基于CAN總線的重型卡車嵌入式車載儀表系統(tǒng)設(shè)計

重型卡車因其具有運輸量大、運輸成本低等特點，在工程建設(shè)、貨物運輸、城市垃圾清運等方面得到了越來越多的應(yīng)用。但近年來重型卡車行車時引起的交通事故頻繁發(fā)生，給人民生命財產(chǎn)安全造成了巨大損失。隨著汽車電子技術(shù)的快速發(fā)展，基于CAN總線的重型卡車車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已成為保證重型卡車可靠、安全運行的一種有效技術(shù)措施[1]。采用分布式網(wǎng)絡(luò)控制，不僅可以減少線束，而且能夠提高各電子控制系統(tǒng)的運行可靠性，實現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的資源共享和在線故障診斷。
目前，國外基于CAN總線技術(shù)和J1939協(xié)議標準的重型卡車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究己經(jīng)進入商用化階段，取得了顯著的社會經(jīng)濟效益[2]。在國內(nèi)，一汽、上汽和中國重汽等集團公司相繼都在其不同型號的重卡上采用CAN總線技術(shù)。但目前國內(nèi)還沒有自主知識產(chǎn)權(quán)的成熟產(chǎn)品，基本上還是采用直接引進國外著名汽車電子供應(yīng)商的產(chǎn)品的方式，很難掌握其關(guān)鍵技術(shù)，嚴重阻礙了我國重型卡車車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展[1]。
本文設(shè)計了一個基于CAN總線的重型卡車車載儀表系統(tǒng)。該車載儀表系統(tǒng)是整個車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的核心模塊，綜合應(yīng)用了CAN總線技術(shù)、嵌入式技術(shù)和智能儀器等技術(shù)，主要實現(xiàn)車況信息的收集與處理、行駛數(shù)據(jù)記錄、通信和顯示等功能，不僅為駕駛員判斷是否發(fā)生故障以及發(fā)生故障的狀況提供了依據(jù)，而且為運輸公司的經(jīng)營和事故處理提供依據(jù)。該研究工作對于我國汽車電子技術(shù)，特別是重型卡車設(shè)備的電子化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，參與國際競爭具有積極的促進作用。
1 重型卡車車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總體設(shè)計
重型卡車通常由牽引車和拖車組成。由于牽引車要掛接一個或多個拖車，并可能需要頻繁地卸載和加掛拖車，因而應(yīng)在牽引車、拖車內(nèi)各自采用單獨的網(wǎng)段，由多網(wǎng)段組成的網(wǎng)絡(luò)來支持系統(tǒng)工作。如圖1所示是本文設(shè)計的基于CAN總線的重型卡車車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)，它由牽引車網(wǎng)段和拖車網(wǎng)段組成。當存在多個網(wǎng)段時，必須有相應(yīng)的橋接設(shè)備提供從一個網(wǎng)段到另一個網(wǎng)段的消息傳遞功能。各網(wǎng)段的信息通過橋接設(shè)備進行報文的轉(zhuǎn)發(fā)、過濾、地址轉(zhuǎn)換和重新打包等，從而減少每個子網(wǎng)的數(shù)據(jù)信息流量，使每個子網(wǎng)工作更有效，也提高了整個網(wǎng)絡(luò)的效率。
圖1中的網(wǎng)絡(luò)互連ECU即為實現(xiàn)牽引車網(wǎng)段和拖車網(wǎng)段互聯(lián)的橋接設(shè)備，牽引車端的是主橋接設(shè)備（Bridge Master），拖車端的是從橋接設(shè)備（Bridge Slave）。在牽引車網(wǎng)段和拖車網(wǎng)段內(nèi)，各個電子控制單元ECU通過CAN總線與網(wǎng)絡(luò)互連ECU連接，構(gòu)成主從式分布式系統(tǒng)，網(wǎng)橋設(shè)備作為主節(jié)點，各個電子控制單元ECU作為從節(jié)點。主節(jié)點向從節(jié)點發(fā)出命令幀，從節(jié)點接收到命令幀后向主節(jié)點發(fā)送響應(yīng)幀，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。網(wǎng)橋具有兩個CAN通信端口，一方面可以連接同一網(wǎng)段中各個電子控制單元ECU，另一方面可以實現(xiàn)牽引車和拖車之間的報文轉(zhuǎn)發(fā)。牽引車的網(wǎng)橋周期地輪詢拖車系統(tǒng)中的網(wǎng)橋，當拖車網(wǎng)橋接收到輪詢消息時，開始對其網(wǎng)段中的各個電子控制單元ECU進行監(jiān)測，接收電子控制單元ECU發(fā)送的報文信息，并將拖車網(wǎng)段中生成的報文傳到牽引車網(wǎng)橋。如果拖車系統(tǒng)已經(jīng)卸載，牽引車的網(wǎng)段仍然能正常工作，連接拖車網(wǎng)橋的CAN網(wǎng)絡(luò)處于等待狀態(tài)，一旦拖車系統(tǒng)被掛接上，便開始對其進行輪詢檢測。

