36、车辆遥测平台及相关电子技术全解析

车辆遥测平台及相关电子技术全解析

1. 电源故障处理

在车辆遥测平台系统中， PowerFail.pde 里的 setup() 函数将 powerFail() 中断服务程序连接到中断 0 的下降沿，中断 0 位于数字引脚 2，此引脚连接到电源输入的分压器。当电源供应的电压下降时，该中断服务程序会被调用。它会关闭日志记录 LED，以此向主循环发出信号，表明下次循环时需要关闭 USB 记忆棒上的日志文件，同时关闭 LCD 背光以节省电量。

void powerFail() 
{ 
  digitalWrite(LOG_LED, LOW); 
  analogWrite(BrightnessPin, brightness[0]); 
}  

不过，该功能最终可能需要扩展以关闭 GPS 模块，从而进一步节省电量并延长电源电容的使用时间，但这并非易事。因为中断服务程序可能在任何时候被调用，比如在读取 GPS 数据时被调用，当中断服务程序关闭 GPS 并退出后，主循环可能会因等待一个永远无法完成的读取操作而阻塞。所以，使用中断服务程序可能会产生意外的副作用，必须考虑其在主程序循环不同点执行的结果。

2. OBDuinoMega 草图菜单按钮使用

系统的三个按钮根据当前处于实时数据显示模式还是菜单模式，发挥不同的作用：
- 实时模式 ：
- 左按钮：切换到下一个虚拟屏幕。
- 中按钮：进入菜单模式。
- 右按钮：循环切换 LCD 亮度设置。
- 左 + 中按钮：油箱重置，加油后使用。
- 中 + 右按钮：行程和短途旅行重置。
- 左 + 右按钮：显示当前屏幕的 PID 信息。
- 菜单模式 ：
- 左按钮：减小数值。
- 中按钮：选择。
- 右按钮：增大数值。

菜单中可设置的选项如下：
| 选项 | 说明 |
| ---- | ---- |
| LCD 对比度（0 - 100，步长为 10） | 原型中使用可变电阻控制，菜单也支持通过 PWM 输出控制 |
| 使用公制单位（NO/YES） | NO 显示英里和加仑，YES 显示公里和升 |
| 使用逗号格式（NO/YES） | NO 使用句点作为小数点，YES 使用逗号 |
| 每小时燃油速度（0 - 255） | 低于此速度显示 L/100KM 或 MPG，高于则显示 L/h 或 GPH |
| 油箱大小（xx.y） | 油箱容量，单位为升或加仑 |
| 燃油价格（xx.y） | 每升或每加仑燃油的价格 |
| 燃油调整（0 - 255%） | 燃油消耗校准因子，多次加油后可手动调整 |
| 速度调整（0 - 255%） | 车速表校准因子，用于校准不准确的车速传感器 |
| 发动机排量（0.0L - 10.0L） | 仅在使用 MAP 传感器时使用，多数车辆无需设置 |
| 短途旅行中途停留时间（0 - 2550 分钟，步长为 10 分钟） | 停车超过此时间，短途旅行自动重置 |
| 行程中途停留时间（1 - 255 小时） | 用于较长行程，多个中途停留可视为一次行程 |
| 配置 PIDs（NO/YES） | 选择 YES 可设置三个虚拟屏幕上要显示的 PIDs |

