羅發(fā)貴，張 杰，隋良紅

（1.中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院，四川 成都 610021；2.四川大學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 610065）

0 引 言

在汽車運(yùn)行過程中，經(jīng)常需要知道汽車運(yùn)行的基本情況，需要測(cè)量汽車的運(yùn)行速度、運(yùn)行距離、經(jīng)緯度位置以及所在地的海拔等，這些信息對(duì)于人車安全具有重要意義。將GPS技術(shù)用于這些參數(shù)的測(cè)量，可以達(dá)到期望的效果。但由于其測(cè)量數(shù)據(jù)量大，而且具有高速變化、不易采集、不易存儲(chǔ)數(shù)據(jù)等缺點(diǎn)，必須要配以高性能的傳輸總線[1]。在這種情況下，基于CAN總線的GPS汽車參數(shù)采集測(cè)量方案應(yīng)運(yùn)而生。

在本項(xiàng)目中，將CAN總線技術(shù)應(yīng)用于GPS汽車參數(shù)測(cè)量中，并用C8051F500作為主控芯片，把TJA1050作為其外加物理接口。同時(shí)輔以按鍵、顯示、存儲(chǔ)等功能，實(shí)現(xiàn)汽車行駛參數(shù)的高速采集測(cè)量。

1 CAN總線及特點(diǎn)

CAN是一種多主方式的串行通信總線，基本設(shè)計(jì)規(guī)范要求有高的位速率、高抗電磁干擾性，而且能夠檢測(cè)出產(chǎn)生的任何錯(cuò)誤[2]。當(dāng)信號(hào)傳輸距離達(dá)到10km時(shí)，CAN總線仍可提供高達(dá)50kb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。CAN通信協(xié)議主要描述設(shè)備之間的信息傳遞方式，CAN層的定義與開放系統(tǒng)互連模型一致。每一層與另一設(shè)備上相同的那一層通信，實(shí)際的通信發(fā)生在每一設(shè)備上相鄰的兩層，而設(shè)備只通過模型物理層的物理介質(zhì)互連[3]。

CAN能夠使用多種物理介質(zhì)，例如雙絞線、光纖等，其中最常用的就是雙絞線。信號(hào)使用差分電壓傳送，2條信號(hào)線被稱為CAN_H和CAN_L，靜態(tài)時(shí)均為2.5V左右，此時(shí)狀態(tài)表示為邏輯“1”，也可以叫做“隱性”。用CAN_H比CAN_L高表示邏輯“0”，稱為“顯形”；此時(shí)，通常電壓值為：CAN_H=3.5 V，CAN_L=1.5V。CAN總線成本低，具有極高的總線利用率、很遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)傳輸距離（長(zhǎng)達(dá)10km）、高速的數(shù)據(jù)傳輸速率（高達(dá)1 Mb/s）、可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制，發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動(dòng)重發(fā)，節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)退出總線的功能。

2 GPS系統(tǒng)

GPS系統(tǒng)包括3部分：空間部分（GPS衛(wèi)星星座）；地面控制部分（地面監(jiān)控系統(tǒng)）；用戶設(shè)備部分（GPS信號(hào)接收機(jī)）[4]。GPS衛(wèi)星星座和地面控制部分屬于整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行維持部分，由美國(guó)專門的機(jī)構(gòu)維護(hù)。通常普通用戶直接使用的僅僅是GPS信號(hào)接收機(jī)[5]。

GPS信號(hào)接收機(jī)的任務(wù)是：能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測(cè)衛(wèi)星的信號(hào)，并跟蹤這些衛(wèi)星的運(yùn)行，對(duì)所接收到的GPS信號(hào)進(jìn)行變換、放大和處理，以便測(cè)量出GPS信號(hào)從衛(wèi)星到接收機(jī)天線的傳播時(shí)間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文，實(shí)時(shí)地計(jì)算出測(cè)站的三維位置，甚至三維速度和時(shí)間[6]。接收機(jī)硬件和機(jī)內(nèi)軟件以及GPS數(shù)據(jù)的后處理軟件包，構(gòu)成完整的GPS用戶設(shè)備[7]。GPS接收機(jī)的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元2個(gè)模塊。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件總體

