采用can总线的客车能耗数据采集装置及控制方法
【专利摘要】采用CAN总线的客车能耗数据采集装置，包括电源稳压单元、智能单元、系统复位单元、数据存储单元、调试接口、显示单元、加速度检测单元、CAN接口单元、通信接口电平转换单元、客车载荷信号单元、无线通信模块、PC机RS?232接口。智能单元检测客车的载荷以及三轴的加速度信号，由三轴的加速度数据计算三轴的倾角，通过CAN接口单元读取客车的车速、消耗的燃油量、燃油消耗率等数据，对采集到的数据按软件设计的算法进行分析与处理，得出实时的燃油有效消耗率，同时筛选出的符合标准测试条件的数据，由显示单元显示相关的数据。优点是能够实时快速地采集客车能耗相关的数据，将客车能耗相关的数据传送到数据处理中心，以便实现全自动的客车能耗数据分析、处理、评估，提高工作效率及数据的准确性。
【专利说明】
采用CAN总线的客车能耗数据采集装置及控制方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种能耗数据采集装置，特别是采用CAN总线的客车能耗数据采集装置，属能耗数据采集技术领域。【背景技术】
[0002]节能监测是政府推动能源合理利用的一项重要手段。《中华人民共和国能源节约法》明确规定，国务院有关交通运输主管部门要按照各自的职责负责全国交通运输相关领域的节能监督管理工作，制定交通运输营运车船的燃料消耗量限值标准，不符合标准的，不得用于营运。根据国家有关标准，各地应加强对客运车辆燃料消耗量检测和监督管理，加快淘汰、更新高耗能的老旧营运车辆。
[0003]目前也有一些新型客车上使用了智慧运营系统，对车辆技术状态实时监控，实现了车辆故障远程诊断，保证了车辆正常技术状态。系统能对驾驶员的不良驾驶行为进行实时监控，规范了驾驶操作，降低了安全隐患，控制了燃油消耗。通过对车辆运行过程的综合监控与分析，辅之于车辆调整等技术措施，使车辆技术性能与运行线路环境完美匹配。这种智慧运营系统对节能减排工作有一定的促进作用，但由于一般都没有对客车载荷的检测， 也没有对路面平坦度及直线度进行检测，因而与交通行业标准《营运客车燃料消耗量限值及测量方法》的差距较远，不能与规定的燃料消耗量限值进行比对，不能在非专业测试的条件下确定客车的能耗是否符合标准。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提出一种采用CAN总线的客车能耗数据采集装置及控制方法， 通过附加的传感器及客车CAN总线接口实时对客车的能耗相关数据进行采集、计算处理和显示，并且对采集到的数据，按照客车能耗测试的标准条件进行分析和筛选，取出符合标准测试条件的数据，进行存储，还可通过无线模块将有关数据及时发送到数据处理中心，以便数据处理中心的计算机通过客车能耗远程监测软件以图表形式显示客车的能耗的数据，进一步地，客车能耗远程监测软件还可提供历史数据查询、自动生成日报表、月报表、年报表的功能，通过对能耗监测数据与燃料消耗量限值标准的比较，给出客车能耗超标的告警信息，由此可提升客车能耗统计与监测的数据质量，并逐步建立覆盖交通运输全行业的节能减排工作考核体系，完善车辆节能减排考核评价指标和方法。
[0005]本发明是这样实现的:采用CAN总线的客车能耗数据采集装置，其特征在于，包括: 电源稳压单元(1)、智能单元(2)、系统复位单元(3)、数据存储单元(4)、调试接口(5)、显示单元(6)、加速度检测单元(7)、CAN接口单元(8)、通信接口电平转换单元(9)、客车载荷信号单元(10)、无线通信模块(11)、PC机RS-232接口( 12);其中:电源稳压单元(1)为智能单元(2)、系统复位单元(3)、数据存储单元(4)、调试接口(5)、 显示单元(6)、加速度检测单元(7)、CAN接口单元(8)、通信接口电平转换单元(9)、客车载荷信号单元(10)、无线通信模块(11)供电，与各部分构成电气连接；智能单元(2)是本装置的核心，在程序的控制下运行，与电源稳压单元(1)、系统复位单元(3)、数据存储单元(4)、调试接口(5)、显示单元(6)、加速度检测单元(7)、CAN接口单元(8)、通信接口电平转换单元(9)、客车载荷信号单元(10)构成电气连接；系统复位单元(3)用于智能单元上电复位，与智能单元(2)构成电气连接；数据存储单元(4)用于存储智能单元筛选出的符合标准测试条件的数据以及未发送到数据处理中心的数据，与智能单元(2)构成电气连接；调试接口(5)用于智能单元仿真调试以及下载程序，与智能单元(2)构成电气连接；显示单元(6)用于显示智能单元采集到的客车能耗相关的数据以及筛选出的符合标准测试条件的数据，与智能单元(2 )构成电气连接；加速度检测单元(7)用于检测客车运行时的加速度，与智能单元(2)构成电气连接；CAN接口单元(8 )用于适配与客车的发动机诊断接口收发数据，与智能单元(2 )构成电气连接；通信接口电平转换单元(9)用于适配智能单元与所连接的通信设备的电平信号，与智能单元(2)、无线通信模块(11)和PC机RS-232接口(12)构成电气相连。
