无线多路汽车数据采集器的设计与应用

何晏平

（上海平扬电子科技有限公司，上海201600）

新型号的汽车在进入路试后，经常碰到各种各样的故障，需要专业人员进行及时的数据分析处理，以判定是哪一个系统和部件出了问题。通过数据采集器采集车辆数据，然后及时本地压缩存储后再通过4G 无线网络上传到远在千里之外的云平台存储备份。让专业人员进行数据分析，查找问题，加快研发进度。

1 系统网络组成

系统分三部分组成，带数据采集器的路试车辆、负责云端数据接收和分发的后台服务器以及应用和操控的网络电脑。在路试的每个车辆，配备一个数据采集器，其ID 与车辆的特征码绑定，以区分是那一辆车的数据。每个数据采集器最多可提供八路的can 信号的数采集。分布式的应用电脑透过网络读取后台服务器的数据开展业务。

2 数据采集器基本特点

本设计为满足汽车数据采集而设计，考虑到系统的复杂性及成本，最多提供八路高速can2.0 采样，速率250kbps, 500kbps，1Mbps可以调整。预留一路LIN Bus 信号采样。采集数据除了can 数据外，还包含设备身份信息，定位和采集时间的基本信息，可以满足使用要求。数据无线传输使用4G 网络和wifi 网络传输到指定的后台。且4G 网络和wifi 网络自动切换。在硬件方面，由于是和汽车一起野外测试，要求稳定可靠，能够抗得住极低温和极高温以及强烈震动的不良使用环境下的考验。还要满足汽车恶劣的电磁环境的使用要求。所以，在设计采集器时，我们选择了带汽车级别的AECQ100 认证的主动器件，以及带AECQ200 认证的被动器件，以保证在-40～85℃环境下使用的可靠性。在PCBA 上的设计使用了八层板的设计，EDS 器件的使用，金属外壳的使用。保证了该设备在强电磁环境下的稳定可靠。最终测试满足汽车部件的企业考核标准。

3 数据采集器基本功能

数据采集方面本设备具有八路独立CAN 通道采集数据功能。速率支持250Kbps 及500Kbps，1Mbps，支持CAN2.0A 及CAN2.0B数据采集格式。支持CAN 数据ZIP 及GZ 压缩算法，可以扩展其它压缩算法；CAN 数据在本地循环存储，并且使用FTP 上传到后台。LED 可以实时显示数据收发状态。使用GPS 及无线网络NTP 对系统进行校时。设备留有以太网网口，支持10M/100M/1000M 高速以太网数据存储及通信。提供4G 高速上网功能。具有WIFI 客户端联网功能。外扩SD/T 卡功能，可以将数据导出到移动存储设备。

4 数据采集器的组成与基本工作原理

在图1 中，数据采集器主要由采集电路、数据处理电路、数据传输电路三部分组成。数据采集电路由八路独立的CAN 数据采集器完成从外部总线上的数据采集。CN1 到CN8 是接线端子，CAN 信号的输入。U12 是CAN 信号收发器，完成信号的电平和传输方式的转换。U13 是CAN 信号控制器，起到将来自于MPU 的数据按CAN信号的格式进行收发。其他路与此相同。U1 是MPU，它与U3 PMIC，U4 EMMC，以及U5 DDR3 共同构成了最小数据处理SOC 系统。来自于CAN 信号控制器的数据在MPU 时序的控制下，进入MPU，在这里与来自于U2 的定位信号以及来自于RTC 的时间数据，完成数据的整合与压缩及打包。数据传输由U2 完成，它是4G 无线通讯模块，通过它与后台交互数据。还有电源系统U10 提供了电源供给，U9 是MCU，进行开关机时序的管理。

图1 系统框图

5 数据采集器的硬件设计

在架构选定后，硬件设计包含元器件的选型，原理图的建立以及后面的PCB 布局和线路板设计与仿真。

5.1 数据采集器重要元器件的选型

数据处理的核心是MPU，MPU 的计算能力必须要满足大量数据的实时计算与压缩和打包。 IMX6Q 是一个内部带有Cortex A9的4 核ARM 处理器，主频高达1.2GHz 以上。IMX6Q 芯片带有WEIM 接口，支持16/32bit 的地址/数据总线混合模式，这个接口可灵活配置地址/数据端口，支持外接SRAM、NorFalsh 和OneNAND等设备，与外围的SJA1000T 总线控制器数据接口通过电平转换器匹配。

5.2 数据采集器的重点电路设计

图2 软件架构图

CN1，CN2，CNX，CN8 是8 路can bus 数据采集的输入口连接器，可以接收can2.0 的数据，支持速率250kbps 和500kbps 的数据取样。最高可到1Mbps 的速率。U12 是NXP 的TJA1042，是其中一路的can2.0 数据的信号收发器，它将两线制的can 差分信号转换成TXD 与RXD 的串行信号与can 信号的控制器衔接。U13 是NXP 的SJA1500T，它是can 数据的收发器，与后面的处理器衔接。将发送的并行的数据转换成can 信号发送出去，也可将前级送来的can 信号，转换成并行信号被处理器接受。该收发器可设置不同的波特率，以适应采集信号的要求。同时，每接受16 帧can 信号后，给处理器发出一个INT 请求，也可报错。处理器在收到INT 请求后，由于内置64bytes 的FIFO。一次性可读取16 帧can 信号,同时指示一路LED 灯亮。U1 是IMX6Q 是一个内部带有Cortex A9 的4 核ARM 处理器，主频高达1.2GHz 以上。它与周边的U3，U4，U5 和U6构成了最小的SOC 系统。配置了DDR3 1G bytes 的内存，32G Bits Flash 存储器。 U3 是电源管理器，DC 5V 的输入，它提供了整个SOC 的供电。以及上电时序的管理。本地的SD 卡提供循环存储备份。U20 是wifi 模块，支持IEEE802.11bgn，U2 是4G 无线通讯模块，带卫星定位功能。通过协议打包的数据，使用wifi 网络及4G网络上传数据。U10 是DC/DC，由DC12V 转换成DC3V3 供外设使用，5V 供USB，MPU 系统使用，3V8 供给4G 模块单元使用。 U9是32 位的MCU，对系统的电源，上电时序进行管理。可以监控CAN 信号是不是存在。U8 是RTC，给系统提供时间，由网络和GPS校时。

