基于CAN總線的嵌入式車燈監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

魏志翔，周莉萍，徐 龍，干江紅，張 文

（1.華中科技大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院 儀器系，湖北 武漢 430074；2.湖北法雷奧車燈有限公司 湖北 武漢 430056）

當(dāng)前我國的汽車總數(shù)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，由于汽車照明與交通安全有著密不可分的關(guān)系，因此對車燈產(chǎn)品進(jìn)行可靠性檢測是很有必要的。針對這種情況，提出了基于CAN總線的嵌入式車燈監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計思想，結(jié)合總線技術(shù)和單片機(jī)嵌入式技術(shù)，實現(xiàn)對車燈進(jìn)行功能控制以及電壓電流參數(shù)檢測。其中，iCAN協(xié)議在CAN總線網(wǎng)絡(luò)中的使用，可以實現(xiàn)對多個車燈同時進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控，進(jìn)而可以實時準(zhǔn)確地掌握各個車燈的工作情況，確保車燈產(chǎn)品的質(zhì)量可靠性。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由上位機(jī)和多個下位機(jī)節(jié)點組成。上位機(jī)是由VC編成的監(jiān)測軟件，PC機(jī)通過PCI-CAN卡與CAN總線相連，完成與下位機(jī)節(jié)點的通信，顯示各車燈的電流電壓及工作情況，并完成功能的設(shè)置。下位機(jī)節(jié)點以LM3S2965為主體，采樣車燈工作時的電壓電流，并對車燈進(jìn)行控制。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure diagram of the system

2 節(jié)點的硬件設(shè)計

下位機(jī)節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計框圖如圖2所示。節(jié)點主要完成以下工作：1）定期對車燈工作時的電壓電流進(jìn)行AD采樣，并將結(jié)果發(fā)送到CAN總線上，供上位機(jī)接收；2）接收上位機(jī)發(fā)送到CAN總線上的命令，并控制車燈實現(xiàn)相應(yīng)的功能。因此，節(jié)點主要包括微處理器部分、CAN通訊模塊、電源模塊。

圖2 節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure diagram of the node’s hardware

2.1 微處理器選型

為了確保系統(tǒng)對車燈進(jìn)行實時、可靠地控制及檢測，這里選用可植入實時操作系統(tǒng)的Cortex-M3內(nèi)核芯片LM3S2965。LM3S2965是由TI公司Stellaris所提供的首款基于ARM Cortex-M3的控制器對CAN總線應(yīng)用方案而設(shè)計的芯片，具有較高的代碼密度和指令執(zhí)行效率。片內(nèi)有256 kB的單周期訪問的Flash，64KB的單周期SRAM，為操作系統(tǒng)的植入和運行提供了足夠的容量；內(nèi)部集成了兼容CAN2.0A/B的CAN控制器和ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以簡化節(jié)點中CAN通訊電路和AD采樣的電路的設(shè)計，同時也降低了軟件開發(fā)的難度。

2.2 CAN通訊模塊設(shè)計

CAN通訊接口可實現(xiàn)各個節(jié)點與上位機(jī)之間的通訊，從而完成數(shù)據(jù)的共享和命令的收發(fā)[1]。LM3S2965有兩個兼容CAN2.0A/B的CAN控制器，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層的功能，為實現(xiàn)物理層，這里只需要增加一個CAN收發(fā)器。Philips公司的TJA1040是一款通用的高速CAN收發(fā)器，它可將CAN控制器的邏輯電平與CAN總線上的差分電平進(jìn)行相互的轉(zhuǎn)化，同時具有優(yōu)秀的EMC性能，可靠性高。本節(jié)點中，CAN接口電路如圖3所示，微處理器內(nèi)置的兩個CAN控制器分別與TJA1040連接，一路與CAN總線相連，完成與上位機(jī)的通訊；另一路與車燈相連，完成與車燈之間的通訊，實現(xiàn)對車燈的控制。