[0006]客车载荷信号单元(10)用于检测车辆的载荷，与智能单元(2)构成电气连接； 无线通信模块(11)用于连接无线网络并与数据处理中心通信，与通信接口电平转换单元(9)构成电气连接；PC机RS-232接口(12)用于配置客车的基本参数，与通信接口电平转换单元(9)构成电气连接。
[0007]进一步地，客车能耗相关的数据包括车速、燃油消耗量、燃油消耗率、客车三轴加速度及倾角、载荷。
[0008]进一步地，PC机RS-232接口，用于连接到PC机的RS232接口，通过在PC机中运行与之配套的客车参数配置软件后，通过该接口配置客车的基本参数、运行参数和极限范围。其中的基本参数包括:车长、车宽、车高、车重、产品名称、型号、出厂日期、发动机型号、发动机排量、功率、载客人数、总质量、整备质量、燃料种类等。
[0009]进一步地，数据处理中心包括数据库服务器、运行客车能耗监测软件的计算机、显示器及打印机。
[0010]所述的加速度检测单元包括三轴加速度传感器U5及电容C16?C19，U5的型号为 MMA7455L，是低功耗、高抗震性的数字三轴加速度传感器，内部具有信号调理、低通滤波、温度补偿、自测等功能；电容C16及C17并联接于U5的第1、2引脚之间，并紧靠U5的第1、2引脚， 电容C16及C17的容量分别为10yF和0.lyF;电容C18及C19并联接于U5的第5、6引脚之间，并紧靠U5的第5、6引脚，电容C18及C19的容量分别为10yF和0.1yF;U5的第1、4、6、7引脚连接到 3.3 V电源;U5的第2、5引脚连接到地;U5的第8引脚连接到图3中微控制器U3的第45引脚;U5 的第9引脚连接到图3中微控制器U3的第46引脚;U5的第13引脚是12C通信的SDA串行数据信号线，连接到图3中微控制器U3的第43引脚;U5的第14引脚是12C通信的SCL时钟信号线，连接到图3中微控制器U3的第42引脚。
[0011]所述的CAN接口单元包括CAN收发器U6及电容C20、电阻R10、R11、跳线器JP1、插座 CZ4A11是端接电阻，阻值为120欧姆，可根据需要用跳线器JP1接入电路中。CAN收发器U6的型号为SN65HVD230DR，U5的第1引脚连接到图3中微控制器U3的第33引脚，U5的第2引脚接地，U5的第3引脚接3.3V电源，U5的第4引脚连接到图3中微控制器U3的第3 2引脚;U5的第6、7 弓丨脚分别连接到插座CZ4的第2和第1引脚，U5的第8引脚通过电阻R10接地；电阻R11与跳线器JP1串联后接于插座CZ4的第1、2引脚之间，CZ4的第3引脚接地。电容C20接于U6的第3引脚和地之间。
[0012]所述的客车载荷信号单元包括客车前轮轴载荷信号单元和客车后轮轴载荷信号单元;客车前轮轴载荷信号单元和客车后轮轴载荷信号单元具有相同的结构。[0〇13]采用CAN总线的客车能耗数据采集装置的控制方法，包括如下步骤:步骤S201、初始化；步骤S202、通过I2C总线与加速度检测单元通信，读取三轴加速度数据；步骤S203、计算客车的倾角；步骤S204、存储加速度及倾角数据；步骤S205、读取客车的车速和燃油消耗量等数据；步骤S206、调用检测与计算客车载荷子程序；步骤S207、调用有效燃油消耗率分析计算子程序；步骤S208、检查是否收到PC机的通信命令;进入步骤S209判断，若未收到命令帧，则进入步骤S211;若收到命令帧，则进入步骤S210处理命令帧数据，然后进入步骤S211;步骤S211、检查是否收到GPRS无线通信模块的通信命令;进入步骤S212判断，若未收到命令帧，则进入步骤S214;若收到命令帧，则进入步骤S213处理命令帧数据，并通过GPRS向数据处理中心发送数据，然后进入步骤S214;步骤S214、向0LED模块输出需要显示数据，显示智能单元采集到的客车能耗相关的数据以及筛选出的符合标准测试条件的数据；程序再次进入步骤S202，重复步骤S202?S214，周而复始，循环运行。[〇〇14]本发明是按照上述构思使用上述主要单元部件构成的。其工作原理是:智能单元检测客车的载荷以及三轴的加速度信号，由三轴的加速度数据计算三轴的倾角，通过CAN接口单元读取客车的车速、消耗的燃油量、燃油消耗率等数据，对采集到的数据按软件设计的算法进行分析与处理，得出实时的燃油有效消耗率，同时筛选出的符合标准测试条件的数据，由显示单元显示相关的数据，由无线通信模块将相关的数据通过网络传输到数据处理中心，经数据处理中心的监测软件处理后实时显示有关客车的能耗数据，并提供历史数据查询、自动生成日报表、月报表、年报表的功能，通过对能耗监测数据与燃料消耗量限值标准的比较，给出客车能耗超标的告警信息。
