一種基于CAN系統(tǒng)的汽車(chē)無(wú)線測(cè)量系統(tǒng)

　　汽車(chē)工作過(guò)程中，對(duì)各系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量可方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)運(yùn)行狀態(tài)的分析與故障診斷。用傳統(tǒng)的有線方式連接汽車(chē)診斷接口或檢測(cè)傳感器輸出值的方法存在著布線和設(shè)備使用等方面的不方便。如果能把汽車(chē)各系統(tǒng)中的參數(shù)值無(wú)線、快速、準(zhǔn)確地測(cè)量出來(lái)，利用功能強(qiáng)大的微機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行分析和處理將大大方便汽車(chē)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種利用單片機(jī)組成CAN系統(tǒng)，利用藍(lán)牙無(wú)線傳輸技術(shù)對(duì)汽車(chē)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與處理的方法。

　　隨著汽車(chē)電子的發(fā)展，汽車(chē)內(nèi)電子產(chǎn)品越來(lái)越多，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤(pán)和車(chē)身等電控系統(tǒng)中的電控單元數(shù)量不斷增加，同時(shí)它們之間的通信也越來(lái)越重要。在汽車(chē)內(nèi)利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可大大提高系統(tǒng)之間信息傳遞的可靠性，同時(shí)可大大減少汽車(chē)線束的數(shù)量，降低汽車(chē)電氣系統(tǒng)的成本。近年來(lái)，CAN系統(tǒng)在汽車(chē)內(nèi)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。CAN（ControllerAreaNetwork）是控制局域網(wǎng)的簡(jiǎn)稱(chēng)，最早由德國(guó)BOSCH公司推出，用于汽車(chē)內(nèi)部測(cè)量與執(zhí)行部件的數(shù)據(jù)通信。由于其高性能、高可靠性、實(shí)時(shí)性好和獨(dú)特的設(shè)計(jì)，已廣泛的應(yīng)用于控制系統(tǒng)的各檢測(cè)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)通信。CAN總線符合ISO11898標(biāo)準(zhǔn)，最大傳輸速率可達(dá)1Mbps,最大傳輸距離為10km,傳輸介質(zhì)可為雙絞線。它具有如下的一些技術(shù)特性：

　　1）多主方式工作，非破壞性的基于優(yōu)先權(quán)的總線仲裁技術(shù)；

　　2）采用短幀結(jié)構(gòu)，受干擾概率低，每幀信息都有CRC檢驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施；

　　3）對(duì)嚴(yán)重錯(cuò)誤具有自動(dòng)關(guān)閉總線的功能，使總線的其他操作不受影響。

　　在汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，車(chē)載射頻裝置如汽車(chē)立體聲系統(tǒng)、GPS導(dǎo)航設(shè)備、衛(wèi)星數(shù)字音頻無(wú)線電業(yè)務(wù)（SDARS）裝置、GSM無(wú)線電收發(fā)器以及其它電器設(shè)備均可能造成干擾或受到干擾，這些射頻干擾信號(hào)會(huì)對(duì)汽車(chē)無(wú)線系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流造成不良影響。如果應(yīng)用傳統(tǒng)的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的速率和準(zhǔn)確率都不能很高，從而不能實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，而把藍(lán)牙無(wú)線傳輸技術(shù)用在汽車(chē)上可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題。

　　模塊的硬件圖如圖1所示。

圖1　藍(lán)牙模塊原理圖

　　此模塊的主要特點(diǎn)如下：

　　1）采用CSR主流藍(lán)牙芯片，符合藍(lán)牙V210標(biāo)準(zhǔn)。

　　2）串口模塊上底板帶有RS232接口和TTL接口，任選一種接口使用，使用313～5V電源。串口對(duì)用戶(hù)而言是透明的。

　　3）藍(lán)牙芯片采用向前糾錯(cuò)編碼，通信效率高，自動(dòng)跳頻，抗干擾能力強(qiáng)。

　　4）波特率為1200,2400,4800,9600,19200,38400,57600,115200,230400,460800,921600,1382400,可在程序中根據(jù)實(shí)際需要設(shè)置。

　　5）休眠電流：小于1MA,工作電流：40MA。

2　系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理圖

　　本文利用MICROCHIP公司的內(nèi)嵌CAN控制器的18F4580芯片與CAN收發(fā)器芯片MCP2515構(gòu)成CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并用18F4580芯片自帶的10位AD傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)位置信號(hào)的測(cè)量，同時(shí)利用智能數(shù)字傳感器DS18B20對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的水溫信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。利用藍(lán)牙模塊把測(cè)量的信號(hào)無(wú)線傳給上位機(jī)，利用VC++編寫(xiě)數(shù)據(jù)接收與處理的程序?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示與存儲(chǔ)，并可顯示數(shù)據(jù)值隨時(shí)間的變化關(guān)系曲線圖，測(cè)量結(jié)果直觀。系統(tǒng)的硬件原理圖如圖2所示。

