一种电动汽车车载信息系统的研究与设计*

张泱泱，李优新，姚 震，蔡贵方，何东良

（广东工业大学信息工程学院，广东广州 510006）

一种电动汽车车载信息系统的研究与设计*

张泱泱，李优新，姚 震，蔡贵方，何东良

（广东工业大学信息工程学院，广东广州 510006）

车载信息系统是电动汽车的重要设备之一，介绍了车载信息系统的整体设计方案，采用STM32ZGT6为核心处理器，制定了适用于电动汽车CAN总线及GPRS数据通信的协议，研究了基于WinCE的信息系统软件设计方法，实现了电动汽车整车及关键零部件运行参数的采集、分析、存储、显示以及数据通信等功能，为电动汽车的运行工况分析以及高效率运行提供了有力的帮助。

车载信息系统；CAN；GPRS

1 概述

电动汽车以其在节能环保领域的优势成为当前的研究热点，电动汽车采用大量的电子器件，拥有比传统汽车更多的控制器，车载信息系统需要采集和处理的信息量大，整车的控制难度和数据的实时性要求高。在电动汽车开发过程中既需要对静态整车信息进行记录和诊断，又需要对动态运行数据进行采集、分析、存储和通信。传统的车载信息系统存在兼容性差、存储效率低、功耗大等缺点。针对这些问题，本文研究开发了一种基于WinCE操作系统、低功耗与适用于电动汽车数据特点的车载信息系统。

2 车载信息系统总体功能模块

车载信息系统主要分为三大模块，分别为：CAN总线数据采集、数据管理和GPRS网络数据通信，总体的模块如图1。

图1 系统功能模块图

车载信息系统的主要目的是记录电动汽车行驶过程中运行参数及车辆状态值，为完善电动汽车整车控制策略、评估和改良电动汽车性能提供充足的数据分析素材。电动汽车信息系统通过CAN总线采集车辆数据，对于采集到的信息发送到服务器以完成数据通信功能。由于CAN总线数据量较大，终端无法将CAN总线数据全部发送至服务器，需要对电动汽车实时运行工况数据进行存储。

在硬件方面采用监控终端主要由Cortex-M3内核的STM32ZGT6的核心模块，具有高集成度易开发的特点，同时具有业界最优功耗水平[1]。软件方面，移植了比较流行的WinCE操作系统，它支持多任务多线程操作，具有丰富的人机交互界面API函数，开发周期短，兼容性好[2]。

2.1 CAN数据采集

由于电动汽车运行时会产生大量的工况数据，为了充分模拟电动汽车的工况，系统中定义了一套应用层CAN总线协议，其模拟了16种汽车的数据类别，如表1。

表1 数据类别表

CAN总线上的这16种数据，分别由4个CAN智能节点采集和封装，为节点0、节点1、节点2和节点3。这四个节点所采集的数据由CAN数据帧的ID为来区分，分别定义为0、1、2和3。ID0所包含的数据：电机转速、电机电流、电机电压和电机温度。ID1所包含的数据：电池电压、电池电流、电池SOC和电池温度。ID2所包含的数据：速度、车内外温度、水温和油耗。ID3所包含的数据：整车状态、电机状态、电池状态和累计里程。

系统采集CAN总线的数据，并且定时发送。为了用户更加直观地参看汽车的运行状态，系统扩展了触摸屏模块，设置有四个界面，分别是信息录入、发送数据、发送数据显示和CAN总线动态信息显示。完成系统的功能要求。显示界面包括两个：实时显示从CAN总线读取的数据和从数据库读取并且发送到服务器的数据。发送数据显示的界面如图2所示。

图2 发送数据显示界面

从整个系统方面来考虑，一方面要求实时地读取CAN总线的数据帧，另一方面还要通过GPRS网络定时发送到服务器。所以采用了多线程技术[3-4]，主要功能是实时的采集CAN总线的数据，只要读到CAN总线上有数据，就将其存入数据库中。系统收到CAN网络的数据帧时，将帧ID和帧数据剥离，不同的ID所对应不同数据类型的数据，系统中是根据帧ID数来创建数据库中表的数量的。

2.2 CAN网络数据的管理

在数据管理模块中，关键问题是数据的存储，随着电动汽车的快速发展，车载信息系统复杂性不断增加，对存储设备的管理显得越来越必要，根据车载信息系统的数据特点和对文件管理的要求，选择使用Nand Flash作为存储设备，介于CAN网络上数据种类较多，为了方便对数据的有效管理，需要构建文件系统来对不断增加的数据进行组织和管理。文件系统的核心功能是对文件进行高效、可靠的管理，而文件的组织方式是管理的基础，Flash文件系统主要有两种管理方式：一种是基于转换层的块设备文件系统，比如FAT文件系统，另一种是日志结构的Flash文件系统，如JFFS、YAFFS等。表2是几种常见文件系统之间的优缺点比较。

从以上简单的比较来看，FAT是通用性的文件系统，方便上层数据库的开发，系统消耗内存小，为了满足系统实时性的要求，并且为了对WinCE系统有良好的兼容和支持，本文采用FAT文件系统格式。使用开源的嵌入式系统中的FAT文件系统FatFs。

