基于CAN總線和虛擬儀器的汽車(chē)測(cè)試儀設(shè)計(jì)

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(guó)Bosch公司提出的一種總線標(biāo)準(zhǔn)，以其卓越的性能、極高的可靠性和低廉的價(jià)格，現(xiàn)在已經(jīng)在汽車(chē)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。為了保證汽車(chē)CAN總線節(jié)點(diǎn)安全、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，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(duì)CAN節(jié)點(diǎn)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試，開(kāi)發(fā)基于CAN總線的汽車(chē)CAN節(jié)點(diǎn)測(cè)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(cè)試儀的通用性，使其只需通過(guò)軟件更新便可測(cè)試多個(gè)CAN節(jié)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(chǔ)之上，為了方便應(yīng)用，同時(shí)保證各節(jié)點(diǎn)間無(wú)差錯(cuò)的數(shù)據(jù)傳輸，僅定義了ISO/OSI模型中最下面的兩層：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層，應(yīng)用層協(xié)議由用戶自行定義，也可采用一些國(guó)際組織制訂的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

CAN是一個(gè)典型的以半雙工方式通信的串行總線結(jié)構(gòu)形式，一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，多個(gè)節(jié)點(diǎn)接收信息。不同于主從式總線，CAN采用一種稱(chēng)作廣播式的存取工作方式，是一種對(duì)等式的總線網(wǎng)。在CAN總線的通信協(xié)議中，各節(jié)點(diǎn)地址沒(méi)有主/從的概念，也沒(méi)有任何與節(jié)點(diǎn)地址相關(guān)的信息存在。信息以報(bào)文的形式出現(xiàn)，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)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(jí)，CAN總線上的節(jié)點(diǎn)將根據(jù)標(biāo)識(shí)符決定是否需要讀取信息包中的數(shù)據(jù)，從而避免了不必要的節(jié)點(diǎn)處理總線上信息的頻繁中斷，提高了數(shù)據(jù)傳輸速率，保證了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

測(cè)試儀的硬件設(shè)計(jì)主要包括三部分：處理器及其存儲(chǔ)器電路、CAN總線接口電路、RS232接口電路。結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

處理器采用ATMEL公司基于ARM920T內(nèi)核的AT91RM9200，該處理器運(yùn)行頻率高達(dá)180MHz，可外擴(kuò)32MB Flash和64MB RAM，使其可以滿足大多數(shù)汽車(chē)CAN節(jié)點(diǎn)的測(cè)試需求。片上集成了許多標(biāo)準(zhǔn)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(jī)相連，測(cè)試數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)地上傳到PC機(jī)，借助PC機(jī)強(qiáng)大的處理性能和豐富的數(shù)據(jù)處理軟件，進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)處理。

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

CAN總線接口電路包括總線控制器和物理層接口兩個(gè)部分，實(shí)現(xiàn)測(cè)試儀與被測(cè)試CAN節(jié)點(diǎn)的CAN總線通信，這是實(shí)現(xiàn)測(cè)試的前提。CAN總線控制器采用 PHILIPS公司的SJA1000，它有著更好的性能和穩(wěn)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(biāo)識(shí)碼，能掛載更多CAN節(jié)點(diǎn)。物理層接口選用TJA1054實(shí)現(xiàn)，它可以連接高達(dá)32個(gè)節(jié)點(diǎn)，內(nèi)建斜率控制功能及 CANL和CANH總線輸出的良好匹配使電磁輻射EME很低，具有優(yōu)異的總線故障管理能力，總線故障時(shí)自動(dòng)切換到單線模式，故障修復(fù)后自動(dòng)復(fù)位到差分模式，同時(shí)提供對(duì)電源和地的短路保護(hù)功能，特別適合于汽車(chē)內(nèi)部的CAN通訊。

