基于CAN總線(xiàn)和虛擬儀器的汽車(chē)測試儀設計

引 言

Controller Area Network(控制器局域網(wǎng)，縮寫(xiě)為CAN)，是為解決汽車(chē)電子控制單元間的信息通信而由德國B(niǎo)osch公司提出的一種總線(xiàn)標準，以其卓越的性能、極高的可靠性和低廉的價(jià)格，現在已經(jīng)在汽車(chē)領(lǐng)域獲得廣泛應用。為了保證汽車(chē)CAN總線(xiàn)節點(diǎn)安全、穩定運轉，同時(shí)為了提高大批量生產(chǎn)的效率，必須在生產(chǎn)過(guò)程中對CAN節點(diǎn)產(chǎn)品進(jìn)行測試，開(kāi)發(fā)基于CAN總線(xiàn)的汽車(chē)CAN節點(diǎn)測試儀顯得十分重要。本文通過(guò)選擇高速處理器和采用虛擬儀器技術(shù)保證測試儀的通用性，使其只需通過(guò)軟件更新便可測試多個(gè)CAN節點(diǎn)。

CAN協(xié)議簡(jiǎn)介

CAN協(xié)議建立在ISO/OSI 7層開(kāi)放互連參考模型基礎之上，為了方便應用，同時(shí)保證各節點(diǎn)間無(wú)差錯的數據傳輸，僅定義了ISO/OSI模型中最下面的兩層：數據鏈路層和物理層，應用層協(xié)議由用戶(hù)自行定義，也可采用一些國際組織制訂的標準協(xié)議。

CAN是一個(gè)典型的以半雙工方式通信的串行總線(xiàn)結構形式，一個(gè)節點(diǎn)發(fā)送信息，多個(gè)節點(diǎn)接收信息。不同于主從式總線(xiàn)，CAN采用一種稱(chēng)作廣播式的存取工作方式，是一種對等式的總線(xiàn)網(wǎng)。在CAN總線(xiàn)的通信協(xié)議中，各節點(diǎn)地址沒(méi)有主/從的概念，也沒(méi)有任何與節點(diǎn)地址相關(guān)的信息存在。信息以報文的形式出現，其數據結構如圖1所示。

圖1中的仲裁域用來(lái)表明消息的類(lèi)型和消息的優(yōu)先級，CAN總線(xiàn)上的節點(diǎn)將根據標識符決定是否需要讀取信息包中的數據，從而避免了不必要的節點(diǎn)處理總線(xiàn)上信息的頻繁中斷，提高了數據傳輸速率，保證了數據出錯率極低。

系統硬件設計

測試儀的硬件設計主要包括三部分：處理器及其存儲器電路、CAN總線(xiàn)接口電路、RS232接口電路。結構圖如圖2所示：

處理器采用ATMEL公司基于A(yíng)RM920T內核的AT91RM9200，該處理器運行頻率高達180MHz，可外擴32MB Flash和64MB RAM，使其可以滿(mǎn)足大多數汽車(chē)CAN節點(diǎn)的測試需求。片上集成了許多標準接口，如USB主/從接口、以太網(wǎng)、RS-232，使其可以簡(jiǎn)單得與PC機相連，測試數據可以實(shí)時(shí)地上傳到PC機，借助PC機強大的處理性能和豐富的數據處理軟件，進(jìn)行在線(xiàn)監測及數據處理。

AT91RM9200包括一個(gè)高速片上SRAM工作區及一個(gè)低等待時(shí)間的外部總線(xiàn)接口，以完成應用所要求的片外存儲器和內部存儲器映射外設配置的無(wú)縫連接。外擴存儲器包括1片S29GL256N Flash和2片K4S561632A-TC/L80 SDRAM，Flash容量為32MB，SDRAM容量為64MB。

CAN總線(xiàn)接口電路包括總線(xiàn)控制器和物理層接口兩個(gè)部分，實(shí)現測試儀與被測試CAN節點(diǎn)的CAN總線(xiàn)通信，這是實(shí)現測試的前提。CAN總線(xiàn)控制器采用 PHILIPS公司的SJA1000，它有著(zhù)更好的性能和穩定性，支持CAN2.0A/B協(xié)議，有兩種工作模式：Basic CAN和Peli CAN，可同時(shí)支持11位和29位標識碼，能掛載更多CAN節點(diǎn)。物理層接口選用TJA1054實(shí)現，它可以連接高達32個(gè)節點(diǎn)，內建斜率控制功能及 CANL和CANH總線(xiàn)輸出的良好匹配使電磁輻射EME很低，具有優(yōu)異的總線(xiàn)故障管理能力，總線(xiàn)故障時(shí)自動(dòng)切換到單線(xiàn)模式，故障修復后自動(dòng)復位到差分模式，同時(shí)提供對電源和地的短路保護功能，特別適合于汽車(chē)內部的CAN通訊。