圖2　測(cè)量系統(tǒng)原理圖

3　發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)位置信號(hào)與水溫信號(hào)的測(cè)量

　　3.1　節(jié)氣門(mén)信號(hào)信號(hào)的測(cè)量

　　這里測(cè)量的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)上節(jié)氣門(mén)位置傳感器為一可調(diào)電阻型，節(jié)氣門(mén)位置輸出信號(hào)為0～5V的電壓信號(hào)，根據(jù)節(jié)氣門(mén)的實(shí)際開(kāi)度與輸出電壓的關(guān)系，對(duì)測(cè)量的電壓信號(hào)進(jìn)行標(biāo)定，根據(jù)實(shí)測(cè)的電壓信號(hào)即可換算成節(jié)氣門(mén)的開(kāi)度。所以這里用PIC18F4580單片機(jī)內(nèi)嵌的10位AD轉(zhuǎn)換電路完成對(duì)節(jié)氣門(mén)位置傳感器輸出電壓的測(cè)量，為提高測(cè)量精度，對(duì)單片機(jī)AD的5V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行了與系統(tǒng)電源隔離穩(wěn)壓處理。

　　本系統(tǒng)利用Microchip公司的MPLAB開(kāi)發(fā)環(huán)境嵌入PICC18C程序編譯器，用C程序編寫(xiě)了數(shù)據(jù)采集與CAN數(shù)據(jù)的收發(fā)程序，其中AD轉(zhuǎn)換子程序用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)，程序兼顧了C程序的模塊化和可維護(hù)性好的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有了匯編語(yǔ)言高效率的優(yōu)點(diǎn)。

　　信號(hào)通過(guò)CAN控制器用擴(kuò)展幀格式發(fā)送到CAN網(wǎng)絡(luò)上。其中數(shù)據(jù)采集與CAN數(shù)據(jù)的發(fā)送子程序如下：

　　InitSPI（）；//SPI接口初始化

　　Init_MCP2515（）；//MCP2515初始化

　　……

　　TRISA=0B00000001;//AN0>>>>DCinputDC通道上輸入，打開(kāi)RA0

　　ADCON0=0B00000001;//AN0通道，允許ADC工作，

　　ADCON1=0B00001110;//除RA0為模擬輸入口外，其他RA口跟RE口均為普通數(shù)字口

　　ADCON2=0B10100001;//轉(zhuǎn)換結(jié)果右對(duì)齊，8TAD,1/8FOSC。

　　#asm

　　ADCON0　　EQU　　0FC2H

　　GO　　EQU　　001H

　　bsf　　ADCON0,　　GO　　//開(kāi)始轉(zhuǎn)換

　　ADWAIT:

　　btfscADCON0,GO

　　gotoADWAIT//等待轉(zhuǎn)換完成

　　#endasm

　　write_MCP2515（TXB0CTRL,0x03）；//設(shè)置為發(fā)送最高優(yōu)先級(jí)

　　write_MCP2515（TXB0SIDH,0xFF）；//EID28--21

　　write_MCP2515（TXB0SIDL,0xEB）；//EID20--EID18,擴(kuò)展幀使能，EID17--EID16

　　write_MCP2515（TXB0EID8,0xFF）；//EID15--EID8

　　write_MCP2515（TXB0EID0,0xFF）；//EID7--EID0

　　write_MCP2515（TXB0DLC,0x02）；//發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8字節(jié)

　　write_MCP2515（TXB0D0,ADRESH）；//發(fā)送的數(shù)據(jù)

　　write_MCP2515（TXB0D1,ADRESL）；

　　……

　　send_TXB0（）；//請(qǐng)求發(fā)送

　　while（（read_MCP2515（TXB0CTRL）&0x08）==0x08）；//等待

　　發(fā)送完畢

　　……

　　3.2　水溫信號(hào)的測(cè)量

　　本文中的水溫信號(hào)利用DALLAS公司的DS18B20智能數(shù)字傳感器測(cè)量。DS1820是世界上第一片支持“一線總線”接口的溫度傳感器。一線總線獨(dú)特而且經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使用戶(hù)可輕松地組建傳感器網(wǎng)絡(luò)，為測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)建引入全新概念。測(cè)量溫度范圍為-55℃～+125℃，在-10～+85℃范圍內(nèi)，精度為±015℃?，F(xiàn)場(chǎng)溫度直接以“一線總線”的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過(guò)程控制、測(cè)溫類(lèi)消費(fèi)電子產(chǎn)品等。DS1820采集溫度信號(hào)完成后，通過(guò)PIC18F4580芯片接收數(shù)據(jù)，并通過(guò)內(nèi)嵌CAN控制器把數(shù)據(jù)以8位二制數(shù)的格式用標(biāo)準(zhǔn)幀格式發(fā)送到CAN總線上。

