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摘要：本汽車數(shù)據(jù)采集方案通過利用現(xiàn)代通訊技術(shù)上傳現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆破脚_，讓不在現(xiàn)場的專業(yè)技術(shù)人員也可遠(yuǎn)在千里之外及時得到數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，也起到云數(shù)據(jù)備份的功能，防止數(shù)據(jù)丟失，幫助處理問題，提高工作效率。最后試驗(yàn)證明系統(tǒng)在滿負(fù)荷八路高速CAN，500KBPS信號情況下，云端收到的誤碼率可以達(dá)到千萬分之一的水平，系統(tǒng)滿足實(shí)際需要。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)采集；CAN總線；云數(shù)據(jù)備份；4G網(wǎng)絡(luò)

新型號的汽車在進(jìn)入路試后，經(jīng)常碰到各種各樣的故障，需要專業(yè)人員進(jìn)行及時的數(shù)據(jù)分析處理，以判定是哪一個系統(tǒng)和部件出了問題。通過數(shù)據(jù)采集器采集車輛數(shù)據(jù)，然后及時本地壓縮存儲后再通過4G無線網(wǎng)絡(luò)上傳到遠(yuǎn)在千里之外的云平臺存儲備份。讓專業(yè)人員進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，查找問題，加快研發(fā)進(jìn)度。

1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成

系統(tǒng)分三部分組成，帶數(shù)據(jù)采集器的路試車輛、負(fù)責(zé)云端數(shù)據(jù)接收和分發(fā)的后臺服務(wù)器以及應(yīng)用和操控的網(wǎng)絡(luò)電腦。在路試的每個車輛，配備一個數(shù)據(jù)采集器，其ID與車輛的特征碼綁定，以區(qū)分是那一輛車的數(shù)據(jù)。每個數(shù)據(jù)采集器最多可提供八路的can信號的數(shù)采集。分布式的應(yīng)用電腦透過網(wǎng)絡(luò)讀取后臺服務(wù)器的數(shù)據(jù)開展業(yè)務(wù)。

2數(shù)據(jù)采集器基本特點(diǎn)

本設(shè)計(jì)為滿足汽車數(shù)據(jù)采集而設(shè)計(jì)，考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜性及成本，最多提供八路高速can2.0采樣，速率250kbps,500kbps，1Mbps可以調(diào)整。預(yù)留一路LINBus信號采樣。采集數(shù)據(jù)除了can數(shù)據(jù)外，還包含設(shè)備身份信息，定位和采集時間的基本信息，可以滿足使用要求。數(shù)據(jù)無線傳輸使用4G網(wǎng)絡(luò)和wifi網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街付ǖ暮笈_。且4G網(wǎng)絡(luò)和wifi網(wǎng)絡(luò)自動切換。在硬件方面，由于是和汽車一起野外測試，要求穩(wěn)定可靠，能夠抗得住極低溫和極高溫以及強(qiáng)烈震動的不良使用環(huán)境下的考驗(yàn)。還要滿足汽車惡劣的電磁環(huán)境的使用要求。所以，在設(shè)計(jì)采集器時，我們選擇了帶汽車級別的AECQ100認(rèn)證的主動器件，以及帶AECQ200認(rèn)證的被動器件，以保證在-40~85℃環(huán)境下使用的可靠性。在PCBA上的設(shè)計(jì)使用了八層板的設(shè)計(jì)，EDS器件的使用，金屬外殼的使用。保證了該設(shè)備在強(qiáng)電磁環(huán)境下的穩(wěn)定可靠。最終測試滿足汽車部件的企業(yè)考核標(biāo)準(zhǔn)。

