黄瑞海 梁碧伦 王昭智 曾文轩
（广州城市理工学院，广州510800）
摘要：原型车在不同环境下的行驶数据对电机选型、传动比的选择、驾驶策略的制定意义重大。本系统基于上一代数据采集系统的基础上，从实际应用的角度对数据采集、数据处理、数据发送三方面进行优化，采用物联网发送功能，极大提升采集数据的传输距离。增设HMI可触摸屏实现人机交互，通过向驾驶员提供数据反馈，不断调整、优化驾驶策略。
关键词：数据采集;人机交互;物联网;远距离传输
引言
当今社会，随着万物互联互通、大数据时代的到来与物联网技术的飞速发展，数据的传输对人们日常生活的重要性不言而喻。半导体、集成电路等技术写入十四五规划，意味着电工电子技术、电路集成技术将逐渐被社会重视。同时，不少车企基于用户需求，在汽车产品中广泛采用HMI可触摸屏，旨在增强人机交互体验，为消费者使用提供便利。本系统开发原型车多功能方辅助驾驶系统，通过集成单片机与电压采集、电流采集等模块实现数据的获取，实现分散的模块高度集成化；通过选用合适大小的HMI显示屏，通过有关算法设计拓宽数据实用性，与车手实现人机交互；基于物联网技术实现采集数据远距离传输。这种数据采集系统最初源于真实车辆的仪表，用于获取车辆各种信息。由于原型车是面向节能环保比赛，只需精确提取部分车辆信息，如电压、电流、电机转速，提取成功后将有利于直接分析原型车的性能，制定驾驶策略等，可见上述技术在原型车调试与驾驶中发挥重要作用。
1系统设计介绍
硬件系统微控制单元以STM32F103C8T6芯片为基础, 采用6.5V至29V宽电压供电，根据不同模块供电需求设计不同的降压、稳压电路，相关数据采集完成后，通过MCU芯片ADC通道将模拟信号转化成数字信号进行读取，数据处理完成后将数据通过串口通讯方式分别发送给HMI人机交互屏进行显示和EC20模块，EC20模块基于MQTT通讯协议与物联网技术,达到收发采集数据功能,实现数据云端查看。
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图1 系统结构图
2 系统的硬件设计
2.1 降压供电电路
本项目存在多处模块需要供电，外部通讯模块供电要求为5V/3.5A，HMI显示屏供电要求为5V/500mA，STM32C8T6芯片供电要求为3.3V/150mA。因此，为防止电路欠压或过压，根据不同模块的供电要求，选择不同类型BUCK或LDO电压降压电路，采用低功耗的德州仪器MP4462芯片与LM2596S-5.0芯片降压，并在电路板上预留供电接口。
2.2电流、电压采集电路
由于系统微控单元的输入限制，电源电压、控制器输入电流需进行处理后采集。电压采集电路原理是经过电阻分压后，模拟信号通过系统微控制单元内置的 ADC 通道转化成数字信号采集。控制器输入电流通过ACS712集成芯片中集成的转换电阻转化后采集。STM32F103C8T6先将采样数字信号处理分析，后通过串口通讯将采集的信息投递至HMI屏幕和EC20模块。在其他应用场景中，本系统可通过改变两个电阻的比值与选择合适量程的电流传感器，以适应不同应用场景。本系统基于上一代硬件系统在芯片输入端增设RC滤波电路，增强信号输入的稳定性。
2.3速度采集电路
基于霍尔传感器捕获传感器信号，将磁铁安装于原型车的传动轴，结合车轮直径，可计算车辆速度。
3 软件设计
3.1数据采集算法设计
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图2 软件设计结构图
通过不同采集电路采集对应物理量。电压、电流通过每产生一次中断，在中断服务函数中读取ADC采样值，电机转速通过霍尔传感器电平变化触发外部中断，获取电机传动轴转动一周的计数值结合电机外轮廓半径可算得电机转速，通过算法处理后，发送到HMI人机交互屏与阿里云平台显示面板。
3.2焦耳计算法设计
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图3 焦耳计设计框图
焦耳计可用于采集原型车行驶时电池的瞬时功率、电机工作时消耗的总功率。本系统设计焦耳计算法，在系统中增设焦耳计功能，实现对原型车更全面、具体的分析
4 实验分析
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图4 阿里云数据显示面板
完成电路板制作后，下载程序与阿里云平台连接，分别接入原型车电源与控制器电源，使用万用电表测量电源电压、电机控制器输入电流，使用转速表测量电机转速，在阿里云数据显示面板观察数据，验证数据采样精度。经过实验发现，数据精度误差小于2%。在HMI人机交互面板显示采集的数据，更新速度与阿里云数据面板一致。功能实现，方案有效。
结论
本系统基于上一代采集系统的硬件基础上，在保障功能的前提下简化电路。通过串联分压电阻，集成电流采集模块ASC712，电机霍尔采集模块、外接HMI显示屏、EC20发送模块实现功能。数据完成采集、软件处理后，分别在HMI人机交互面板上显示并发送至EC20模块通过物联网技术发送至电脑端。本系统具有采集数据精准、发送速度快、发送距离远、代码与显示屏可编程可调整的特点，通过革新算法，增设多项数据采集功能，应用范围广，可为社会生活生产提供新的思路。
参考文献
[1] 曹利波.基于STM32的数据采集器的设计[J].电子制作，2014，（5x）：36-37
[2] 基于STM32单片机的原型车数据采集系统[J]. 王昭智.梁碧伦.熊章钧.林颖. 科学技术创新.2020,(05)