摘 要

随着当今人类社会对于环境保护与节约能源等问题的日益关注，新能源汽车已经成为现代汽车行业的重要研发领域，混合动力电动汽车及相关核心技术的研发也是成为国家“863”计划的重点资助领域，也是国家中长期科技发展规划中的重要组成部分。

由于混合动力电动汽车（HEV）是多控制系统、多动力源协调工作的复杂系统，在研究开发过程中，既需要实时对整车信息进行检测和诊断，又需要对于汽车运行时的数据进行连续记录、处理、分析，从而优化整车的控制系统、排除整车的故障。目前HEV上普遍采用了基于CAN总线网络通信技术，在本文中，在LabVIEW开发平台上利用USB接口结合整车CAN总线开发出了能够实时监测记录数据和数据分析的系统。通过CAN总线通信技术搭建下位机系统，采集整车监测数据，并通过USB-CAN传给LabVIEW搭建的软件监控界面各功能模块以显示。经实际监测测试表明，系统功能稳定，采集显示及记录数据完整准确，达到了预期的研发目的。

关键词：混合动力电动汽车；CAN；LabVIEW；监测系统

Abstract

With today's human society growing concern for environmental protection and energy conservation and other issues, new energy vehicles has become an important research and development of modern automotive industry, research and development of hybrid electric vehicles and related core technologies also become the focus of funding the national "863" program areas, the national long-term science and technology development planning punch important part.

Since the hybrid electric vehicle (HEV) is a multi-control system, a power source more complex system of coordination in the research and development process, we need real-time information on the vehicle detection and diagnosis, and the need for data when the car is running continuously recording, processing, analysis, in order to optimize vehicle control systems, excluding vehicle faults. Currently on the widespread adoption of HEV Based on CAN-bus network communication technology, in this article, USB interface combined with the vehicle CAN-bus developed a system capable of real-time monitoring and recording data and data analysis on LabVIEW development platform utilization. Building technology via CAN-bus communication controller system, vehicle monitoring data collected and transmitted via USB-CAN LabVIEW software to build a monitoring interface functional modules to display. The practical monitoring tests show that the system is stable, collect complete and accurate data display and recording, to achieve the desired development objectives.

Key Words:HEV；CAN；LabVIEW；Monitoring System

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪 论 1

1.1 课题的研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 2

1.3 课题研究内容 4

第2章 CAN总线通讯技术 6

2.1 CAN总线技术特点 6

2.2 CAN总线系统结构 7

2.3 CAN传送报文 7

第3章 虚拟仪器及其软件平台LabVIEW简介 11

3.1 虚拟仪器及其构成 11

3.2 LabVIEW开发平台的介绍 11

第4章 整车监控系统设计 13

4.1系统的硬件设计 14

4.2系统的软件设计 14

4.3系统软件核心模块设计 16

4.3.1 电池监控模块 17

4.3.2 检测与故障显示模块 18

4.3.3车轮电机转速监测模块 21

4.3.4运动状态监测模块 22

4.4系统测试实验结果分析 23

第5章 总结与展望 25

5.1 论文总结 25

5.2 工作展望 25

致 谢 28

第1章 绪 论

1.1 课题的研究背景及意义

19世纪80年代，德国工程师卡尔·佛里特立奇·奔驰将汽车正式带入人类社会，成为现代人类社会中最重要的代步和交通工具，而汽车行业经过一百多年的发展，现已成为了现代人类社会最重要的产业之一，甚至成为了很多国家经济方面的重要支撑产业，而且在常规生活中体现出了关键作用。不过随着人类环保意识在不断完善、生存环境的日益恶化以及资源能源的日益紧缺，人们对于固有的内燃机动力汽车的尾气排放与提高能源效率等问题的要求越来越高，于是电力驱动的汽车应运而生，新能源汽车是未来汽车行业发展的趋势。受限于电池技术和充电技术的发展水平，电动汽车依然有着续航里程、充电速率、充电站的建设与能量密度远汽油等能源等克制成分，专家预计30年内电动汽车还不能完全取代内燃机动力汽车，因此这一类型的汽车就备受瞩目。混合动力电动车是一种发动机和电机协调共同实现驱动的节能环保型汽车，可以通过控制发动机和电机的能源效率和能源分配实现减少尾气排放、提高能源效率的目的。

