IoT数据采集系统通信设计

期刊目录网统计论文发表2019-09-20 10:41关注(1)

　　截至2019年，随着无人驾驶和IoT技术的快速发展，IoT成为国内外新一轮技术创新和产业发展的动力源泉。汽车行业研究的热点也由内燃机转向汽车电池技术、车载智能系统、车载通信系统、安全服务平台等关键性技术。然而，国内新能源汽车却丑闻不断，电动汽车充电自燃、电池短期损耗严重、虚标续航里程等问题层出不穷，究其主要原因来自于电池管理系统。国内外的厂商都给新能源汽车配备有电池管理系统，但国外的电动汽车很少出现这类问题，笔者认为是车联网数据采集系统的通信精准性造成的。

　　关键词：软件抗干扰;μC/OS-II;Modbus

　　截至2019年，中国已经开始研制新能源汽车数十年，并取得了一些突破性的成果[1]。从目前国内的成熟产品来看，如蔚来汽车、比亚迪电动汽车，取得了很多成绩，特别是蔚来汽车在美国纳斯达克上市，代表着中国新能源汽车产商有了走向世界的能力，但从软件底层的一些技术层面上来看，我国新能源汽车与国外同类产品无论在种类和性能上都存在巨大的差距，或多或少存在电池短期损耗严重、虚标续航里程等问题，特别是如今中美贸易摩擦不断，在科技上我国被外国进行技术封锁，因此更要加紧推动新能能源汽车产品的技术革新，推动我国科技进步。目前，根据汽车行业的特殊性以及相关的技术要求，数据采集系统通信需要对新能源汽车行车工况进行实时监测，使汽车始终处于安全、可靠、优质、经济、高效的最优运行状态，经过综合考虑本设计采用Modbus协议，其具有开放性、高效性和可靠性等特点，因而近年来在汽车通信行业得到了广泛应用。

　　1设计思想

　　本文所设计的μC/OS-II环境下的IoT数据采集系统在硬件平台的基础上，以μC/OS-II操作系统为软件平台，测得电池温度、SOC、SOH、SOS、SOF及SOE。在这些数据层面的基础上，如果仅仅使用单片机和监测传感器，让单片机作为大脑中枢，传感器采集信号，虽然可行，但是产生信号会出现不稳定的情况，有可能得不到所需要的信号，也有可能传输不准确的信号，这种情况在笔者之前做的实验中出现过。笔者想利用工艺成熟的单片机处理信号，可是无论怎么调试，都不能达到良好的效果，后来经过查阅资料发现是单片机局限性的问题。在此基础查阅相关文献，笔者又提出了一种新的方法，硬件平台采用ARMCortex-M3内核的STM32微处理器作为主控芯片，并以此为基础设计各个功能模块的电路，虽然设计比第一种方案复杂，但为了确保通信的稳定性和实用性，本文选择第二种方法。

　　2硬件总体设计方案

　　系统硬件设计的是基于ARM的多功能数据采集装置，将32位嵌入式ARM内核的Cortex-M3系列微处理器作为硬件平台的核心，能完成对新能源汽车电池运行中的多种参数(如电池温度、SOC、SOH、SOS、SOF及SOE等)进行测量。在设计硬件电路时，为了确保系统的可靠性和稳定性，将系统的外围电路划分为不同的独立单元，首先所有的单元都是围绕ARM微处理器运行的，D/A转换电路将数字量转换为模拟量并经过数据处理后送到控制设备去执行相应的控制功能和动作，而A/D转换电路则是将模拟量转换为数字量，由传感器采集到的数据传送到ARM，DI/DO模块采用光耦隔离输入输出，还有RS232/RS485通信接口电路、复位电路、时钟电路、LCD、RAM、Flash和JTAG等，其实这样的硬件平台也更有利于构建Modbus通信系统。考虑到Modbus协议是一个主从式的协议和相关嵌入式设备的价格、性能等因素，笔者使实验室的中央处理器作为主机，可以通过RS232/RS485连接多个Modbus设备。

