| 标题 | FSAE赛车数据采集系统的研究与设计 |
| 范文 | 岳强+尉庆国+任晓乐 摘 要： 针对FSAE赛车在整车调校、车手训练过程中需要记录赛车运行数据，通过对FSAE赛车电气系统的研究，利用proteus软件对电路进行仿真，设计了一套用于方程式赛车的数据采集系统。系统需采集发动机转速、进气压力、氧传感器电压、赛车车速、转向角度、油门踏板行程深度等数据。数据通过CAN总线传输，最后通过2.4 GHz无线模块将数据发送到上位机接收端，上位机对数据进行图形化处理并实时记录和显示。数据采集系统在仿真和实物测试中都实现了预期的功能，对方程式赛车或特殊车辆数据采集系统的设计具有参考意义。 关键词： 数据采集； CAN总线； proteus仿真； 无线收发； 上位机； 图形化处理 中图分类号： TN919?34； U463.6 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）05?0069?05 Abstract： Since it is necessary to record the running data of FSAE racing car in the process of vehicle adjustment and driver training， the electrical system of FSAE racing car is studied to simulate its circuit with proteus software， and a data acquisition system for FSAE racing car is designed. The system needs to acquire the data of engine speed， intake pressure， voltage of oxygen sensor， speed of racing car， steering angle and accelerator pedal travel. The data is transmitted via CAN bus， and sent to the receiving end of host computer through 2.4 GHz wireless module. The host computer can conduct the graphical processing for the data， and record and display the data in real time. The data acquisition system can realize the expected functions in the aspects of simulation and physical test， and has a reference value for the design of the data acquisition system of the FSAE racing car and special vehicles. Keywords： data acquisition； CAN bus； proteus simulation； wireless transceiving； host computer； graphical processing 0 引 言 FSAE（Formula SAE）是由國际汽车工程学会（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[1]，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，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。目前国内外的FSAE赛车多使用购买的数据采集系统，但FSAE赛事本身的目的是训练参与者的汽车设计能力，同时购买的数据采集系统主要针对汽车改装，不能完全适应方程式赛车的数据需求。 基于上述原因，根据方程式赛车实际的数据需求，通过对赛车电气系统的研究，以FSAE赛车为平台， 设计一款符合FSAE赛车数据采集需要的系统。方程式赛车需要采集的数据主要包括发动机运行的数据和整车运行数据。发动机数据包括发动机转速、进气压力、氧传感器电压、冷却液温度这几个典型的参数。整车运动数据需要采集转向角度、车速、油门深度、制动信号、悬架形变量、横向、纵向加速度这几个参数。通过对方程式赛车电气系统的研究，发现需要检测的传感器较多，如果每个传感器单独走线，会产生大量的线束，使赛车的电气系统复杂度增加，也不利于赛车设计的轻量化要求。