燃料电池车位置姿态电池信息监测采集系统

杨光友，刘威宏，余兆成，姜 帆，陈 明，史建鹏

(1 湖北工业大学农业机械工程研究设计院， 湖北 武汉 430068；2 东风汽车集团有限公司前瞻技术研究院， 湖北 武汉 430050)

对行驶过程中的燃料电池车发生故障的统计数据分析表明，燃料电池车常见故障单元多集中在燃料电池系统[1]。因汽车横摆角速度过大等相关因素造成汽车侧翻同样是影响汽车安全性的重要问题[2]。美国福特公司研发了一套新能源汽车的远程监控系统用来获取电池信息[3]。齐光石基于ARM处理器，通过GPS、CAN控制器，将采集的数据通过3G网络传输至监控中心，构建了远程监控系统[4]。金振华设计的燃料电池车监控系统，通过GPS和CAN网络采集位置信息和整车参数，并将数据传输至远程监控中心，实现远程监控[5]。近年来，该领域相对成熟的设计多将监控系统与智能手机结合，在手机连网的情况下通过智能手机APP对汽车的相关数据进行远程监测[6-7]，或是以嵌入式智能芯片为基础构建汽车终端，结合外围传感器获取状态信号，将采集到的数据上传至远程监测系统[8-10]。

通过获取燃料电池汽车运行状态下的运维数据，除了可以对汽车状况进行实时监测，还能达到对即将出现的风险进行预警的目的，提高了车辆的安全性和可靠性，燃料电池车位置姿态电池信息监测采集系统应运而生。

1 系统总体设计

1.1 系统功能要求

燃料电池车监测数据采集系统主要功能是获取车辆运行时的实时状态，将实时采集到的数据存储到SD卡，并通过4G模块传输到远程监测服务器，实现远程监测。

1.2 监测参数

根据系统的功能要求，以及数据的来源途径，将选取的监测参数划分为两部分(表1)。

表1 选取的监测参数

高精度姿态传感器通过RS232接口传输给采集节点加速度、横摆角速度和倾角数据；GPS通过UART传输时间和位置信号。踏板电压信号由AD接口采集获取[11]。

1.3 系统总体架构

监测数据采集系统主要由采集节点和通信节点两部分构成。采集节点连接姿态传感器、GPS以及加速踏板，并通过这些传感器获取有关加速度、侧倾角、横摆角速度、经纬度等车辆状态数据，然后将数据通过串口发送到通信节点；整车控制器VCU、燃料电池控制器FCU和电机控制器MCU通过汽车CAN总线向通信节点传输燃料电池状态、电堆电压，以及车速、电机转速、加速度等数据。通信节点将采集节点和CAN总线传输来的数据进行本地SD卡存储，并通过4G模块上传至远程监测系统。在通信节点的设计上，由于4G技术性能优越且能够与多项其他通信技术兼容[12]，所以选用4G模块来对数据进行传输。采集节点核心处理器选用400 MHz主频，1M SRAM的STM32H750芯片，通信节点核心处理器选用STM32F407芯片，同时在节点控制板上配置板载SD卡接口和4G通信模块，以满足本地数据存储以及数据上传至云服务器的需求。采集节点经由串口与通信节点进行交互。

为满足系统实时性和多任务的功能需求，监测系统的两个节点均移植UCOS嵌入式系统[13]。另外，移植FATFS文件管理系统[14]对通信节点的数据存储进行管理。系统架构如图1所示。

图1 系统架构

2 硬件设计

2.1 采集节点硬件设计

2.1.1控制器选择根据系统总体设计，采集节点采用了STM32H750核心板作为控制器。该核心板具有足够的外设资源，满足本系统的要求。

2.1.2RS232 根据系统总体设计，GPS的串口是TTL，直接与节点控制器相连，而姿态传感器与节点控制器之间的数据传输是通过RS232[15]实现。STM32H750核心板板载了一公一母两个RS232接口，由于控制器的通讯电平不同于姿态传感器，故使用SP3232芯片作为电平转换芯片。控制器具有的RS232电路原理如图2所示。

图2 RS232电路

2.2 通信节点硬件设计

2.2.1控制器选择根据系统总体设计，选择性能较强的STM32F407作为通信节点控制器。该控制器板载了系统所需要的CAN接口、4G通信模块和SD卡接口。

2.2.2CAN通信根据系统总体设计，通信节点通过汽车CAN总线[16]获取有关燃料电池状态、电堆电压，以及车速、电机转速、加速度等数据。该节点控制器具有的CAN接口，通信原理如图3所示。

图3 CAN通信电路

2.2.3 4G通信模块根据系统总体设计，选用墨子号公司发行的EC20模块，将采集的实时数据通过4G通信网络传输至远程监控系统。该模块最大上行速率和最大下行速率分别为500 Mbps和100 Mbps，信号覆盖范围广泛，并且支持多输入多输出技术(MIMO)[17]，完全符合本系统功能要求。模块接口原理如图4所示。

图4 EC20模块接口和SIM卡电路

2.2.4SD卡接口根据系统总体设计，监测系统需要将实时采集到的数据进行本地存储。该节点控制板板载了SD卡接口，SD卡采用4位SDIO方式驱动，理论最大速度可以达到25 MB/S。其原理如图5所示，包括数据线、时钟线和命令线。