系統(tǒng)硬件主要是由C8051F500單片機(jī)、TJA1050、GPS傳感器、按鍵、顯示、打印、存儲(chǔ)等組成，硬件組成如圖1所示。

圖1中，單片機(jī)C8051F500是沒有CAN接口的MCU，需要通過外加TJA1050作為物理通信接口，單片機(jī)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理計(jì)算工作，是整個(gè)系統(tǒng)的主要部分。TJA1050是控制器區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（CAN）協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，可以為總線提供不同的發(fā)送性能，為CAN控制器提供不同的接收性能。GPS傳感器是系統(tǒng)的主要傳感器單元，負(fù)責(zé)對(duì)被測(cè)量的測(cè)量。

3.2 基于C8051F500的CAN實(shí)現(xiàn)

Silicon Lab公司的C8051F500單片機(jī)內(nèi)部集成了CAN控制器，符合Bosch規(guī)范2.0A（基本CAN）和2.0B（全功能CAN），方便了CAN網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。由于C8051F500的高集成度，只需少量外圍測(cè)量電路便可組成集數(shù)據(jù)采集、控制和通信功能于一體的單片機(jī)系統(tǒng)，同時(shí)還可提高系統(tǒng)的整體可靠性。另外，C8051F500內(nèi)核與普通51系列兼容，且指令簡(jiǎn)單易學(xué)，可縮短系統(tǒng)研發(fā)周期[8]。圖2是基于C8051F500的CAN硬件電路實(shí)現(xiàn)原理圖。

圖1 系統(tǒng)硬件組成框圖

圖2 CAN功能節(jié)點(diǎn)組成原理圖

3.2.1 C8051F500單片機(jī)

單片機(jī)內(nèi)部集成了CAN控制器，其與收發(fā)模塊（CTM1050）共同構(gòu)成CAN節(jié)點(diǎn)模塊。其中CAN控制器包括CAN核、消息存儲(chǔ)器、消息處理器和控制寄存器。由于其MCU無法直接訪問消息RAM，因此有兩組位于控制寄存器的接口寄存器被用來控制CPU對(duì)消息RAM的訪問。接口寄存器通過緩存?zhèn)鬏攲⒁獋鬏數(shù)臄?shù)據(jù)，避免了CPU訪問消息RAM時(shí)同CAN消息的發(fā)送和接收之間的沖突[9]。在單個(gè)傳輸時(shí)，一個(gè)完整的消息對(duì)象或者消息對(duì)象的一部分在消息RAM和IFx消息緩沖寄存器之間進(jìn)行可靠傳輸。

3.2.2 TJA1050高速CAN收發(fā)器

TJA1050是CAN控制器與CAN物理總線之間的接口芯片，是CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，它最初應(yīng)用于波特率范圍在60 K波特到1 M波特的高速自動(dòng)化應(yīng)用中。TJA1050可以為總線提供不同的發(fā)送性能，為CAN控制器提供不同的接收性能。

TJA1050有一個(gè)電流限制電路，保護(hù)發(fā)送器的輸出級(jí)，使由正或負(fù)電源電壓意外造成的短路不會(huì)對(duì)TJA1050造成損壞（此時(shí)的功率消耗增加）。TJA1050還有一個(gè)溫度保護(hù)電路，當(dāng)與發(fā)送器連接點(diǎn)的溫度超過165℃時(shí)，會(huì)斷開與發(fā)送器的連接。因?yàn)榘l(fā)送器消耗了大部分的功率，所以這個(gè)集成電路的功率消耗和溫度會(huì)較低[10]，但是此時(shí)IC的其他功能仍繼續(xù)工作。當(dāng)引腳TXD變高電平，發(fā)送器由關(guān)閉狀態(tài)復(fù)位。當(dāng)總線短路時(shí)，尤其需要這個(gè)溫度保護(hù)電路。

在汽車通電的瞬間，引腳 CAN_H和CAN_L也受到保護(hù)，如圖3所示。

圖3 自動(dòng)的暫態(tài)過程測(cè)試電路圖

當(dāng)引腳 TXD由于硬件和／或軟件程序的錯(cuò)誤而持久為低電平時(shí)，“TXD控制超時(shí)”定時(shí)器電路可以防止總線進(jìn)入這種持久的支配狀態(tài)（阻塞所有網(wǎng)絡(luò)通信），這個(gè)定時(shí)器是由引腳TXD的負(fù)跳變邊沿觸發(fā)。如果引腳TXD的低電平持續(xù)時(shí)間超過內(nèi)部定時(shí)器的值，發(fā)送器會(huì)被禁能，使總線進(jìn)入隱性狀態(tài)，定時(shí)器由引腳TXD的正跳變邊沿復(fù)位。

