基于CAN總線(xiàn)技術(shù)的車(chē)輛虛擬儀表數據采集系統研究

　　現在總線(xiàn)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CAN在汽車(chē)電子中得到親睞？

　　從成本上來(lái)說(shuō)，CAN比UART、RS-232/485高，但比以太網(wǎng)低；從實(shí)時(shí)性來(lái)說(shuō)：CAN的實(shí)時(shí)性比UART和以太網(wǎng)高，為了保證安全，車(chē)用通信協(xié)議都是按周期性主動(dòng)發(fā)送，不論是CAN還是LIN,對實(shí)時(shí)性要求高的消息其發(fā)送周期都小于10ms（每輛車(chē)都有好幾條這樣的消息），發(fā)動(dòng)機、ABS和變速器都有幾條這樣的消息；從可靠性來(lái)說(shuō)，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)（數據傳輸距離短）難于實(shí)現的，所以CAN出現后，由于價(jià)格的原因，最初應用得最多的地方并不是汽車(chē)，而是對成本不敏感的工業(yè)控制和醫療設備，如：工業(yè)上的DEVICENET、SDS、CANOPEN,醫療上MRI等。至于工業(yè)以太網(wǎng)的產(chǎn)生，其背景與個(gè)人PC的普及是分不開(kāi)的，現在工業(yè)控制中的PCBASED就是一個(gè)例子，但汽車(chē)控制是不能用一臺PC的，要達到汽車(chē)控制的要求，成本上也不容許。而LIN的傳輸過(guò)程只有20Kbps,顯然不能作為獨立的汽車(chē)總線(xiàn)控制要求，一般它只配合CAN在汽車(chē)上做輔助之用。

　　車(chē)輛是一個(gè)特殊的應用環(huán)境，車(chē)輛自動(dòng)化程度的不斷提高給車(chē)輛儀表提出了更高的要求，傳統的動(dòng)磁式儀表已經(jīng)越來(lái)越不適應現代智能交通工具發(fā)展的需要，而虛擬儀表因其具有交互、智能和便于擴展等特點(diǎn)而受到廣泛重視。本課題要求為某車(chē)設計一套虛擬儀表，上位機采用基于RTOS開(kāi)發(fā)環(huán)境的PC104嵌入式微機。車(chē)輛環(huán)境數據采集系統作為虛擬儀表的一個(gè)最重要的子系統，要求完成數據的采集和通信功能，而且具有較高的適時(shí)性和可靠性。本文根據作者體會(huì )介紹了用 Philips公司的高性能單片機P80C592設計車(chē)輛數據采集系統的方法，重點(diǎn)介紹了系統設計和CAN通信編程。

　　2 系統簡(jiǎn)介

　　根據設計要求，本系統主要完成傳感信號的處理以及車(chē)輛的工況數據采集并將數據通過(guò)CAN總線(xiàn)送上位機，要求處理16路模擬信號、4路頻率信號和32路擴展 IO信號，采集參數主要有：發(fā)動(dòng)機機油壓力、水溫、油溫、轉速、車(chē)速、變速箱油壓、油箱油量以及電網(wǎng)電壓、車(chē)門(mén)狀態(tài)、轉向燈指示、車(chē)體超寬指示以及車(chē)內環(huán)境示警等，信號的形式有電壓、頻率、以及開(kāi)關(guān)量信號，信號頻率范圍為0~ 6KHZ.

　　2.1 系統硬件結構設計

　　圖1給出了系統硬件結構圖。系統采用的核心器件為Philips公司的8位高性能微控制器P80C592,它與標準80C51完全兼容，其主要特性有：內建能與內部RAM進(jìn)行DMA數據傳送的CAN控制器；4個(gè)捕獲端口和2個(gè)標準的16位定時(shí)/計數器；8路模擬量輸入的10位ADC變換器；2×256字節在片RAM和一個(gè)Watch Dog.P80C592的在片CAN控制器可以完全實(shí)現CAN協(xié)議，減少了系統連線(xiàn)，增強了診斷功能和監控能力。數模轉換器件選用12位的 AD1674A,分辨率為0.02%,轉換時(shí)間為25uS.為了提高系統抗干擾能力，在模-數電路之間和系統到CAN總線(xiàn)之間采用了光電隔離，并且將模擬電路和數字電路分別設計成兩塊獨立的PCB板，兩板通過(guò)棧接組成一個(gè)完整的系統。

