基于CAN總線的嵌入式汽車電子測試系統(tǒng)

摘要：為滿足汽車廠商對于汽車電子產(chǎn)品的測試需求，提出了基于CAN總線和嵌入式技術(shù)的汽車電子檢測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法。以USB車載音頻娛樂系統(tǒng)的測試儀器為例對該方法進(jìn)行了具體解釋，首先給出了硬件設(shè)計的基本結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)描述了CAN總線控制器和驅(qū)動器的電路設(shè)計；其次說明了軟件設(shè)計的分層結(jié)構(gòu)，采用Wince作為儀器的操作系統(tǒng)，具體分析了CAN總線驅(qū)動程序在Wince中的實(shí)現(xiàn)；最后描述了上層應(yīng)用程序的具體流程。USB部件測試儀器已成功應(yīng)用于現(xiàn)場生產(chǎn)中，并取得了良好效果，實(shí)踐表明，該測試方法是一種有效的解決方案，可以滿足汽車廠商的測試需求。
關(guān)鍵詞：汽車電子；CAN總線；嵌入式系統(tǒng)；測試儀器

    汽車產(chǎn)業(yè)是國家的支柱產(chǎn)業(yè)，電子產(chǎn)業(yè)也是國家的支柱產(chǎn)業(yè)，作為汽車產(chǎn)業(yè)和電子產(chǎn)業(yè)的交集，汽車電子零部件產(chǎn)業(yè)的興衰與國民經(jīng)濟(jì)息息相關(guān)。目前，我國汽車的產(chǎn)量逐年攀高，民族汽車品牌在自身不斷成長的同時，也迫使國際汽車公司或合資公司不得不降低生產(chǎn)成本，實(shí)施汽車電子零部件國產(chǎn)化戰(zhàn)略，這就為我國汽車電子產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展提供了良好的機(jī)遇。
    前裝汽車電子產(chǎn)品除了其復(fù)雜的功能要求外，對于實(shí)時性、安全性、可靠性和環(huán)保性等的要求都非常嚴(yán)格，并且汽車廠商都具有自己相關(guān)的執(zhí)行檢測標(biāo)準(zhǔn)和生產(chǎn)流程規(guī)范，因此為前裝汽車電子產(chǎn)品配套研發(fā)相應(yīng)的故障檢測系統(tǒng)是非常必要的。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案
1．1 設(shè)計依據(jù)
    CAN總線作為一種串行汽車總線，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，目前已在汽車領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。前裝汽車電子產(chǎn)品一定遵循特定車型的CAN通信協(xié)議，整車幾乎全部的控制和狀態(tài)信息都依賴CAN總線傳輸，通過采集和分析CAN總線上的信號，便可準(zhǔn)確獲得各個部件的工作狀態(tài)和實(shí)時參數(shù)，這就是汽車電子測試系統(tǒng)的基本依據(jù)。
    汽車廠商對測試儀器的一般要求包括實(shí)時性、可靠性、便攜式以及友好的人機(jī)交互等。嵌入式系統(tǒng)由于其靈活的軟硬件設(shè)計、良好的可靠性和實(shí)時性、較低的功耗等特點(diǎn)，完全可以滿足廠商對于測試儀器的要求。因此，基于CAN幀測試和采用嵌入式設(shè)計是汽車電子測試系統(tǒng)的有效解決方案。
1．2 實(shí)現(xiàn)方案
    嵌入式汽車電子測試系統(tǒng)，一般選擇性能比較好的32位微處理器，比如ARM處理器，在硬件設(shè)計上包括嵌入式系統(tǒng)通用的電源模塊、存儲模塊、人機(jī)交互模塊等，基于CAN總線通訊必須設(shè)計相應(yīng)的CAN總線通信模塊，在該模塊中通常由兩部分組成，一部分是CAN控制器，用于實(shí)現(xiàn)CAN總線的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議；另一部分是CAN驅(qū)動器用于實(shí)現(xiàn)CAN總線的物理層。系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