6 系统软件设计

系统从下到上依次为硬件层、OS 层、平台层、服务层及应用层。硬件层主要由MPU MCU 及外围电路组成，OS 层为负责车端的RTOS 及负责应用的Linux 系统组成，平台层主要为各种硬件及操作系统资源的抽象层，服务层主要提供CAN、WiFi、file、LED、storage、4G 等services，应用层通过调用service 层提供的服务来实现具体的功能。

6.1 系统软件特性

MPU OS 采用Linux kernel4.9.11 版本，采用RAM 高速缓存存储CAN 帧，然后转存至外存，采用ZIP 压缩，CPU 占用小、效率高，采用FTP 上传，支持断线重传。采用循环存储策略，有效防止存储溢出。 MCUOS 为UCOSRTOS，采用高速CAN 实时采集车况数据，并发送控制指令。 MPU 系统高速采集多路并行CAN 总线数据。Platform 层主要是SOC 及外设驱动适配层, 维护及监控整个板卡的工作状态。Service 层主要为4G 拨号上网，WIFI 热点链接，高速以太网连接，GPS 定位、CAN 数据采集。APP 应用层主要包含CAN 数据压缩存储及上传，LED 状态更新，网络时间同步，GPS 数据的存储上传，4G 拨号、WIFI、以太网配置等。

6.2 系统启动

上电后MCU 率先启动，打开MPU 电源，初始化RAM/ROM，引导 进 入Linux OS。初 始 化UART、EMMC、RTC、LED、Ethernet、WIFI、CAN 等设备驱动，初始化文件系统、TCP/IP 协议栈、shell 环境等。接下来启动4G module，使用PPPD 进入拨号流程，获取公网DNS 及IP 地址。然后是WIFI 热点链接，在linux 上映射为WIFI0网口，绑定DHCP client 及DNS client，搜索到WIFI AP 后，加入到网络中，在4G 网络不可用时，切换gateway 为WIFI0。上述过程ready 后MCU 会同linux 进行时间同步，系统启动后，linux 需要从MCU 获取车辆VIN 码，并和MCU 进行时间同步，同时LINUX 会从网络上获取基站时间。MCU VIN 码的获取是在车辆上电后，MCU 会启动CAN 协议栈，发送UDS 诊断包，车辆收到诊断包后，发出VIN 序列号给到MCU，MCU 收到后存入ROM 中，并且通过UART 接口发送给MPU 系统。接下来是CAN 帧采集, 实时从can接口抓取CAN 帧，并写入设备序列号、CAN 端口号、时间序列等。经过上一步打包的CAN 帧，转存入RAM 高速缓存中，并启动压缩程序。随着ZIP 压缩程序的启动，CAN 帧原始文件，经过ZIP 压缩打包后，存至EMMC 中。这时候系统会启动FTP 数据上传。为了实现循环存储,CAN 帧原始文件在转存至EMMC 后，监控程序会轮训文件夹大小，size 超限后，删除时间最老的文件。整个过程会伴随着LED 状态的更新,监控程序会检查CAN 网络包的状态，根据数据统计结果更新点亮LED 指示灯，在5S 内数据统计不再跳动，则熄灭LED 灯。

7 整体运行调试与结果

满载八路CAN 信号发生器接到CAN 采集器上，采集器抓取到CAN 帧，打上时间戳并发送到测试后台，测试后台抓取到数据包，转交由分析程序分析。分析程序解判定收到的帧的丢帧率和错误率。

采集器在有CAN 数据流时点亮指示灯，反之熄灭LED 指示灯。在4G 在网络正常时，可以正常拨号上网。在WIFI 网络正常时，可以正常接入到WIFI 热点。在插入以太网后，可以正常获取DNS及IP 地址。设备可以从基站获取时间，并且MPU 和MCU 可以保持时间同步。CAN 帧可以正常压缩上传，并且在远端FTP 服务器上可以收到CAN 帧，并且CAN 帧完整无异常。EMMC 外存在存储达到上限后，自动删除，达到循环存储要求。

测试下来八路CAN 同时加载的情况下误码率不超过千万分之一，达到预期设计验证效果。

结束语

本文通过对无线多路汽车数据采集器的设计与分析，简单分析了其系统网络工作环境，对其特点以及工作原理进行了简单描述，从设计的角度对其硬件配置以及重要元器件进行了描述，随后通过系统软件设计使其得以实现，通过系统测试后，运行良好，达到预期验证效果，无线多路汽车数据采集器的应用既可以帮助相关工作人员处理问题又可以提高工作效率，再此领域起积极作用。