圖1 系統硬件結構圖

　　硬件工作過(guò)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(kāi)關(guān)MAX306EP,經(jīng)電壓跟隨電路輸入AD1674A進(jìn)行A/D轉換，為了提高可靠性和穩定性，系統沒(méi)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，采集得到的數據在CAN控制器內完成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(xiàn)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，轉速車(chē)速信號經(jīng)整形后被分為兩路，一路經(jīng)分頻電路去單片機捕獲端口，另一路經(jīng)F/V轉換后送ADC采樣。對ADC和I/O擴展端口的訪(fǎng)問(wèn)通過(guò)GAL譯碼器的編程邏輯輸出來(lái)控制。

　　2.2 頻率信號測量

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

　　圖2 F/V轉換電路圖

　　CS289是美國Cherry公司生產(chǎn)的單片高精度專(zhuān)用轉速測量芯片，在-400至+850溫度范圍內都能有很好的線(xiàn)性輸出。它不僅可以用于F/V、V /F轉換，還可以用作函數發(fā)生器以及動(dòng)磁式儀表驅動(dòng)。由其構成的F/V轉換電路外圍元件少，調試容易，工作穩定可靠。圖2所示，整形后的轉速脈沖信號經(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：上位機據此線(xiàn)性關(guān)系解算出頻率值。為保證F/V變換具有足夠高的線(xiàn)性度，應合理選取的值。

　　3 系統軟件設計

　　系統軟件主要完成三項任務(wù)：1、傳感器信號的采樣與解算；2、上位機請求數據時(shí)將采集的數據傳送給上位機；3、接收到上位機自檢命令時(shí)，上傳數據完成傳感器信號到標準信號的切換。程序流程如圖3所示。

　　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，為此數據采集系統中設計了3組標準信號，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：當接收到上位機發(fā)出的自檢命令后，微控制器斷開(kāi)傳感器輸入，標準信號被接入數據采集系統，將得到的數據上傳到上位機與標準值進(jìn)行比較，以確定故障點(diǎn)是傳感器系統還是數據采集系統，若自檢通過(guò)則表示數據采集系統工作正常。數據發(fā)送模塊主要實(shí)現對上位機的數據通信，本系統設計為每隔20毫秒將數據分組發(fā)送到上位機。數據轉存模塊完成各種數據寫(xiě)入在片主RAM的操作，為了區分數據類(lèi)型，需要在數據塊中添加相應的類(lèi)型標識碼，該碼由用戶(hù)層協(xié)議自行定義。A/D采樣模塊控制系統采樣過(guò)程，并將每一路12位采樣數據分兩次讀入指定的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(gè)周期時(shí)間內，2次脈沖下降沿分別啟動(dòng)和停止定時(shí)器T2計數，兩次計數值之差的倒數即為頻率值，本模塊只需計算差值，頻率值由上位機解算。

　　3.1 CAN控制器編程

　　本系統軟件設計的一個(gè)難點(diǎn)在于關(guān)于CAN的編程。本系統處理的CAN程序模塊有：CAN初始化子程序、CAN中斷程序和CAN數據收發(fā)子程序。

　　CAN 是Controller Area Network 的縮寫(xiě)，是國際標準化的串行通信協(xié)議。在當前的汽車(chē)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被開(kāi)發(fā)了出來(lái)。由于這些系統之間通信所用的數據類(lèi)型及對可靠性的要求不盡相同，由多條總線(xiàn)構成的情況很多，線(xiàn)束的數量也隨之增加。為適應"減少線(xiàn)束的數量"、"通過(guò)多個(gè)LAN,進(jìn)行大量數據的高速通信"的需要，1986 年德國電氣商博世公司開(kāi)發(fā)出面向汽車(chē)的CAN 通信協(xié)議。此后，CAN 通過(guò)ISO11898 及ISO11519 進(jìn)行了標準化，現在在歐洲已是汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )的標準協(xié)議。