    汽車電子測試儀器一般要求具備友好的人機(jī)交互，對界面設(shè)計的要求比較高，因此在軟件設(shè)計中宜采用分層的軟件設(shè)計方法，一般情況下需要移植相關(guān)的嵌入式操作系統(tǒng)，目前常用的嵌入式操作系統(tǒng)主要有Linux、Wince等。軟件的設(shè)計流程主要包括操作系統(tǒng)移植、驅(qū)動程序編寫、應(yīng)用程序設(shè)計3個階段。移植合適的嵌入式操作系統(tǒng)，為軟件的開發(fā)搭建好開發(fā)平臺；開發(fā)相關(guān)的驅(qū)動程序來支持硬件設(shè)備，為應(yīng)用軟件訪問硬件提供接口，在CAN的模塊中，一般需要開發(fā)支持控制器和驅(qū)動器的驅(qū)動程序，以便于和汽車電子產(chǎn)品通信；應(yīng)用程序是最上層的軟件，直接面對用戶，為用戶使用提供友好的交互。

2 系統(tǒng)設(shè)計樣例
    基于以上的系統(tǒng)分析，現(xiàn)給出一個具體的設(shè)計樣例解釋。USB汽車音頻播放系統(tǒng)是為某汽車制造商開發(fā)的一款前裝汽車電子產(chǎn)品。該產(chǎn)品在通信上嚴(yán)格遵守廠商提供的CAN總線協(xié)議。該測試系統(tǒng)主要用于部件出廠前的故障檢測。
2．1 硬件設(shè)計
    考慮到性能、功耗、穩(wěn)定等方面的要求，選用Intel公司的32位工業(yè)級微處理器PXA270，該處理器基于ARM10內(nèi)核，運(yùn)行主頻高達(dá)520M-Hz，接口資源豐富，加入了IntelSpeedStep動態(tài)電源管理技術(shù)，在保證CPU性能的情況下可最大限度地降低設(shè)備功耗，利用該處理器簡化了硬件設(shè)計，并且保證了軟件的快速運(yùn)行；存儲模塊采用了64 MB的NorFlash和64 MB的SDRAM；人機(jī)交互采用的是液晶顯示和觸摸控制的方案。
    在CAN總線通信模塊的設(shè)計中，采用的芯片是SJA1000、PCA82C250和TJA1055。SJA1000是PHLIPS公司發(fā)布的一款適用于汽車和一般工業(yè)環(huán)境的獨(dú)立CAN控制器，SJA1000是PCA82C200控制器的替代產(chǎn)品，除了支持BasicCAN操作模式外，還增加了新的操作模式PeliCAN，這種模式支持具有很多新特性的CAN2．0B協(xié)議。SJA1000應(yīng)用于CAN硬件模塊中，用于實(shí)現(xiàn)CAN總線的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，在本設(shè)計中使用了2片SJA1000芯片，分別用于高速CAN和低速CAN通信。SJA1000的具體電路原理圖如圖2所示，數(shù)據(jù)總線AD0～AD7通過數(shù)據(jù)緩沖器件接到PXA270的數(shù)據(jù)總線MD0～MD7上，時序控制等信號線則是接到CPLD上，由PXA270處理器通過CPLD管理。

    PCA82C250和TA1055都是驅(qū)動收發(fā)器，用于實(shí)現(xiàn)CAN總線的物理層，不同之處在于2個芯片各自實(shí)現(xiàn)了CAN物理層的2個標(biāo)準(zhǔn)：高速CAN和低速CAN。高速CAN根據(jù)線纜長度最高可提供1 Mbit／s的波特率，低速CAN可提供5～125 kbit／s的波特率，并且允許CAN總線在連接失敗時通信得以繼續(xù)進(jìn)行，因此也叫容錯CAN，該儀器支持2種物理標(biāo)準(zhǔn)，驅(qū)動器的電路圖如圖3所示。HTXD0、HRXD0和LTXD0、LRXD0均來自于SJA1000，通過PCA82C250和TJA1055后分別得到高速CAN通道HCHNH、HCHNL和低速CAN通道LGANH、LCANL。

