基于CAN總線接口的健康管理系統(tǒng)設計

傳統(tǒng)工程實現(xiàn)大多采取單一的點對點通信，相互之間少有聯(lián)系，導致復雜的布局布線。據統(tǒng)計，某型設備布局布線長度達2 000 m，電氣節(jié)點達1 500個。無論從工程成本還是工程實現(xiàn)看，傳統(tǒng)實現(xiàn)方法亟待改進。

CAN（Controller Area Network）也稱控制器局域網，是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN總線是一種多主串行通信總線，支持分布式實時控制，其為多主工作方式，通信方式靈活，且無需站地址等節(jié)點信息。采用無損仲裁技術，當多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動退出發(fā)送，最高優(yōu)先級的節(jié)點不受影響繼續(xù)傳輸數(shù)據，節(jié)省了總線沖突的仲裁時間。

本文設計了一種基于CAN總線接口的健康管理方案，有效解決了傳統(tǒng)工程點對點通信的弊端。通過描述本系統(tǒng)總體架構、硬件方案和軟件方案，最后給出了仿真與分析結果，證明了本系統(tǒng)的可行性、經濟性和工程應用性。

1總體架構

本系統(tǒng)由某型CK520內核主控處理器、兩顆單片機GD32VF103、高速光電耦合器、總線接口電路、溫度傳感器、SPI Flash芯片和PC機組成。主控處理器通過異步串口與測試計算機連接，同時主控處理器通過異步串口與主/備兩顆CAN總線協(xié)議處理器連接，測試計算機上可查看系統(tǒng)的狀態(tài)信息，也可通過其對單片機進行軟件升級等。總體結構如圖1所示。

圖1 總體架構

2硬件方案

本系統(tǒng)采用兩顆芯片實現(xiàn)主/備健康管理方案。由主控芯片控制兩顆單片機的狀態(tài)，通過異步串口連接，對外健康管理接口為CAN接口。其中健康管理系統(tǒng)基于兩顆RISC-V芯片GD32VF103，實現(xiàn)主/備功能，確保主CAN接口總線功能異常后，備份CAN接口總線能夠正常工作。主要由主控單元、主健康管理單元、備健康管理單元、芯片間通信單元和軟件升級加載單元組成。硬件設計框圖如圖2所示。

圖2 硬件設計框圖

2.1主控單元

主控單元負責主/備CAN總線處理器的信息同步、軟件加載的控制等。該部分實現(xiàn)Ymodem協(xié)議、與主CAN總線處理器的交互協(xié)議、與備CAN總線處理器的交互協(xié)議。Ymodem協(xié)議是一個文本傳輸協(xié)議，常用于在線軟件升級加載。

2.2主健康管理單元

主健康管理單元是用于本系統(tǒng)與外部進行數(shù)據交互的主要通道。本設計選用兆易創(chuàng)新的GD32VF103實現(xiàn)健康管理功能，并且完成對系統(tǒng)的溫度值采樣。溫度傳感器選用國產的CT75MMR，這是一款精度在±0.5 ℃的溫度傳感器，溫度值可直接通過I2C接口讀取。測量的溫度范圍為-40~+125 ℃，靜態(tài)電流僅為1.5 μA，最大電流為10 μA。

本文選用低成本的GD32VF103RB芯片，該芯片基于RISC-V處理器的32位通用微控制器。RISC-V處理器包括3條AHB總線，分別稱為I-CODE總線、D-Code總線和系統(tǒng)總線。RISC-V處理器適用于低能耗、小面積的嵌入式應用，具有簡單的動態(tài)分支預測、指令預取緩沖區(qū)和本地內存等多種高效微架構特點。

該芯片提供了108 MHz的運算主頻，以及高達128 KB的片上閃存和32 KB的SRAM緩存，采用2.6~3.6 V供電，I/O可承受5 V電壓，擁有多達4個16位通用定時器、2個16位基本定時器和2個多通道DMA控制器，包括3個USART、2個UART、3個SPI、2個I2C、2個I2S、2個CAN2.0B和1個USB2.0，以及外部總線擴展控制器，集成了2個采樣率高達2.6 Msps的12位高速ADC，提供了多達16個可復用通道，并支持16位硬件過采樣濾波功能和分辨率可配置功能，還擁有2個12位DAC，多達80%的GPIO具有多種可選功能，還支持端口重映射。

高速光電耦合器采用GaAsAl紅外發(fā)光二極管與單片集成高速光探測器相耦合。光電耦合器輸入側電信號使發(fā)光源發(fā)光，光的強度取決于激勵電流的大小，當光照到受光器后，因光電效應產生光電流，由受光器輸出，這樣就實現(xiàn)了電-光-電的轉換。

