高川

【摘 要】本文分析了當(dāng)前國(guó)內(nèi)汽車綜合性能測(cè)試系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，提出研制一套基于CAN總線的汽車綜合性能測(cè)試系統(tǒng)。介紹了CAN總線接口電路的設(shè)計(jì)方法。

【關(guān)鍵詞】汽車綜合性能測(cè)試系統(tǒng)；CAN總線；數(shù)據(jù)采集

0.前言

汽車是現(xiàn)代社會(huì)必不可少的交通工具，隨著汽車保有量不斷增多，人們對(duì)汽車的穩(wěn)定性和可靠性也日益重視，因此，汽車的綜合性能測(cè)試便具有重要意義。

我國(guó)汽車綜合性能測(cè)試工作主要由各地的汽車檢測(cè)站執(zhí)行，是汽車車輛管理的主要內(nèi)容，是檢查、鑒定車輛技術(shù)狀況和維修質(zhì)量的重要手段，是促進(jìn)維修技術(shù)發(fā)展、實(shí)現(xiàn)視情修理的重要保證。汽車綜合性能測(cè)試主要包括汽車動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性和排氣污染物等的檢測(cè)、評(píng)價(jià)。通過(guò)對(duì)汽車綜合性能的測(cè)試，消除或減少由于車輛安全措施不完善、車輛性能欠佳以及技術(shù)狀況不良所造成的交通事故，對(duì)噪聲和排放廢氣加以控制，可以減少汽車對(duì)人類健康所造成的危害。對(duì)可靠性、動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性的測(cè)試，能夠準(zhǔn)確地反映汽車各機(jī)構(gòu)、系統(tǒng)、零部件的技術(shù)狀況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除故障，保證良好的使用性能。因此加強(qiáng)汽車綜合性能測(cè)試不僅具有直接的經(jīng)濟(jì)效益，而且具有重大的社會(huì)效益。

我國(guó)汽車測(cè)試技術(shù)經(jīng)歷了從無(wú)到有、從小到大；從引進(jìn)技術(shù)、引進(jìn)測(cè)試設(shè)備，到自主研究開(kāi)發(fā)推廣應(yīng)用；從單一性能測(cè)試到綜合性能測(cè)試，取得了很大進(jìn)步。但國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的測(cè)試儀器普遍存在共性問(wèn)題，如：硬件相對(duì)落后，測(cè)試精度較低；數(shù)據(jù)分析和處理功能不夠強(qiáng)大；測(cè)試點(diǎn)比較分散、距離較遠(yuǎn)，信號(hào)傳輸降低了測(cè)量系統(tǒng)的信噪比，增加了試驗(yàn)的準(zhǔn)備時(shí)間；擴(kuò)展性和通用性較差。因此，研究和開(kāi)發(fā)測(cè)試數(shù)據(jù)全面、精度高、通用性好的汽車綜合性能測(cè)試系統(tǒng)具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文介紹了一種利用CAN總線構(gòu)成汽車綜合性能測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。其特點(diǎn)是布線簡(jiǎn)單、可靠性高、監(jiān)控能力強(qiáng)，有利于汽車綜合性能測(cè)試系統(tǒng)朝著規(guī)范化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。

1.CAN總線

CAN總線是由德國(guó)Bosch公司于20世紀(jì)80年代初開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，主要用于解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換問(wèn)題。目前，CAN總線是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，具有開(kāi)發(fā)維護(hù)成本低、總線利用率高、傳輸距離遠(yuǎn)（最遠(yuǎn)可達(dá)10km），傳輸速率高（最高可達(dá)1Mbps）、根據(jù)優(yōu)先級(jí)的多主結(jié)構(gòu)、可靠的錯(cuò)誤檢測(cè)和處理機(jī)制等優(yōu)點(diǎn)，且CAN總線標(biāo)準(zhǔn)支持自動(dòng)配置，為系統(tǒng)的易用性奠定了基礎(chǔ)。

與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)相比，CAN總線工作于多主方式，網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點(diǎn)都可以根據(jù)總線訪問(wèn)優(yōu)先權(quán)在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)中其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，不分主從，通信實(shí)時(shí)性強(qiáng)、方式靈活。而利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)只能構(gòu)成主從式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，通信方式也只能以主站輪詢的方式進(jìn)行，系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、可靠性較差。此外，CAN具有完善的通信協(xié)議，可由CAN控制器芯片及其接口芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，從而大大降低了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)難度，縮短了開(kāi)發(fā)周期，這些也是只僅僅有電氣協(xié)議的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)所無(wú)法比擬的。