除了常规的 OBD - II PIDs，系统还提供了一些额外的非标准 PIDs，如下表所示：
| PID | 标签 | 描述 |
| ---- | ---- | ---- |
| 0xE9 | OutWaste | 本次短途旅行怠速浪费的燃油 |
| 0xEA | TrpWaste | 本次行程怠速浪费的燃油 |
| 0xEB | TnkWaste | 本油箱怠速浪费的燃油 |
| 0xEC | Out Cost | 本次短途旅行的燃油成本 |
| 0xED | Trp Cost | 本次行程的燃油成本 |
| 0xEE | Tnk Cost | 本油箱的燃油成本 |
| 0xEF | Out Time | 汽车运行时间 |
| 0xF0 | No Disp | 无显示，空白角落 |
| 0xF1 | InstCons | 即时燃油消耗率 |
| 0xF2 | Tnk Cons | 本油箱的平均燃油消耗 |
| 0xF3 | Tnk Fuel | 本油箱已使用的燃油 |
| 0xF4 | Tnk Dist | 本油箱行驶的距离 |
| 0xF5 | Dist2MT | 本油箱剩余可行驶的距离 |
| 0xF6 | Trp Cons | 本次行程的平均燃油消耗 |
| 0xF7 | Trp Fuel | 本次行程已使用的燃油 |
| 0xF8 | Trp Dist | 本次行程的距离 |
| 0xF9 | Batt Vlt | 汽车电池电压 |
| 0xFA | Out Cons | 本次短途旅行的平均燃油消耗 |
| 0xFB | Out Fuel | 本次短途旅行已使用的燃油 |
| 0xFC | Out Dist | 本次短途旅行的距离 |
| 0xFD | Can Stat | CAN 状态，包括 TX/RX 错误 |
| 0xFE | PID_SEC | 每秒检索的 PIDs 数量 |
| 0xFF | Eco Vis | 经济视觉显示（调试模式下的空闲内存） |

3. 日志记录操作

在正常运行时，绿色的“可安全移除”LED 会亮起，这意味着 VDIP1 没有尝试访问记忆棒，此时可以插入或移除记忆棒。启动日志记录的步骤如下：
1. 插入记忆棒，等待几秒钟，让 VDIP1 有时间识别它。
2. 如果将计算机连接到系统的 USB 端口，并在 Arduino IDE 中运行串口监视器，当 VDIP1 检测记忆棒时，会看到反馈信息。若操作似乎不起作用，可连接计算机运行，查看是否有错误信息。
3. 短暂按下“日志记录开/关”按钮，绿色的“可安全移除”LED 熄灭，红色的“文件打开”LED 亮起，黄色的“日志活动”LED 大约每秒闪烁一次，表示正在向 CSV 文件写入一行数据。
4. 再次按下按钮将停止日志记录。当绿色的“可安全移除”LED 再次亮起时，可取出记忆棒，插入计算机处理日志文件。

系统生成的日志文件是一个常规的 CSV 文件，其存储的字段如下表所示：
| 列 | 字段 | 描述 |
| ---- | ---- | ---- |
| 1 | GPS_LAT | GPS 纬度 |
| 2 | GPS_LON | GPS 经度 |
| 3 | GPS_ALT | GPS 海拔（米） |
| 4 | GPS_SPEED | GPS 速度（公里/小时） |
| 5 | LOAD_VALUE | 发动机负载（%） |
| 6 | COOLANT_TEMP | ECU 冷却液温度（摄氏度） |
| 7 | ENGINE_RPM | 发动机转速 |
| 8 | VEHICLE_SPEED | 车辆速度（所选单位） |
| 9 | TIMING_ADV | 点火提前角（度） |
| 10 | INT_AIR_TEMP | 进气温度 |
| 11 | MAF_AIR_FLOW | 空气质量流量 |
| 12 | THROTTLE_POS | 节气门位置（%） |
| 13 | FUEL_RAIL_P | 燃油轨压力（千帕） |
| 14 | FUEL_LEVEL | 燃油液位（%） |
| 15 | BARO_PRESSURE | 大气压力 |
| 16 | AMBIENT_TEMP | 环境温度 |
| 17 | FUEL_CONS | 燃油消耗率 |
| 18 | BATT_VOLTAGE | 电池电压 |