3數(shù)據(jù)采集器基本功能

數(shù)據(jù)采集方面本設(shè)備具有八路獨(dú)立CAN通道采集數(shù)據(jù)功能。速率支持250Kbps及500Kbps，1Mbps，支持CAN2.0A及CAN2.0B數(shù)據(jù)采集格式。支持CAN數(shù)據(jù)ZIP及GZ壓縮算法，可以擴(kuò)展其它壓縮算法；CAN數(shù)據(jù)在本地循環(huán)存儲，并且使用FTP上傳到后臺。LED可以實(shí)時顯示數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)。使用GPS及無線網(wǎng)絡(luò)NTP對系統(tǒng)進(jìn)行校時。設(shè)備留有以太網(wǎng)網(wǎng)口，支持10M/100M/1000M高速以太網(wǎng)數(shù)據(jù)存儲及通信。提供4G高速上網(wǎng)功能。具有WIFI客戶端聯(lián)網(wǎng)功能。外擴(kuò)SD/T卡功能，可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)出到移動存儲設(shè)備。

4數(shù)據(jù)采集器的組成與基本工作原理

在圖1中，數(shù)據(jù)采集器主要由采集電路、數(shù)據(jù)處理電路、數(shù)據(jù)傳輸電路三部分組成。數(shù)據(jù)采集電路由八路獨(dú)立的CAN數(shù)據(jù)采集器完成從外部總線上的數(shù)據(jù)采集。CN1到CN8是接線端子，CAN信號的輸入。U12是CAN信號收發(fā)器，完成信號的電平和傳輸方式的轉(zhuǎn)換。U13是CAN信號控制器，起到將來自于MPU的數(shù)據(jù)按CAN信號的格式進(jìn)行收發(fā)。其他路與此相同。U1是MPU，它與U3PMIC，U4EMMC，以及U5DDR3共同構(gòu)成了最小數(shù)據(jù)處理SOC系統(tǒng)。來自于CAN信號控制器的數(shù)據(jù)在MPU時序的控制下，進(jìn)入MPU，在這里與來自于U2的定位信號以及來自于RTC的時間數(shù)據(jù)，完成數(shù)據(jù)的整合與壓縮及打包。數(shù)據(jù)傳輸由U2完成，它是4G無線通訊模塊，通過它與后臺交互數(shù)據(jù)。還有電源系統(tǒng)U10提供了電源供給，U9是MCU，進(jìn)行開關(guān)機(jī)時序的管理。

5數(shù)據(jù)采集器的硬件設(shè)計(jì)

在架構(gòu)選定后，硬件設(shè)計(jì)包含元器件的選型，原理圖的建立以及后面的PCB布局和線路板設(shè)計(jì)與仿真。

5.1數(shù)據(jù)采集器重要元器件的選型。數(shù)據(jù)處理的核心是MPU，MPU的計(jì)算能力必須要滿足大量數(shù)據(jù)的實(shí)時計(jì)算與壓縮和打包。IMX6Q是一個內(nèi)部帶有CortexA9的4核ARM處理器，主頻高達(dá)1.2GHz以上。IMX6Q芯片帶有WEIM接口，支持16/32bit的地址/數(shù)據(jù)總線混合模式，這個接口可靈活配置地址/數(shù)據(jù)端口，支持外接SRAM、NorFalsh和OneNAND等設(shè)備，與外圍的SJA1000T總線控制器數(shù)據(jù)接口通過電平轉(zhuǎn)換器匹配。