[0015]本发明的优点及效果:(1)能够实时快速地采集客车的车速、燃油消耗量、燃油消耗率、加速度、载荷等能耗相关的数据，分析计算客车的倾角及燃油有效消耗率等数据。
[0016](2)使用4G或GPRS、CDMA无线数据通信技术，将客车能耗相关的数据传送到数据处理中心，以便实现全自动的客车能耗数据分析、处理、评估，提高工作效率及数据的准确性， 能为管理部门对高能耗高污染车辆实施强制淘汰或报废提供数据支持。【附图说明】
[0017]下面结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步说明。
[0018]图1是本发明采用CAN总线的客车能耗数据采集装置的原理方框图。
[0019]图2是实施例的电源稳压单元电路连接原理图。[〇〇2〇]图3是实施例的智能单元电路连接原理图。[0021 ]图4是系统复位单元电路连接原理图。[〇〇22]图5是实施例的数据存储单元电路连接原理图。[〇〇23]图6是实施例的调试接口电路连接原理图。[〇〇24]图7是实施例的显示单元电路连接原理图。
[0025]图8是实施例的加速度检测单元电路连接原理图。
[0026]图9是实施例的CAN接口单元电路连接原理图。[〇〇27]图10是实施例的通信接口电平转换单元电路及PC机RS-232接口连接原理图。[〇〇28]图11是实施例的无线通信模块电路连接原理图。[〇〇29]图12、图13是实施例的客车载荷信号单元电路连接原理图。
[0030]图14是实施例的客车称重电容传感器安装示意图。[0031 ]图15是实施例的软件控制方法主程序流程图。
[0032]图16是实施例的软件控制方法的检测与计算客车载荷子程序流程图。
[0033]图17是实施例的软件控制方法的有效燃油消耗率分析计算子程序流程图。【具体实施方式】[〇〇34]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0035]请参看图1，采用CAN总线的客车能耗数据采集装置，包括电源稳压单元(1)、智能单元(2)、系统复位单元(3)、数据存储单元(4)、调试接口(5)、显示单元(6)、加速度检测单元(7)、CAN接口单元(8)、通信接口电平转换单元(9)、客车载荷信号单元(10)、无线通信模块(11)、PC机RS-232接口(12)。其中:电源稳压单元(1)为智能单元(2)、系统复位单元(3)、 数据存储单元(4)、调试接口(5)、显示单元(6)、加速度检测单元(7)、CAN接口单元(8)、通信接口电平转换单元(9)、客车载荷信号单元(10)、无线通信模块(11)供电，与各部分构成电气连接;智能单元(2)是本装置的核心，在程序的控制下运行，与电源稳压单元(1)、系统复位单元(3)、数据存储单元(4)、调试接口(5)、显示单元(6)、加速度检测单元(7)、CAN接口单元(8)、通信接口电平转换单元(9)、客车载荷信号单元(10)构成电气连接;系统复位单元 (3)用于智能单元上电复位，与智能单元(2)构成电气连接;数据存储单元(4)用于存储智能单元筛选出的符合标准测试条件的数据以及未发送到数据处理中心的数据，与智能单元 (2)构成电气连接;调试接口(5)用于智能单元仿真调试以及下载程序，与智能单元(2)构成电气连接;显示单元(6)用于显示智能单元采集到的客车能耗相关的数据以及筛选出的符合标准测试条件的数据，与智能单元(2)构成电气连接;加速度检测单元(7)用于检测客车运行时的加速度，与智能单元(2)构成电气连接;CAN接口单元(8)用于适配与客车的发动机诊断接口收发数据，与智能单元(2)构成电气连接;通信接口电平转换单元(9)用于适配智能单元与所连接的通信设备的电平信号，与智能单元(2)、无线通信模块(11)和PC机RS-232 接口(12)构成电气相连。客车载荷信号单元(10)用于检测车辆的载荷，与智能单元(2)构成电气连接;无线通信模块(11)用于连接无线网络并与数据处理中心通信，与通信接口电平转换单元(9)构成电气连接;PC机RS-232接口(12)用于配置客车的基本参数，与通信接口电平转换单元(9)构成电气连接。[〇〇36]请进一步参看图2,电源稳压单元由插座CZ1、开关电源模块U1、集成稳压块U2、电容C1?C4、电阻R1、二极管D1、发光二极管LED组成，与电路的其它部分构成电气连接，为相关部分提供工作电源。