误探测和管理模块，在接收数据错误时可自动重发。

四、速率低于5Kbps时，通信距离最远可达10KM；通信距离小于40M时，速率可达到1Mbps。在汽车电子中，高速CAN总线信号通讯波特率通常为500Kbps。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提出一种车辆性能数据采集系统，其功能全面、可扩展性强且成本低。

本实用新型解决上述技术问题所采用的技术方案是：车辆性能数据采集系统，包括CAN总线，并设置有一个主控模块和N个数据采集模块，所述N为大于1的整数；所述主控模块中包括主控芯片、存储器和总线控制器，所述主控模块的存储器和总线控制器均与其主控芯片相连，所述数据采集模块中包括处理芯片、总线控制器和数据采集电路，所述数据采集模块的数据采集电路和总线控制器均与其处理芯片相连，所述主控模块和数据采集模块均通过其总线控制器经信号线同CAN总线相连。

进一步的，所述CAN总线采用对应车辆的CAN总线。

进一步的，该系统还设置有第一供电模块，所述主控模块由第一供电模块供电，所述数据采集模块由CAN总线供电。

进一步的，所述主控模块中还包括与其主控芯片相连的三轴加速度传感器和GPS系统。

进一步的，所述主控模块中还包括与其主控芯片相连的无线传输模块。

进一步的，该系统还设置有换挡控制模块和第二供电模块，所述换挡控制模块中包括控制芯片、总线控制器、参数存储器、换挡开关、换挡机构驱动电路，所述换挡控制模块的总线控制器、参数存储器、换挡开关和换挡机构驱动电路均与换挡控制模块的控制芯片相连，所述换挡控制模块通过其总线控制器经信号线同CAN总线相连，所述换挡控制模块由第二供电模块供电。

进一步的，所述换挡开关和换挡机构驱动电路分别通过光电耦合电路同控制芯片相连。

进一步的，所述换挡控制模块中包括与控制芯片相连的蓝牙通讯模块。

本实用新型的有益效果是：各个模块均并行挂接在CAN总线上，相对于传统式的行驶记录仪线束大为简化，易于布置，方便维护及故障排查；依赖于总线的拓扑方式，节点数目也即数据采集模块的数量几乎无限，可以采集的数据通道数目也接近于无限，整个系统只需要两根数据线即可完成工作，较大的节约了线束成本及提高了可靠性及灵活性。进一步的，CAN总线可作为车辆总线，也可以是车辆性能数据采集系统的CAN总线采用对应车辆的CAN总线，由于车辆性能数据采集系统和车辆共享CAN总线，因此可与车辆ECU共享数据，所述ECU，即Electronic Control Unit的缩写，中文又称为行车电脑或车载电脑，使得部分采样信号线路得以进一步简化，从而降低成本。因此，功能全面、可扩展性强且成本低，极大的方便对车辆的调试并降低调试成本，尤其适用于经费受限对成本极为敏感的领域，如科研院所以及FSAE等低级别方程式赛车的开发调试等；而其处理用于调试时的数据采集外，也可以保留于量产车辆并用于对行车状态的记录，方便事故判断。

附图说明

图1为本实用新型中车辆性能数据采集系统的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型中的车辆性能数据采集系统，包括CAN总线，并设置有一个主控模块和N个数据采集模块，所述N为大于1的整数；所述主控模块中包括主控芯片、存储器和总线控制器，所述主控模块的存储器和总线控制器均与其主控芯片相连，所述数据采集模块中包括处理芯片、总线控制器和数据采集电路，所述数据采集模块的数据采集电路和总线控制器均与其处理芯片相连，所述主控模块和数据采集模块均通过其总线控制器经信号线同CAN总线相连。

上述主控模块、数据采集模块均通过CAN总线连接，数据采集模块作为数据采集终端，负责采样车辆传感器信号，并由主控模块负责将数据收集，解码，使用FAT文件系统编码写入存储器中。

数据采集模块采集信号的传感器包括车辆自身的传感器以及调试时外挂的传感器，车辆自身的传感器如：节气门传感器，悬架位移传感器，发动机水温传感器，进气温度传感器等，而调试时外挂的传感器如：通过支架安装在车身上对车辆动态姿态进行监测的传感器。数据采集模块的设置数量，根据测量要求进行配置，依赖于总线的拓扑方式，节点数目也即数据采集模块的数量几乎无限，可以采集的数据通道数目也接近于无限，整个系统只需要两根数据线即可完成工作。进一步的，所述CAN总线采用对应车辆的CAN总线，通过和车辆共享总线，主控模块的数据可以来自于ECU、车辆电子仪表和数据采集模块，也可以在需要时独立于ECU而仅通过数据采集模块对数据进行采集。

上述主控模块可以直接由车辆电池取电、ECU取电。但由车辆电池取电，当车辆发动机开始启动时，由于通过起动机电流非常大并且不稳定，电池电压会被拉低，在较恶劣情况下电压可在8V-12V之间连续震荡；其次，车辆运行时，发电机开始投入运行接替电池为整个车载电气设备供电，此时供电质量较差，受发动机工况影响，经测量会在直流电压上叠加峰峰值约1V的高频纹波。而由ECU取电，则可能会在ECU和主控模块之间形成干扰。因此，为了保障主控模块的可靠性和稳定性，设置有第一供电模块，所述主控模块由第一供电模块供电。数据采集模块的故障仅影响数据采集而不影响总线系统的可靠性，因此为了简化结构，降低成本，所述数据采集模块由CAN总线供电。