图5 SD卡电路

3 软件设计

3.1 采集节点

根据系统总体设计，采集节点通过板载的AD通道以5 ms/次的接收频率获取由加速踏板传输来的电压信号，通过RS232和UART接收中断以10 ms/次的接收频率获取姿态传感器传输来的加速度、倾角和横摆角速度信号，并通过UART以50 ms/次的频率接收来自GPS传输来的经纬度和时间信号。在采集到各传感器数据后，采集节点以50 ms/次的频率通过UART将接收到的来自各传感器的数据打包发送给通信节点。采集节点通过UCOS实时操作系统对各个实时任务进行调度，实现上述功能。系统的实时任务包括：加速踏板采集任务、姿态传感器采集任务、GPS采集任务和数据发送任务。采集节点的任务优先级如表2所示。

表2 采集节点任务优先级

采集节点运行开始时创建各个实时任务，并由系统任务调度器进行各个实时任务的切换。当最高优先级的任务为加速踏板数据采集任务，则对踏板电压进行AD采集，发送相应事件标志组到数据发送任务，然后调用OSTimeDlyHMSM()函数对任务延时5 ms。延时函数在该任务中不仅起着任务挂起的作用，还起着任务唤醒的作用。当最高优先级的任务为姿态传感器数据采集任务，若该任务请求到了相应串口接收中断发送的消息队列，该任务得到执行，对消息队列数据进行解析，并发送相应事件标志组到数据发送任务，执行完成后将该任务延时10 ms，否则将任务挂起；当最高优先级的任务为GPS数据采集任务时，若该任务请求到了相应串口接收中断发送的消息队列，则对GPS数据进行解析，发送相应事件标志组到数据发送任务，否则将任务挂起；当最高优先级任务为数据发送任务，若请求到了相应事件标志组时，则将数据进行发送，发送完成后调用任务延时函数对该任务延时50 ms。该节点各任务间的同步与切换如图6所示。

图6 采集节点软件流程

3.2 通信节点

根据系统总体设计，通信节点通过CAN总线获取燃料电池状态、电堆电压，以及车速、电机转速、加速度等数据，经由串口接收来自采集节点的车辆状态等数据。此外，通信节点还需将所获取的数据通过4G通信模块上传至远程服务器，并同时将数据存储在本地SD卡中。通信节点也通过UCOS对各个实时任务进行调度，实现上述功能。实时任务包括：4G通信模块初始化任务、串口数据接收任务、CAN总线数据接收任务、数据上传任务、数据存储任务和LED指示灯任务。该4G模块支持AT指令配置，使用之前需要发送相关AT指令对其进行配置，配置指令如表3所示。通信节点的任务优先级如表4所示。

表3 AT指令

表4 通信节点任务优先级

在通信节点程序运行开始时，首先创建各个实时任务，其后便由操作系统按照任务就绪表中查询到最高优先级的任务进行任务切换。当最高优先级的任务为CAN总线接收任务，执行该任务，该任务执行完成后调用OSTaskSuspend()延时函数将任务挂起；当任务优先级为2的任务获得最高优先级，并接收到CAN接收中断发送的相应消息队列，则执行程序，信号量将被发送到数据上传任务，另一个信号量将被发送到数据存储任务，事件标志组也将被发送到LED指示灯任务；当任务优先级为3的任务获得CPU使用权，若该任务接收到了串口接收中断发送的消息队列,则任务执行程序并向数据上传任务发送信号量，向数据存储任务发送信号量，并将相应事件标志组发送到LED指示灯任务；当最高优先级的任务为数据上传任务，若请求到信号量时，则将采集的数据打包上传至服务器，上传完成后发送事件标志组到LED指示灯任务，否则将任务挂起，进入等待态；当任务优先级为5的任务获得CPU使用权，若请求到信号量时，则使用FATFS文件系统将所有获取到的数据打包并进行本地SD卡存储，然后发送相应事件标志组到LED指示灯任务，调用OSTimeDlyHMSM()函数对任务延时；当最高优先级的任务为LED指示灯任务，若请求到相应事件标志组时，则执行相应程序。通信节点各任务间的同步与切换如图7所示。

图7 通信节点软件流程

4 系统测试

在完成系统总体设计后，将系统进行整合封装，制作出系统终端如图8所示。

图8 系统终端

为检测该监测数据采集系统的准确度与稳定性，本项目进行了实车测试。

实车测试安排在东风汽车公司某试验场地、某车型燃料电池试验车环境下进行。将该监测终端固定在驾驶座底座位置(图9)，监控系统数据界面如图10所示。经多次试验，系统获取的时间信息完全与云端时间同步，经纬度信息也与地图定位相同。由远程监控系统界面得知，车辆状态和燃料电池状态信息与车载电脑显示信息基本相同。

图9 实车试验

图10 监控系统界面

5 结论

本文针对需求，设计出燃料电池车位置、姿态、电池信息监测采集系统，通过试验车实验分析得出以下结果：

1)该燃料电池车实时状态监测系统具有一定的实时性，软件上使用较为成熟的μ-COS嵌入式操作系统，可将实时获取车辆状态和燃料电池状况信息通过合理任务调度进行本地存储并传输至远程服务器。相较于其他裸机开发的系统而言，实时性得到大幅提升。

2)该系统具有一定的可靠性，硬件上选用的两块STM32开发板作为节点控制器很好地与Lpms-IG1姿态传感器、GPS模块等外部传感器相适应，且具有系统所需要的各种接口。相较于其他以工控机为基础设计得到的系统，能更便携、更方便部署到车内。

3)通过试验车多次实验，证明该系统满足系统基本要求。由该系统采集整理得到的数据集可为下一阶段开展汽车安全行驶监测研究奠定数据基础。