2 嵌入式車載儀表硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計
位于牽引車端的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)ECU，即主橋接設(shè)備是整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的核心。它不僅是牽引車的主控設(shè)備，也是連接后面的拖車系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的信息在此匯集、處理、存儲和顯示，據(jù)此可以判斷發(fā)動機的燃油液位是否過低、發(fā)動機冷卻液溫度是否過高、發(fā)動機機油壓力是否過低以及車燈是否發(fā)生故障，將這些故障信息以圖形的方式顯示出來，使駕駛員能夠隨時全面地監(jiān)測卡車運行狀態(tài)。
網(wǎng)絡(luò)互連ECU采用Samsung公司的S3C2410作為微處理器。S3C2410是一款低價格、低功耗、高性能的16/32 bit且具有ARM920T內(nèi)核的微處理器。主頻203 MHz，處理能力完全滿足該系統(tǒng)的需要，并且能夠方便地移植Linux操作系統(tǒng)，為設(shè)計具有良好人機交互界面的車載儀表系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。
整個硬件電路主要包括電源電路、復(fù)位電路、時鐘電路、存儲器擴展電路、液晶顯示電路和兩路CAN通信接口電路，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)采用SJA1000 CAN控制器和PCA82C250總線收發(fā)器設(shè)計CAN通信接口。SJA1000是PHILIPS公司推出的一款CAN通信控制器，支持CAN2.0A、2.0B協(xié)議。由于其設(shè)計是基于早期的80C51單片機應(yīng)用，內(nèi)嵌鎖存器可以使80C51單片機無需任何外接器件就可以直接連接。但是，S3C2410A的地址總線和數(shù)據(jù)總線是分開的，不能直接連接SJA1000，所以需要模擬出類似80C51單片機的外部存儲器時序才能使用。圖3電路中，使用了一個“或”門74LS32和一個“或非”門74LS02的組合，配合地址總線，首先模擬出一個ALE(地址鎖存信號)，把SJA1000的內(nèi)部寄存器地址寫入鎖存器，然后再向SJA1000內(nèi)部寄存器寫入數(shù)據(jù)。這樣，使用ARM的兩條外部存儲器訪問指令，就可以模擬出SJA1000所需要的時序了。利用S3C2410A的片選信號nGCS4和地址總線LADDR2，經(jīng)過“或非”門模擬出的SJA1000的物理端口地址為0x20000008，片選信號nGCS4和地址總線LADDR3，經(jīng)過 “或”門，模擬出的SJA1000的數(shù)據(jù)端口地址為0x20000004。

