基于CAN發(fā)送模塊的車載信息服務(wù)系統(tǒng)調(diào)試裝置設(shè)計(jì)

唐 琳， 雷 霖， 李躍鵬

(成都大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院， 四川 成都 610106)

0 引 言

目前，絕大部分汽車都安裝了車載信息服務(wù)系統(tǒng)，由于系統(tǒng)的功能較多，接口線路繁冗復(fù)雜[1-3]，如果調(diào)試時(shí)直接將系統(tǒng)連接到汽車上，一方面調(diào)試過(guò)程會(huì)變得更加復(fù)雜，造成數(shù)據(jù)報(bào)文丟失，另一方面調(diào)試過(guò)程也可能對(duì)系統(tǒng)接口造成損壞，所以需要一種能夠獨(dú)立調(diào)試系統(tǒng)各個(gè)模塊的裝置.對(duì)此，本研究以CAN通信為基礎(chǔ)，模擬車載信息服務(wù)系統(tǒng)中各個(gè)模塊的狀態(tài)，以CAN報(bào)文的形式與主控模塊發(fā)生交互，設(shè)計(jì)出一CAN發(fā)送模塊的調(diào)試裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)車載信息服務(wù)系統(tǒng)各模塊的獨(dú)立調(diào)試.

1 裝置總體設(shè)計(jì)

1.1 裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究探討面向車聯(lián)網(wǎng)的車載信息服務(wù)系統(tǒng)的調(diào)試裝置[4-5]，該裝置是針對(duì)整個(gè)車載信息服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，其主要功能是采用CAN發(fā)送模塊模擬系統(tǒng)的各個(gè)模塊發(fā)送相應(yīng)的CAN報(bào)文信息，調(diào)試裝置的主控模塊對(duì)各CAN發(fā)送裝置發(fā)送的CAN報(bào)文信息，如胎壓、車速、ABS及故障監(jiān)測(cè)信息等，進(jìn)行解析，將信息記錄在內(nèi)存中，同時(shí)對(duì)CAN報(bào)文中有故障的模塊以報(bào)文交互的方式進(jìn)行處理，直觀體現(xiàn)車載信息服務(wù)系統(tǒng)是哪一個(gè)通信模塊出現(xiàn)了問(wèn)題.同時(shí)，調(diào)試裝置中擴(kuò)展SD卡存儲(chǔ)電路，將故障報(bào)警數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)記錄在SD卡中,便于電腦讀取.該裝置可以實(shí)現(xiàn)車載信息服務(wù)系統(tǒng)各個(gè)模塊的獨(dú)立調(diào)試.裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖如圖1所示.

圖1裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖

1.2 裝置模塊劃分

根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)，調(diào)試裝置包括MCU主控模塊、CAN發(fā)送模塊、SD卡存儲(chǔ)電路、液晶顯示模塊、電源電路、行車影像接口、按鍵模塊、串口、調(diào)試接口以及CAN通信接口.其中，MCU主控模塊集成了SPI接口、UART接口、BKGD接口及CAN接口等.SPI接口連接SD卡存儲(chǔ)電路，UART接口連接外部串口，BKGD接口連接調(diào)試接口， CAN通信接口連接CAN發(fā)送模塊.MCU的I/O口連接了液晶顯示模塊、行車影像模塊以及按鍵接口模塊，并通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換接口A/D連接電源電路模塊對(duì)裝置電壓進(jìn)行采集并通過(guò)液晶顯示模塊顯示出來(lái).

2 CAN發(fā)送模塊設(shè)計(jì)

CAN信息發(fā)送模塊主要是根據(jù)汽車制造商所提供的CAN報(bào)文信息(制造商的CAN信息多是通過(guò)多傳感器技術(shù)，將功能模塊監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，整合成符合格式要求的CAN信息)矩陣格式，發(fā)送到CAN總線中，用于CAN接收裝置對(duì)信息進(jìn)行二級(jí)計(jì)算和分析.本裝置用到的CAN信息發(fā)送模塊所發(fā)送的CAN報(bào)文格式以長(zhǎng)安汽車CAN報(bào)文矩陣格式為例，模擬長(zhǎng)安汽車車載信息服務(wù)系統(tǒng)中各個(gè)模塊所發(fā)送的數(shù)據(jù)[6].

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本裝置的硬件MCU基于Freescale的MC9S12HY64RM芯片，其RAM為4 KiB，ROM空間為64 KiB.其硬件設(shè)計(jì)框圖如圖2所示.