从CZ1输入车辆蓄电池的24V直流电压，经D1、U1稳压后输出5 V电压， 再经U2(型号为LD1117S33C)稳压后输出3.3V电压，为智能单元及相关电路供电，与电路的相关部分构成电气连接。电容C1?C4为滤波电容，电阻R1和发光二极管LED提供电源的状态指示。二极管D1是电源输入极性保护元件，当电源极性接反时不会损坏本装置。[〇〇37]请参看图3,智能单元由高性能的微控制器U3及其相关的电路构成，微控制器U3的型号是STM32F103C8T6,内核是ARM32位的Cortex-M3 CPU,具有64KB的FLASH存储器、20KB的 SRAM，内部集成有振荡器、调试电路、温度传感器、12位ADC模数转换电路、多达7个定时器和 9个通信口，它是客车能耗数据采集装置的核心控制器件，与外围各单元构成电气连接，在程序的控制下运行。晶振X1、电容C5、C6、电阻R2与微控制器U3第5、6引脚内部电路组成振荡电路，作为微控制器的时钟源。晶振Y1、电容C7、C8与微控制器U3第3、4引脚内部电路组成低频振荡电路，作为微控制器的低频时钟源。电阻R3—端连接到微控制器U3的第44引脚，另一端接地；电阻R4—端连接到3.3V的电源3V3，另一端连接到微控制器U3的第1引脚；电阻R5— 端连接到3.3V的电源3V3,另一端连接到微控制器U3的第9引脚。电阻R6—端连接到微控制器U3的第20引脚，另一端接地。电容C9?C13起电源滤波作用。微控制器U3的第24、36、48引脚与3.3V的电源3V3相连接。微控制器U3的第23、35、47、8引脚接地。插座023是与显示单元连接的插座，各引脚与微控制器U3的相同的网络编号的引脚相连接。[〇〇38] 请参看图4,系统复位单元由电阻R9和电容C14、按钮S1组成，电阻R9和电容C14为微控制器提供上电复位信号，按钮S1为微控制器提供人工手动复位信号。[〇〇39]请参看图5,集成电路U4是数据存储单元，型号为AT24C04,用于存储微控制器程序筛选出的符合标准测试条件的数据以及当前未发送到数据处理中心的数据，请参看图6，CZ2是调试接口，微控制器通过此接口进行仿真、编程、调试和程序下载，各引脚与图3微控制器U3的相同的网络编号的引脚相连接。
[0040]请参看图7,显示单元由0LED显示模块Ml及插头CT3构成，CZT3是间距为2.0mm的18 针插头，各插针在电路板中与0LED模块Ml的18个引脚对应连接，CZ3B在外部与图3中的插座 CZ3对应的电气端子连接。0LED模块Ml的型号为HGS128647,能够做到快速响应，并能在很低的气温环境及较宽广的温度范围下正常工作，性能优于LCD。
[0041]请参看图8,加速度检测单元由集成电路U5及电容C16?C19组成，U5的型号为 MMA7455L，是低功耗、高抗震性的数字三轴加速度传感器，内部具有信号调理、低通滤波、温度补偿、自测等功能；电容C16及C17并联接于U5的第1、2引脚之间，并紧靠U5的第1、2引脚， 电容C16及C17的容量分别为10yF和0.lyF;电容C18及C19并联接于U5的第5、6引脚之间，并紧靠U5的第5、6引脚，电容C18及C19的容量分别为10yF和0.1yF;U5的第1、4、6、7引脚连接到 3.3 V电源;U5的第2、5引脚连接到地;U5的第8引脚连接到图3中微控制器U3的第45引脚;U5 的第9引脚连接到图3中微控制器U3的第46引脚;U5的第13引脚是12C通信的SDA串行数据信号线，连接到图3中微控制器U3的第43引脚;U5的第14引脚是12C通信的SCL时钟信号线，连接到图3中微控制器U3的第42引脚。[〇〇42] 请参看图9,04财妾口单元包括0六训夂发器1]6及电容020、电阻1?10、1?11、跳线器开1、 插座CZLR11是端接电阻，阻值为120欧姆，可根据需要用跳线器JP1接入电路中。CAN收发器 U6的型号为SN65HVD230DR，U5的第1引脚连接到图3中微控制器U3的第33引脚，U5的第2引脚接地，U5的第3引脚接3.3V电源，U5的第4引脚连接到图3中微控制器U3的第32引脚;U5的第 6、7引脚分别连接到插座CZ4的第2和第1引脚，U5的第8引脚通过电阻R10接地；电阻R11与跳线器JP1串联后接于插座CZ4的第1、2引脚之间，CZ4的第3引脚接地。电容C20接于U6的第3弓| 脚和地之间。[〇〇43]请参看图10,通信接口电平转换单元由接口转换集成电路U7、电容C21?C25、插座 CZ5、CZ6组成，其功能是进行接口电平转换。接口转换集成电路U7的型号为SP3232EEN。插座 CZ5是PC机RS-232接口，用于连接到PC机的RS232接口，通过在PC机中运行与之配套的客车参数配置软件后，通过该接口配置客车的基本参数、运行参数和极限范围。其中的基本参数包括:车长、车宽、车高、车重、产品名称、型号、出厂日期、发动机型号、发动机排量、功率、 载客人数、总质量、整备质量、燃料种类等。