4　CAN網(wǎng)絡(luò)的傳輸系統(tǒng)

　　采集到的信號(hào)通過(guò)PIC18F4580內(nèi)嵌的CAN控制器發(fā)出。這里選用MICROCHIP公司出品的MCP2551CAN收發(fā)器完成網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的傳遞，在CAN網(wǎng)絡(luò)終端加入阻值為120歐的終端電阻。CAN網(wǎng)絡(luò)接收端的收發(fā)器接收到的信號(hào)后傳遞給另一片PIC18F4580芯片，通過(guò)基內(nèi)部的CAN控制器取出網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，如果接收到擴(kuò)展幀，則接收到的數(shù)據(jù)為節(jié)氣門(mén)的位置信號(hào)；接收到標(biāo)準(zhǔn)幀，則接收到的數(shù)據(jù)為水溫信號(hào)。對(duì)信號(hào)處理后以數(shù)據(jù)包的方式通過(guò)基自身的UART口發(fā)給MAX232芯片，把TTL信號(hào)電平轉(zhuǎn)換成232電平。節(jié)氣門(mén)部分的CAN通訊板硬件原理圖如圖3所示。

圖3　節(jié)氣門(mén)位置信號(hào)測(cè)量CAN通信板原理圖

5　藍(lán)牙無(wú)線傳輸系統(tǒng)

　　MAX232芯片把轉(zhuǎn)換后的信號(hào)傳給由CSR公司的BC417構(gòu)成的藍(lán)牙主（發(fā)射）模塊。BC417藍(lán)牙模塊可以設(shè)定數(shù)據(jù)傳輸速率，在保證發(fā)射信號(hào)的質(zhì)量的情況下，可以盡量采用高速率的傳輸。本文中的傳輸速率為38400bps。另一塊BC417藍(lán)牙芯片構(gòu)成的從（接收）模塊在接收到數(shù)據(jù)信號(hào)后，通過(guò)MAX232芯片轉(zhuǎn)換電平傳給上位機(jī)微機(jī)的串口。

6　上位機(jī)信號(hào)接收處理系統(tǒng)

　　上位機(jī)微機(jī)的串口接到信號(hào)后，用VC++開(kāi)發(fā)工具編寫(xiě)了面向?qū)ο蟮某绦驅(qū)?shù)據(jù)包進(jìn)行處理。為了直觀的顯示數(shù)據(jù)的數(shù)值和其隨時(shí)間的變化關(guān)系，本程序可顯示實(shí)際節(jié)氣門(mén)位置信號(hào)與水溫的數(shù)值，另可顯示節(jié)氣門(mén)位置信號(hào)的變化曲線。上位機(jī)程序的界面如圖4所示。

　　本文利用的是SerialPort類(lèi)來(lái)實(shí)現(xiàn)此功能，這種方法對(duì)使用者來(lái)說(shuō)只要關(guān)心設(shè)定相關(guān)的通訊參數(shù)，而不用關(guān)心封裝的實(shí)現(xiàn)方法，程序的模塊化和維護(hù)性好[5]。在使用中采用串口事件響應(yīng)方式工作。為了更直觀的顯示出數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化的曲線，編寫(xiě)了一個(gè)利用封裝的BUTTON類(lèi)控件實(shí)現(xiàn)的顯示界面。此控件可方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的坐標(biāo)、背景、數(shù)據(jù)的單位與數(shù)據(jù)的更新速度等屬性進(jìn)行設(shè)定，顯示效果良好。

圖4　上位機(jī)界面圖

7　結(jié)論

　　該系統(tǒng)運(yùn)行良好，能方便、快速、可靠地實(shí)現(xiàn)汽車(chē)運(yùn)行參數(shù)的測(cè)量，為實(shí)現(xiàn)汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的無(wú)線實(shí)時(shí)測(cè)量與汽車(chē)故障診斷提供了一個(gè)較好的平臺(tái)。程序運(yùn)行結(jié)果顯示此藍(lán)牙無(wú)線傳輸CAN測(cè)量系統(tǒng)有如下優(yōu)點(diǎn)：

　　1）在測(cè)量汽車(chē)運(yùn)行參數(shù)時(shí)，可利用多個(gè)單片機(jī)構(gòu)成CAN測(cè)量網(wǎng)絡(luò)，充分利用了CAN網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)：信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)、數(shù)據(jù)速率快、數(shù)據(jù)可靠性高與系統(tǒng)連接線少等。

　　2）無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)充分體現(xiàn)了藍(lán)牙系統(tǒng)的高速和藍(lán)牙協(xié)議的高可靠性，理論上數(shù)據(jù)的成功率為100%,實(shí)現(xiàn)了高速和可靠的數(shù)據(jù)傳遞。

　　3）在用上位機(jī)測(cè)量汽車(chē)運(yùn)行參數(shù)時(shí)，在汽車(chē)與電腦之間無(wú)需任何線纜的連接，方便測(cè)量系統(tǒng)的組建，降低了系統(tǒng)組建的時(shí)間和成本。

　　4）可充分利用上位機(jī)計(jì)算與處理的優(yōu)勢(shì)，相比于傳統(tǒng)的汽車(chē)檢測(cè)儀器，可實(shí)現(xiàn)功能更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。