基于VB與CAN總線技術的AMT臺架監(jiān)測系統(tǒng)的設計

劉文秀 龍迎春 郭偉

摘 要： 針對AMT的研制過程開發(fā)了AMT臺架監(jiān)測系統(tǒng)，包括硬件電路及軟件的設計。以MC9S12XS128為微控制器實現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，通過微控制器中的CAN模塊及USBCAN接口卡實現(xiàn)與PC機的實時通信，利用VB的可視界面開發(fā)了AMT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的監(jiān)控平臺。實踐表明，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，為提高AMT系統(tǒng)的開發(fā)效率提供了一個操作簡單且實用的平臺，有實際的應用價值。

關鍵詞： AMT； 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)； CAN網(wǎng)絡； MC9S12XS128

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）05?0093?03

AMT臺架監(jiān)測系統(tǒng)是一個復雜的多輸入多輸出控制系統(tǒng)。AMT工作原理是通過電控單元TCU，根據(jù)車況行駛工況（車速、加速度、擋位）和駕駛員的意圖（加速踏板、制動踏板、換擋控制桿），按照設定的最佳換擋規(guī)律和離合器模糊控制規(guī)律以及發(fā)動機供油自適應調(diào)節(jié)規(guī)律等，控制換擋執(zhí)行機構模擬熟練駕駛員的換擋動作進行選擋和換擋，從而提高燃料經(jīng)濟性與動力性能以及駕車舒適性。

自動機械變速器臺架試驗是AMT研制開發(fā)過程中的重要組成部分。張志偉通過LabVIEW和USBCAN實現(xiàn)了AMT的下線檢測試驗系統(tǒng)[1]，很好地實現(xiàn)了監(jiān)測AMT和試驗臺的運行情況；馬永富等同樣通過LabVIEW和CAN總線實現(xiàn)AMT臺架試驗[2]；武州等通過以美國NI公司的虛擬儀器軟件Lab Windows/CVI為開發(fā)平臺，設計了通過同一試驗臺進行多種型號AMT變速器的實驗[3]。基于此開發(fā)了以VB為軟件平臺，以飛思卡爾單片機為控制器，通過CAN總線技術實現(xiàn)AMT監(jiān)測系統(tǒng)的試驗臺的設計。系統(tǒng)的下位機采用MC9S12XS128作為控制器，完成AMT系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能，通過CAN總線將計算后的數(shù)據(jù)輸出到USB采集卡中，上位機程序通過控制USBCAN采集卡得到下位機的輸出數(shù)據(jù)，并顯示出來，以方便研究人員分析、調(diào)試系統(tǒng)。

1 AMT變速器臺架硬件電路的設計

MC9S12XS128單片機作為AMT系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及控制單元，上位機采用PC機，利用MC9S12XS128單片機中的CAN模塊實現(xiàn)與上位機的實時通信，記錄現(xiàn)場數(shù)據(jù)。系統(tǒng)總框圖如圖1所示。

系統(tǒng)硬件主要由傳感器檢測的輸入信號模塊、主控制器模塊、 執(zhí)行機構模塊和通信模塊等組成。分析系統(tǒng)所需采集的基本信號并進行歸類，輸入信號包括脈沖信號、 模擬輸入信號和開關量信號。主控制器芯片采用16位微控制器芯片MC9S12XS128，其功能模塊豐富， 不僅能滿足基本控制要求，同時其本身集成了CAN控制器，可降低硬件復雜度，也提高了數(shù)據(jù)傳遞效率，完全滿足AMT系統(tǒng)的要求。執(zhí)行機構包括選換檔電機、油門控制電機及離合器控制電機。通信模塊采用MC9S12XS128自帶的CAN總線模塊、USBCAN智能接口卡、CTM1050的CAN總線收發(fā)器實現(xiàn)上位機監(jiān)控的系統(tǒng)[4]。硬件設計總體框圖如圖2所示。