为解决这一问题，使用CAN总线进行数据传输，对传感器的数据处理后通过网关挂载到CAN总线上，采集器直接读取总线数据，即可采集到上述全部数据。由于赛车仪表需要显示转速、档位等信息。设计时将仪表集成到数据采集系统上，仪表作为CAN总线上的一个节点，读取总线上的数据并显示。设计上位机系统时考虑到要采集的数据量巨大，实时显示数字不便于反映数据的变化。为提高数据的可读性，在使用VB设计上位机时，将数据进行图形化处理，以图像的形式表达数据的变化。同时上位机将数据存储在计算机硬盘中，通过上位机可以查看历史数据记录。 FSAE赛车数据采集系统对于赛车的调校和赛车手的训练来说是一个反馈系统，数据采集系统在FSAE赛车上的运用使赛车的调校和赛车手的训练成为一个闭环系统，实时反馈的数据可以反映出赛车的工况和赛车手的操作习惯，便于进一步改进赛车的缺陷和赛车手操作的不足。数据采集系统还可以用于对其他机器设备的监测，只需在被监测的机器设备上安装相应的传感器就可以实现对机器设备的监控和数据记录，具有较强的可移植性。 1 数据采集系统的工作原理 设计的数据采集系统分为硬件和软件两部分：硬件部分包括CAN采集器和赛车仪表两部分，位于赛车的快拆方向盘内部，具有数据采集、仪表显示、无线传输功能；软件部分包括单片机程序和VB环境下开发的FSAE赛车数据显示上位机。单片机程序将传感器的模拟信号进行A/D转换，通过CAN控制器挂载到CAN总线上；上位机能够将接收到的数据进行图形化显示，并存储在计算机中，供数据分析时使用。 1.1 硬件系统组成 FSAE赛车空间有限，在保证数据传输稳定可靠的前提下应尽可能减少线束的数量。因此，在设计时运用CAN总线传输数据，CAN采集器和仪表作为网络节点挂载在CAN总线上。仪表将读取到的发动机转速、档位等信息进行显示[2]，CAN采集器读取发动机转速、进气压力、油门深度、氧传感器电压、赛车的横向、纵向加速度等数据。 硬件系统组成如图1所示。上半部分是经过A/D转换得到的数字信号，单片机将这些数据按一定规则进行编码后，送入CAN控制器挂载到CAN网络上，经过一个网关节点发送出来。CAN采集器读取数据后，通过2.4 GHz无线模块进行发送，上位机的接收端接收数据并送上位机处理。仪表读取CAN总线的数据[3]，将发动机转速、当前档位、冷却液温度等信息显示在方程式赛车快拆方向盘的仪表上。 1.2 软件系统组成 软件系统包括单片机处理程序和上位机程序两部分。传感器的模拟信号经过A/D转换后，单片机程序对数据进行编码，送入CAN控制器挂载到CAN总线上发出。上位机程序将接收的数据分类进行存储，将数据图形化后显示在对应的区域。 上位机是软件系统的核心，主要由接收模块、处理模块、显示模块三部分组成。上位机的数据接收模块将接收到的数据存储在计算机的硬盘中，数据处理模块将接收到的数据进行处理后，并借助VB的图形化工具在上位机的显示模块中呈现出来，从而实现在远端上位机处监测赛车的各项实时数据。 软件系统的原理框图如图2所示。上位机接收数据后，按照设计的程序规则进行处理，上位机将数据以图形化的形式呈现到窗口界面中，同时将数据存储到计算机的硬盘内。当需要读取历史数据时，通过上位机的接口调出历史数据，实现历史数据重现。 2 硬件系统设计 方程式赛车数据采集系统需要检测的传感器明细如表1所示。 从表1可知，需要采集的传感器数据类型包括脉冲、电压、开关量三种，脉冲和开关量信号通过单片机直接采集，电压信号经过A/D转换芯片得到数字信号，单片机通过巡检的方式定时检测上述数据，编码后送入CAN控制器发送到CAN总线上[4]。 硬件设计的重点是CAN模块的设计，CAN控制芯片使用SJA1000，在Altium Designer环境下对硬件系统的电路原理图和PCB进行设计，并编译原理图生成BOM表。设计PCB时将电路板形状做成仪表的形状，便于安装在赛车的方向盘内部。 2.1 CAN采集器设计 控制芯片采用普遍用于移动目标和一般工业环境中的区域网络控制芯片SJA1000，支持CAN 2.0协议[5]。为提高采集器的数据收發能力，使用TJA1050作为控制器区域网络（CAN）协议控制器和物理总线之间的接口，TJA1050最多可以连接110个节点，被广泛应用于汽车的CAN网络数据收发。CAN采集器收发模块原理图如图3所示。 2.2 数据采集系统PCB设计 考虑到本系统集成于仪表并安装在赛车方向盘内部，因此在PCB设计时使用贴片封装的元器件，将赛车仪表和采集器集成到一块PCB上，兼备仪表和数据采集功能。系统的PCB在Altium Designer的3D模型如图4所示。 图4a）是采集系统的PCB三维图，图4b）是仪表的PCB三维图。两块电路板安装在方程式赛车的快拆方向盘内部，实现数据采集和仪表显示的功能。 