为了方便主控模块采集车辆当前位置信息、时间信息、加速度信息，进一步的，所述主控模块中还包括与其主控芯片相连的三轴加速度传感器和GPS系统。

数据采集系统记录的数据，需要通过上位机的软件，实现采样数据的读取与显示。本实用新型的数据采集系统，主控模块记录的数据，可以通过存储器转移至上位机，也可以通过设置相应接口通过手持设备转移至上位机，但为了在调试时实时读取与显示，所述主控模块中还包括与其主控芯片相连的无线传输模块，数据在主控模块和上位机之间能通过无线同步传输。

在器件选型方面，无线传输模块是为了利用无线信号将采样数据发送给上位机进行显示，仅用于对车辆性能的校调监控，以试车场地方圆一公里，通讯速率250Kbps设计，选取NORDIC公司NRF24L01无线方案；此方案核心为工作在2.4GHz～2.5GHz的ISM频段的单片无线收发器芯片，通过SPI接口与单片机进行通讯，最大支持1Mbps传输速率。而对于存储部分需要选出一种容量大，方便读取，并且工作稳定的方案；通常存储记录设备有EEPROM，NAND FLASH和SD卡等。由于EEPROM容量较小，不能存储较长时间的数据，而NANDFLASH内数据需要在主板上用USB接出至上位机读取，较为复杂，故选取SD卡作为存储器。

为了方便对换挡逻辑的调试，系统还设置有换挡控制模块和第二供电模块，所述换挡控制模块中包括控制芯片、总线控制器、参数存储器、换挡开关、换挡机构驱动电路，所述换挡控制模块的总线控制器、参数存储器、换挡开关和换挡机构驱动电路均与换挡控制模块的控制芯片相连，所述换挡控制模块通过其总线控制器经信号线同CAN总线相连，所述换挡控制模块由第二供电模块供电。通过换挡机构驱动电路对变速箱的换挡机构进行控制；由第二供电模块独立供电，能够独立于ECU和主控模块运行，也即换挡控制模块可以通过响应换挡开关信号进行手动换挡，也可以通过响应ECU的转速信号根据存储在参数存储器内的换挡逻辑进行自动换挡。

实施例的车辆性能数据采集系统，用于FSAE方程式赛车的开发，受规则限制，FSAE方程式赛车通常配置手动序列式变速箱，并通过设置换挡及离合气缸构成自动变速箱。换挡机构驱动电路通过对换挡及离合气缸电磁阀的控制实现换挡操作。换挡开关采用方向盘拨片。通过设置换挡控制模块，能够极大的方便调整换挡时间及策略。

车辆行驶过程中，振动较大，可能影响换挡控制模块控制芯片的工作，并且引入干扰，因此为了进一步保障换挡控制模块的可靠性，避免振动等的影响，所述换挡开关和换挡机构驱动电路分别通过光电耦合电路同控制芯片相连。

进一步的，所述换挡控制模块中包括与控制芯片相连的蓝牙通讯模块。由于换挡时间及策略需要根据实验进行调整，但换挡控制模块通常位于发动机舱内，较难直接接触。通过采用蓝牙通讯模块实现系统状态查询及时间调整，可使用计算机或手机连接。每次上电时汇报当前控制策略，并接收上位机指令进行调整，同时调整数据可写入参数存储器掉电不丢失。上位机部分可使用电脑或手机蓝牙直接配对，使用串口调试助手接收及发送指令。

在器件选型方面，传统8位51单片机及AVR单片机无论在运行速度及功能方面均不能满足要求；16位飞思卡尔系列单片机专为汽车电子设计，具有较高的运行速度，但编程及外设灵活性稍显不足；综合考虑，上述系统的主控芯片、处理芯片和控制芯片均采用STM32F103C8T6芯片，此种芯片属于32位ARM Cortex-M3内核，最高主频可达72MHZ，并具有两个SPI接口，三个通用串口，一个CAN总线及USB控制器，以及一个ADC控制器。

Claims

1.车辆性能数据采集系统，其特征在于：包括CAN总线，并设置有一个主控模块和N个数据采集模块，所述N为大于1的整数；所述主控模块中包括主控芯片、存储器和总线控制器，所述主控模块的存储器和总线控制器均与其主控芯片相连，所述数据采集模块中包括处理芯片、总线控制器和数据采集电路，所述数据采集模块的数据采集电路和总线控制器均与其处理芯片相连，所述主控模块和数据采集模块均通过其总线控制器经信号线同CAN总线相连。

2.如权利要求1所述的车辆性能数据采集系统，其特征在于：所述CAN总线采用对应车辆的CAN总线。

3.如权利要求1所述的车辆性能数据采集系统，其特征在于：还设置有第一供电模块，所述主控模块由第一供电模块供电。

4.如权利要求1所述的车辆性能数据采集系统，其特征在于：所述数据采集模块由CAN总线供电。

5.如权利要求1所述的车辆性能数据采集系统，其特征在于：所述主控模块中还包括与其主控芯片相连的三轴加速度传感器和GPS系统。

6.如权利要求1所述的车辆性能数据采集系统，其特征在于：所述主控模块中还包括与其主控芯片相连的无线传输模块。

7.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的车辆性能数据采集系统，其特征在于：还设置有换挡控制模块和第二供电模块，所述换挡控制模块中包括控制芯片、总线控制器、参数存储器、换挡开关、换挡机构驱动电路，所述换挡控制模块的总线控制器、参数存储器、换挡开关和换挡机构驱动电路均与换挡控制模块的控制芯片相连，所述换挡控制模块通过其总线控制器经信号线同CAN总线相连，所述换挡控制模块由第二供电模块供电。

8.如权利要求7所述的车辆性能数据采集系统，其特征在于：所述换挡开关和换挡机构驱动电路分别通过光电耦合电路同控制芯片相连。

9.如权利要求7所述的车辆性能数据采集系统，其特征在于：所述换挡控制模块中包括与控制芯片相连的蓝牙通讯模块。