4. 生成 Google Earth 轨迹

项目源代码中包含一个名为 OBDtoKML 的目录，其中有一个简单的 PHP 脚本 obd - to - kml.php 。该脚本可以读取日志文件，提取纬度、经度和车辆速度信息，然后生成一个可以在 Google Earth 中打开的 KML 文件。需要注意的是，此脚本并非用于在 Web 服务器上运行，而是像 shell 脚本一样直接执行。使用前需要安装 CLI 版本的 PHP，并设置脚本的执行权限。

例如，在 Linux 或 Mac OS 机器上，若日志文件位于桌面，可在终端中执行以下命令：

./OBDtoKML/obd - to - kml.php ~/Desktop/OBDUINO.CSV

执行后，会在相同位置生成一个扩展名为 .kml 的文件，可在 Google Earth 中打开。对于 Linux 用户，还提供了一个 obd - to - kml.desktop 文件，可将日志文件拖放到该图标上，一键完成转换。若 Google Earth 与 .kml 扩展名关联且设置正确，生成记录行程的轨迹只需以下步骤：
1. 将记忆棒插入计算机，它会自动打开。
2. 将日志文件拖到 obd - to - kml 图标上。
3. 双击生成的 .kml 文件，启动 Google Earth 并打开轨迹。

如果生成的 .kml 文件无法正常工作，很可能是原始数据中包含无效行，如 GPS 坐标显示为“0.000”。可在文本编辑器中打开生成的 .kml 文件，滚动查看，删除明显错误的行，保存文件后重新在 Google Earth 中加载。

5. 生成参数图表

要绘制参数图表，可按以下步骤操作：
1. 用电子表格程序打开日志文件，删除不关心的列。
2. 大多数电子表格软件都包含图表工具，可选择数据范围并生成各种图表。
3. 若计算机上未安装电子表格程序，也可使用免费的在线服务，如 Google Docs，将日志文件导入在线电子表格，然后生成图表。

6. 系统扩展与变化

需要注意的是，对汽车进行改装可能对自己以及其他驾驶员、乘客和行人造成危险，并且某些改装建议在世界某些地区可能不合法。请运用常识并遵守相关当地法规。
- 移动互联网连接 ：现在常见使用 3G 网络提供高速移动互联网接入的移动宽带调制解调器，部分提供商还提供使用 3G 调制解调器提供有线以太网连接的移动宽带路由器。通过为车辆遥测平台添加以太网屏蔽罩，可使汽车连接到互联网，实现全球访问。但要注意选择不使用私有、不可路由 IP 地址的提供商，否则无法连接到汽车。
- 车辆控制 ：在该项目中，Arduino 用于收集和报告汽车数据，也可扩展其功能来控制汽车。Mega 有很多空闲的 I/O 线，通过添加一些继电器并修改汽车的线束，可让 Arduino 实现锁车、解锁、启动和停止汽车的功能。有作者将其与 3G 宽带的持续移动互联网连接相结合，通过网页浏览器在全球任何地方启动、停止和跟踪汽车，并实时查询发动机管理数据。
- 语音合成器输出 ：自 20 世纪 80 年代初《霹雳游侠》中的 Kitt 出现后，很多青少年都希望汽车能说话。利用语音合成器屏蔽罩的设计，扩展车辆遥测平台以包含语音合成器相对简单。合成器的输出可接入车辆音响系统，实现语音提示功能。
- 3D 加速度计 ：通过整合 OBD - II 接口的速度数据可计算线性加速度，对 GPS 返回的位置数据进行同样处理，也可生成其他轴的加速度，但精度较低。使用 I2C 连接，可添加 Wii Nunchuck 控制器，读取 X、Y 和 Z 轴的加速度计值，并与其他数据一起存储。
- 数字罗盘 ：GPS 模块可根据连续的位置定位近似计算航向，但添加一个带有 I2C 接口的简单磁罗盘模块，可让系统显示更准确的航向值。
- “霹雳游侠”式警报状态 ：若在构建时启用了 carAlarmScreen 选项，当发动机不运行时，会调用 displayAlarmScreen() 函数。该函数仅在 LCD 上显示一个扫描星号，但由于 Mega 有很多空闲的 I/O 引脚，若需要更引人注意的效果，可连接一排 LED，让该函数驱动一个“霹雳游侠”式的扫描仪。
- 电池状态检查 ：ELM327 即使在汽车不运行时也能提供电池电压读数，因为它永久连接到未开关的电池线路。定期在汽车不运行时读取电池电压，车辆遥测系统可在必要时关闭汽车中的其他设备，甚至关闭自身。