3 嵌入式車載儀表軟件設(shè)計
3.1 嵌入式Linux下CAN設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)
網(wǎng)絡(luò)互連ECU在Linux系統(tǒng)下使用CAN通信技術(shù)，因此需設(shè)計基于Linux的CAN設(shè)備驅(qū)動程序。
　 設(shè)備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機器硬件之間的接口。Linux內(nèi)核有三種類型的設(shè)備驅(qū)動程序：字符設(shè)備驅(qū)動程序、塊設(shè)備驅(qū)動程序和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動程序[4]。SJA1000控制器屬于字符型設(shè)備，CAN設(shè)備驅(qū)動程序?qū)嶋H上是Linux內(nèi)核直接對SJA1000器件的初始化與讀寫操作。而這些操作方式其實就是一些標準的系統(tǒng)調(diào)用，如open()、read()、write()、close()等。定義把系統(tǒng)調(diào)用和驅(qū)動程序關(guān)聯(lián)起來的關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)file_operations，結(jié)構(gòu)體中的每一個成員都是一個函數(shù)指針，實現(xiàn)了對于不同操作的函數(shù)跳轉(zhuǎn)功能。具體的聲明如下：
struct file_operations sja1000_can_fops =
{
owner: THIS_MODULE,
　 ioctl: can_ioctl, //設(shè)置通信參數(shù)
　 open: can_open, //完成SJA1000初始化,中斷申請，
增加次數(shù)計數(shù)器的使用次數(shù)
　 write: can_write, //發(fā)送數(shù)據(jù)
read: can_read, //接收數(shù)據(jù)
　 release : can_release, //關(guān)閉CAN設(shè)備，關(guān)閉中斷,
減少次數(shù)計數(shù)器的使用次數(shù)
};
驅(qū)動程序加載到內(nèi)核中時，首先運行驅(qū)動程序的初始化函數(shù)，然后等待系統(tǒng)調(diào)用在file_operations結(jié)構(gòu)中定義的相關(guān)函數(shù)，實現(xiàn)對設(shè)備的操作。CAN設(shè)備的初始化函數(shù)負責創(chuàng)建CAN設(shè)備文件，注冊CAN設(shè)備驅(qū)動程序。
對于字符設(shè)備，Linux通過調(diào)用register_chrdev()向系統(tǒng)注冊；卸載驅(qū)動時，注銷設(shè)備函數(shù)為unregister_chrdev()。設(shè)備驅(qū)動程序一般以模塊形式加入內(nèi)核，使用module_init和module_exit宏對模塊初始化函數(shù)can_init()和模塊清除函數(shù)can_cleanup()進行標記（通常在文件末尾）。程序如下：
　 module_init(can_init)；
　 module_exit(can_cleanup)；
驅(qū)動程序編寫完成并編譯通過后，可使用命令：#insmod can_sja1000_dev.ko進行動態(tài)加載。加載后，用戶程序就可以通過文件直接操作CAN控制器，實現(xiàn)CAN總線通信。使用驅(qū)動程序完成CAN總線數(shù)據(jù)收發(fā)的原理如圖4所示。在系統(tǒng)初始化完畢后，發(fā)送命令幀給監(jiān)測系統(tǒng)的電子控制單元ECU，通過系統(tǒng)調(diào)用將命令幀從用戶空間拷貝到內(nèi)核空間，發(fā)送數(shù)據(jù)處理函數(shù)將內(nèi)核層的命令幀寫入SJA1000控制器；當電子控制單元ECU采集的卡車運行狀態(tài)數(shù)據(jù)到來時，中斷被觸發(fā)，喚醒處于睡眠狀態(tài)的進程，接收數(shù)據(jù)處理函數(shù)將從SJA1000控制器讀取數(shù)據(jù)到接收緩沖區(qū)，用戶通過系統(tǒng)調(diào)用讀取到完整的數(shù)據(jù)。

3.2 基于MiniGUI的車載儀表顯示程序設(shè)計
MiniGUI是嵌入式圖形用戶界面系統(tǒng)，它通過窗口系統(tǒng)來管理應(yīng)用程序在屏幕上的顯示[5]。本系統(tǒng)的人機界面包含的窗口類型有：對話框、按鈕、靜態(tài)框、位圖和填充條，使用對話框作為主窗口，基于MiniGUI人機界面的程序流程圖如圖5所示。

本系統(tǒng)的圖形用戶界面主要顯示車速、轉(zhuǎn)速、水溫、油壓、燃油量、車內(nèi)溫度，冷卻水溫度過低、油壓過低、燃油過低報警信號和大燈、尾燈、左右轉(zhuǎn)向燈、制動燈等燈光信號。使用MiniGUI的按鈕通知消息MSG_COMMOND，該消息是在狀態(tài)監(jiān)測按鈕按下后發(fā)送到窗口過程函數(shù)，執(zhí)行CAN通信子程序，接收各電子控制單元ECU上傳的卡車運行狀態(tài)信息，實時地顯示在液晶屏上，并以不同的顏色表示報警信號和車燈信號，使駕駛員能夠隨時全面地監(jiān)測卡車的運行狀態(tài)，提高卡車運行的安全性。
本文針對我國重型卡車的發(fā)展現(xiàn)狀，在完成重型卡車車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計的基礎(chǔ)上，對基于CAN總線的嵌入式車載儀表系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計方法進行了詳細闡述。該系統(tǒng)能對重型卡車的車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、水溫、油溫、油壓、燃油量以及車燈開關(guān)量等狀態(tài)信息進行實時監(jiān)測，及時有效地發(fā)現(xiàn)和識別卡車運行過程中發(fā)生的各種故障，對于保證卡車安全運行起到了重要作用。測試表明，本文所設(shè)計的重型卡車車載儀表系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定、可靠，具有較好的人機界面。
參考文獻
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