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

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(cuò)。為什么唯獨(dú)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(duì)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(jī)、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(duì)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(jià)格的原因，最初應(yīng)用得最多的地方并不是汽車(chē)，而是對(duì)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(gè)人PC的普及是分不開(kāi)的，現(xiàn)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(tái)PC的，要達(dá)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(dú)立的汽車(chē)總線控制要求，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(yīng)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(tǒng)的動(dòng)磁式儀表已經(jīng)越來(lái)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(chē)設(shè)計(jì)一套虛擬儀表，上位機(jī)采用基于RTOS開(kāi)發(fā)環(huán)境的PC104嵌入式微機(jī)。車(chē)輛環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為虛擬儀表的一個(gè)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(shí)性和可靠性。本文根據(jù)作者體會(huì)介紹了用 Philips公司的高性能單片機(jī)P80C592設(shè)計(jì)車(chē)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(jì)和CAN通信編程。

　　2 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

　　根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)主要完成傳感信號(hào)的處理以及車(chē)輛的工況數(shù)據(jù)采集并將數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線送上位機(jī)，要求處理16路模擬信號(hào)、4路頻率信號(hào)和32路擴(kuò)展 IO信號(hào)，采集參數(shù)主要有：發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力、水溫、油溫、轉(zhuǎn)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(zhuǎn)向燈指示、車(chē)體超寬指示以及車(chē)內(nèi)環(huán)境示警等，信號(hào)的形式有電壓、頻率、以及開(kāi)關(guān)量信號(hào)，信號(hào)頻率范圍為0~ 6KHZ.

　　2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　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(gè)捕獲端口和2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的16位定時(shí)/計(jì)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(gè)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(shí)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(jì)成兩塊獨(dú)立的PCB板，兩板通過(guò)棧接組成一個(gè)完整的系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

　　硬件工作過(guò)程：溫度、壓力以及電壓信號(hào)，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(zhuǎn)換，為了提高可靠性和穩(wěn)定性，系統(tǒng)沒(méi)有采用微控制器的在片ADC變換器。在程序控制下對(duì)16路信號(hào)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(hào)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(cè)量，轉(zhuǎn)速車(chē)速信號(hào)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(duì)ADC和I/O擴(kuò)展端口的訪問(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(hào)測(cè)量

　　頻率信號(hào)測(cè)量是本系統(tǒng)的一個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)，在本課題中，對(duì)于不同的車(chē)型所選用的傳感器不同，因此對(duì)轉(zhuǎn)速和車(chē)速頻率信號(hào)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(shí)，采用CS289頻壓轉(zhuǎn)換芯片，將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成2.2~7.2V的電壓信號(hào)然后送ADC采集；二是當(dāng)選用輸出信號(hào)頻率范圍為0~3000HZ的非接觸式傳感器時(shí)，通過(guò)單片機(jī)捕獲端口用脈沖計(jì)數(shù)的方法進(jìn)行頻率測(cè)量。為提高系統(tǒng)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(shù)據(jù)通過(guò)上微機(jī)軟件設(shè)定。圖2為F/V轉(zhuǎn)換電路圖。

　　圖2 F/V轉(zhuǎn)換電路圖

　　CS289是美國(guó)Cherry公司生產(chǎn)的單片高精度專用轉(zhuǎn)速測(cè)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(dòng)磁式儀表驅(qū)動(dòng)。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(hào)經(jīng)濾波網(wǎng)絡(luò)和限幅輸入CS289第10腳，電壓信號(hào)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(jì)

　　系統(tǒng)軟件主要完成三項(xiàng)任務(wù)：1、傳感器信號(hào)的采樣與解算；2、上位機(jī)請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)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(shí)，上傳數(shù)據(jù)完成傳感器信號(hào)到標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)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(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了3組標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，分別是頻率信號(hào)、電壓信號(hào)和電阻信號(hào)，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(kāi)傳感器輸入，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)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(guò)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(duì)上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(xiě)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(shí)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(guò)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(hào)處理模塊完成對(duì)捕獲端口頻率的測(cè)量，其基本思想是：在被測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期時(shí)間內(nèi)，2次脈沖下降沿分別啟動(dòng)和停止定時(shí)器T2計(jì)數(shù)，兩次計(jì)數(shù)值之差的倒數(shù)即為頻率值，本模塊只需計(jì)算差值，頻率值由上位機(jī)解算。