7. 电子资源相关

在电子项目中，有时需要超出 Arduino 板本身提供的稳压电源。一种简单的方法是使用三端稳压器，最常见的是 78xx 系列，其中 xx 表示输出电压，如 05 表示 5V，06 表示 6V，08 表示 8V，12 表示 12V，15 表示 15V。

以下是一个基于 7805 的简单 5V 电源电路：

graph LR
    A[电源输入] --> B[7805 稳压器]
    B --> C[0.1μF 电容]
    B --> D[输出 5V]
    B --> E[二极管]
    E --> A

78xx 系列稳压器的优点是基本内置且预设了所需电压，能承受比输出电压高 10V 或 20V 的输入电压，但也有一些需要注意的特性：
- 功率耗散 ：在这种所谓的“线性稳压器”电路中，稳压器设备本身相当于一个电阻，其阻值会根据需要变化以维持所需的输出电压。例如，若稳压器输入为 12V，输出为 5V，稳压器电路就像一个吸收 7V 电压差的电阻，多余的功率会转化为热量。电流越大，产生的热量就越多。稳压器必须安全地散发热量，否则会关闭甚至损坏。对于最常见的 7805 TO - 220 封装，无散热片时耗散功率可达约 0.5W，超过此功率则需将金属片连接到散热片或金属底盘上。需注意金属片连接到地，通常需要将稳压器与散热片或底盘进行电气绝缘，市场上有导热垫圈可供选择。
- 压降电压 ：另一个需要考虑的特性是压降电压，即输入和输出电压之间的差值，低于此值稳压器不能保证正常工作。7805 器件的压降电压为 2V，因此理想情况下输入电压应始终高于 7V，若使用 6V 电池组则较难满足。低压降（LDO）稳压器可将此值降至 0.5V 或更低，可考虑的型号有 LH117、LM2940 和 LM3940 系列。由于这些型号容易获得，有理由将其作为标准选择，而非 78xx 系列。
- 效率 ：线性稳压器效率较低，因为设计上会将所有多余功率转化为热量。在许多应用中，其设计简单的优点可能超过效率问题，但对于电池供电的应用以及对能源效率要求越来越高的情况，这种折衷可能不可接受。在这种情况下，建议研究开关模式稳压器，虽然设计更复杂，但具有更高的灵活性和效率。

8. LED 驱动探讨

LED 作为二极管的一种，能够发光。和普通二极管一样，LED 具有正向电压降（Vf）以及最大和峰值正向电流额定值（分别为 Imax 和 Ipeak），这些值因 LED 而异。在之前的项目中，LED 常被用于简单的状态指示，应用较为直接。下面详细介绍 LED 驱动的相关内容：
- 基本特性 ：不同类型和颜色的 LED，其正向电压降和电流额定值差异较大。例如，常见的红色 LED 正向电压降约为 1.8 - 2.2V，而蓝色或白色 LED 的正向电压降可能在 3 - 3.6V 之间。了解这些参数对于正确驱动 LED 至关重要。
- 驱动方式 ：
- 电阻限流驱动 ：这是最常见的驱动方式，通过串联一个合适的电阻来限制通过 LED 的电流。根据欧姆定律，可计算出所需电阻的阻值。例如，若电源电压为 5V，LED 正向电压降为 2V，期望电流为 20mA，则所需电阻阻值为 $(5V - 2V) / 20mA = 150Ω$。
- 恒流源驱动 ：对于对电流稳定性要求较高的应用，可使用恒流源驱动 LED。恒流源能确保无论电源电压或 LED 正向电压降如何变化，通过 LED 的电流始终保持恒定，从而保证 LED 的亮度稳定。
- PWM 调光驱动 ：若需要调节 LED 的亮度，可使用脉冲宽度调制（PWM）技术。通过改变 PWM 信号的占空比，可控制 LED 导通时间的比例，从而实现亮度调节。例如，占空比为 50% 时，LED 的平均亮度约为全亮时的一半。

