CN219842646U - 一种适用于fsae的数据采集系统 - Google Patents

Abstract

本申请涉及数据采集技术领域，具体涉及一种适用于FSAE的数据采集系统，包括通讯电路和N个控制核心电路，其中N≥3。每个控制核心电路包括主控芯片，每个通讯电路包括N个CAN驱动芯片，N个CAN驱动芯片分别与N个控制核心电路一一对应地连接；通讯电路可通过预设的通信模式与控制核心电路连接，通信模式包括CAN通信、CAN通信+SPI通信以及CAN通信+单总线通信。其中，通讯电路和每个控制核心电路分别焊接于不同印制电路板上。本申请可采集CAN信号、模拟量信号和单总线信号三种不同的信号，适合车载端多种不同类型传感器并用的情况，另外本申请通过模块化的设计，将不同模块焊接于不同印制电路板，具有体积小、效率高、维护成本低的优点。

Description

一种适用于FSAE的数据采集系统

技术领域

本申请涉及数据采集技术领域，具体涉及一种适用于FSAE的数据采集系统。

背景技术

FSAE(Formula SAE)是由国际汽车工程学会(SAE International)于1978年开办，其概念源于一家虚拟制作工厂，向所有大学生设计团队征集设计制造一辆小型的类似于标准方程式的赛车，要求赛车在操控性、加速、制动等方面都有优异的表现，并且足够稳定耐久。

在方程式赛车调校和车手训练中，需要赛车的各项数据为整车调校和赛车手的训练提供数据支持，但是现有的数据采集系统存在以下问题：

(1)数据采集方式单一，只包含模拟量信号采集功能或CAN信号采集功能，不适用于多种通讯方式并存的车载系统；

(2)数据难以可视化，需要配备专用的上位机读取数据，难以实现实时读取数据的功能；

(3)如果出现局部损坏的情况，存在难以维修的问题，需要将整体数据采集系统更换，成本较高。

因此开发一套稳定可靠的方程式赛车专用数据采集系统，对提升方程式赛车的性能和提高车手的操作水平是十分重要的。

实用新型内容

本申请的目的在于提供一种适用于FSAE的数据采集系统，以解决采集方式单一、数据难以可视化、维修成本高的问题。

本申请的实施例可以通过以下技术方案实现：

一种适用于FSAE的数据采集系统，所述数据采集系统包括通讯电路和N个控制核心电路，其中N≥3；

每个所述控制核心电路包括主控芯片、LED电路、第一供电电路、晶振电路、复位电路和程序下载电路，所述主控芯片分别与所述LED电路、所述第一供电电路、所述晶振电路、所述复位电路和所述程序下载电路连接；

所述通讯电路包括N个CAN驱动芯片，所述N个CAN驱动芯片分别与所述N个控制核心电路一一对应地连接；

所述通讯电路可通过预设的通信模式与所述控制核心电路连接，所述通信模式包括CAN通信、CAN通信+SPI通信以及CAN通信+单总线通信；

所述通讯电路与数据记录设备、数据显示设备和无线发送设备中的至少一种连接；

所述通讯电路和每个所述控制核心电路分别焊接于不同印制电路板上。

进一步地，当所述控制核心电路通过CAN通信模式与所述通讯电路连接时，所述控制核心电路用于对输入的CAN信号进行处理，并将处理后的CAN信号传输回所述通讯电路。

进一步地，所述数据采集系统还包括模拟量转换电路，所述模拟量信号通过MX340接头传输给模拟量转换电路，所述模拟量转换电路将所述模拟量信号转换为数字量信号传输回所述通讯电路；

所述模拟量转换电路通过SPI通信的方式与所述通讯电路连接；

所述模拟量转换电路焊接于单独的印制电路板上。

进一步地，当所述控制核心电路通过CAN通信+SPI通信的通信模式与所述通讯电路连接时，所述控制核心电路用于对输入的CAN信号和模拟量信号进行处理，并将处理后的CAN信号和模拟量信号传输回所述通讯电路。

进一步地，当所述控制核心电路通过CAN通信+单总线通信的通信模式与所述通讯电路连接时，所述控制核心电路用于对输入的CAN信号和单总线信号进行处理，并将处理后的CAN信号和单总线信号传输回所述通讯电路。