圖2 CAN發(fā)送模塊硬件設(shè)計(jì)框圖

由于汽車正常情況下提供的供電電源在12～15 V之間，而MCU的工作電壓通常為5 V，因此需要12 V和5 V的穩(wěn)壓電路作為支撐.按鍵電路主要是針對(duì)CAN網(wǎng)絡(luò)中不同地址ID所設(shè)置的控制電路，主要目的是通過(guò)按鍵來(lái)模擬CAN網(wǎng)絡(luò)中各報(bào)文異常丟失的情況.指示燈電路主要顯示當(dāng)前是何種報(bào)文丟失，為整個(gè)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)起到引導(dǎo)作用.CAN信號(hào)輸出電路主要將CAN發(fā)送模塊的報(bào)文接入到調(diào)試裝置的MCU主控單元中.

2.2 軟件設(shè)計(jì)

CAN信息發(fā)送模塊的軟件設(shè)計(jì)主要模擬車載信息服務(wù)系統(tǒng)中各個(gè)汽車模塊的CAN信息矩陣格式發(fā)送出包含各模塊信息的CAN報(bào)文[7]，其軟件設(shè)計(jì)基本流程如圖3所示.指示燈用于模擬不同ID的CAN發(fā)射裝置的報(bào)文發(fā)送狀態(tài)，當(dāng)所有CAN發(fā)射裝置與車載信息服務(wù)系統(tǒng)調(diào)試裝置連接完成并啟動(dòng)時(shí)，MCU、定時(shí)器和CAN發(fā)送模塊以及各裝置的報(bào)文指示燈相繼初始化，所有CAN發(fā)送模塊處于待機(jī)狀態(tài)，一旦檢測(cè)到對(duì)應(yīng)ID的CAN發(fā)送模塊的發(fā)送鍵被按下，相應(yīng)的報(bào)文指示燈就被點(diǎn)亮，該發(fā)送裝置就開始發(fā)送固定格式的CAN報(bào)文，發(fā)送完畢則繼續(xù)處于待機(jī)狀態(tài)等待發(fā)送命令.對(duì)于發(fā)送鍵沒(méi)有被按下的模塊，對(duì)應(yīng)的報(bào)文指示燈處于熄滅狀態(tài)，一旦指示燈熄滅，即便上一個(gè)報(bào)文沒(méi)有發(fā)送完畢，模塊也會(huì)停止發(fā)送，而不會(huì)因?yàn)榘l(fā)送端和接收端狀態(tài)不匹配造成數(shù)據(jù)的丟失.

圖3 CAN報(bào)文發(fā)送軟件流程圖

3 模塊測(cè)試

3.1 車速模塊測(cè)試

JIS規(guī)范規(guī)定，車輛每行駛1 km，機(jī)械式速度傳感器要轉(zhuǎn)637圈，這是計(jì)算車速的基礎(chǔ).由于具體的車型和各主機(jī)廠的不同要求，每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生的脈沖數(shù)也不一樣，但多數(shù)采用2、4、8與16等便于計(jì)算機(jī)計(jì)算的脈沖數(shù).車速的數(shù)學(xué)計(jì)算表達(dá)式為，

式中，H為儀表車速脈沖輸入信號(hào)的頻率，Hz；V為車速，km/h；n為車速傳感器每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生的脈沖信號(hào)個(gè)數(shù)；N2表示車速為60 km/h時(shí)車速傳感器的轉(zhuǎn)數(shù)，r/min.

車速表采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的指針指示(在調(diào)試裝置中，數(shù)字結(jié)果顯示在液晶顯示器上)，點(diǎn)火開關(guān)為“ON”時(shí)(即汽車已經(jīng)啟動(dòng)，但是并沒(méi)有啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī))工作.車速表以km/h表示，指示范圍為0～180 km/h，其車速最小分度值為10 km/h.點(diǎn)火開關(guān)為“OFF”時(shí)，液晶顯示歸0.

模擬組合儀表車速信號(hào)的CAN發(fā)送模塊通過(guò)CAN總線傳送給調(diào)試裝置.車速表指示單體誤差應(yīng)符合表1的規(guī)定.其中，實(shí)際車速=(指示車速-2)×0.98.車速信號(hào)來(lái)源的誤差規(guī)定為±2%.其中，測(cè)試車輛輪胎采用標(biāo)稱氣壓；測(cè)試車輛輪胎為新輪胎；車速≥20 km/h以上的車速信號(hào)來(lái)源精度在±2%內(nèi)，而當(dāng)車速<20 km/h時(shí)，車速信號(hào)精度根據(jù)具體項(xiàng)目確定；測(cè)試方案為標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)鼓測(cè)試臺(tái).

表1 車速表指示

3.2 轉(zhuǎn)速模塊測(cè)試

調(diào)試裝置的主控模塊通過(guò)模擬電機(jī)轉(zhuǎn)速的CAN發(fā)送模塊來(lái)獲取當(dāng)前轉(zhuǎn)速，并將其顯示在液晶顯示器上，保持0.5 s更新一次.點(diǎn)火開關(guān)為“OFF”時(shí)，轉(zhuǎn)速表的指針應(yīng)返回到0.表2給出了轉(zhuǎn)速表指示值及其誤差.

