基于CAN總線的車輛虛擬儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計 - 全文

1 引言

　　現(xiàn)在總線技術(shù)有很多種。從成本上講，RS-232/485的成本都比CAN低；速度上講，工業(yè)以太網(wǎng)等也都不錯。為什么唯獨(dú)CAN在汽車電子中得到親睞？

　　從成本上來說，CAN比UART、RS-232/485高，但比以太網(wǎng)低；從實(shí)時性來說：CAN的實(shí)時性比UART和以太網(wǎng)高，為了保證安全，車用通信協(xié)議都是按周期性主動發(fā)送，不論是CAN還是LIN,對實(shí)時性要求高的消息其發(fā)送周期都小于10ms（每輛車都有好幾條這樣的消息），發(fā)動機(jī)、ABS和變速器都有幾條這樣的消息；從可靠性來說，CAN有一系列事故安全措施，這是UART和以太網(wǎng)都不具備的，多點(diǎn)冗余也是UART（點(diǎn)對點(diǎn)傳輸）和工業(yè)以太網(wǎng)（數(shù)據(jù)傳輸距離短）難于實(shí)現(xiàn)的，所以CAN出現(xiàn)后，由于價格的原因，最初應(yīng)用得最多的地方并不是汽車，而是對成本不敏感的工業(yè)控制和醫(yī)療設(shè)備，如：工業(yè)上的DEVICENET、SDS、CANOPEN,醫(yī)療上MRI等。至于工業(yè)以太網(wǎng)的產(chǎn)生，其背景與個人PC的普及是分不開的，現(xiàn)在工業(yè)控制中的PCBASED就是一個例子，但汽車控制是不能用一臺PC的，要達(dá)到汽車控制的要求，成本上也不容許。而LIN的傳輸過程只有20Kbps,顯然不能作為獨(dú)立的汽車總線控制要求，一般它只配合CAN在汽車上做輔助之用。

　　車輛是一個特殊的應(yīng)用環(huán)境，車輛自動化程度的不斷提高給車輛儀表提出了更高的要求，傳統(tǒng)的動磁式儀表已經(jīng)越來越不適應(yīng)現(xiàn)代智能交通工具發(fā)展的需要，而虛擬儀表因其具有交互、智能和便于擴(kuò)展等特點(diǎn)而受到廣泛重視。本課題要求為某車設(shè)計一套虛擬儀表，上位機(jī)采用基于RTOS開發(fā)環(huán)境的PC104嵌入式微機(jī)。車輛環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為虛擬儀表的一個最重要的子系統(tǒng)，要求完成數(shù)據(jù)的采集和通信功能，而且具有較高的適時性和可靠性。本文根據(jù)作者體會介紹了用 Philips公司的高性能單片機(jī)P80C592設(shè)計車輛數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方法，重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)設(shè)計和CAN通信編程。

　　2 系統(tǒng)簡介

　　根據(jù)設(shè)計要求，本系統(tǒng)主要完成傳感信號的處理以及車輛的工況數(shù)據(jù)采集并將數(shù)據(jù)通過CAN總線送上位機(jī)，要求處理16路模擬信號、4路頻率信號和32路擴(kuò)展 IO信號，采集參數(shù)主要有：發(fā)動機(jī)機(jī)油壓力、水溫、油溫、轉(zhuǎn)速、車速、變速箱油壓、油箱油量以及電網(wǎng)電壓、車門狀態(tài)、轉(zhuǎn)向燈指示、車體超寬指示以及車內(nèi)環(huán)境示警等，信號的形式有電壓、頻率、以及開關(guān)量信號，信號頻率范圍為0~ 6KHZ.