在实际应用中，应根据具体需求选择合适的驱动方式和参数。例如，在一些对亮度要求不高且成本敏感的应用中，电阻限流驱动可能是最佳选择；而在对亮度稳定性和调光精度要求较高的场合，则可能需要采用恒流源和 PWM 调光相结合的驱动方式。

车辆遥测平台及相关电子技术全解析

9. 电源故障处理的深入分析

电源故障处理在车辆遥测平台中起着关键作用。 PowerFail.pde 里的 setup() 函数将 powerFail() 中断服务程序与中断 0 的下降沿相连，当电源电压下降时，该程序会被触发。以下是对其工作流程的详细分析：

graph TD
    A[电源电压下降] --> B[触发 powerFail() 中断服务程序]
    B --> C[关闭日志记录 LED]
    B --> D[关闭 LCD 背光]
    C --> E[主循环收到关闭日志文件信号]
    D --> F[节省电量]

在 powerFail() 函数中，代码如下：

void powerFail() 
{ 
  digitalWrite(LOG_LED, LOW); 
  analogWrite(BrightnessPin, brightness[0]); 
}  

这段代码实现了关闭日志记录 LED 和调整 LCD 背光亮度的功能。然而，如前文所述，扩展该功能以关闭 GPS 模块时需要谨慎。因为中断服务程序可能在任何时候被调用，若在读取 GPS 数据时调用，可能会导致主循环阻塞。例如，当中断服务程序关闭 GPS 并退出后，主循环可能会一直等待一个永远无法完成的读取操作。

10. 菜单按钮功能总结

OBDuinoMega 草图的菜单按钮功能丰富，根据系统处于实时模式还是菜单模式，按钮发挥不同作用。以下是对其功能的总结表格：
| 模式 | 左按钮 | 中按钮 | 右按钮 | 左 + 中按钮 | 中 + 右按钮 | 左 + 右按钮 |
| ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- |
| 实时模式 | 切换到下一个虚拟屏幕 | 进入菜单模式 | 循环切换 LCD 亮度设置 | 油箱重置 | 行程和短途旅行重置 | 显示当前屏幕的 PID 信息 |
| 菜单模式 | 减小数值 | 选择 | 增大数值 | - | - | - |

菜单中可设置的选项众多，涵盖了从显示设置到车辆参数校准等多个方面。这些选项为用户提供了个性化的使用体验，能够根据不同需求进行灵活调整。

11. 日志记录与数据处理流程

日志记录是车辆遥测平台的重要功能之一，其操作流程如下：
1. 准备工作 ：插入记忆棒，等待 VDIP1 识别，可通过连接计算机在 Arduino IDE 中查看反馈信息。
2. 启动记录 ：按下“日志记录开/关”按钮，绿色“可安全移除”LED 熄灭，红色“文件打开”LED 亮起，黄色“日志活动”LED 每秒闪烁一次。
3. 停止记录 ：再次按下按钮停止记录，绿色“可安全移除”LED 亮起后，可取出记忆棒处理日志文件。

系统生成的日志文件是 CSV 格式，包含了丰富的车辆数据，如 GPS 信息、发动机状态等。这些数据可用于后续的分析和处理，如生成 Google Earth 轨迹和参数图表。