进一步地，所述控制核心电路采用外部输入5V电源进行供电，所述第一供电电路采用AMS117转压芯片，AMS117转压芯片将输入5V电源转压为3.3V电源输出；

所述主控芯片为STM32F105RBT6芯片。

进一步地，所述LED电路包括第一电源指示电路和单片机指示电路，所述第一电源指示电路与所述第一供电电路连接，所述单片机指示电路与所述主控芯片连接。

进一步地，所述模拟量转换电路包括模数转换芯片、电压跟随器电路、基准电压提供电路、排针和第二电源指示电路，所述模数转换芯片分别与所述电压跟随器电路、所述基准电压提供电路和所述第二电源指示电路连接，所述电压跟随器电路通过所述排针与所述通讯电路连接；

所述模数转换芯片为AD7490芯片，所述模数转换芯片引出16路模拟信号输入引脚至所述电压跟随器电路；

所述电压跟随器电路包括8个LMV358运算放大器。

所述通讯电路通过串口与所述数据记录设备、所述数据显示设备连接；所述通讯电路包括串口转485电路，所述通讯电路通过所述串口转485电路与所述无线发送设备连接；

所述通讯电路还包括第二供电电路，所述通讯电路采用外部输入24V电源进行供电，所述第二供电电路采用DM02-5V转压模块模块，DM02-5V转压模块模块将输入24V电源转压为5V电源输出。

进一步地，每个所述控制核心电路还包括单片机，所述单片机连接于所述主控芯片与所述CAN驱动芯片之间，用于实现所述CAN驱动芯片与所述主控芯片之间的CAN通信；

所述单片机为STM32单片机，所述CAN驱动芯片为TJA1050芯片。

本申请的实施例提供的一种适用于FSAE的数据采集系统至少具有以下有益效果：

(1)本申请通过将不同模块分别置于不同印制电路板的方式，不同印制电路板可以实现空间的重合叠加，可进一步缩小体积；

(2)本申请通过将不同模块分别置于不同印制电路板的方式，用户可分开调试不同模块，提高了调试效率，降低了调试难度；

(3)本申请通过将不同模块分别置于不同印制电路板的方式，可减少不同模块之间的电磁干扰，降低出错概率；

(4)本申请通过将不同模块分别置于不同印制电路板的方式，若其中任一印制电路板出现故障或损坏的情况，可将单独印制电路板进行更换，提高了系统的可维护性，降低了维护成本；

(5)本申请可采集CAN信号、模拟量信号和单总线信号三种不同的信号，增加了信号的输入通道和输入类型，适合车载端多种不同类型传感器并用的情况，可满足用户在不同场景下的需求；

(6)本申请设置了多条串口输出通道，可根据用户选择外接数据显示设备、数据记录设备和无线发送设备，实现实时数据可视化；

(7)本申请中采用多控制核心电路的方式，多个控制核心电路可并行工作，提高了信号处理的能力和效率；

(8)本申请通过3个CAN驱动芯片翻译不同的CAN信号，提高了通讯电路翻译CAN信号的能力与效率。

附图说明

图1为本申请中的数据采集系统与不同信号、不同外接设备连接的功能框图；

图2为本申请中主控芯片与晶振电路、复位电路和程序下载电路连接的电路图；

图3为本申请中第一电源指示电路的电路图；

图4为本申请中单片机指示电路的电路图；

图5为本申请中第一供电电路的电路图；

图6为本申请中模数转换芯片的电路图；

图7为本申请中基准电压提供电路的电路图；

图8为本申请中第二电源指示电路的电路图；

图9为本申请中电压跟随器电路的电路图；

图10为本申请中排针的电路图；

图11为本申请中第一单片机的电路图；

图12为本申请中第二单片机的电路图；

图13为本申请中第三单片机的电路图；

图14为本申请中第一CAN驱动芯片的电路图；

图15为本申请中第二CAN驱动芯片的电路图；

图16为本申请中第三CAN驱动芯片的电路图；

图17为本申请中串口转485电路的电路图；

图18为本申请中MX340接头的电路图；

图19为本申请中第二供电电路的电路图。

具体实施方式

以下，基于优选的实施方式并参照附图对本申请进行进一步说明。

图1示出了本申请中数据采集系统与不同信号、不同外接设备连接的功能框图，如图1所示，数据采集系统包括通讯电路和N个控制核心电路，其中N≥3，通讯电路可通过预设的通信模式与控制核心电路连接。