　　2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　圖1給出了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)采用的核心器件為Philips公司的8位高性能微控制器P80C592,它與標(biāo)準(zhǔn)80C51完全兼容，其主要特性有：內(nèi)建能與內(nèi)部RAM進(jìn)行DMA數(shù)據(jù)傳送的CAN控制器；4個捕獲端口和2個標(biāo)準(zhǔn)的16位定時/計數(shù)器；8路模擬量輸入的10位ADC變換器；2×256字節(jié)在片RAM和一個Watch Dog.P80C592的在片CAN控制器可以完全實(shí)現(xiàn)CAN協(xié)議，減少了系統(tǒng)連線，增強(qiáng)了診斷功能和監(jiān)控能力。數(shù)模轉(zhuǎn)換器件選用12位的 AD1674A,分辨率為0.02%,轉(zhuǎn)換時間為25uS.為了提高系統(tǒng)抗干擾能力，在模-數(shù)電路之間和系統(tǒng)到CAN總線之間采用了光電隔離，并且將模擬電路和數(shù)字電路分別設(shè)計成兩塊獨(dú)立的PCB板，兩板通過棧接組成一個完整的系統(tǒng)。

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圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

　　硬件工作過程：溫度、壓力以及電壓信號，經(jīng)相關(guān)處理電路送至16路模擬開關(guān)MAX306EP,經(jīng)電壓跟隨電路輸入AD1674A進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，為了提高可靠性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)沒有采用微控制器的在片ADC變換器。在程序控制下對16路信號順序選通，采集得到的數(shù)據(jù)在CAN控制器內(nèi)完成CAN協(xié)議包的封裝，由發(fā)送端口經(jīng)光電隔離和發(fā)送器傳送到CAN總線上。油量信號經(jīng)光電隔離、整形和分頻后送P80C592的捕獲端口進(jìn)行頻率測量，轉(zhuǎn)速車速信號經(jīng)整形后被分為兩路，一路經(jīng)分頻電路去單片機(jī)捕獲端口，另一路經(jīng)F/V轉(zhuǎn)換后送ADC采樣。對ADC和I/O擴(kuò)展端口的訪問通過GAL譯碼器的編程邏輯輸出來控制。

　　2.2 頻率信號測量

　　頻率信號測量是本系統(tǒng)的一個設(shè)計難點(diǎn)，在本課題中，對于不同的車型所選用的傳感器不同，因此對轉(zhuǎn)速和車速頻率信號的處理可以有兩種方法：一是當(dāng)選用輸出頻率范圍為0-100HZ的接觸式傳感器時，采用CS289頻壓轉(zhuǎn)換芯片，將頻率信號轉(zhuǎn)換成2.2~7.2V的電壓信號然后送ADC采集；二是當(dāng)選用輸出信號頻率范圍為0~3000HZ的非接觸式傳感器時，通過單片機(jī)捕獲端口用脈沖計數(shù)的方法進(jìn)行頻率測量。為提高系統(tǒng)的通用性，可以同時采用了這兩種方法，具體采用哪一種方法得到的數(shù)據(jù)通過上微機(jī)軟件設(shè)定。圖2為F/V轉(zhuǎn)換電路圖。

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　　圖2 F/V轉(zhuǎn)換電路圖

　　CS289是美國Cherry公司生產(chǎn)的單片高精度專用轉(zhuǎn)速測量芯片，在-400至+850溫度范圍內(nèi)都能有很好的線性輸出。它不僅可以用于F/V、V /F轉(zhuǎn)換，還可以用作函數(shù)發(fā)生器以及動磁式儀表驅(qū)動。由其構(gòu)成的F/V轉(zhuǎn)換電路外圍元件少，調(diào)試容易，工作穩(wěn)定可靠。圖2所示，整形后的轉(zhuǎn)速脈沖信號經(jīng)濾波網(wǎng)絡(luò)和限幅輸入CS289第10腳，電壓信號由第8腳輸出，經(jīng)濾波消除可能的工頻干擾后送采樣電路。本電路中，輸出電壓和輸入頻率的關(guān)系由下式?jīng)Q定：上位機(jī)據(jù)此線性關(guān)系解算出頻率值。為保證F/V變換具有足夠高的線性度，應(yīng)合理選取的值。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件主要完成三項任務(wù)：1、傳感器信號的采樣與解算；2、上位機(jī)請求數(shù)據(jù)時將采集的數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)；3、接收到上位機(jī)自檢命令時，上傳數(shù)據(jù)完成傳感器信號到標(biāo)準(zhǔn)信號的切換。程序流程如圖3所示。