表2 轉(zhuǎn)速表指示

3.3 胎壓模塊測(cè)試

輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)用于對(duì)輪胎壓力和溫度進(jìn)行監(jiān)控[8].當(dāng)胎壓過(guò)高、過(guò)低或溫度過(guò)高時(shí)給出報(bào)警信息，從而保證行車安全.本調(diào)試裝置將輪胎壓力監(jiān)控系統(tǒng)接入CAN總線網(wǎng)絡(luò)，接收輪胎壓力、環(huán)境溫度等信息，從而提高監(jiān)控系統(tǒng)的性能，節(jié)約控制成本.當(dāng)輪胎出現(xiàn)氣壓高于標(biāo)準(zhǔn)壓力25%或輪胎氣壓低于標(biāo)準(zhǔn)壓力12.5%、溫度高于85 ℃、快速漏氣時(shí)(每分鐘壓力下降超過(guò)0.2 Bar)，調(diào)試裝置會(huì)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信息，啟動(dòng)聲響系統(tǒng)報(bào)警，確定故障輪胎的位置，同時(shí)將胎壓值閃爍顯示在液晶顯示器上.

4 裝置整體測(cè)試

裝置整體測(cè)試遵循先測(cè)試硬件設(shè)計(jì)是否有明顯錯(cuò)誤的原則.當(dāng)完成了裝置的整體測(cè)試，樣機(jī)的每個(gè)部件都能正常工作，就需要測(cè)試裝置每個(gè)方面的功能是否都能達(dá)到設(shè)定要求、各種性能是否都能滿足需要.

裝置的基本功能測(cè)試，包括開機(jī)自檢、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、LCD顯示、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、速度信號(hào)檢測(cè)與數(shù)據(jù)通信等.具體步驟為：

1)給裝置接通電源，進(jìn)入開機(jī)界面.在開機(jī)界面上會(huì)呈現(xiàn)出“長(zhǎng)安汽車悅翔V3正在啟動(dòng)”的標(biāo)志，如圖4(a)所示.隨后，進(jìn)入診斷界面，如圖4(b)所示.

圖4開機(jī)界面

2)診斷裝置的所有開關(guān)都是斷開的，它只是對(duì)CAN發(fā)送裝置中的信息進(jìn)行選擇性的接收.當(dāng)診斷裝置中的開關(guān)處于斷開狀態(tài)時(shí)，CAN發(fā)送裝置中的信息就不能發(fā)送過(guò)來(lái)，液晶主頁(yè)面對(duì)應(yīng)項(xiàng)顯示“CLOSE”，此時(shí)長(zhǎng)按相應(yīng)按鍵進(jìn)入子頁(yè)面，子頁(yè)面顯示停止接收.當(dāng)診斷裝置開關(guān)被按下以后，它就可以對(duì)CAN發(fā)送裝置中的信息進(jìn)行分析判斷.當(dāng)按下CAN發(fā)送裝置的按鍵時(shí)，它會(huì)發(fā)送故障代碼，診斷裝置主頁(yè)面顯示相應(yīng)的故障指令代碼，如圖5(a)所示.長(zhǎng)按診斷裝置中的按鍵進(jìn)入相應(yīng)子頁(yè)面，顯示出相應(yīng)的故障診斷結(jié)果，如圖5(b)所示.

圖5故障接收及診斷界面

3)發(fā)送裝置開關(guān)彈起以后，發(fā)送裝置發(fā)送正確的CAN指令數(shù)據(jù)，診斷裝置主頁(yè)面顯示“YES”，如圖6(a)所示.此時(shí)，長(zhǎng)按相應(yīng)的按鍵，進(jìn)入子頁(yè)面，子頁(yè)面顯示正常狀態(tài)，故障已解決，如圖6(b)所示.

5 結(jié) 語(yǔ)

本研究設(shè)計(jì)的車載信息服務(wù)系統(tǒng)的調(diào)試裝置通過(guò)CAN發(fā)送模塊模擬汽車各個(gè)接口的報(bào)文信息，MCU通過(guò)CAN接口獲取報(bào)文并對(duì)報(bào)文進(jìn)行解析，CAN總線通信可以保證通信過(guò)程穩(wěn)定高效， 同時(shí)也降低了直接連接汽車的連線要求.模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)相關(guān)問(wèn)題的解析很容易判斷出故障模塊，從而可有針對(duì)性地對(duì)相關(guān)模塊進(jìn)行調(diào)試.

圖6診斷界面及診斷結(jié)果