總線接口電路是一款低電壓CAN總線收發(fā)器，其作為CAN總線的物理層芯片，滿足ISO 11898標準規(guī)定。該收發(fā)器提供差分發(fā)送和接收能力，其傳輸速率達到1 Mbps，3.3 V供電電壓，低功耗設計；高輸入阻抗，最多允許接入120個節(jié)點；兼容ISO11898 CAN總線標準；傳輸速率最高可達1 Mb/s；片內集成過溫保護，支持熱插拔。

2.3備健康管理單元

備健康管理單元用于本系統(tǒng)與外部進行數(shù)據交互的備份通道，同時完成對系統(tǒng)的電壓值采樣，通過單片機自帶的ADC接口功能完成。

3軟件方案

本系統(tǒng)軟件設計采用典型嵌入式軟件設計層次，先實現(xiàn)各芯片內、外設驅動，再實現(xiàn)上述協(xié)議規(guī)范，最后業(yè)務邏輯調度相關API實現(xiàn)完整功能。軟件設計遵循以下原則：層與層之間不能跨層調用；模塊與模塊之間各自獨立，無依賴關系；模塊提供統(tǒng)一的接口供上層調用，模塊的內、外接口分明。軟件架構如圖3所示。

圖3 軟件架構

3.1模塊分層

本系統(tǒng)軟件設計采用模塊化設計，盡量降低各個軟件模塊的專用性及模塊之間的耦合性，提高軟件模塊的獨立性和可繼承性。

3.1.1硬件驅動層

硬件驅動層主要與底層接口建立傳輸通道，在本系統(tǒng)中，包含CAN總線接口、UART接口、I2C接口和ADC接口。驅動層函數(shù)功能如表1所列。溫度傳感器接口函數(shù)功能如表2所列。電壓值接口函數(shù)功能如表3所列。

表1 驅動層函數(shù)簡介

表2 溫度傳感器接口函數(shù)簡介

表3 電壓值接口函數(shù)簡介

3.1.2功能模塊層

功能模塊層主要完成各個接口數(shù)據幀的拆幀解析與組幀發(fā)送。函數(shù)簡介如表4所列。

表4 模塊層函數(shù)簡介

3.1.3業(yè)務邏輯層

業(yè)務邏輯層是本文系統(tǒng)的核心，完成各個功能任務。函數(shù)簡簡介如表5所列。

表5 邏輯層函數(shù)簡介

3.2軟件設計

本系統(tǒng)通過Keil5軟件和CDS軟件對系統(tǒng)功能軟件進行編譯調試，設計主要分為Ymodem功能軟件、CAN功能軟件和芯片管理功能軟件。

Ymodem功能軟件主要完成對本系統(tǒng)的軟件文件升級加載，包含傳輸數(shù)據收發(fā)、處理和傳輸協(xié)議解析；CAN功能軟件主要完成對外提供健康管理信息，包含CAN數(shù)據收發(fā)、處理和CAN協(xié)議解析，為軟件設計的關鍵和核心；芯片管理功能軟件主要完成各個芯片間狀態(tài)信息同步及軟件文件的傳輸控制，包含管理數(shù)據收發(fā)、解析和處理。

3.2.1Ymodem功能軟件設計

Ymodem功能軟件主要實現(xiàn)待升級HEX文件的傳輸，主控處理器根據文件名稱將文件傳輸至對應的單片機，完成對其軟件文件的加載升級。其數(shù)據幀格式如表6所列。

表6 Ymodem數(shù)據幀格式

升級流程如下：

①先搜索起始幀，校驗正確后進行文件名判斷，若文件名為0001，則表示本地升級文件處理；若文件名為0002，則表示單片機1升級文件處理；若文件名為0003，則表示單片機2升級文件處理。

②繼續(xù)搜索數(shù)據幀，校驗正確后，根據上一步流程中的處理分支將數(shù)據送到對應芯片進行存儲處理。

③搜索到結束幀后即表示升級流程結束。

通過該軟件功能，可方便地對各個功能芯片進行軟件升級，便于后期項目維護。

3.2.2CAN功能軟件設計

CAN功能軟件為本系統(tǒng)軟件設計的關鍵和核心。本設計參照CAN2.0B規(guī)范（即ISO 11898），該規(guī)范規(guī)定了CAN總線網絡設計特殊需求，CAN總線接口劃分為應用層、數(shù)據鏈路層和物理層[4]。物理層主要實現(xiàn)bit流編解碼、bit位定時和同步，以及物理連接接口。數(shù)據鏈路層主要實現(xiàn)用戶數(shù)據分幀和組幀，數(shù)據幀編碼、總線仲裁和訪問控制、錯誤檢測和通告、應答等。應用層主要處理用戶業(yè)務相關數(shù)據。應用層數(shù)據幀格式如表7所列。