圖3 CAN總線接口電路Fig.3 Circuit of CAN bus interface

2.3 電源模塊設(shè)計

電源模塊可對供電電源進(jìn)行凈化處理，濾除高次諧波，避免供電電源對主控單元形成干擾[2]。嵌入式系統(tǒng)的性能在很大程度上取決于電源電路的穩(wěn)定性和可靠性[3]，因此設(shè)計穩(wěn)定可靠的電源模塊非常重要。本節(jié)點中，LM3S2965的電源輸入分為模擬輸入和數(shù)字輸入兩種，電壓為+3.3 V；CAN收發(fā)器TJA1040采用+5 V的供電電壓。首先采用穩(wěn)壓器將外部直流輸入電壓穩(wěn)壓成5 V供給CAN收發(fā)器工作，然后用LT1086CM-3.3將5 V電壓轉(zhuǎn)換成+3.3 V供給微處理器工作。由于模擬電源和數(shù)字電源本身的性質(zhì)差異，為保證這兩種電源不會相互影響，這里在模擬電源和數(shù)字電源間用電感進(jìn)行隔離。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件部分由上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件組成。上位機(jī)完成對系統(tǒng)功能參數(shù)的設(shè)置以及顯示各車燈的電壓電流；下位機(jī)軟件主要完成基于iCAN協(xié)議的總線通訊，實時傳遞車燈的工作情況。

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計

下位機(jī)軟件設(shè)計流程圖如圖3所示，包括操作系統(tǒng)μCOS-II、節(jié)點初始化、外設(shè)驅(qū)動程序以及應(yīng)用程序。

圖4 軟件設(shè)計流程圖Fig.4 Flow chart of the software design

操作系統(tǒng)μCOS-II是系統(tǒng)運行的核心部分，完成任務(wù)的調(diào)度、時間管理和資源管理[4]，在操作系統(tǒng)源碼中通過對OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM和OS_CPU.H 3個文件中與微處理器相關(guān)的數(shù)據(jù)類型和處理函數(shù)進(jìn)行修改和重新編寫后，便可將μCOS-II植入LM3S2965。初始化代碼完成對MCU外設(shè)、μCOS-II操作系統(tǒng)以及CAN節(jié)點的初始化。應(yīng)用程序在操作系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，分配任務(wù)堆棧空間，然后建立任務(wù)間通訊的信號量以及消息郵箱等，進(jìn)而創(chuàng)建任務(wù)，并分配不同的優(yōu)先級，此系統(tǒng)的任務(wù)劃分如表1所示。

表1 系統(tǒng)的任務(wù)劃分Tab.1 Sysem task partitioning

3.1.1 CAN節(jié)點初始化

系統(tǒng)的主要任務(wù)是實現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)之間的通訊，將下位機(jī)節(jié)點采集到的電壓電流參數(shù)上傳至上位機(jī)并顯示給用戶，實時反映車燈的工作狀況。因此CAN通訊任務(wù)具有最高級別的優(yōu)先級。在任務(wù)taskican中，首先完成CAN節(jié)點的初始化，包括端口初始化、設(shè)定波特率、設(shè)置驗收濾波等，初始化通過調(diào)用Stellaris外設(shè)驅(qū)動庫中的相應(yīng)函數(shù)來完成。函數(shù) SysCtlPeripheralEnable（）和 GPIOPinTypeCAN（）可 完 成CAN模塊外設(shè)的端口初始化，CANSetBitTiming（）可以設(shè)定波特率，本設(shè)計中的通訊波特率設(shè)定為1 MB/s，并且總線上的節(jié)點都設(shè)置成相同的波特率，canAcceptFilterSet（）可完成驗收濾波設(shè)置。完成CAN節(jié)點的初始化之后，在任務(wù)taskican中每 10 ms調(diào)用一次 iCAN調(diào)度函數(shù) ICAN_Schedul（），完成一次數(shù)據(jù)收發(fā)工作，同時將下位機(jī)節(jié)點采集的電壓電流值上傳至上位機(jī)并刷新顯示。