具体地，每个控制核心电路包括主控芯片，通讯电路包括N个CAN驱动芯片，N个CAN驱动芯片分别与N个控制核心电路一一对应地连接。

具体地，通信模式包括CAN通信、CAN通信+SPI通信以及CAN通信+单总线通信，CAN信号、模拟量信号和单总线信号通过通讯电路输入控制核心电路处理，控制核心电路将处理后的信号传输回通讯电路，通讯电路与外接设备连接。

市面上常见的支持CAN通信的编码传感器多种多样，例如转角传感器、姿态传感器和加速度传感器等，可根据不同实用情况供不同用户自行选择；模拟量传感器最常见的为电阻式线位移传感器，通过位移产生的电压信号传递信息；本申请中的单总线传感器采用温度传感器配套使用的DS18B20传感器，具有精度高、抗干扰能力强的特点。

具体地，由于CAN信号较多，本申请中通讯电路包括3个CAN驱动芯片，3个CAN驱动芯片可分别翻译一部分CAN信号，从而避免只采用一个CAN驱动芯片进行全部CAN信号的翻译，可提高通讯电路翻译CAN信号的能力和效率。

可以想象的是，当输入的模拟量信号、单总线信号以及CAN信号增多时，为保证可以通过增加CAN驱动芯片的方式实现信号的分解传输，即CAN驱动芯片的数量不仅限于3个。

具体地，控制核心电路还包括晶振电路、复位电路和程序下载电路，主控芯片分别与晶振电路、复位电路和程序下载电路连接，图2示出了本申请中主控芯片与晶振电路、复位电路和程序下载电路连接的电路图，如图2所示，主控芯片为STM32F105RBT6芯片，主控芯片通过OSC_IN引脚和OSC_OUT引脚与晶振电路连接，主控芯片通过NRST引脚与复位电路连接，主控芯片通过VBAT引脚、VDD_1引脚、VDD_2引脚、VDD_3引脚、VDD_4引脚和VDDA引脚与程序下载电路连接。

进一步地，控制核心电路还包括LED电路和第一供电电路，LED电路用于指示第一供电电路和主控芯片的运行状况，第一供电电路用于为主控芯片供电。

具体地，图5示出了本申请中供电电路的电路图，如图5所示，本申请中控制核心电路采用外部输入5V电源进行供电，第一供电电路采用AMS117转压芯片，转压芯片将输入5V电源转压为3.3V电源输出。

具体地，LED电路包括第一电源指示电路，第一电源指示电路与第一供电电路连接，图3示出了本申请中第一电源指示电路的电路图，如图3所示，第一供电电路通过LED2和LED3指示其通电状态，LED2和LED3分别与供电电路的5V端口和3.3V端口连接。

具体地，当LED2和LED3都亮时，表示第一供电电路供电正常；当LED2和LED3都不亮时，表示外部输入5V电源供电异常；当LED2亮而LED3不亮时，表示AMS117转压芯片转压出现异常。

进一步地，LED电路还包括单片机指示电路，单片机指示电路与主控芯片连接，图4示出了本申请中单片机指示电路的电路图，如图4所示，单片机指示电路通过LED0和LED1指示主控芯片的运行状态，LED0和LED1分别与主控芯片的ADC12_IN8/PB0引脚和ADC12_IN9/PB1引脚连接。

具体地，当主控芯片每接收一次数据，LED0闪烁一次；当主控芯片程序稳定运行，LED1持续闪烁。主控芯片通过LED0和LED1实现程序运行状况的监测。

优选地，为保证主控芯片运行稳定，采用容值为104的去耦电容消除电源滤波。

进一步地，本申请中采用多控制核心电路的方式，不同的控制核心电路可分别处理不同的信号，从而实现多个控制核心电路并行工作，提高信号处理的能力和效率，避免了一个控制核心电路同时处理多种信号而降低信号处理能力和效率的问题。具体地，由于CAN信号的数据量较大，再加上还需要对模拟量信号和单总线信号进行处理，本申请中控制核心电路的数量为3个。