[0044]请参看图11，这是GPRS无线通信模块电路连接原理图。插头CT6连接到GPRS无线通信模块M2的RS232接口，使用时将CT6与图10中的CZ6相连接，通过插座CZ6及插头CT6的第1 引脚向GPRS无线通信模块供电，微控制器通过无线通信模块M2向数据处理中心发送车辆能耗相关的数据。[〇〇45]请参看图12,客车后轮轴载荷信号单元包括电容式载荷信号传感器C31、电容传感器调理集成电路U8、用于差分信号变换的运算放大器U9A、电容C32?C38、电阻R31?R39组成。电容传感器调理集成电路U8的型号为CAV424，U8的第14引脚与地之间接电容式载荷信号传感器C31，U8的第16、12、15、13引脚与地之间分别接电容032?035，1]8的第10引脚接地； U8的第2引脚与地之间接电阻R31，U8的第3引脚与地之间接电阻R32，U8的第1引脚与地之间接电阻R33，U8的第11引脚接+5V电源，在靠近该引脚处接电容C36到地;U8的第4、5引脚间接电阻R34，U8的第4、6引脚之间接电阻R35; U8的第6引脚对地之间接电容C37，U8的第6引脚外部还接有串联的电阻R36和R37; R37的一端接地，与R36相连的另一端接运算放大器U9A的第3引脚;U8的第5引脚外部还接有串联的电阻R38和R39，R39的一端接运算放大器U9A的第1 引脚，与R38相连的另一端接运算放大器U9A的第2引脚;运算放大器U9A的第1引脚连接到图 3中微控制器U3的第18引脚，通过U3内部的ADC转换电路测量客车后轮轴的载荷;运算放大器U9A的第4引脚接地，第8引脚接5V电源，在紧靠第8引脚和第4引脚之间接电容C38。[〇〇46]请参看图13,客车前轮轴载荷信号单元包括电容式载荷信号传感器C41、电容传感器调理集成电路U10、用于差分信号变换的运算放大器U9B、电容C42?C47、电阻R41?R49组成。电容传感器调理集成电路U10的型号为CAV424，U10的第14引脚与地之间接电容式载荷信号传感器C41，U10的第16、12、15、13引脚与地之间分别接电容042?045，1]10的第10引脚接地;U10的第2引脚与地之间接电阻R41，U10的第3引脚与地之间接电阻R42，U10的第1引脚与地之间接电阻R43，U10的第11引脚接+5V电源，在靠近该引脚处接电容C46到地;U10的第 4、5引脚之间接电阻R44，U10的第4、6引脚之间接电阻R45; U10的第6引脚对地之间接电容 C47，U10的第6引脚外部还接有串联的电阻R46和R47;R47的一端接地，与R46相连的另一端接运算放大器U9B的第5引脚;U10的第5引脚外部还接有串联的电阻R48和R49，R49的一端接运算放大器U9B的第7引脚，与R48相连的另一端接运算放大器U9B的第6引脚;运算放大器 U9B的第7引脚连接到图3中微控制器U3的第19引脚，通过U3内部的ADC转换电路测量客车前轮轴的载荷。[〇〇47]电容式载荷信号传感器C31、C41具有相同的结构。请参看图14,电容式载荷信号传感器包含带屏蔽板的上极板单元(102)和下极板单元(103) X31下极板单元(103)安装在后轮轴中部的上方，C31上极板单元(102)安装在车架下部，与C31下极板单元(103)平行相对且上下对正，C31的屏蔽板引出线连接到图12的U8第10引脚附近的地;C41下极板单元安装在前轮轴中部的上方，C41上极板单元安装在车架下部，与C41下极板单元平行相对且上下对正，C41的屏蔽板引出线连接到图13的U10第10引脚附近的地。这样，客车在不同的载荷下，钢板弹簧产生不同的变形，带动电容式载荷信号传感器的上极板单元(102)和下极板单元(103)之间的距离发生变化，从而使电容量发生变化，再通过电容传感器调理集成电路将电容量的变化转化为电压值的变化，通过微控制器内部的ADC电路可测量这一电压值，经程序计算后得到载荷质量，再将所测量的前后轮轴的载荷质量相加，即是客车的总载荷。 [〇〇48]图2?图13的电路原理图中，相同的电气网络编号或端口是电气连通的。
[0049]由于客车在加速或减速的运动状态下，测量的载荷数据不真实，因此，在微控制器读取加速度传感器的数据后，通过计算和分析，仅在客车静止状态或匀速直线运动时，才检测和保存客车载荷的数据，这时测量的客车载荷才是真实有效的。
[0050]2009年11月1日起施行的《道路运输车辆燃料消耗量检测和监督管理办法》要求总质量超过3500千克的道路旅客运输车辆应当满足交通行业标准《营运客车燃料消耗量限值及测量方法》，并规定试验道路应当为平直路，用沥青或者混凝土铺装，长度不小于2公里， 宽度不小于8米，纵向坡度在0.1%以内，且路面应当清洁、平坦。