　　3数据采集系统设计

　　在考虑系统整体设计时，首先要考虑的就是假定新能源汽车电池在最不利的情况下，其次是要考虑任务的合理分配，讲到这里就要提到一个概念Modbus，其协议有两种传输模式：RTU模式和ASCII模式。本文设计的车联网数据采集系统主要是应用于汽车电池情况和行驶工况的实时监测，要求传输更稳定、通信效率更高，相比较而言，RTU模式比ASCII模式拥有更好的稳定性和传输效率，所以采用RTU模式，另外Modbus协议为一主多从的通信方式，每个从站均有自己的物理地址。本次设计以实验室的中央处理器为工作主站，车联网数据采集系统为从站，进行相互配合工作，其串行接口笔者计划采用RS232和RS485，将RS232的电平转换为RS485电平来进行组网，在此基础上采用μC/OS-II实时操作系统作为系统的软件开发平台。设计划分为不同的任务程序单元，如图2中的任务1到任务N及空闲任务，由系统进行调度和管理，还包括内存管理模块、时间管理模块、中断管理模块等，这样模块化设计能够使系统软件更加简单可靠，也便于以后的维护和系统升级，使设计出来的系统尽可能提高稳定性、准确性[2]。

　　4抗干扰设计

　　程序设计是一个很复杂的过程，中间包括很多环节，有一个最不可避免的就是如何尽可能在程序运行出现错误时触发主程序重新进入正确的循环，本文提出了一种综合的解决办法。首先利用看门狗技术，看门狗技术其实是为了防止失去控制的程序进入无限循环永不停止，如果遇到这种情况，常用看门狗技术使程序脱离这个无限循环。看门狗技术可以用硬件或者软件实现，通过设置T0、T1二个定时器去循环监视，从而构成一个环形网络进行循环监视保证系统可靠。为了提高系统的可靠性和稳定性，应常用看门狗软件的环形结构使其具有良好的抗干扰性能。假定T1定时器用于串行通信的测量和控制系统通常可改由串口中断进行监控而不是通过定时器T1进行中断。此时，看门狗软件监视的原理是：在主程序、T0和T1中断服务程序中设置操作观察变量对程序服务进行检测。如果检测到观测的变量不正常，例如添加1时并没有执行，则将其传送到错误处理程序以进行下一次的程序故障排除。其次利用系统故障处理、自恢复程序，因掉电后复位和干扰复位都属于MCU系统异常复位，此时的主程序应该能进行故障诊断并可以启动自恢复程序，但是需要加以识别。从基础理论上来看，硬件抗干扰和软件抗干扰时需要相互配合、相互协调、主动与被动相结合的，仔细彻底地分析干扰源同时一并考虑硬件与软件抗干扰两者的结合性进而对系统故障处理、自恢复程序设计进行合理设计，以完成系统监控程序。

　　5Modbus/RTU主从站的软件设计

　　在μC/OS-II软件平台上编程实现其主站服务程序功能时，首先要考虑功能选择模块、功能处理模块和返回处理模块等几大模块，去处理通信波特率设定、从站地址选择、串口初始化、Modbus请求帧的构造和发送、Modbus应答帧的解析和处理及返回的数据进行处理等功能[3]，首先需要将串口进行初始化并依据不同的功能码构造服务函数，然后依据服务构造函数构造Modbus请求帧并且利用UART1Senddata函数将Modbus请求帧通过串口发送出去。在实现从站服务程序功能时其实和主站通信程序类似，本文也设计成模块化，主要包括：Modbus请求帧的接收和存储、Modbus请求帧的解析和功能处理、Modbus应答帧的发送等多个函数，且各个模块的程序设计也是在μC/OS-II软件平台上编程实现的。首先串口接收中断函数将主站发来的Modbus请求帧存储在接收缓冲区中，串口每接收一个字符就进入一次中断，定时时间可以根据设定的波特率来计算，然后从站收到请求帧后也需要对数据帧进行解析，最后进行地址以及CRC校验码核对，如果均没有错误，则根据请求帧中的功能码执行对应的功能处理函数。

　　6结语

　　本文以实现μC/OS-II环境下的车联网数据采集系统通信设计为依托，主要讲解了设计理念、设计思想、抗干扰设计，以及Modbus/RTU主从站软件设计的相关过程。μC/OS-II环境下的车联网数据采集系统可以提供一个稳定、可靠以及相互兼容的平台，有利于根据汽车行业的特殊性以及相关的技术要求进行设计，但在设计中要注意通过编程方法提高所采集到信号的稳定性和准确性。

　　参考文献

　　[1]谭华,吴飞,林克,等.新能源汽车在线监测智能管理系统分析[J].移动通信,2017,41(20):33-38.

　　[2]陆旭.基于μC/OS-Ⅱ和LwIP的嵌入式设备监控平台研究[D].重庆:重庆大学,2013:34.

　　[3]韩亮.基于嵌入式技术平台的数据采集系统[J].江南大学学报:自然科学版,2013,12(2):171-174.

　　作者：王亚楠 朱妍雯 单位：河南工学院 电气工程与自动化学院

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