CAN總線現(xiàn)在已成為汽車總線的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，在ISO11898、SAE1939以及ISO11783等標(biāo)準(zhǔn)中也都規(guī)定了CAN作為車輛數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)。因此，本系統(tǒng)作為車輛測(cè)試設(shè)備，采用CAN總線是最為合適的，并且將來(lái)可以通過(guò)該總線直接連接車輛系統(tǒng)的ECU得到很多不易測(cè)量的參數(shù)，為車輛性能的研究奠定良好的硬件基礎(chǔ)。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

汽車綜合性能測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

系統(tǒng)中有一個(gè)主控模塊和多個(gè)汽車性能參數(shù)測(cè)試模塊，各個(gè)模塊間以CAN總線連接，為一主多子節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)。其基本工作原理是：各個(gè)子節(jié)點(diǎn)完成多種汽車參數(shù)的測(cè)試獲取，并將參數(shù)通過(guò)CAN總線發(fā)送給主控節(jié)點(diǎn)，主控節(jié)點(diǎn)對(duì)來(lái)自各個(gè)子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理后，通過(guò)USB實(shí)時(shí)發(fā)送給人機(jī)交互設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

各節(jié)點(diǎn)采用80C51系列高速單片機(jī)作為微處理器，為了滿足CAN總線協(xié)議，各模塊還配置了通信控制器SJA1000和通信收發(fā)器82C250構(gòu)成的通信接口。模塊電路組成框圖如圖2所示。

圖2 模塊電路組成框圖

系統(tǒng)中各模塊需要處理大量且不同類型的數(shù)據(jù)，普通的單片機(jī)不能滿足系統(tǒng)的要求，特采用80C51系列高速單片機(jī)作為微處理器。80C51單片機(jī)系列源于Intel公司的MCS-51系列。許多公司，如Philips、Siemens、ATMEL、華邦、LG等都以MCS-51中的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)8051為基核推出了許多各具特色、各具優(yōu)越性能的單片機(jī)，統(tǒng)稱為80C51系列。因此，使得80C51系列單片機(jī)的可開(kāi)發(fā)性強(qiáng)，兼容性好且來(lái)源廣泛。

80C51系列單片機(jī)的主要功能特點(diǎn)：

①具有一個(gè)8位微處理器CPU；②運(yùn)行速度快，片內(nèi)振蕩器的振蕩頻率范圍達(dá)到1.2～12MHZ；③存儲(chǔ)空間大，具有最大8KB的片內(nèi)ROM和最大256字節(jié)的片內(nèi)RAM；④片外ROM和RAM的尋址范圍為64KB；⑤包含21個(gè)特殊功能寄存器（SFR）；⑥接口豐富，具有四個(gè)8位并行I/O接口（P0～P3），32根I/O口線，1個(gè)全雙工UART串行口，可多級(jí)通信；⑦具有2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器；⑧具有5個(gè)中斷源，可編程為兩個(gè)優(yōu)先級(jí)。

80C51單片機(jī)在性能測(cè)試模塊中的主要功能是：直接采集并處理各測(cè)試模塊傳感器的信號(hào)；通過(guò)CAN總線與其他測(cè)試模塊及主控模塊通信。在主控模塊中80C51單片機(jī)還要將各測(cè)試模塊采集的數(shù)據(jù)及分析處理結(jié)果通過(guò)USB接口傳送給上位機(jī)。

模塊之間的CAN的通信協(xié)議主要由CAN通信控制器完成。SJA1000是Philips公司生產(chǎn)的一個(gè)獨(dú)立的CAN控制器，可完成CAN規(guī)范所規(guī)定的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層大部分功能，適合于多種應(yīng)用，特別在系統(tǒng)優(yōu)化診斷和維護(hù)方面非常重要。

82C250為CAN總線通信收發(fā)器，具有抗惡劣電氣環(huán)境下的瞬間干擾、保護(hù)總線的能力。它是CAN控制器與物理總線之間的接口，可提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送和接收。

模塊原理電路如圖3所示。

3.結(jié)束語(yǔ)

CAN總線以其高性能、高可靠性和高性價(jià)比，被越來(lái)越多的應(yīng)用于工業(yè)測(cè)控系統(tǒng)之中，是一種十分有效的通信方式。在汽車綜合性能測(cè)試系統(tǒng)中利用CAN構(gòu)成檢測(cè)線通信網(wǎng)絡(luò)，不僅可獲得組網(wǎng)自由，擴(kuò)展性強(qiáng)，實(shí)時(shí)性好，可靠性高的特性，而且具有自診斷和監(jiān)控能力，應(yīng)用前景廣泛。

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