[0051]为了获得与综合燃料消耗量指标的比对，需要筛选出的符合标准测试条件的数据。方法是:采集并计算客车满载状态下在平坦的路面上作匀速直线行驶时不同车速段的行驶时间和燃料消耗量，并计算出每l〇〇km的综合燃料消耗量，即有效燃油消耗率，保存相关的数据。[〇〇52]微控制器通过采集车速信号及三轴加速度信号的数据，通过计算和分析，可确定客车是否处于静止状态、匀速直线运动状态。[〇〇53]微控制器通过读取三轴加速度信号的数据，可计算出相关的倾角，通过计算和综合分析，可确定客车是否处在平坦的道路上。[〇〇54]请参看图15,微控制器主程序的工作流程包括如下步骤:步骤S201、上电后，进入初始化；步骤S202、程序完成初始化后，通过I2C总线与加速度检测单元通信，读取三轴加速度数据；步骤S203、计算客车的倾角；步骤S204、存储加速度及倾角数据；步骤S205、通过CAN接口单元读取客车的车速和燃油消耗量等数据；步骤S206、调用检测与计算客车载荷子程序；步骤S207、调用有效燃油消耗率分析计算子程序；步骤S208、检查USART3串口是否收到PC机的通信命令;进入步骤S209判断，若未收到命令帧，则进入步骤S211;若收到命令帧，则进入步骤S210处理命令帧数据，然后进入步骤 S211；步骤S211、检查USART1串口是否收到GPRS无线通信模块的通信命令;进入步骤S212判断，若未收到命令帧，则进入步骤S214;若收到命令帧，则进入步骤S213处理命令帧数据，并通过GPRS向数据处理中心发送数据，然后进入步骤S214;步骤S214、向OLED模块输出需要显示数据，显示智能单元采集到的客车能耗相关的数据以及筛选出的符合标准测试条件的数据；接着，程序再次进入步骤S202，重复步骤S202?S214，周而复始，循环运行。
[0055]请参看图16,检测与计算客车载荷子程序的工作流程包括如下步骤:步骤S301、分析从加速度检测单元读取的三轴加速度数据；步骤S302、判断客车纵轴及横轴的加速度是否都为0,如果不是，说明此时不适合检测客车的载荷，子程序返回；如果是都为〇，说明客车处于静止状态或匀速直线行驶状态，进入步骤S303和步骤S304，开始检测客车载荷:步骤S303、通过微控制器内部的第1个12位模数转换器，检测前轮轴载荷；步骤S304、通过微控制器内部的第2个12位模数转换器，检测后轮轴载荷；步骤S305、将前轮轴载荷和后轮轴载荷相加，即得到客车载荷；步骤S306、在数据存储单元中规划的地址存储客车载荷数据;程序返回。
[0056]请参看图17,有效燃油消耗率分析计算子程序的工作流程包括如下步骤:步骤S401、取出客车载荷数据；步骤S402、判断客车是否为满载，如果不是满载，说明此时不适合检测客车的载荷，子程序返回；如果是满载，则进入步骤S403，进一步判断客车的运动状态:步骤S403、取出所采集并计算的客车加速度和倾角数据；步骤S404、判断客车纵轴及横轴的加速度、倾角是否都为0,如果不是，说明此时客车并非处于平坦的道路上，不符合规定的测试条件，子程序返回；如果是都为0,进入步骤S405， 确定客车正在平坦的道路上处于静止状态或匀速直线行驶状态；步骤S406、取出客车车速数据，进入步骤S407,确定客车正在平坦的道路上匀速直线行驶；步骤S408、判断车速是否在规定的某一范围内:如果车速超出《营运客车燃料消耗量限值及测量方法》规定的所有速度范围，则不计算该车速下的燃油消耗量，子程序返回；否则，说明车速在规定的速度范围内，进入步骤S409; 步骤S409、计算并存储在当前车速下的燃油消耗量；步骤S410、从数据存储单元中读出其它车速下的燃油消耗量，计算并存储可与综合燃料消耗量指标进行比对的客车有效燃油消耗率;子程序返回。[〇〇57]本实施例的工作原理可说明如下:微控制器检测客车的载荷以及三轴的加速度信号，由三轴的加速度数据计算三轴的倾角，再通过CAN接口单元读取客车的车速、消耗的燃油量、燃油消耗率等数据，对采集到的数据按软件设计的算法进行分析与处理，同时筛选出的符合标准载荷及各车速段的测试数据，计算有效燃油消耗率，由显示单元显示相关的数据，由无线通信模块将相关的数据通过网络传输到数据处理中心，经数据处理中心的监测软件处理后实时显示有关客车的能耗数据，并提供历史数据查询、自动生成日报表、月报表、年报表的功能，通过对能耗监测数据与燃料消耗量限值指标的比较，给出客车能耗超标的告警信息。由此可实现全自动的客车能耗数据分析、处理、评估，可提升客车能耗统计与监测的数据质量，提高工作效率及数据的准确性，能为管理部门对高能耗高污染车辆实施强制淘汰或报废提供数据支持，也可供客运企业作为内部评估、决策的重要依据。