表7 CAN接口數(shù)據幀格式

（1）發(fā)送流程

應用層軟件有數(shù)據需要發(fā)送時，調用數(shù)據鏈層發(fā)送接口函數(shù)，將數(shù)據寫入發(fā)送緩沖區(qū)。鏈路層根據數(shù)據個數(shù)判斷是否需要分幀，若大于8，則按8字節(jié)進行分幀，最后一幀為結束幀，其余幀為中間幀，然后按照幀格式組成鏈路層報文，驅動總線控制器將數(shù)據發(fā)送到總線上。

（2）接收流程

在接收端，總線數(shù)據進入總線控制器輸出鏈路層數(shù)據報文，鏈路層對數(shù)據幀進行解析，完成以下操作：若收到的字節(jié)數(shù)小于待解析報文長度，表示還有后續(xù)數(shù)據幀待接收，則根據DLC字段值提取相應個數(shù)的應用數(shù)據依次存入接收數(shù)據緩存區(qū)，等待接收下一幀；若收到的字節(jié)數(shù)等于待解析報文長度，表示數(shù)據報文接收完畢，則根據DLC字段值提取相應個數(shù)的應用數(shù)據，存入接收數(shù)據緩存區(qū)，推送給應用層處理。

3.2.3芯片管理功能軟件設計

芯片與芯片間通信采用slip幀格式，數(shù)據幀格式如表8所示。

表8 SLIP數(shù)據幀格式

在組織slip幀時，在每一個基本數(shù)據幀的首尾各加上一個端字符（0xC0），封裝成slip幀。在發(fā)送的slip數(shù)據幀中，與端字符（0xC0）相同的數(shù)據用轉義字符加替代字符（0xDBDC）代替，與轉義字符（0xDB）相同的數(shù)據用轉義字符加轉義替代字符（0xDBDD）代替。在接收方，對slip數(shù)據幀中的數(shù)據作相反的替代處理，即將“0xDBDC”替換為“0xC0”，將“0xDBDD”替換為“0xDB”。

4系統(tǒng)仿真與分析

完成健康管理系統(tǒng)軟硬件設計后，需要對本系統(tǒng)進行測試。系統(tǒng)測試前，首先對各部分硬件進行檢查調試，確保硬件正確后，將編譯完成的軟件執(zhí)行碼通過Keil5軟件和CDS軟件下載到系統(tǒng)。最后通過上位機軟件或者分析儀對相關接口數(shù)據進行仿真和分析。

4.1Ymodem功能仿真

為了測試該功能，將測試計算機與主控處理器的異步串口連接，打開計算機上安裝的SecureCRT軟件，然后操作該軟件使用Ymodem功能發(fā)送待升級文件，如圖4所示。

圖4 Ymodem發(fā)送界面

待軟件文件升級完成后，重啟設備可查看軟件文件升級成功。

4.2CAN功能仿真

為測試該功能，通過CAN總線分析儀測試其收發(fā)數(shù)據，將測試計算機與CAN總線分析儀連接，打開計算機上安裝的分析儀CANTest軟件，然后將分析儀上的CAN總線接口與本系統(tǒng)對外CAN接口連接進行測試。結合CAN接口數(shù)據幀格式分析，單片機CAN接口能夠正確收發(fā)協(xié)議幀數(shù)據。

4.3芯片管理功能仿真

為測試該功能，將測試計算機與主控處理器的異步串口連接，打開計算機上安裝的SecureCRT軟件，每次本系統(tǒng)上電后查看打印信息，如圖5所示。

圖5 軟件信息界面

從圖5中可知，主控處理器可正確獲取各個芯片上的狀態(tài)信息，因而芯片管理功能正常。

5結 語

本文提出了一種低成本的基于CAN總線接口的健康管理系統(tǒng)設計，給出了總體架構設計，并且對該設計的軟硬件方案進行了詳細描述，最后對整個系統(tǒng)進行了仿真和分析。另外，主備CAN接口的設計有效地提升了系統(tǒng)的可靠性，從經濟性和實用性方面考慮，均有明顯優(yōu)勢。

（本文由《單片機與嵌入式系統(tǒng)應用》雜志授權發(fā)表，原文刊發(fā)在2023年第11期）