RS232接口電路即測試儀與PC的通信接口，AT91RM9200內部帶有UART控制器，可以方便得與PC機連接，對測試信息進(jìn)行在線(xiàn)監測，數據存儲。

軟件設計

軟件設計包括上位機程序和下位機程序兩個(gè)部分。上位機程序在NI公司專(zhuān)門(mén)針對虛擬儀器開(kāi)發(fā)設計的的Labwindows/CVI平臺上開(kāi)發(fā)，包括 USB通訊程序和測試程序兩個(gè)部分。labwindows/CVI包括對眾多總線(xiàn)（包括PCI、PCI Express、PXI、PCMCIA、USB、以太網(wǎng)、GPIB、串口和IEEE 1394）的支持，可以方便得開(kāi)發(fā)RS232通訊程序。測試程序包括人機交互界面（即儀器面板）和測試記錄兩個(gè)部分，Labwindows/CVI提供了豐富的控件，可以迅速開(kāi)發(fā)儀器面板，省去了在下位機上開(kāi)發(fā)人機交互界面（主要是指LCD和按鍵），所開(kāi)發(fā)的儀器面板界面如下圖所示：

下位機程序采用linux作為測試儀的操作系統，采用較新的linux-2.6.13內核，使軟件設計模塊化，便于移植。軟件主要包括通訊程序和測試程序兩大部分。通訊程序包括CAN總線(xiàn)通訊程序和USB通訊程序兩個(gè)部分，本文主要介紹一下CAN通訊程序。

CAN通訊程序包括SJA1000芯片的初始化、接收數據和發(fā)送數據。測試儀上電后進(jìn)行SJA1000的初始化，該操作必須正確可靠，這是接收數據和發(fā)送數據的前提。根據SJA1000的手冊，設計 代碼如下：

writesja1000(MODADDR, 0x09);
　　 //設置方式寄存器,進(jìn)入復位操作以初始化
writesja1000(CDRADDR, 0x88);
　　 //設置時(shí)鐘分頻寄存器,選PeliCAN模式
writesja1000(AMR0ADDR, AMR0 );
　　 //設置接收屏蔽寄存器0
writesja1000(AMR1ADDR, AMR1);
　　 //設置接收屏蔽寄存器1
writesja1000(AMR2ADDR, AMR2);
　　 //設置接收屏蔽寄存器2
writesja1000(AMR3ADDR, AMR3);
　　 //設置接收屏蔽寄存器3
writesja1000(ACR0ADDR, ACR0);
　　 //設置接收驗收代碼寄存器0
writesja1000(ACR1ADDR, ACR1);
　　 //設置接收驗收代碼寄存器1
writesja1000(ACR2ADDR, ACR2);
　　 //設置接收驗收代碼寄存器2
writesja1000(ACR3ADDR, ACR3);
　　 //設置接收驗收代碼寄存器3
writesja1000(BTR0ADDR, 0x03);
　　 //設置總線(xiàn)定時(shí)器0
writesja1000(BTR1ADDR, 0xFF);
　　 //設置總線(xiàn)定時(shí)器1
writesja1000(OCRADDR, 0xAA);
　　 //設置輸出寄存器
writesja1000(RBSAADDR, 0x00);
　　 //設置接收數據緩沖區首地址
writesja1000(TXERRADDR, 0x00);
　　 //清除發(fā)送錯誤寄存器
writesja1000(RXERRADDR, 0x00);
　　 //清除接收錯誤寄存器
readsja1000(ECCADDR);
　　 //清除錯誤代碼捕捉寄存器
writesja1000(IERADDR, 0xFF);
　　 //打開(kāi)中斷使能寄存器
writesja1000(MODADDR, 0x08);
　　 //設置方式寄存器,進(jìn)入政黨操作模式以收發(fā)數據
writesja1000()和readsja1000()是封裝好的底層函數，其具體實(shí)現如下：
static void writesja1000(unsigned char addr, unsigned char data)
{
　　*SJAADDR = addr;
　　*SJADATA = data;
}
static unsigned char readsja1000(unsigned char addr)
{
　　*SJAADDR = addr;
　　 return *SJADATA;
}

其中SJADATA、SJAADDR分別是為讀/寫(xiě)SJA1000的數據或地址所分配的AT91RM9200地址。

接收數據和發(fā)送數據均采用中斷來(lái)實(shí)現，基于中斷的數據處理流程是CAN通訊程序的重點(diǎn)，其具體實(shí)現流程如圖4所示：

結束語(yǔ)

與傳統的8/16位單片機測試儀系統相比，本文介紹的測試儀基于32位ARM9處理器，運行速度可高達180MHz，擴展能力強；采用Linux操作系統，軟件更加模塊化，更新和移植更加方便，運行更穩定；采用虛擬儀器技術(shù)實(shí)現測試儀的操作面板，便于功能擴展，通用性強。在對汽車(chē)CAN節點(diǎn)現場(chǎng)測試時(shí)，該測試儀運行穩定快速，保證了該產(chǎn)品的順利生產(chǎn)。