　　CAN總線(xiàn)的基本特點(diǎn)：

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

　　*CAN采用非破壞性仲裁技術(shù)，當兩個(gè)節點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò )上傳送數據時(shí)，優(yōu)先級低的節點(diǎn)主動(dòng)停止數據發(fā)送，而優(yōu)先級高的節點(diǎn)可不受影響地繼續傳輸數據，有效避免了總線(xiàn)沖突。

　　*CAN采用短幀結構，每一幀的 有效字節為8個(gè)（CAN技術(shù)規范2.0A），數據傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低，重新發(fā)送的時(shí)間短。

　　*CAN的每幀數據都有CRC效驗及其他檢錯措施，保證了數據傳輸的高可靠性，適于在高干擾環(huán)境中使用。

　　*適用于現場(chǎng)設備與儀表之間或者與其上位設備間的通信網(wǎng)絡(luò )，可以統一組態(tài)，相互操作，控制功能分散到最底層。

　　*CAN節點(diǎn)在錯誤嚴重的情況下，具有自動(dòng)關(guān)閉總線(xiàn)的功能，切斷它與總線(xiàn)的聯(lián)系，以使總線(xiàn)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據

　　*CAN總線(xiàn)直接通訊距離最遠可達10km/5Kbps,通訊速率最高可達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存儲器映像外圍設備出現的。P80C592的CPU與CAN控制器之間的數據傳輸通過(guò)4個(gè)特殊功能寄存器來(lái)實(shí)現，即： CANADR、CANCON、CANSTA和CANDAT,通過(guò)這四個(gè)特殊功能寄存器，CPU可以訪(fǎng)問(wèn)CAN控制器內部的任一寄存器（地址為0~29）和 DMA邏輯。表1給出了這四個(gè)SFR的功能簡(jiǎn)述，其中CANCON和CANSTA的讀寫(xiě)操作含義不同。

表1 SFR功能簡(jiǎn)述

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

　　圖4 CAN通信中一個(gè)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(lèi)型，據此轉入相應的操作。如果接收緩存器滿(mǎn)而另一個(gè)報文的首字節又需要被存儲時(shí)，數據超限位被置位，此時(shí)應清除超限并釋放接收緩存，然后重新發(fā)送數據請求。在數據接受子程序中當數據被轉入RAM區后，應及時(shí)釋放接受緩存器，以便為接收下一幀數據做好準備。

　　圖5 CAN中斷子程序

　　數據發(fā)送子程序見(jiàn)圖6.CAN控制器向總線(xiàn)發(fā)送數據時(shí)，首先將在片主RAM中數據存放的首地址寫(xiě)入CANSTA,然后讀取CANSTA.6的值（讀 CANSTA的操作其實(shí)是對CAN控制器內部狀態(tài)寄存器的讀操作，CANSTA.6是錯誤顯示位，當至少有一個(gè)總線(xiàn)錯誤計數器計數達到CPU告警極限時(shí)，該位將被CAN控制器置位。），若檢測出錯，則執行CAN初始化子程序，若正常，則繼續檢測接收狀態(tài)和發(fā)送緩沖器狀態(tài)，若發(fā)送條件滿(mǎn)足則在CANADR中寫(xiě)入發(fā)送緩存器地址并置位DMA控制位，DMA傳送隨即被啟動(dòng)，數據場(chǎng)由RAM拷貝到發(fā)送緩存器，置發(fā)送請求位后數據開(kāi)始發(fā)送。

　　4 結語(yǔ)

　　用高性能的P80C592和AD1674A數據采集模塊組成車(chē)輛環(huán)境數據采集系統具有較高的性?xún)r(jià)比，目前該系統已投入試用階段，運行狀況良好。CAN總線(xiàn)非常適合分布式控制或適時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò )，本課題只涉及了數據采集，如果在此基礎上擴展車(chē)輛輔助控制和重要數據備份功能，系統將會(huì )有更廣闊的應用前景。