2．2 軟件設(shè)計
    考慮到廠商對人機(jī)交互要求比較高，并且為了縮短研發(fā)周期，選擇微軟的Windows CE作為嵌入式操作系統(tǒng)。Wince是一個緊湊、完整和可擴(kuò)展的嵌入式操作系統(tǒng)，是一個多線程、基于優(yōu)先級可搶占的操作系統(tǒng)，具有內(nèi)存管理功能，可以抑制由于應(yīng)用程序不正常而直接破壞系統(tǒng)的危險性，特別適用于有限資源的硬件平臺，并且Wince的操作系統(tǒng)在界面操作上繼承了桌面Windows系統(tǒng)的風(fēng)格，便于操作工人的熟悉和使用。
    軟件設(shè)計的主要工作有Wince5．0系統(tǒng)在PXA270上的移植，CAN總線、液晶顯示、觸摸屏、Flash存儲、藍(lán)牙等驅(qū)動程序的實(shí)現(xiàn)，CAN協(xié)議實(shí)現(xiàn)及應(yīng)用程序的設(shè)計等。
    Wince的驅(qū)動程序主要分為本機(jī)驅(qū)動和流接口驅(qū)動，本機(jī)驅(qū)動是硬件必須的驅(qū)動，不支持通用的設(shè)備驅(qū)動程序接口，如觸摸屏的驅(qū)動；流接口驅(qū)動是指驅(qū)動程序把流式接口函數(shù)公開出來，而不考慮驅(qū)動所控制的設(shè)備類型。CAN總線的驅(qū)動主要是對控制器SJA1000的軟件支持，在wince中是典型的流接口驅(qū)動，通過CAN_Init、CAN_Open、CAN_Close、CAN_Read、CAN_Write、CAN_IOControl，CAN_Deiit等函數(shù)實(shí)現(xiàn)SJA-1000的功能；其中CAN_Init主要完成SJA1000的初始化工作，CAN_Open用于響應(yīng)應(yīng)用程序的請求，CAN_Read和CAN_Write用于從CAN總線讀取和向總線寫入字符，CAN_IOControl用來擴(kuò)展其他的功能，CAN_Close用于關(guān)閉響應(yīng)，CAN_Deiit用于釋放資源和卸載驅(qū)動。
    應(yīng)用程序運(yùn)用Embedded Visual C++4．0開發(fā)。該測試儀器的任務(wù)較多，大部分的測試都是基于對部件發(fā)出CAN幀的分析，儀器的主要測試功能包括：音頻左右聲道測試、麥克測試、藍(lán)牙測試、USB測試等。系統(tǒng)的軟件流程如圖4所示，系統(tǒng)的主界面如圖5所示。

2．3 現(xiàn)場應(yīng)用
    該測試儀器目前已經(jīng)應(yīng)用于現(xiàn)場生產(chǎn)中，對USB汽車音頻播放部件進(jìn)行出廠前質(zhì)量測試，實(shí)踐表明該測試儀器快速可靠、操作友好，每臺每個工作日可檢測300～500臺部件，檢測準(zhǔn)確率達(dá)到99％以上，完全滿足了廠商的需求。

3 結(jié)束語
    本文針對汽車電子開發(fā)中的具體需求，提出了基于CAN通信和CAN幀分析的汽車電子測試方法，通過現(xiàn)場應(yīng)用表明該方法是對前裝汽車電子產(chǎn)品測試的快速有效的方法，基于該方法的嵌入式汽車電子測試儀器，滿足了廠商對于體積、價格、速度、可靠等方面的需求，在未來開發(fā)的前裝汽車電子產(chǎn)品中會繼續(xù)廣泛應(yīng)用。