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　　圖3 程序流程如圖

　　主程序采用模塊化編程。具有故障自診斷功能是虛擬儀表的重要特征之一，為此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中設(shè)計了3組標(biāo)準(zhǔn)信號，分別是頻率信號、電壓信號和電阻信號，自檢模塊的主要功能是：當(dāng)接收到上位機(jī)發(fā)出的自檢命令后，微控制器斷開傳感器輸入，標(biāo)準(zhǔn)信號被接入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將得到的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，以確定故障點(diǎn)是傳感器系統(tǒng)還是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，若自檢通過則表示數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作正常。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊主要實(shí)現(xiàn)對上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信，本系統(tǒng)設(shè)計為每隔20毫秒將數(shù)據(jù)分組發(fā)送到上位機(jī)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存模塊完成各種數(shù)據(jù)寫入在片主RAM的操作，為了區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)類型，需要在數(shù)據(jù)塊中添加相應(yīng)的類型標(biāo)識碼，該碼由用戶層協(xié)議自行定義。A/D采樣模塊控制系統(tǒng)采樣過程，并將每一路12位采樣數(shù)據(jù)分兩次讀入指定的RAM單元中。

　　頻率信號處理模塊完成對捕獲端口頻率的測量，其基本思想是：在被測信號的一個周期時間內(nèi)，2次脈沖下降沿分別啟動和停止定時器T2計數(shù)，兩次計數(shù)值之差的倒數(shù)即為頻率值，本模塊只需計算差值，頻率值由上位機(jī)解算。

　　3.1 CAN控制器編程

　　本系統(tǒng)軟件設(shè)計的一個難點(diǎn)在于關(guān)于CAN的編程。本系統(tǒng)處理的CAN程序模塊有：CAN初始化子程序、CAN中斷程序和CAN數(shù)據(jù)收發(fā)子程序。

　　CAN 是Controller Area Network 的縮寫，是國際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。在當(dāng)前的汽車產(chǎn)業(yè)中，出于對安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統(tǒng)被開發(fā)了出來。由于這些系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)類型及對可靠性的要求不盡相同，由多條總線構(gòu)成的情況很多，線束的數(shù)量也隨之增加。為適應(yīng)"減少線束的數(shù)量"、"通過多個LAN,進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的高速通信"的需要，1986 年德國電氣商博世公司開發(fā)出面向汽車的CAN 通信協(xié)議。此后，CAN 通過ISO11898 及ISO11519 進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，現(xiàn)在在歐洲已是汽車網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

　　CAN總線的基本特點(diǎn)：

　　*CAN協(xié)議廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，采用數(shù)據(jù)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編程，可以多主方式工作。

　　*CAN采用非破壞性仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個節(jié)點(diǎn)同時向網(wǎng)絡(luò)上傳送數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級低的節(jié)點(diǎn)主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，有效避免了總線沖突。

　　*CAN采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的 有效字節(jié)為8個（CAN技術(shù)規(guī)范2.0A），數(shù)據(jù)傳輸時間短，受干擾的概率低，重新發(fā)送的時間短。

　　*CAN的每幀數(shù)據(jù)都有CRC效驗(yàn)及其他檢錯措施，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃?，適于在高干擾環(huán)境中使用。

　　*適用于現(xiàn)場設(shè)備與儀表之間或者與其上位設(shè)備間的通信網(wǎng)絡(luò)，可以統(tǒng)一組態(tài)，相互操作，控制功能分散到最底層。

　　*CAN節(jié)點(diǎn)在錯誤嚴(yán)重的情況下，具有自動關(guān)閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上其它操作不受影響。

　　*CAN可以點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)（成組）及全局廣播集中方式傳送和接受數(shù)據(jù)

　　*CAN總線直接通訊距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km/5Kbps,通訊速率最高可達(dá)1Mbps/40m.