具体地，控制核心电路包括第一控制核心电路，第一控制核心电路通过CAN通信模式与通讯电路连接。

具体地，第一控制核心电路用于对输入的CAN信号进行处理，并将处理后的CAN信号传输回通讯电路。

具体地，控制核心电路还包括第二控制核心电路，第二控制核心电路通过CAN通信+SPI通信的通讯模式与通讯电路连接。

具体地，第二控制核心电路用于对输入的CAN信号和模拟量信号进行处理，并将处理后的CAN信号和模拟量信号传输回通讯电路。

具体地，控制核心电路还包括第三控制核心电路，第三控制核心电路通过CAN通信+单总线通信的通信模式与通讯电路连接。

具体地，第三控制核心电路用于对输入的CAN信号和单总线信号进行处理，并将处理后的CAN信号和单总线信号传输回通讯电路。

进一步地，每个控制核心电路还包括单片机，单片机连接于主控芯片与CAN驱动芯片之间，用于实现CAN驱动芯片与主控芯片之间的CAN通信。

具体地，由于本申请中主控芯片和CAN驱动芯片的数量均为3，因此本申请中单片机的个数也为3个，单片机的数量可以根据主控芯片与CAN驱动芯片的数量进行动态调整。

具体地，本申请中单片机为STM32单片机，CAN驱动芯片为TJA1050芯片。

进一步地，控制核心电路包括第一单片机，通讯电路包括第一CAN驱动芯片，CAN信号依次通过第一CAN驱动芯片、第一单片机电路与第一控制核心电路的主控芯片连接。

具体地，图11和图14分别示出了本申请中第一单片机电路和第一CAN驱动芯片的电路图，如图11和14所示，第一CAN驱动芯片的CANH引脚和CANL引脚分别与CAN端子连接，以用于对输入的CAN信号进行翻译；第一CAN驱动芯片的TXD引脚和RXD引脚分别与第一单片机的CAN_TX引脚和CAN_RX引脚连接，第一CAN驱动芯片将翻译后的CAN信号通过第一单片机传输给第一控制核心电路的主控芯片。

进一步地，控制核心电路包括第二单片机，通讯电路包括第二CAN驱动芯片，CAN信号和模拟量信号依次通过第二CAN驱动芯片、第二单片机与第二控制核心电路的主控芯片连接。

具体地，图12和图15分别示出了本申请中第二单片机和第二CAN驱动芯片的电路图，如图12和15所示，第二CAN驱动芯片的CANH引脚和CANL引脚分别与CAN端子连接，以用于对输入的CAN信号进行翻译以及对输入的模拟量信号进行传输；第二CAN驱动芯片的TXD引脚和RXD引脚分别与第二单片机的CAN_TX引脚和CAN_RX引脚连接，第二CAN驱动芯片将模拟量信号和翻译后的CAN信号通过第二单片机传输给第二控制核心电路的主控芯片。

进一步地，控制核心电路包括第三单片机，通讯电路包括第三CAN驱动芯片，CAN信号和单总线信号依次通过第三CAN驱动芯片、第三单片机与第三控制核心电路的主控芯片连接。

具体地，图13和图16分别示出了本申请中第三单片机和第三CAN驱动芯片的电路图，如图13和16所示，第三CAN驱动芯片的CANH引脚和CANL引脚分别与CAN端子连接，以用于对输入的CAN信号进行翻译以及对输入的单总线信号进行传输；第三CAN驱动芯片的TXD引脚和RXD引脚分别与第三单片机的CAN_TX引脚和CAN_RX引脚连接，第三CAN驱动芯片将单总线信号和翻译后的CAN信号通过第三单片机传输给第三控制核心电路的主控芯片。

