基于CAN總線的汽車數據采集系統開發

鄧召文，周 圍

（湖北汽車工業學院 汽車工程學院 汽車動力傳動與電子控制湖北省重點實驗室，十堰 442002）

0 引言

CAN（Controller Area Network）即控制器局域網，是幾種流行現場總線中應用最廣泛的現場總線之一。由于CAN總線采用時間觸發協議，在消息傳輸中采用非破壞性的仲裁機制，保證了數據的完整和系統安全，CAN總線網絡已被汽車廠普遍接受，成為車載網絡系統的中流砥柱[1]。基于CAN總線對汽車運行數據進行采集可以分析汽車的運行狀況，及時發現故障，為檢測和故障診斷提供依據，通過對采集數據的分析，發現設計參數的不足，提出改進設計思路，形成分析-改進-分析的閉環設計過程。

華南理工大學開發設計了一套專用的高效、經濟、較為準確的離線式數據采集系統[2]。利用專用數據采集芯片對模擬量進行模數轉換，由單片機將數據以FAT32格式寫入內存卡中，在汽車運行完成后，取下內存卡導出數據到PC機，用數學軟件對數據進行顯示和分析。武漢理工大學設計了一種基于飛思卡爾9s12單片機的數據采集系統[3]。使用了自定義的傳感器對數據進行采集，由單片機進行轉換后通過SCI發送給PC機的LabView上位機進行顯示，系統優點是可以增加傳感器數量和類型。青島理工大學也采用了單片機采集方案[4]。采用了自定義傳感器進行數據采集，利用NRF2401無線模塊通過SPI接口與主控芯片連接進行數據傳輸，數據由上位機進行接收和保存。同濟大學設計了一種基于LabView和CAN總線的數據采集監測系統，用于汽車試驗時實時監測車輛的運行狀態[5]。

本論文利用USBCAN接口卡，實現CAN總線與USB總線間的數據交換。利用LabView調用Dll文件實現對USBCAN卡的配置，包括同步時間、總線速率、濾波方式、CAN卡通道、驗收碼、屏蔽碼等參數，實現接收和發送功能；在USBCAN卡收到數據后根據通信協議解析出對應的數據，實時顯示并解析車輛電控系統的狀態信息和故障信息；在接收和解析完數據后，根據用戶需求實現對汽車實時狀態數據的顯示、保存與回放等功能。

1 通信協議和軟硬件選型

1.1 通信協議

該通信協議包含的信息主要包括以下五部分：1）幀頭：一共四字節長度，包含固定的三個標志字節為0x82、0x81、0x80以及一字節的本組數據長度（默認為84個參數）；該部分主要用于表示新一組數據的開始，與前一組數據形成分界，防止數據出現混亂；2）數據段：數據共60個，每個數據按高位在前、低位在后分成兩字節；包含了發動機以及底盤的部分數據；該部分數據是研究和保存的重點，根據這些數據可以判斷發動機及底盤參數的設置是否合理，可能潛在的故障及原因；3）錯誤診斷信息：共16個數據，每個數據由兩字節組成，低位字節的每一位表示一種錯誤。當某位為1時表示錯誤發生，為0時表示沒有錯誤；所以每個數據可以表示出8種錯誤。該部分數據可以作為故障判斷的表現判斷，也是最直觀的故障指示；4）狀態信息：共8個數據，每個數據分高低兩個字節；低字節的每一位表示一種狀態。類似于錯誤信息，每個數據包可以表示8種系統狀態；5）CRC32校驗段：該部分按照標準CRC32校驗算出每組數據前四部分的CRC32值，分為4字節高位在前低位在后；該部分數據主要作為改組數據是否有效的依據。

1.2 軟硬件選型

對CAN總線的數據采集，上位機使用LabView進行編寫，通信接口方案需要根據CAN數據由何種總線輸入PC機確定。直接利用USBCAN卡將CAN總線數據傳輸至USB總線，LabView利用CAN卡所附帶的驅動程序和動態鏈接庫來實現對CAN卡的設置以及數據獲取。所需要的軟硬件有：周立功USBCAN-I、USBCAN配套的驅動程序以及動態鏈接庫。