5.2數(shù)據(jù)采集器的重點(diǎn)電路設(shè)計(jì)。CN1，CN2，CNX，CN8是8路canbus數(shù)據(jù)采集的輸入口連接器，可以接收can2.0的數(shù)據(jù)，支持速率250kbps和500kbps的數(shù)據(jù)取樣。最高可到1Mbps的速率。U12是NXP的TJA1042，是其中一路的can2.0數(shù)據(jù)的信號收發(fā)器，它將兩線制的can差分信號轉(zhuǎn)換成TXD與RXD的串行信號與can信號的控制器銜接。U13是NXP的SJA1500T，它是can數(shù)據(jù)的收發(fā)器，與后面的處理器銜接。將發(fā)送的并行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成can信號發(fā)送出去，也可將前級送來的can信號，轉(zhuǎn)換成并行信號被處理器接受。該收發(fā)器可設(shè)置不同的波特率，以適應(yīng)采集信號的要求。同時，每接受16幀can信號后，給處理器發(fā)出一個INT請求，也可報(bào)錯。處理器在收到INT請求后，由于內(nèi)置64bytes的FIFO。一次性可讀取16幀can信號,同時指示一路LED燈亮。U1是IMX6Q是一個內(nèi)部帶有CortexA9的4核ARM處理器，主頻高達(dá)1.2GHz以上。它與周邊的U3，U4，U5和U6構(gòu)成了最小的SOC系統(tǒng)。配置了DDR31Gbytes的內(nèi)存，32GBitsFlash存儲器。U3是電源管理器，DC5V的輸入，它提供了整個SOC的供電。以及上電時序的管理。本地的SD卡提供循環(huán)存儲備份。U20是wifi模塊，支持IEEE802.11bgn，U2是4G無線通訊模塊，帶衛(wèi)星定位功能。通過協(xié)議打包的數(shù)據(jù)，使用wifi網(wǎng)絡(luò)及4G網(wǎng)絡(luò)上傳數(shù)據(jù)。U10是DC/DC，由DC12V轉(zhuǎn)換成DC3V3供外設(shè)使用，5V供USB，MPU系統(tǒng)使用，3V8供給4G模塊單元使用。U9是32位的MCU，對系統(tǒng)的電源，上電時序進(jìn)行管理。可以監(jiān)控CAN信號是不是存在。U8是RTC，給系統(tǒng)提供時間，由網(wǎng)絡(luò)和GPS校時。

6系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)從下到上依次為硬件層、OS層、平臺層、服務(wù)層及應(yīng)用層。硬件層主要由MPUMCU及外圍電路組成，OS層為負(fù)責(zé)車端的RTOS及負(fù)責(zé)應(yīng)用的Linux系統(tǒng)組成，平臺層主要為各種硬件及操作系統(tǒng)資源的抽象層，服務(wù)層主要提供CAN、WiFi、file、LED、storage、4G等services，應(yīng)用層通過調(diào)用service層提供的服務(wù)來實(shí)現(xiàn)具體的功能。

6.1系統(tǒng)軟件特性。MPUOS采用Linuxkernel4.9.11版本，采用RAM高速緩存存儲CAN幀，然后轉(zhuǎn)存至外存，采用ZIP壓縮，CPU占用小、效率高，采用FTP上傳，支持?jǐn)嗑€重傳。采用循環(huán)存儲策略，有效防止存儲溢出。MCUOS為UCOSRTOS，采用高速CAN實(shí)時采集車況數(shù)據(jù)，并發(fā)送控制指令。MPU系統(tǒng)高速采集多路并行CAN總線數(shù)據(jù)。Platform層主要是SOC及外設(shè)驅(qū)動適配層,維護(hù)及監(jiān)控整個板卡的工作狀態(tài)。Service層主要為4G撥號上網(wǎng)，WIFI熱點(diǎn)鏈接，高速以太網(wǎng)連接，GPS定位、CAN數(shù)據(jù)采集。APP應(yīng)用層主要包含CAN數(shù)據(jù)壓縮存儲及上傳，LED狀態(tài)更新，網(wǎng)絡(luò)時間同步，GPS數(shù)據(jù)的存儲上傳，4G撥號、WIFI、以太網(wǎng)配置等。