每一个控制核心电路和通讯电路之间的通信接口均包括单总线通信接口、SPI通信接口和CAN通信接口，不过并非每个控制核心电路的所有通信接口均需要电气连接。

进一步地，外接设备可将控制核心电路处理完的不同信号进行实时记录、展示与远距离传输。

具体地，本申请中外接设备为数据记录设备、数据显示设备和无线发送设备中的至少一种，用户可根据需求外接不同的设备，以实现不同的用户需求。

进一步地，通讯电路通过串口与数据记录设备连接。数据记录设备方便了后续的数据分析与处理，数据记录设备具备快速存储记录数据的功能，保证了赛车在长时间的行驶后依然可以记录数据。如可以使用串口记录仪作为数据记录设备。

进一步地，通讯电路通过串口与数据展示模块连接。数据显示设备可实时可视化展示整车的数据，对于车手，合理设计仪表盘等数据显示设备，实时呈现必要的整车数据，如速度、踏板开度、电机温度等，可提高车手的行驶效率和行驶安全。

进一步地，通讯电路还包括串口转485电路，通讯电路通过串口转485电路与无线发送设备连接，从而实现数据的远距离无线传输。对于场外人员，车上数据通过无线发送设备进行无线传输，以实现场外人员对于赛车数据的实时监控。具体地，图17示出了本申请中串口转485电路的电路图，如图17所示，本申请中串口转285电路采用MAX485芯片，MAX485芯片的RO引脚和DI引脚分别与第三单片机的USART1_RX引脚和USART1_TX引脚连接。进一步地，通讯电路还包括第二供电电路，图19示出了本申请中第二供电电路的电路图，如图19所示，通讯电路采用外部输入24V电源进行供电，本申请中第二供电电路采用DM02-5V转压模块模块，DM02-5V转压模块模块将输入24V电源转压为5V电源输出。

进一步地，本申请通过将不同模块分别置于不同印制电路板的方式，实现不同印制电路板的空间重合、分开调试、减少电磁干扰以及单独更换，从而实现体积的缩小、调试难度的降低、出错概率的降低以及维修成本的降低。

具体地，本申请中通讯电路、每个控制核心电路分别焊接于不同的印制电路板上。

进一步地，数据采集系统还包括模拟量转换电路，模拟量信号通过MX340接头传输给模拟量转换电路，图18示出了本申请中MX340接头的电路图，如图18所示，模拟量转换电路将模拟量信号转换为数字量信号并传输回通讯电路，通讯电路的第二CAN驱动芯片再将转换后的信号传输给第二单片机。

具体地，模拟量转换电路通过SPI通信的方式与通讯电路连接。

优选地，由于模拟量转换电路易于损坏，本申请中模拟量转换电路焊接于单独的印制电路板上，若模拟量转换电路出现损坏，可单独更换损坏的模拟量转换电路，降低了维修成本。

具体地，模拟量转换电路包括模数转换芯片、电压跟随器电路、基准电压提供电路、排针和第二电源指示电路，图6-图10分别示出了本申请中模数转换芯片、基准电压提供电路、第二电源指示电路、电压跟随器电路和排针的电路图，如图6-图10所示，模数转换芯片分别与基准电压提供电路、第二电源指示电路和电压跟随器电路连接，电压跟随器电路通过排针与通讯电路连接。

具体地，如图6所示，本申请中模数转换芯片为AD7490芯片，模数转换芯片引出16路模拟信号输入引脚至电压跟随器电路，电压跟随器电路包括8个LMV358运算放大器。

具体地，模数转换芯片的Vin0-Vin15引脚分别与8个运算放大器的1OUT和2OUT引脚连接。

具体地，基准电压提供电路用于为模数转换芯片供电，如图7所示，本申请中通过TL431三极管提供基准电压。

具体地，本模拟量转换电路采用外部输入5V电源进行供电，第二电源指示电路用于指示外部电源是否通电。具体地，如图8所示，LED4亮时，说明外部电源供电正常，反之，则不正常。

具体地，电压跟随器电路的8个运算放大器的1IN+和2IN+引脚分别与排针的A0-A15引脚连接。

以上对本申请的具体实施方式作了详细介绍，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也属于本申请权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种适用于FSAE的数据采集系统，其特征在于：