【主权项】
1.采用CAN总线的客车能耗数据采集装置，其特征在于，包括:电源稳压单元(1)、智能 单元(2)、系统复位单元(3)、数据存储单元(4)、调试接口(5)、显示单元(6)、加速度检测单 元(7)、CAN接口单元(8)、通信接口电平转换单元(9)、客车载荷信号单元(10)、无线通信模 块(11)、PC机RS-232接口( 12);其中:电源稳压单元(1)为智能单元(2)、系统复位单元(3)、数据存储单元(4)、调试接口(5)、 显示单元(6)、加速度检测单元(7)、CAN接口单元(8)、通信接口电平转换单元(9)、客车载荷 信号单元(10)、无线通信模块(11)供电，与各部分构成电气连接；智能单元(2)是本装置的核心，在程序的控制下运行，与电源稳压单元(1)、系统复位单 元(3)、数据存储单元(4)、调试接口(5)、显示单元(6)、加速度检测单元(7)、CAN接口单元 (8)、通信接口电平转换单元(9)、客车载荷信号单元(10)构成电气连接；系统复位单元(3)用于智能单元上电复位，与智能单元(2)构成电气连接；数据存储单元(4)用于存储智能单元筛选出的符合标准测试条件的数据以及未发送到 数据处理中心的数据，与智能单元(2)构成电气连接；调试接口(5)用于智能单元仿真调试以及下载程序，与智能单元(2)构成电气连接；显示单元(6)用于显示智能单元采集到的客车能耗相关的数据以及筛选出的符合标准 测试条件的数据，与智能单元(2 )构成电气连接；加速度检测单元(7)用于检测客车运行时的加速度，与智能单元(2)构成电气连接；CAN接口单元(8 )用于适配与客车的发动机诊断接口收发数据，与智能单元(2)构成电 气连接；通信接口电平转换单元(9)用于适配智能单元与所连接的通信设备的电平信号，与智 能单元(2)、无线通信模块(11)和PC机RS-232接口(12)构成电气相连；客车载荷信号单元(10)用于检测车辆的载荷，与智能单元(2)构成电气连接；无线通信模块(11)用于连接无线网络并与数据处理中心通信，与通信接口电平转换单 元(9)构成电气连接；PC机RS-232接口(12)用于配置客车的基本参数，与通信接口电平转换单元(9)构成电 气连接；进一步地，客车能耗相关的数据包括车速、燃油消耗量、燃油消耗率、客车三轴加速度 及倾角、载荷。2.根据权利要求1所述的采用CAN总线的客车能耗数据采集装置，其特征在于，所述的 智能单元包括型号为STM32F103C8T6的微控制器。3.根据权利要求1所述的采用CAN总线的客车能耗数据采集装置，其特征在于，所述的 CAN接口单元包括型号为SN65HVD230DR的CAN收发器。4.根据权利要求1所述的采用CAN总线的客车能耗数据采集装置，其特征在于，所述的 数据处理中心包括数据库服务器、运行客车能耗监测软件的计算机、显示器及打印机。5.根据权利要求1所述的采用CAN总线的客车能耗数据采集装置，其特征在于，所述的 加速度检测单元包括三轴加速度传感器。6.根据权利要求1所述的采用CAN总线的客车能耗数据采集装置，其特征在于，所述的 CAN接口单元包括型号为SN65HVD230DR的CAN收发器U6及电容C20、电阻R10、R11、跳线器 JP1、插座CZ4; R11是端接电阻，阻值为120欧姆，可根据需要用跳线器JP1接入电路中；U5的第1引脚连接到微控制器U3的第33引脚，U5的第2引脚接地，U5的第3引脚接3.3 V电源，U5的 第4引脚连接到微控制器U3的第32引脚;U5的第6、7引脚分别连接到插座CZ4的第2和第1引 脚，U5的第8引脚通过电阻R10接地；电阻R11与跳线器JP1串联后接于插座CZ4的第1、2引脚 之间，CZ4的第3引脚接地;电容C20接于U6的第3引脚和地之间。7.根据权利要求1所述的采用CAN总线的客车能耗数据采集装置，其特征在于，所述的 客车载荷信号单元包括客车前轮轴载荷信号单元和客车后轮轴载荷信号单元;客车前轮轴 载荷信号单元和客车后轮轴载荷信号单元具有相同的结构；客车后轮轴载荷信号单元包括电容式载荷信号传感器C31、电容传感器调理集成电路 U8、用于差分信号变换的运算放大器U9A、电容C32?C38、电阻R31?R39组成；电容传感器调理集成电路U8的型号为CAV424，U8的第14引脚与地之间接电容式载荷信 号传感器C31，U8的第16、12、15、13引脚与地之间分别接电容032?035，1]8的第10引脚接地； U8的第2引脚与地之间接电阻R31，U8的第3引脚与地之间接电阻R32，U8的第1引脚与地之间 接电阻R33，U8的第11引脚接+5V电源，在靠近该引脚处接电容C36到地;U8的第4、5引脚间接 电阻R34，U8的第4、6引脚之间接电阻R35; U8的第6引脚对地之间接电容C37，U8的第6引脚 外部还接有串联的电阻R36和R37; R37的一端接地，与R36相连的另一端接运算放大器U9A的 第3引脚;U8的第5引脚外部还接有串联的电阻R38和R39，R39的一端接运算放大器U9A的第1 引脚，与R38相连的另一端接运算放大器U9A的第2引脚;运算放大器U9A的第1引脚连接到微 控制器U3的第18引脚，通过U3内部的ADC转换电路测量客车后轮轴的载荷;运算放大器U9A 的第4引脚接地，第8引脚接5V电源，在紧靠第8引脚和第4引脚之间接电容C38。