RS232接口電路即測(cè)試儀與PC的通信接口，AT91RM9200內(nèi)部帶有UART控制器，可以方便得與PC機(jī)連接，對(duì)測(cè)試信息進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)程序和下位機(jī)程序兩個(gè)部分。上位機(jī)程序在NI公司專(zhuān)門(mén)針對(duì)虛擬儀器開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的的Labwindows/CVI平臺(tái)上開(kāi)發(fā)，包括 USB通訊程序和測(cè)試程序兩個(gè)部分。labwindows/CVI包括對(duì)眾多總線（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(cè)試程序包括人機(jī)交互界面（即儀器面板）和測(cè)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(jī)上開(kāi)發(fā)人機(jī)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(jī)程序采用linux作為測(cè)試儀的操作系統(tǒng)，采用較新的linux-2.6.13內(nèi)核，使軟件設(shè)計(jì)模塊化，便于移植。軟件主要包括通訊程序和測(cè)試程序兩大部分。通訊程序包括CAN總線通訊程序和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(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)。測(cè)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(shù)據(jù)和發(fā)送數(shù)據(jù)的前提。根據(jù)SJA1000的手冊(cè)，設(shè)計(jì) 代碼如下：

writesja1000(MODADDR, 0x09);
　　 //設(shè)置方式寄存器,進(jìn)入復(fù)位操作以初始化
writesja1000(CDRADDR, 0x88);
　　 //設(shè)置時(shí)鐘分頻寄存器,選PeliCAN模式
writesja1000(AMR0ADDR, AMR0 );
　　 //設(shè)置接收屏蔽寄存器0
writesja1000(AMR1ADDR, AMR1);
　　 //設(shè)置接收屏蔽寄存器1
writesja1000(AMR2ADDR, AMR2);
　　 //設(shè)置接收屏蔽寄存器2
writesja1000(AMR3ADDR, AMR3);
　　 //設(shè)置接收屏蔽寄存器3
writesja1000(ACR0ADDR, ACR0);
　　 //設(shè)置接收驗(yàn)收代碼寄存器0
writesja1000(ACR1ADDR, ACR1);
　　 //設(shè)置接收驗(yàn)收代碼寄存器1
writesja1000(ACR2ADDR, ACR2);
　　 //設(shè)置接收驗(yàn)收代碼寄存器2
writesja1000(ACR3ADDR, ACR3);
　　 //設(shè)置接收驗(yàn)收代碼寄存器3
writesja1000(BTR0ADDR, 0x03);
　　 //設(shè)置總線定時(shí)器0
writesja1000(BTR1ADDR, 0xFF);
　　 //設(shè)置總線定時(shí)器1
writesja1000(OCRADDR, 0xAA);
　　 //設(shè)置輸出寄存器
writesja1000(RBSAADDR, 0x00);
　　 //設(shè)置接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)首地址
writesja1000(TXERRADDR, 0x00);
　　 //清除發(fā)送錯(cuò)誤寄存器
writesja1000(RXERRADDR, 0x00);
　　 //清除接收錯(cuò)誤寄存器
readsja1000(ECCADDR);
　　 //清除錯(cuò)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(shè)置方式寄存器,進(jìn)入政黨操作模式以收發(fā)數(shù)據(jù)
writesja1000()和readsja1000()是封裝好的底層函數(shù)，其具體實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)或地址所分配的AT91RM9200地址。

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

結(jié)束語(yǔ)

與傳統(tǒng)的8/16位單片機(jī)測(cè)試儀系統(tǒng)相比，本文介紹的測(cè)試儀基于32位ARM9處理器，運(yùn)行速度可高達(dá)180MHz，擴(kuò)展能力強(qiáng)；采用Linux操作系統(tǒng)，軟件更加模塊化，更新和移植更加方便，運(yùn)行更穩(wěn)定；采用虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)測(cè)試儀的操作面板，便于功能擴(kuò)展，通用性強(qiáng)。在對(duì)汽車(chē)CAN節(jié)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，該測(cè)試儀運(yùn)行穩(wěn)定快速，保證了該產(chǎn)品的順利生產(chǎn)。