12. Google Earth 轨迹生成优化

生成 Google Earth 轨迹的过程中，可能会遇到一些问题，如生成的 .kml 文件无法正常工作。为了解决这些问题，可采取以下优化步骤：
1. 检查原始数据 ：若 .kml 文件无法正常显示，很可能是原始数据中包含无效行，如 GPS 坐标显示为“0.000”。
2. 手动修正 ：在文本编辑器中打开生成的 .kml 文件，滚动查看，删除明显错误的行。
3. 重新加载 ：保存文件后，重新在 Google Earth 中加载，即可正常显示轨迹。

通过这些优化步骤，可提高生成轨迹的准确性和可靠性。

13. 参数图表生成的更多技巧

生成参数图表时，除了使用电子表格软件和在线服务外，还可根据具体需求进行更细致的操作。例如，在选择数据范围时，可根据不同的分析目的选择不同的时间段和参数。同时，对于一些复杂的图表类型，如三维图表，可通过调整数据格式和图表设置来实现。以下是一些常见的图表类型及其适用场景：
| 图表类型 | 适用场景 |
| ---- | ---- |
| 折线图 | 展示数据随时间的变化趋势，如发动机转速随时间的变化 |
| 柱状图 | 比较不同参数之间的大小关系，如不同行程的燃油消耗对比 |
| 饼图 | 显示各部分数据占总体的比例，如不同类型故障的占比 |

14. 系统扩展的实际应用案例

系统扩展为车辆遥测平台带来了更多的功能和可能性。以下是一些实际应用案例：
- 移动互联网连接 ：某车主为了实时监控车辆状态，为车辆遥测平台添加了以太网屏蔽罩，并使用支持 3G 网络的移动宽带路由器。通过这种方式，他可以在全球任何地方通过手机或电脑访问车辆数据，及时了解车辆的位置、发动机状态等信息。
- 车辆控制 ：一位汽车爱好者利用 Arduino 的扩展功能，添加了继电器和修改了汽车线束，实现了通过手机 APP 远程控制汽车的锁车、解锁、启动和停止功能。他还将其与 3G 宽带的持续移动互联网连接相结合，实时查询发动机管理数据，为汽车的使用和维护带来了极大的便利。
- 语音合成器输出 ：在一辆豪华轿车中，车主安装了语音合成器，将其输出接入车辆音响系统。当车辆出现故障或需要提醒时，系统会通过语音提示车主，提高了驾驶的安全性和便利性。

15. 电子资源的选择与应用

在选择电子资源时，需要综合考虑多个因素，如功率耗散、压降电压和效率等。对于线性稳压器和低压降（LDO）稳压器的选择，可根据具体应用场景进行判断：
- 线性稳压器 ：适用于对成本和设计简单性要求较高，且对效率要求不是特别苛刻的应用。例如，在一些小型电子设备中，78xx 系列稳压器可以满足基本的电源需求。
- 低压降（LDO）稳压器 ：对于对压降电压要求较低，如使用低电压电池供电的应用，LH117、LM2940 和 LM3940 系列等 LDO 稳压器是更好的选择。

同时，对于开关模式稳压器，虽然设计更复杂，但具有更高的灵活性和效率，适用于对能源效率要求较高的应用，如电动汽车的电子控制系统。

16. LED 驱动的实际应用与挑战

在实际应用中，LED 驱动面临着一些挑战，如不同环境下的亮度一致性和散热问题。为了解决这些问题，可采取以下措施：
- 亮度一致性 ：采用恒流源驱动和 PWM 调光相结合的方式，确保在不同环境温度和电源电压变化的情况下，LED 的亮度保持稳定。
- 散热问题 ：对于高功率 LED，可采用散热片、风扇等散热设备，降低 LED 的工作温度，延长其使用寿命。

此外，在选择 LED 驱动方式时，还需要考虑成本、可靠性和维护难度等因素。例如，在一些大型照明系统中，采用集中式恒流源驱动可以降低成本和维护难度，但对于一些小型设备，分散式电阻限流驱动可能更为合适。