所述数据采集系统包括通讯电路和N个控制核心电路，其中N≥3；

每个所述控制核心电路包括主控芯片、LED电路、第一供电电路、晶振电路、复位电路和程序下载电路，所述主控芯片分别与所述LED电路、所述第一供电电路、所述晶振电路、所述复位电路和所述程序下载电路连接；

所述通讯电路包括第二供电电路、串口转485电路以及N个CAN驱动芯片，所述N个CAN驱动芯片分别与所述N个控制核心电路一一对应地连接；

所述通讯电路可通过预设的通信模式与所述控制核心电路连接，所述通信模式包括CAN通信、CAN通信+SPI通信以及CAN通信+单总线通信；

所述通讯电路与数据记录设备、数据显示设备和无线发送设备中的至少一种连接；

所述通讯电路和每个所述控制核心电路分别焊接于不同印制电路板上。

2.根据权利要求1所述的一种适用于FSAE的数据采集系统，其特征在于：

当所述控制核心电路通过CAN通信模式与所述通讯电路连接时，所述控制核心电路用于对输入的CAN信号进行处理，并将处理后的CAN信号传输回所述通讯电路。

3.根据权利要求1所述的一种适用于FSAE的数据采集系统，其特征在于：

所述数据采集系统还包括模拟量转换电路，模拟量信号通过MX340接头传输给模拟量转换电路，所述模拟量转换电路将所述模拟量信号转换为数字量信号传输回所述通讯电路；

所述模拟量转换电路通过SPI通信的方式与所述通讯电路连接；

所述模拟量转换电路焊接于单独的印制电路板上。

4.根据权利要求3所述的一种适用于FSAE的数据采集系统，其特征在于：

当所述控制核心电路通过CAN通信+SPI通信的通信模式与所述通讯电路连接时，所述控制核心电路用于对输入的CAN信号和模拟量信号进行处理，并将处理后的CAN信号和模拟量信号传输回所述通讯电路。

5.根据权利要求1所述的一种适用于FSAE的数据采集系统，其特征在于：

当所述控制核心电路通过CAN通信+单总线通信的通信模式与所述通讯电路连接时，所述控制核心电路用于对输入的CAN信号和单总线信号进行处理，并将处理后的CAN信号和单总线信号传输回所述通讯电路。

6.根据权利要求1所述的一种适用于FSAE的数据采集系统，其特征在于：

所述控制核心电路采用外部输入5V电源进行供电，所述第一供电电路采用AMS117转压芯片，AMS117转压芯片将输入5V电源转压为3.3V电源输出；

所述主控芯片为STM32F105RBT6芯片。

7.根据权利要求6所述的一种适用于FSAE的数据采集系统，其特征在于：

所述LED电路包括第一电源指示电路和单片机指示电路，所述第一电源指示电路与所述第一供电电路连接，所述单片机指示电路与所述主控芯片连接。

8.根据权利要求3所述的一种适用于FSAE的数据采集系统，其特征在于：

所述模拟量转换电路包括模数转换芯片、电压跟随器电路、基准电压提供电路、排针和第二电源指示电路，所述模数转换芯片分别与所述电压跟随器电路、所述基准电压提供电路和所述第二电源指示电路连接，所述电压跟随器电路通过所述排针与所述通讯电路连接；

所述模数转换芯片为AD7490芯片，所述模数转换芯片引出16路模拟信号输入引脚至所述电压跟随器电路；

所述电压跟随器电路包括8个LMV358运算放大器。

9.根据权利要求1所述的一种适用于FSAE的数据采集系统，其特征在于：

所述通讯电路通过串口与所述数据记录设备、所述数据显示设备连接，通过所述串口转485电路与所述无线发送设备连接；

所述通讯电路还包括第二供电电路，所述通讯电路采用外部输入24V电源进行供电，所述第二供电电路采用DM02-5V转压模块，DM02-5V转压模块模块将输入24V电源转压为5V电源输出。

10.根据权利要求1所述的一种适用于FSAE的数据采集系统，其特征在于：

每个所述控制核心电路还包括单片机，所述单片机连接于所述主控芯片与所述CAN驱动芯片之间，用于实现所述CAN驱动芯片与所述主控芯片之间的CAN通信；

所述单片机为STM32单片机，所述CAN驱动芯片为TJA1050芯片。