的設計

（1） 脈沖信號的采集

發(fā)動機轉速和轉矩傳感器采集到的信號是頻率信號，通過頻率電壓變換電路并濾波放大，送到微控制器A/D模塊進行采集。系統(tǒng)采用LM331芯片構建F/V變換電路如圖3所示，濾波放大電路采用集成芯片LMV358設計電路，如圖4所示。

（2） 模擬信號的采集

加速踏板、制動踏板、離合器位置傳感器等所產(chǎn)生的信號是模擬信號，則直接進行濾波放大電路，如圖4所示，并采用軟件量度換算。

（3） 開關信號的采集

開關量信號的采樣，其主要是抖動問題，因為檔位位置信號、制動開關等受外界干擾大，容易產(chǎn)生誤動作，并且開關量采集的本身原理限制即實現(xiàn)0或者1變位，一般時間比較長，因此想要準確采集開關量信號消抖濾波電路是基本的，可以采用軟件延時消抖的處理方法。

1.2 CAN通信電路的設計

由于微控制器芯片上集成了CAN控制器，簡化了硬件電路的設計。系統(tǒng)采用CTM1050芯片作為CAN收發(fā)器，將CAN控制器邏輯電平轉換為CAN總線的差動電平；另外，CTM1050還具有對CAN控制器與CAN總線之間的隔離作用[5]。采用USBCAN?I作為USBCAN智能接口卡，實現(xiàn)與上位機的連接，CAN接口電路見圖5。

2 系統(tǒng)軟件設計

模塊化的程序設計方法是系統(tǒng)開發(fā)時常用的方法。軟件部分主要包括上位機和下位機軟件的編寫。

2.1 下位機軟件的設計

下位機軟件設計主要是單片機程序的設計，采用C語言模塊化的編程方法實現(xiàn)對各傳感器信號的采集及數(shù)據(jù)的傳輸及運算。程序主要包括系統(tǒng)初始化模塊和CAN總線收發(fā)模塊的編寫[6]。初始化模塊有系統(tǒng)時鐘鎖相環(huán)模塊、初始化CAN模塊、I/O端口初始化模塊、定時器模塊、輸入脈沖捕捉模塊、A/D轉換模塊等。程序模塊如圖6所示。

CAN總線收發(fā)模塊包括初始化CAN函數(shù)、CAN數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)、CAN數(shù)據(jù)接收函數(shù)、接收中斷函數(shù)。通過設定波特率、濾波方式、允許接收ID號等實現(xiàn)MSCAN模塊的初始化[7]。CAN數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)以標識符、標準幀、數(shù)據(jù)幀、優(yōu)先級、數(shù)據(jù)長度、指向發(fā)送數(shù)據(jù)段的指針為函數(shù)參數(shù)。CAN數(shù)據(jù)接收函數(shù)以接收標識符、判斷數(shù)據(jù)幀、數(shù)據(jù)幀長度、接收數(shù)據(jù)段為函數(shù)參數(shù)。其首先判斷前臺緩沖區(qū)是否有數(shù)據(jù)、再判斷是否為數(shù)據(jù)幀、然后讀取數(shù)據(jù)，并釋放前臺緩沖區(qū)。

現(xiàn)場采集到的模擬信號、數(shù)字信號、開關信號等是通過CAN發(fā)送程序先將數(shù)據(jù)寫入控制器空閑的發(fā)送緩沖器，并設置緩沖區(qū)內(nèi)的其他寄存器為MSCAN中的IDR格式，為數(shù)據(jù)的發(fā)送做好準備，當總線空閑時，CAN控制器就會將數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上，等待上位機的讀取。CAN總線數(shù)據(jù)的接收是采用中斷的方式，當接收緩沖區(qū)內(nèi)有數(shù)據(jù)時，發(fā)出中斷請求，從而完成數(shù)據(jù)的接收。