表2 常见文件系统的比较表

FatFs的设计思想是小块的数据可以通过Buf⁃fer存储，大块的数据直接存取，提高了存取速度和效率。FatFs的开源代码一共包括6个文件：in⁃teger.h、diskio.h、diskio.c、ff.h、ff.c和ffconf.h。

interger.h是数据类型定义的头文件，diskio.h中定义了一些简单的配置常量，主要是两个数据类型，一个是DRESULT，用来表示磁盘操作的返回结果。另一个是DSTSTUS，表示磁盘的状态。其余的是一些变量的声明定义以及五接口函数的声明。Ffconf.h都是一些配置项的宏定义。可以修改该文件中的一些变量的值来配置FatFs文件系统的特性。Ff.h根据ffconf.c中的配置定义了一些宏常数和带宏参数的宏。主要是定义了FATFS、FIL、DIR和FILINFO四个文件信息结构体，用来存储文件系统、目录、文件的相关信息。定义了FRESULT这个枚举类型结构体。FatFs文件系统提供的主要接口函数如表3所示。

表3 FatFs文件系统接口函数表

FatFs文件系统是将存储介质看做磁盘来对待的，认为磁盘可以在任意位置擦写的。而Nand Flash是有擦写要求的，必须先擦除后写入，并且擦写粒度不均衡，擦写次数有限制。文中考虑到FAT32文件系统在均衡磨损方面的缺陷，通过保留已删除文件在FAT表中的表项和重写文件时将内容写入新簇的方式，实现了对Nand Flash的均衡使用[5]。

2.3 数据通信

系统是通过串口外接ZWG-23A来连接到互联网的。通过GPRS网络上网，连接到服务器之后，按照通信协议定时向服务器发送数据。其协议格式是在《深圳市公交车车辆GPS监管系统车载终端》文件定义的协议的基础之上，根据项目的需要制定的[1]。

图3 数据通信流程

图4 电动汽车运行特性曲线图

GPRS终端向服务器发送请求包与数据包的数据流程如图3所示。

服务器端接收并解析终端发送的数据包，是电动汽车信息终端与监控中心信息交互的重要接口。电动汽车车载终端发送实时监测数据包到Web服务器，经过服务器的数据处理，对重要信息进行存储，选择性地返回数据请求，同时，GPRS数据接口对外可进行数据封装。

3 实验与分析

本系统被安装于深圳某公司电动汽车上进行实验，实验测试了车载信息系统对电动汽车CAN网络数据的采集，以及远程下载运行工况数据的功能，此次测试的起始时间为：10：55am至12：25pm。远程下载选择此时间段的实验数据，客车在此时间段的电池与电机各特性曲线图如图4所示：

从图4（a）电压变化曲线可以看出，汽车在运行的过程中，电池的总电压是比较稳定的，从图4（b）中电池的SOC的变化范围不超过2%，可以推测出整车控制器中的能量回馈环节在此起到了一个重要的作用。图4（c），电机的转速最大值为2 500 r/min左右，此路程中，怠速时间最长为2分钟，转速时在1 800～2 200 r/min之间，最长时间为60 s左右。对比图4（c）与（d），发动机的转速与电机的转速的变化趋势一致。

4 结论

本文提出的新型电动汽车车载信息系统充分利用了STM32丰富的片上资源，大大节约了硬件投资，自定义了一套适用于电动汽车的CAN总线协议，增强了数据通信的实时性与可靠性，采用FAT文件系统对车载网络数据进行管理，提高了数据存储的速度和效率，利用GPRS移动网络通信，建设和运行成本低，对于项目以后大规模的示范运行有很大的帮助。目前系统仍需要更多的研究和改进，系统仅仅是将汽车底层工况源数据的采集远程发送至服务器，并没有实现预见可能出现故障的功能。利用大量的数据作为基础，实现数据的分析并提示故障功能，是系统待解决的问题，也是下一步的研究重点。

参考文献：

［1］蔡贵方.基于μC/OS_Ⅱ的电动汽车通用监控系统的研究［D］.广州：广东工业大学，2013.

［2］张冬泉，谭南林，苏树强.Windows CE实用开发技术［M］.北京：电子工业出版社，2009.

［3］Chen I-An，Cheng Chang-Hsin，Jheng Hong-Yuan et al.An error-correction scheme with Reed-Solomon codec for CAN bus transmission［A］.19th International Sym⁃posium on Intelligent Signal Processing and Communica⁃tion Systems［C］.Chiang Ma， Thailand： IEEE，2011.

［4］Ran Li，Junfeng Wu，Haiying Wang，et al.Design method of CAN BUS network communication structure for electric vehicle［A］.The 5th International Forum on Strategic Technology［C］.Ulsan， Korea： IEEE，2010.

［5］谢琦，胡俊，王磊.FAT文件系统在NAND FLASH上磨损均衡研究［J］.微电子学与计算机，2011，28（7）：34-37.

Research and Design of an On-Board Information System for Electric Vehicle

ZHANG Yang-yang，LI You-xin，YAO Zhen，CAI Gui-fang，HE Dong-liang
（Information Engineering College，Guangdong University of Technology，Guangzhou510006，China）

The on-board information System is one of important equipments for Electric Vehicle.This article describes the overall vehicle information systems design，using STM32ZGT6 as core processor，developed electric vehicle CAN bus and GPRS data communication protocols.Studied WinCE-based information system software design methods.The functions of operation parameters acquisition，analysis，saving，display and sending data-center for Electric Vehicle are achieved.It provides a strong assistance for the Electric Vehicle research.

on-board information system；CAN；GPRS

TP274

：A

1009－9492(2014)01－0026－05

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.01.007

张泱泱，女，1987年生，湖南株洲人，硕士研究生。研究领域：电动汽车信息系统。

(编辑：向 飞)

*广东省重大科技专项计划项目（编号：2011AA080402010）

2013－07－11