3 软件系统设计 FSAE赛车行驶中的各项参数反映了赛车性能的优劣，同时表现了不同车手的驾驶风格和习惯。这些参数为车手驾驶行为的分析以及赛车的调校提供了重要的数据支持。数据采集系统上位机软件采用Visual Basic语言编写，该语言的最大特点是具有可视化编程功能，因此，Visual Basic在工业自动化控制领域有着广泛的应用[6]。此外，其自带的MSComm控件可以便捷地实现与下位机的通信。 3.1 数据传输规则 由于通过无线串口传来的数据包含赛车的多项参数，在上位机中需要对数据进行“分拣”。因此传输的数据需要进行编码，即在发送端和接收端同时规定一个相同的格式，便于上位机接收端区分不同数据[7]。此系统规定每一帧2 B发送数据，其中第一字节为地址位，用于指明该数据表示赛车的某一项参数；第二字节为数据位，用于表示该项参数数值是多少。使用0xF4～0xFF分别表示车速、转速、油门深度、转向角度、横向加速度、纵向加速度、悬架位移量、档位、氧传感器电压、进气压力、冷却液温度、制动信号；而0x00～0xF3表示某项参数的具体数值大小。例如，0xF4表示车速，则数据0xF4，0x08表示“当前车速为8 km/h”。上位机接收到数据后，按照图5所示的流程进行数据处理和存储。 3.2 数据接收流程 下位机将赛车的各项数据依次循环发送至无线模块的发送缓冲区，每一帧2 B，第一个字节表示该数据的类型，第二个字节表示该数据的具体数值。数据类型和具体数值交替发送。 上位机端通过查询MSComm控件中CommEvent属性的值，来判断是否收到单片机的数据。当收到数据时，CommEvent属性值自动置为comEvReceive。由于下位机的发送与上位机的接收在时间上是不同步的，在上位机接收到数据后需要进行判断加以识别。当上位机接收到一个字节数据时，判断该字节是否属于0x00～0xF3区间，若处于则表示只收到某一帧数据的第二个字节，所以该帧数据需要作废，重新等待下一字节数据。若不处于该区间（即数据处于0xF4～0xFF），则表示该字节为某帧数据的第一字节，此时将该帧数据存入相应变量并指向相应的赛车参数，继续等待第二字节数据。待第二字节数据发来后，将该数据的数值存入第一字节数据指向的赛车参数，完成一帧数据的传输。第二字节赋于该项数据具体的数值，并存入相应的变量。 3.3 数据处理流程 如图5所示流程，对收到的数据进行进制变换，得到数据的真实值，通过TextBOX控件显示在屏幕上。与此同时，将它们的值赋予矩形条shape控件的width属性，可以通过矩形槽的长度实时反应该项数值的大小。将timer控件的Interval属性值设为记录数据的间隔，并在timer控件中写入调用记事本文件的程序，可将数据按所需的时间间隔记录在记事本文件中，实现数据记录周期可调。 4 仿真与测试 4.1 硬件仿真 数据采集系统的硬件设计完成后，在准备制作PCB印制电路板之前，需要进行电路仿真验证[8]，以证明电路设计的可行性。选取仪表的档位显示电路进行硬件电路仿真。在proteus环境下搭建仿真电路如图6所示。 模拟档位信号从CAN总线被CAN控制器读取，通过CAN控制芯片处理后传输到单片机，单片机读取当前档位信息后显示在数码管上[9]。从仿真结果来看，设计的数据采集系统硬件电路能够实现方程式赛车的数据采集功能，可以进行PCB印制电路板的制作，实现预期的功能。 4.2 上位机测试 上位机设计完成后，在Windows 7系统上的运行效果如图7所示。打开上位机界面后，先设置接收数据的串口为串口4，波特率为9 600 b/s，设置数据存储周期为2 000 ms。赛车手启动方程式赛车后系统上电，数据采集系统开始工作，图7为上位机接收数据时的截图。上位机将数据通过图形表达出来，同时将数据存储到计算机硬盘中[10]。数据采集系统在多次实测过程中传输数据稳定可靠，方程式赛车的各项数据实时显示在上位机界面中，实现了预期的功能和效果。 在赛车动力系统调校时使用上位机进行数据记录，读取每次测试时纵向加速度的最大值，通过与理论值进行比较来对动力系统进行修正，科学地对赛车进行优化。如图8所示是我校大学生方程式赛车项目成果。 5 结 语 数据采集系统作为一种试验测试工具和行车数据监视工具，为FSAE赛车的调校提供了重要的数据支持。 赛车数据采集系统的应用使赛车设计和车手训练从一个开环系统变成了以数据采集系统为反馈媒介的闭环系统，更加有利于方程式赛车设计的优化和赛车手训练的科学化。 参考文献 [1] 李强，黄富平，吴坚.车辆工程专业学生创新实践能力培养：基于大学生方程式汽车大赛[J].浙江科技学院学报，2015，27（3）：236?240. 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