4 項(xiàng)目軟件設(shè)計(jì)

在CAN初始化時(shí)會(huì)打開CAN中斷，即CAN總線上有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷，此時(shí)由單片機(jī)的MCU來判斷其優(yōu)先級(jí)是否為最優(yōu)，若是，則響應(yīng)其中斷。此時(shí)單片機(jī)內(nèi)的CAN處理器會(huì)控制消息緩存寄存器寫入數(shù)據(jù)，并按照協(xié)議對(duì)消息進(jìn)行處理；等發(fā)送請(qǐng)求中斷產(chǎn)生，響應(yīng)中斷并發(fā)送處理好的數(shù)據(jù)，此為一次數(shù)據(jù)收發(fā)過程[11]。CAN總線數(shù)據(jù)收發(fā)流程如圖4所示。

4.1 系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)初始化主要包括端口、時(shí)鐘和CAN控制器的初始化。其一般步驟如下：

（1）將SFRPAGE寄存器設(shè)置為CAN0_PAGE；

（2）將CAN0CN寄存器中的INIT和CCE位設(shè)置為‘1’；

（3）設(shè)置位定時(shí)寄存器和BRP擴(kuò)展寄存器中的時(shí)序參數(shù)；

（4）初始化每個(gè)消息對(duì)象或?qū)⑵銶sgVal位設(shè)置為 NOTVALID（無效）；

（5）將 INIT 位清零。

其初始化部分程序如下：

4.2 收發(fā)程序

系統(tǒng)初始化完成后，在主程序中調(diào)用接收子程序，由接收子程序來響應(yīng)總線上的消息接收請(qǐng)求命令。接收子程序要比發(fā)送子程序復(fù)雜一些，因?yàn)樵谔幚斫邮請(qǐng)?bào)文的過程中，還要對(duì)諸如總線關(guān)閉、錯(cuò)誤報(bào)警、接收溢出等情況進(jìn)行處理。下面給出部分接收子程序：

發(fā)送子程序負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)報(bào)文的發(fā)送，發(fā)送時(shí)用戶只需將處理好的待發(fā)送數(shù)據(jù)按特定的格式組合成一幀報(bào)文，送入發(fā)送緩存區(qū)中，然后啟動(dòng)發(fā)送即可。

5 測(cè)試實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

本項(xiàng)目是基于CAN總線的GPS傳感器應(yīng)用，用來實(shí)時(shí)測(cè)量汽車運(yùn)行中的相關(guān)動(dòng)態(tài)參數(shù)。試驗(yàn)前，將傳感器天線置于汽車外部（吸附于車頂），通過RF傳輸線與車內(nèi)儀器主機(jī)連接。儀器開機(jī)啟動(dòng)后，當(dāng)汽車運(yùn)行時(shí)，儀器可以測(cè)試出汽車實(shí)時(shí)的行駛速度、里程、所在位置的經(jīng)緯度值、大地坐標(biāo)以及海拔高度等參數(shù)。經(jīng)過實(shí)車道路測(cè)試，隨機(jī)列舉了4組等精度重復(fù)測(cè)量數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 實(shí)車路試數(shù)據(jù)

由多次重復(fù)測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算分析，通過標(biāo)準(zhǔn)偏差公式：

式中：Σ——總和；

可知表1中緯度、經(jīng)度、海拔、大地坐標(biāo)X、Y的穩(wěn)定性分別為：5.776 2×10-10，6.691 67×10-11，0.870 92，0.87093，0.083833。通過該組數(shù)據(jù)，并與更高精度已知數(shù)據(jù)相比較分析后，可以看出系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果達(dá)到了既定的精度和穩(wěn)定性要求。

6 結(jié)束語

本項(xiàng)目研究成果的實(shí)際使用與測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，系統(tǒng)可以達(dá)到對(duì)汽車經(jīng)緯度、海拔、速度、里程及大地坐標(biāo)X/Y的準(zhǔn)確測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽車動(dòng)態(tài)運(yùn)行參數(shù)測(cè)量的實(shí)時(shí)性和靈活性。同時(shí)，拓展了基于CAN總線的傳感器在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用，數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確靈活，具有較好的實(shí)用意義。相比于傳統(tǒng)的傳輸方式，CAN總線減少了數(shù)據(jù)沖突和丟失，提高了信息的準(zhǔn)確性和精確度；因此，項(xiàng)目具有較好的工程背景和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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