8.根据权利要求1所述的采用CAN总线的客车能耗数据采集装置，其特征在于，所述的 客车载荷信号单元的电容式载荷信号传感器C31、C41具有相同的结构；电容式载荷信号传感器包含带屏蔽板的上极板单元(102)和下极板单元(103);C31下极板单元(103)安装在后轮轴中部的上方，C31上极板单元(102)安装在车架下 部，与C31下极板单元(103)平行相对且上下对正，C31的屏蔽板引出线连接到U8第10引脚附 近的地；C41下极板单元安装在前轮轴中部的上方，C41上极板单元安装在车架下部，与C41下极 板单元平行相对且上下对正，C41的屏蔽板引出线连接到U10第10引脚附近的地。9.采用根据权利要求1所述的采用CAN总线的客车能耗数据采集装置的控制方法，其特 征在于，包括如下步骤:步骤S201、初始化；步骤S202、通过I2C总线与加速度检测单元通信，读取三轴加速度数据；步骤S203、计算客车的倾角；步骤S204、存储加速度及倾角数据；步骤S205、读取客车的车速和燃油消耗量等数据；步骤S206、调用检测与计算客车载荷子程序；步骤S207、调用有效燃油消耗率分析计算子程序；步骤S208、检查是否收到PC机的通信命令;进入步骤S209判断，若未收到命令帧，则进 入步骤S211;若收到命令帧，则进入步骤S210处理命令帧数据，然后进入步骤S211;步骤S211、检查是否收到GPRS无线通信模块的通信命令;进入步骤S212判断，若未收到命令帧，则进入步骤S214;若收到命令帧，则进入步骤S213处理命令帧数据，并通过GPRS向 数据处理中心发送数据，然后进入步骤S214;步骤S214、向OLED模块输出需要显示数据，显示智能单元采集到的客车能耗相关的数 据以及筛选出的符合标准测试条件的数据；程序再次进入步骤S202，重复步骤S202?S214，周而复始，循环运行。10.采用根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述的检测与计算客车载荷，包 括如下步骤:步骤S301、分析从加速度检测单元读取的三轴加速度数据；步骤S302、判断客车纵轴及横轴的加速度是否都为0,如果不是，说明此时不适合检测 客车的载荷;如果是都为〇，则进入步骤S303和步骤S304，开始检测客车载荷:步骤S303、检测前轮轴载荷；步骤S304、检测后轮轴载荷；步骤S305、将前轮轴载荷和后轮轴载荷相加，即得到客车载荷；步骤S306、存储客车载荷数据。11.采用根据权利要求9所述的控制方法，其特征在于，所述的有效燃油消耗率分析计 算，包括如下步骤:步骤S401、取出客车载荷数据；步骤S402、判断客车是否为满载，如果不是满载，说明此时不适合检测客车的载荷;如 果是满载，则进入步骤S403;步骤S403、取出所采集并计算的客车加速度和倾角数据；步骤S404、判断客车纵轴及横轴的加速度、倾角是否都为0,如果不是，子程序返回；如 果是都为0，进入步骤S405，确定客车正在平坦的道路上处于静止状态或匀速直线行驶状 态；步骤S406、取出客车车速数据，进入步骤S407，确定客车正在平坦的道路上匀速直线行 驶；步骤S408、判断车速是否在规定的某一范围内:如果车速超出规定的所有速度范围，则不计算该车速下的燃油消耗量;否则，进入步骤 S409；步骤S409、计算并存储在当前车速下的燃油消耗量；步骤S410、从数据存储单元中读出其它车速下的燃油消耗量，计算并存储客车有效燃 油消耗率。
【文档编号】B60R16/023GK106080449SQ201610612692
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月30日 公开号201610612692.4, CN 106080449 A, CN 106080449A, CN 201610612692, CN-A-106080449, CN106080449 A, CN106080449A, CN201610612692, CN201610612692.4
【发明人】涂金龙, 何玉宏
【申请人】南京交通职业技术学院