　　*采用不歸零碼（NRZ-Non-Return-to-Zero）編碼/解碼方式，并采用位填充（插入）技術(shù)。

　　CAN控制器是以CPU存儲器映像外圍設(shè)備出現(xiàn)的。P80C592的CPU與CAN控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸通過4個特殊功能寄存器來實(shí)現(xiàn)，即： CANADR、CANCON、CANSTA和CANDAT,通過這四個特殊功能寄存器，CPU可以訪問CAN控制器內(nèi)部的任一寄存器（地址為0~29）和 DMA邏輯。表1給出了這四個SFR的功能簡述，其中CANCON和CANSTA的讀寫操作含義不同。

表1 SFR功能簡述

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　　CAN控制器初始化（圖4）是CAN通信中一個非常重要的子程序，程序是否合理將直接影響整個通信過程。CAN控制器的初始化首先必須通過置位CAN控制寄存器的"復(fù)位請求"位，置位"復(fù)位請求"并不影響正在進(jìn)行的一個收發(fā)作業(yè)，特別需要注意的是，只有當(dāng)復(fù)位請求被置位時，CAN內(nèi)部地址為4-8的寄存器方可被訪問，在復(fù)位操作結(jié)束后必須將該位置0以保持所進(jìn)行的設(shè)置并使CAN返回工作狀態(tài)。

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　　圖4 CAN通信中一個重要的子程序

　　P80C592和其在片CAN控制器都具有中斷寄存器，必須注意兩者的區(qū)別。CAN中斷子程序（圖5）首先讀CAN中斷寄存器（IR）以判斷中斷類型，據(jù)此轉(zhuǎn)入相應(yīng)的操作。如果接收緩存器滿而另一個報文的首字節(jié)又需要被存儲時，數(shù)據(jù)超限位被置位，此時應(yīng)清除超限并釋放接收緩存，然后重新發(fā)送數(shù)據(jù)請求。在數(shù)據(jù)接受子程序中當(dāng)數(shù)據(jù)被轉(zhuǎn)入RAM區(qū)后，應(yīng)及時釋放接受緩存器，以便為接收下一幀數(shù)據(jù)做好準(zhǔn)備。

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　　圖5 CAN中斷子程序

　　數(shù)據(jù)發(fā)送子程序見圖6.CAN控制器向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，首先將在片主RAM中數(shù)據(jù)存放的首地址寫入CANSTA,然后讀取CANSTA.6的值（讀 CANSTA的操作其實(shí)是對CAN控制器內(nèi)部狀態(tài)寄存器的讀操作，CANSTA.6是錯誤顯示位，當(dāng)至少有一個總線錯誤計數(shù)器計數(shù)達(dá)到CPU告警極限時，該位將被CAN控制器置位。），若檢測出錯，則執(zhí)行CAN初始化子程序，若正常，則繼續(xù)檢測接收狀態(tài)和發(fā)送緩沖器狀態(tài)，若發(fā)送條件滿足則在CANADR中寫入發(fā)送緩存器地址并置位DMA控制位，DMA傳送隨即被啟動，數(shù)據(jù)場由RAM拷貝到發(fā)送緩存器，置發(fā)送請求位后數(shù)據(jù)開始發(fā)送。

　　4 結(jié)語

　　用高性能的P80C592和AD1674A數(shù)據(jù)采集模塊組成車輛環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)具有較高的性價比，目前該系統(tǒng)已投入試用階段，運(yùn)行狀況良好。CAN總線非常適合分布式控制或適時控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，本課題只涉及了數(shù)據(jù)采集，如果在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展車輛輔助控制和重要數(shù)據(jù)備份功能，系統(tǒng)將會有更廣闊的應(yīng)用前景。

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