1.3 調用Dll文件實現USBCAN卡配置

LabView在互聯接口函數子模板中提供了庫與可執行程序，其中，調用庫函數節點可以調用廠家提供的dll文件。只要知道動態連接庫里被導出的函數名稱及其參數，就可以通過調用庫函數節點調用，調用dll文件函數的操作步驟為如圖1所示。

圖1 調用DLL文件函數步驟

圖2 Dll調用程序框圖

設置完成后連接參數程序框圖如圖2所示，左側為輸入端，右側接口為輸出端，右側最上方返回的是一個狀態標志，它表示函數操作的結果。要想使用CAN卡必須先打開設備驅動，初始化設備后才能進行其他操作。

2 數據采集系統軟件設計

2.1 用戶界面設計

設計代碼前，首先必須根據課題要求，進行需求分析。LabView由于采用的是G語言，根據經驗，所有的數據處理應該圍繞用戶需求來進行。而用戶需求最直觀的表現在用戶界面[6～8]。根據課題要求，本次設計主要以獲取CAN總線數據為主。第一個用戶界面CAN助手界面如圖3所示，該界面主要設計為CAN參數的設置、CAN卡配置與操作、數據發送等功能。第二個用戶界面波形數據顯示界面如圖4所示，提供了數據顯示、曲線（可見性、顏色、校式等）設置、清除圖像操作、數據保存、歷史數據打開等功能。第三個用戶界面儀表界面如圖5所示，提供傳統儀表界面，與車輛儀表類似的顯示內容。第四個用戶界面錯誤與系統狀態顯示界面如圖6所示，提供原始的英文錯誤和狀態顯示，這些提示和狀態信息對于后期車輛診斷有很大幫助，有必要進行解析和顯示。

圖3 CAN助手界面

圖4 數據波形界面

圖5 儀表顯示界面

2.2 代碼主體架構設計

根據課題要求分析，該軟件主要以數據采集為主，所以數據必須完整且具有一定的實時性，對用戶操作響應必須及時。為了滿足要求，在整體結構上采取并行循環的生產者與消費者循環[9～11]；其中生產者有兩個，第一個生產者（CAN數據的接收）獨占一個循環，保證數據盡可能實時接收；第二個則是為響應前面板操作動作的狀態生產者。由于數據顯示為波形和在助手模式下表格顯示對數據處理較慢。所以，設計了兩個時間占用接近的消費者循環。其中，一個消費者循環處理助手模式下表格顯示數據以及部分CAN操作產生的動作響應；另外一個消費者循環主要處理耗時的數據保存和波形顯示處理。各循環關系如圖6所示。

圖6 立體框架設計圖

2.3 功能代碼設計

2.3.1 波形圖數據顯示方案

根據課題要求，本次數據顯示數據量可以達到60條曲線，且實時顯示；根據波形圖表和波形圖區別，必須選用波形圖；波形圖由于沒有數據緩沖區，要顯示數據必須自建一個FIFO的數據緩沖區；最簡單的辦法是利用二維數組配合刪除數組元素來構建這個緩沖區。最后輸出這個數組即可，FIFO緩沖區如圖7所示。

圖7 FIFO緩沖區

2.3.2 數據解析方案

數據的解析是比較關鍵的一個部分，數據解析要求不能重復解析，數據在正確的情況下保證完整。由于汽車的儀表數據流公用一個數據幀地址，沒有可靠的幀標識，所以只能根據幀頭信息來確定每組數據的開始，也相當于組同步信號。每組數據從幀頭開始累加幀數，根據幀數和字節順序確定數據位置和數據類型，然后對數據復原。

除幀頭包含的兩個數據外，其他數據的計算公式為：

其中：

Dk為第k個需解析的數據；

Zij為第i幀的第j字節。

數據提取解析步驟和解析代碼分別如圖8、圖9所示。

圖8 數據提取解析流程圖

圖9 數據解析代碼

2.3.3 文件保存方案

文件的保存基本要求是數據的完整性，只有數據完整，才能保證數據在下次打開時不出現失真；數據保存必須盡可能快，數據的保存不能對數據的傳輸、解析、顯示造成用戶可感知的影響；另外，由于汽車的CAN速率為1Mbps，每秒鐘發送50組數據，每組數據22幀，每幀8字節。折算平均速率為8.8kb/s，由于數據量不是太大，故可以邊接收邊保存；但是考慮到數據保存耗費的時間較長，不能按幀保存。所以，考慮每接收完一組正確的數據后保存一次。根據LabView對數據保存的速度來看，保存為二進制文件是最快的。為盡量保證程序的流暢性，選擇保存為二進制文件。如圖10所示為數據保存代碼。