單片機主程序流程圖如圖7所示。

2.2 上位機軟件的設計

2.2.1 上位機與CAN模塊通信的實現(xiàn)

上位機采用VB軟件開發(fā)，通過CAN模塊通信實現(xiàn)對AMT數(shù)據(jù)監(jiān)測。其中CAN通信是基于USBCAN來實現(xiàn)的。USBCAN提供了應用程序接口VCI函數(shù)庫。庫里的函數(shù)可以從ControlCAN.dll中導出，其鏈接庫中的函數(shù)的使用流程如圖8所示。VB中可以直接使用這些庫函數(shù)，實現(xiàn)對接口卡的啟動、設置等相關操作。

在VB程序設計中，采用循環(huán)方式處理數(shù)據(jù)的接收及數(shù)據(jù)的運算。在軟件的編寫過程中首先實現(xiàn)對CAN進行初始化配置，包括CAN卡的類型、通道、波特率、驗收碼、屏蔽碼、數(shù)據(jù)幀的類型、數(shù)據(jù)幀的濾波方式等；實現(xiàn)對在數(shù)據(jù)總線上傳輸?shù)腃AN報文數(shù)據(jù)的解析。然后解析的數(shù)據(jù)進行運算處理，實現(xiàn)對換擋系統(tǒng)中的換擋數(shù)據(jù)等信號的實時處理以及在現(xiàn)實界面的實時顯示和數(shù)據(jù)的存儲，并畫出動態(tài)曲線為試驗的分析做準備。

2.2.2 人機界面的設計

對采集到的信號利用VB可視界面實現(xiàn)實時顯示，其中包括車速顯示、發(fā)動機模塊、駕駛員控制模塊、選換擋機構模塊，變換曲線顯示模塊等。人機界面如圖9所示。

監(jiān)控界面可以通過人為設置期望值，并把期望值封裝成CAN協(xié)議形式發(fā)送給單片機，單片機根據(jù)解析數(shù)據(jù)幀的ID判斷數(shù)據(jù)的目標對象，對數(shù)據(jù)進行有效的解碼讀取，同時與現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)值進行比較，依據(jù)程序算法產(chǎn)生控制信號，對執(zhí)行機構加以控制。

3 結 語

本文根據(jù)AMT研制開發(fā)過程設計了AMT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)的選換擋數(shù)據(jù)監(jiān)測和顯示方面的需求，以飛思卡爾16位單片機為核心搭建硬件平臺，利用CAN通信技術，采用VB軟件設計了AMT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的監(jiān)控平臺。實驗結果表明，該系統(tǒng)可以穩(wěn)定地實現(xiàn)AMT數(shù)據(jù)采集功能，為提高AMT系統(tǒng)的開發(fā)效率提供了一個操作簡單而實用的平臺，達到了設計要求。

參考文獻

[1] 張志偉.基于LabVIEW的AMT下線檢測試驗系統(tǒng)[J].湖北汽車工業(yè)學院學報，2011，25（3）：34?38.

[2] 馬永富，彭憶強，甘海云，等.基于CAN總線與虛擬儀器的AMT選換擋監(jiān)測系統(tǒng)研制[J].西華大學學報（自然科學版），2012，31（2）：26?30.

[3] 武州，石曉輝，李文禮.AMT試驗臺控制系統(tǒng)的研發(fā)[J].計算機測量與控制，2012（9）：2399?2401.

[4] 范偉成，宗情，朱辰元.基于單片機的CAN?USB通信轉換模塊的設計與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制，2012，20（3）：187?189.

[5] 張曉偉，孫逢春，邢杰.基于CAN總線的混合動力汽車監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)[J].計算機測量與控制，2011，19（10）：2427?2429.

[6] 杜尚豐，曹曉鐘.CAN總線測控技術及其應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.

[7] 王黎明，夏立，邵英.CAN現(xiàn)場總線系統(tǒng)的設計與應用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.