随着汽车技术的飞速发展，现阶段汽车的内部信息网络变得日趋复杂，不可能采用过去只依靠人的经验和判断来对车进行实时监测以及诊断故障的方式，HEV更是如此，作为一种高科技技术，仍在很多技术方面存在着不完善的地方。所以在其研发过程中对与HEV的运动状态进行有效的实时监控分析以及对于HEV长时间的运行所产生的数据进行记录分析已经势在必行，整车监控技术的研发对于提高HEV的系统稳定性和性能可靠性是非常必要的。随着USB接口的外设已成为最常用、最可靠、最大众的一种接口外设方式，其数据容量可以达到数千兆字节，所以可以利用USB-CAN接口技术研发出一种既可以实现对HEV运行状况的实时监控，又能对相关数据进行有效分析处理的HEV整车监控系统是具有极其重要的意义的。

因此，本课题将对HEV整车的CAN总线数据的记录、分析、处理、显示以及故障诊断的研发具有相当重要的意义，具体表现在以下方面：

（1）CAN是一种高效、稳定、而且针对分布式实时监控的应用而言，这一串行总线成本也不高，被广泛应用于汽车电子监测与控制领域里，开发出一套基于LabVIEW的CAN总线通信网络的可视化车用CAN 网络监测系统对CAN通信进行仿真，并针对CAN通信速度快，数据多的特点，系统设计了数据库，为以往数据的事后分析提供方便可靠的工具；

（2）实时显示HEV整车的运行参数和故障信息，使驾驶者或研发维修人员可以更好地掌握车辆运动状态；

（3）为故障诊断和排除的简洁化、智能化提供了平台，极大地提高了故障维修效率，为HEV的开发和发展奠定了基础。

1.2 国内外研究现状

随着科学技术的发展，汽车的信息系统可以构成一个监控局域网络，所以汽车的监控系统是一个能够为用户提供简洁、安全、环保等功用以及服务的能够移动的管控、通信平台。汽车在现实使用的过程中，其运行状态和安全稳定性都将随着行驶公里数以及使用时间数的增加而变化，它的稳定、实惠、省心、动力性优势都会相应有所减小，不可避免的产生噪声加剧、排放污染加大、故障率上升等问题，这不仅是对人、车、环境的安全产生了极大的危害，还将降低到汽车的使用年限，因此研究汽车的实时监测记录分析，定期检查整车的运行状态与安全性能，从而及时准确的诊断故障并排除就成为了汽车监测技术的核心思想。

在国外，由于汽车工业以及汽车技术比较发达，汽车监控技术也比较完备。就拿美、日、德等核心的发达国家而言，大型企业都倾注了大量人力、物力和财力，用于HEV监控系统的开发，并已研发出了多种性能良好的数据监控分析系统。比如美国Redyne ComStream公司凭借其在研发测试系统领域多年的基础，研发出了可用于多种装置且功能拓展简便的车载数据监控系统。

2001年8月，日本某研究所研发出了可以通过一系列传感器和数据采集系统记录车辆在发生交通事故时所产生的信息参数数据的汽车监控系统，实际上是当汽车行驶时达到了系统预设的“事故数据”，系统将自动将“事故”发生时段的实时数据记录下来存入储存器中，记录时间为一分钟。并且可以实现结合图像处理技术，利用车载摄像头记录“事故”发生的画面^[3]。

2005年9月，丰田、本田和NISSAN日产三家公司针对汽车信息监测系统没有固定的标准的问题，共同推出了一款可以提供与Windows系统通用的智能化车载监控系统，可以实现远程汽车故障诊断、远程汽车操控、通讯等功用。，美国福特于2007年1月6日，公开同微软结为联盟关系，二者会一起研发一款叫做‘Sync（同步）’的车载监控体系^[4][5]。