3.1.2 基于iCAN協(xié)議的消息處理

iCAN協(xié)議，即工業(yè)CAN-bus應(yīng)用層協(xié)議。是由我國自主研發(fā)的基于CAN總線的高層應(yīng)用協(xié)議，詳細(xì)的定義了CAN報文中ID以及數(shù)據(jù)的分配和應(yīng)用，建立了一個統(tǒng)一的設(shè)備模型，定義了設(shè)備的I/O資源和訪問規(guī)則，采用“基于連接，面向節(jié)點”的通訊方式[6]，既支持主從方式通訊模式，又支持事件觸發(fā)通訊模式。系統(tǒng)中，上位機(jī)主節(jié)點的ID為0x01，下位機(jī)各節(jié)點的ID可以根據(jù)具體情況設(shè)定，范圍為0x00-0x3F。

節(jié)點中，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收是由微處理器集成的CAN控制器自動完成。為滿足實時性的要求，數(shù)據(jù)的接收操作采用中斷方式。由于下位機(jī)節(jié)點數(shù)量較多，數(shù)據(jù)的發(fā)送接收量比較大，為了保證不丟失數(shù)據(jù)，這里設(shè)計了兩個深度為40字節(jié)的CAN報文緩沖區(qū)，分別用作發(fā)送和接收緩存。對緩沖區(qū)的操作，由函數(shù)canCirBufRead和函數(shù)canCirBufWrite來完成。而對于 CAN消息的發(fā)送和接收由函數(shù)ICANTxMsgObjSend、canFrameSend和ICANRxMsgObjExplain來完成。

CAN消息的發(fā)送接收流程圖如圖5所示。數(shù)據(jù)的發(fā)送調(diào)用函數(shù)ICANTxMsgObjSend，其中先按照iCAN協(xié)議規(guī)定的格式填寫報文的ID和數(shù)據(jù)段，然后查詢緩沖區(qū)的狀態(tài)，如果發(fā)送緩沖區(qū)未滿，則調(diào)用canCirBufWrite將整合后的數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖區(qū)，最后調(diào)用函數(shù)canFrameSend將數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上。

圖5 消息的發(fā)送接收流程圖Fig.5 Flow chart of sending and receiving message

接收采用中斷方式，當(dāng)有中斷產(chǎn)生，即收到一幀數(shù)據(jù)，此時首先查詢接收緩沖區(qū)的狀態(tài)，如果未滿，則調(diào)用函數(shù)canCirBufWrite將接收到的數(shù)據(jù)寫入接收緩沖區(qū)。

通過調(diào)用函數(shù)ICANRxMsgObjExplain對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。其中，首先調(diào)用函數(shù)canCirBufRead從接收緩沖區(qū)讀取一幀報文，然后解析出報文的功能碼FuncID和數(shù)據(jù)段內(nèi)容，根據(jù)不同的功能碼，按照iCAN協(xié)議填寫不同的響應(yīng)報文，最后調(diào)用數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)ICANTxMsgObjSend返回響應(yīng)幀。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計

上位機(jī)軟件的編寫利用開發(fā)工具VC，利用MFC結(jié)合PCI-CAN卡的VCI庫函數(shù)完成，軟件界面如圖6所示。

圖6 上位機(jī)軟件界面Fig.6 Software interface of the host computer

其中，利用VCI庫中的函數(shù)，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收以及設(shè)備的初始化。VC自帶標(biāo)準(zhǔn)控件和模態(tài)對話框的使用，可以完成對下位機(jī)控制節(jié)點工作參數(shù)的設(shè)定，同時顯示并保存各車燈的電壓電流及工作情況，當(dāng)電壓或電流超出量程時，會有相應(yīng)的報警提示。電壓電流監(jiān)測界面如圖7所示。

圖7 電壓電流監(jiān)測界面Fig.7 Monitoring interface of voltage and current

4 結(jié) 論

結(jié)果表明，系統(tǒng)可以同時對多組車燈進(jìn)行功能控制，并且對車燈工作時的電壓電流進(jìn)行實時可靠的監(jiān)測。該系統(tǒng)可以用于對新出廠的車燈進(jìn)行測試，對其質(zhì)量以及性能加以評定。這樣，對保證日后車燈的質(zhì)量有著重要的意義。

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