圖10 數據保存代碼

2.3.4 錯誤與狀態信息解析

提取狀態信息和錯誤信息可將兩個組分開提取，由于LabView可以自己并行處理數據，分開提取可以節約2/3的時間。所以在程序設計時將兩者分開處理。

錯誤與狀態信息數據與其他參數數據不同，參數數據是連續不可突變且僅代表唯一含義的參量。而狀態和錯誤信息的數據是分立的數據，不同的值包含了一種或多種狀態或錯誤。根據通信協議中可知：狀態錯誤數據的每一位（化為二進制）代表了一個錯誤狀態的有無，當某位為1說明對應的錯誤或狀態存在，為0則不存在。

由于狀態錯誤信息數據的這種特性，所以需要檢查數據的每一位是否為1。然后查表得對應位進行文字的提取。檢查數據位可以使用循環移位法，但LabView中不支持取數據特定位的操作。為實現取位，設計了除2取余法判斷最低位是否為1，商作為下一次取位的被除數。進行7個循環即可取出每一位的值（雖然是雙字數據，但僅用了低字節最大255）。最后將信息輸出。

信息表和程序代碼如圖11所示。

圖11 狀態信息表及錯誤處理代碼

3 試驗驗證

軟件在初步調試完成之后需進行穩定性和可靠性驗證。穩定性驗證需要大量時間滿載運行，以檢驗是否能長時間正常工作，采用模擬實驗檢驗。可靠性檢驗需要驗證數據的準確性，需要與儀表進行對比，采用現場試驗。

3.1 模擬試驗檢驗

為了提高試驗效率，方便離車調試，減少實車調試次數。編寫代碼寫入STM32開發板內，實現下位機部分模擬試驗汽車CAN通訊向USBCAN發送有規律的數據，進行穩定性耐久測試。其硬件連接示意圖如圖12所示。

圖12 模擬試驗的硬件連接示意圖

圖13 模擬測試結果

進行了約30分鐘的模擬測試后，大約采集了15MB的數據，密集的波形圖在局部放大后數據依然完整。測試結果如圖13所示。由模擬測試結果可知，數據完整，波形圖流暢（正弦曲線，主要檢驗完整性，如果數據有丟幀波形會有畸變），滿載荷運行測試符合基本要求。

3.2 現場試驗

確認程序在模擬試驗時依然可以較為流暢的運行后，再進行現場數據采集試驗，并與實車儀表對比，以驗證程序的可靠性和準確性。按照硬件連接規范連接好實物后開始采集數據。觀察儀表盤上發動機轉速，記錄怠速工況下的轉速在1600r/min附近，其波動范圍約200～350，另外還對比了進氣溫度、節氣門開度和進氣歧管壓力等這類變化較慢的參數。現場試驗連接及觀察軟件現場測試結果如圖14所示。從現場測試圖可以看出，轉速在1600r/min附近，波動范圍在200～350與儀表觀測結果吻合。節氣門開度保持穩定的怠速開度（約12%），進氣溫度約23℃，進氣歧管壓力約90kPa小于大氣壓力（正常）。根據以上內容的對比，可以判定數據是準確的。

圖14 現場試驗連接及現場測試結果

4 結束語

1）利用CAN接口卡，完成了CAN總線網絡的連接和汽車運行數據狀態的實時讀取。

2）完成了LabView軟件對CAN總線通訊和數據采集系統的開發，實現實時提取并解析車輛電控系統的狀態信息和故障信息。

3）實現了汽車狀態信息的提取、報警和存儲，完成車輛運行狀態的實時監控功能。

4）經驗證系統穩定可靠、操作簡單、界面直觀，具有一定的應用價值。