6.2系統(tǒng)啟動。上電后MCU率先啟動，打開MPU電源，初始化RAM/ROM，引導(dǎo)進(jìn)入LinuxOS。初始化UART、EMMC、RTC、LED、Ethernet、WIFI、CAN等設(shè)備驅(qū)動，初始化文件系統(tǒng)、TCP/IP協(xié)議棧、shell環(huán)境等。接下來啟動4Gmodule，使用PPPD進(jìn)入撥號流程，獲取公網(wǎng)DNS及IP地址。然后是WIFI熱點(diǎn)鏈接，在linux上映射為WIFI0網(wǎng)口，綁定DHCPclient及DNSclient，搜索到WIFIAP后，加入到網(wǎng)絡(luò)中，在4G網(wǎng)絡(luò)不可用時，切換gateway為WIFI0。上述過程ready后MCU會同linux進(jìn)行時間同步，系統(tǒng)啟動后，linux需要從MCU獲取車輛VIN碼，并和MCU進(jìn)行時間同步，同時LINUX會從網(wǎng)絡(luò)上獲取基站時間。MCUVIN碼的獲取是在車輛上電后，MCU會啟動CAN協(xié)議棧，發(fā)送UDS診斷包，車輛收到診斷包后，發(fā)出VIN序列號給到MCU，MCU收到后存入ROM中，并且通過UART接口發(fā)送給MPU系統(tǒng)。接下來是CAN幀采集,實(shí)時從can接口抓取CAN幀，并寫入設(shè)備序列號、CAN端口號、時間序列等。經(jīng)過上一步打包的CAN幀，轉(zhuǎn)存入RAM高速緩存中，并啟動壓縮程序。隨著ZIP壓縮程序的啟動，CAN幀原始文件，經(jīng)過ZIP壓縮打包后，存至EMMC中。這時候系統(tǒng)會啟動FTP數(shù)據(jù)上傳。為了實(shí)現(xiàn)循環(huán)存儲,CAN幀原始文件在轉(zhuǎn)存至EMMC后，監(jiān)控程序會輪訓(xùn)文件夾大小，size超限后，刪除時間最老的文件。整個過程會伴隨著LED狀態(tài)的更新,監(jiān)控程序會檢查CAN網(wǎng)絡(luò)包的狀態(tài)，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果更新點(diǎn)亮LED指示燈，在5S內(nèi)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)不再跳動，則熄滅LED燈。

7整體運(yùn)行調(diào)試與結(jié)果

滿載八路CAN信號發(fā)生器接到CAN采集器上，采集器抓取到CAN幀，打上時間戳并發(fā)送到測試后臺，測試后臺抓取到數(shù)據(jù)包，轉(zhuǎn)交由分析程序分析。分析程序解判定收到的幀的丟幀率和錯誤率。采集器在有CAN數(shù)據(jù)流時點(diǎn)亮指示燈，反之熄滅LED指示燈。在4G在網(wǎng)絡(luò)正常時，可以正常撥號上網(wǎng)。在WIFI網(wǎng)絡(luò)正常時，可以正常接入到WIFI熱點(diǎn)。在插入以太網(wǎng)后，可以正常獲取DNS及IP地址。設(shè)備可以從基站獲取時間，并且MPU和MCU可以保持時間同步。CAN幀可以正常壓縮上傳，并且在遠(yuǎn)端FTP服務(wù)器上可以收到CAN幀，并且CAN幀完整無異常。EMMC外存在存儲達(dá)到上限后，自動刪除，達(dá)到循環(huán)存儲要求。測試下來八路CAN同時加載的情況下誤碼率不超過千萬分之一，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)驗(yàn)證效果。

8結(jié)束語

本文通過對無線多路汽車數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計(jì)與分析，簡單分析了其系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)工作環(huán)境，對其特點(diǎn)以及工作原理進(jìn)行了簡單描述，從設(shè)計(jì)的角度對其硬件配置以及重要元器件進(jìn)行了描述，隨后通過系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)使其得以實(shí)現(xiàn)，通過系統(tǒng)測試后，運(yùn)行良好，達(dá)到預(yù)期驗(yàn)證效果，無線多路汽車數(shù)據(jù)采集器的應(yīng)用既可以幫助相關(guān)工作人員處理問題又可以提高工作效率，再此領(lǐng)域起積極作用。

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作者:何晏平 單位:上海平揚(yáng)電子科技有限公司