在国内，尽管我国的汽车监控系统技术的研发起步较晚，但无论是在操作使用方面，还是在性能稳定性等方面，我国的汽车监控分析研究水平都比欧盟的水平高。我国产品均能实现实时监测并记录整车多种形式的运行参数、故障报警、具备串口通信接口等功能。

目前国内的许多科研机构也一直在进行HEV监控系统方面的研究。武汉理工大研发的WG6120HD串联式混合动力电动公交车数据收集体系，这一体系是将西门子的PLC S7-200作为关键的处理单元，以一定软件来保存并监控数据，就研制出的车辆施以大量数据的跟进以及反馈，数据说明整车在保障动力性的前提条件下，高效地达成了减小能耗以及排放的功用 ^[6]。

含卜健、罗禹贡等科研人员在车载微机的混合动力汽车监控以及诊断体系分析的基础上^[7]，介绍了经由车载嵌入式微机、液晶显示屏、触摸屏以及CAN-RS232转换器等成分构成的硬件体系任意时候给汽车上的参数加以收集连同车速、油耗、水温等信息的呈现，并且也能够就汽车部件的问题，尽早发出警报。

就相关数据的收集而言，武汉理工大施以CAN总线的USB数据收集以及保存装置为基础的研制^[8]，相应结构就像图1.1所示。

图1.1 基于CAN总线的USB数据采集储存装置结构图

总的来说，国际上相关技术的起步较早，技术成熟，而我国目前仅处在起步阶段，还未形成完备的产业链。德国、日本等发达国家的传统汽车产业一直领先于我国。现阶段，HEV在国家863计划的支持下展开相关研究，发展新能源汽车的潮流为我国汽车行业追赶世界先进水平提供了一个很好的契机。目前国内的大部分的汽车信息监控平台都是非嵌入式的车载监控系统，通常是由上位机以及下位机两部分成分构成的。前者通常会用到安装有Windows操作体系的PC机，所以其显示程序大体看来，是在Delphi抑或VC的基础上进行研发的，不过数据却是PC机的接口收集而得。后者却选取了含有CAN控制器的单片机当作主控芯片，进而收集汽车CAN总线网络数据，并按照规定的协议翻译成固定地串行通信格式发给上位机。然而这样的系统设计存在着两个明显的缺陷：

1. 上位机的Windows操作系统本身存在限制；
2. 串行通信本身特性的限制。这使得无论从数据记录效率性、易用性等方面都不是适合的系统方案。

所以，汽车监控技术的嵌入式系统解决方案是必然的发展趋势，不仅成本较低，同时在抗干扰性、耐温、耐湿性等性能评估上占优。此外，虚拟设施被普及应用，其监测程序被大量运用于相关体系的研制上。因此新型的车载信息平台能够应用较为流行的嵌入式芯片，拓展CAN接口，同车内总线路衔接传送信息。在平台软件的层面上，借助于NI公司研发出的虚拟仪器软件LabVIEW，能够高效地达成体系需求，更具备宣传性，也同当前的国家情况更为相符 ^[9]。

由之前的概述可知，尽管国内外的汽车监控技术与故障诊断技术都有了一定的成果，取得了一定的发展，但仍不完善。因此，对整车的监控与故障诊断系统的研究，特别是对在线诊断，数据的采集、传输和大容量的储存等方面还有很多有待更深入的研究。

1.3 课题研究内容

随着人们对于环保和能源问题的日益关注，HEV已成为当今汽车行业的前沿科技。由于HEV是多控制系统、多动力源协调控制的复杂系统，具有极高的自动化程度。目前HEV基本都是应用了基于CAN总线的整车信息监测控制系统。CAN总线通讯技术是一种兼容于分布式管控的通讯技术，有着靠谱、高效、即时、完备、有效搞干扰、经济实用的一些优点。所以运用USB-CAN接口能够研制出一种不但能够即时监控整车运行情况，也可以就运行信息参数和故障信息进行显示，来方便用户或维修人员更好分析汽车的运行状况，能够及时优化和改进整车的控制策略等。所以，就HEV的监控研究体系而言，研发制造非常关键 ^[10]。