摘要：本汽车数据采集方案通过利用现代通讯技术上传现场采集到的数据传输到云平台，让不在现场的专业技术人员也可远在千里之外及时得到数据进行相关分析，也起到云数据备份的功能，防止数据丢失，帮助处理问题，提高工作效率。最后试验证明系统在满负荷八路高速CAN，500KBPS信号情况下，云端收到的误码率可以达到千万分之一的水平，系统满足实际需要。
关键词：数据采集；CAN总线；云数据备份；4G网络
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LINBus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U3PMIC，U4EMMC，以及U5DDR3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。
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CortexA9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。CN1，CN2，CNX，CN8是8路canbus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CortexA9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DDR31Gbytes的内存，32GBitsFlash存储器。U3是电源管理器，DC5V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MPUMCU及电路组成，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。MPUOS采用Linuxkernel4.9.11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LinuxOS。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4Gmodule，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DHCPclient及DNSclient，搜索到WIFIAP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。MCUVIN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。
8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。
参考文献
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作者:何晏平 单位:上海平扬电子科技有限公司
