四川城市職業(yè)學(xué)院 電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院 羅茂元電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院 朱兆君

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基于CAN總線的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)試電路設(shè)計(jì)

四川城市職業(yè)學(xué)院 電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院 羅茂元
電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院 朱兆君

【摘要】通過(guò)對(duì)車載主動(dòng)安全系統(tǒng)的研究，針對(duì)汽車等交通工具的嵌入式控制器局域網(wǎng)絡(luò)，提出了一種通過(guò)磁電傳感器檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速系統(tǒng)的CAN總線設(shè)計(jì)方案。在簡(jiǎn)單介紹該CAN總線網(wǎng)絡(luò)三層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了節(jié)點(diǎn)嵌入式微處理器電路、CAN總線電路及傳感器信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)，并提出了基于J1939協(xié)議的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量電路的軟件流程圖。該設(shè)計(jì)方案的提出，為車載主動(dòng)安全的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】CAN總線；J1939協(xié)議；嵌入式微處理器

課題項(xiàng)目：四川省教育廳自然科學(xué)類科研項(xiàng)目課題，項(xiàng)目名稱：基于嵌入式技術(shù)的車載主動(dòng)安全系統(tǒng)方案的研究，課題編號(hào)：14ZB0418 。

0 引言

在對(duì)車載主動(dòng)安全系統(tǒng)的研究中，為解決汽車控制系統(tǒng)中，數(shù)量眾多的電子設(shè)備之間的通信問(wèn)題，減少電子設(shè)備之間繁多的信號(hào)線，通過(guò)單一而穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)總線，將外圍器件掛接在該總線上，實(shí)現(xiàn)車載設(shè)備和多控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換，各操作單元之間的協(xié)作，并對(duì)各單元不斷變化狀態(tài)實(shí)時(shí)控制。

在眾多的CAN總線協(xié)議中，J1939協(xié)議主要應(yīng)用在以CAN為基礎(chǔ)的汽車等交通工具的嵌入式網(wǎng)絡(luò)中。由于J1939網(wǎng)絡(luò)是專門用途的通信系統(tǒng)，而不需要通用化，因此，基于J1939協(xié)議電控系統(tǒng)（ECU）的開(kāi)發(fā)只須按照物理層搭建、數(shù)據(jù)鏈路層配置、應(yīng)用層設(shè)計(jì)即可。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 物理層搭建

物理層實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中電控單元的電連接，物理介質(zhì)為屏蔽雙絞線，雙絞線終端電阻應(yīng)為120歐姆，從而防止數(shù)據(jù)在線端被返回，影響數(shù)據(jù)的傳輸，同時(shí)電流能夠?qū)ΨQ驅(qū)動(dòng)。

1.2 數(shù)據(jù)鏈路層配置

數(shù)據(jù)鏈路層為物理連接提供可靠的數(shù)據(jù)傳輸，J1939協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層配置就是對(duì)協(xié)議數(shù)據(jù)單元的配置，PDU的7個(gè)域的信息應(yīng)由應(yīng)用層提供。PDU將被封裝在一個(gè)或多個(gè)CAN數(shù)據(jù)幀中，并通過(guò)物理介質(zhì)傳輸?shù)狡渌W(wǎng)絡(luò)設(shè)備。如果某特定參數(shù)組傳輸9字節(jié)或更多的字節(jié)，則將使用傳輸協(xié)議功能RTS/CTS，BAM。該協(xié)議功能是數(shù)據(jù)鏈路層的一部分，可再細(xì)分為消息的拆裝、重組以及連接管理兩個(gè)主要功能。

1.3 應(yīng)用層設(shè)計(jì)

J1939應(yīng)用層包含信號(hào)和報(bào)文兩個(gè)方面的設(shè)計(jì)。信號(hào)描述使用可疑參數(shù)編號(hào)定義，可疑參數(shù)編號(hào)為19位，用于標(biāo)識(shí)ECU相關(guān)的特定部件、元素或參數(shù)，可以描述部件名稱、參數(shù)名稱、信號(hào)類型，著重描述參數(shù)組中的某個(gè)參數(shù)；而報(bào)文描述用PGN定義，包含參數(shù)組名稱、傳輸更新速率、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、PDU和數(shù)據(jù)列表，主要描述整個(gè)參數(shù)組。他們之間相對(duì)于整體與局部的關(guān)系。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)試系統(tǒng)主要由磁電傳感器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)調(diào)理處理后，轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖信號(hào)，經(jīng)CAN總線發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)。

圖1 STM32F107系統(tǒng)圖

基于J1939協(xié)議的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)試硬件電路采用嵌入式芯片STM32F107作為節(jié)點(diǎn)微處理器；外部振蕩器可選頻率范圍為 3～25MHz，此處選用比較常用的 8MHz 晶振作為外部振蕩器。由于STM32F107嵌入式芯片內(nèi)部集成了Bosch CAN控制器，該控制器符合CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)，與數(shù)據(jù)發(fā)送和接收有關(guān)的所有協(xié)議處理均由該控制器完成，不需要STM32F107的干預(yù)，并可使用J1939協(xié)議實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。但由于該控制器不提供物理層驅(qū)動(dòng)，所以選用TJA1040T作為總線驅(qū)動(dòng)，與STM32嵌入式芯片管腳CANTX與CANRX相連。圖2為CAN控制器原理框圖。

圖2 CAN控制器原理框圖

TJA1040是控制器局域網(wǎng)CAN 協(xié)議控制器和物理總線之間的接口。它主要應(yīng)用在高速傳輸中，速度可達(dá)1Mbaud。TJA1040為總線提供差動(dòng)的發(fā)送功能，為CAN控制器提供差動(dòng)的接收功能。圖3為TJA1040的硬件電路設(shè)計(jì)圖。

圖3 CAN總線電路

在進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速采樣過(guò)程中，須通過(guò)磁電傳感器對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。調(diào)理電路主要用于將磁電傳感器輸出的正弦信號(hào)調(diào)整為STM32能夠識(shí)別的外部計(jì)數(shù)脈沖，通過(guò)光隔離器TIL113將電信號(hào)轉(zhuǎn)為光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的隔離。在通過(guò)電壓比較器LM239轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)。

圖4 信號(hào)調(diào)理電路

3 軟件設(shè)計(jì)流程

圖5 基于J1939協(xié)議的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量電路軟件流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)試系統(tǒng)的CAN總線物理層搭建及J1939應(yīng)用層通信協(xié)議的設(shè)計(jì)，有效地解決了發(fā)動(dòng)機(jī)磁電傳感器電路中的CAN總線網(wǎng)絡(luò)的通信問(wèn)題，滿足了實(shí)際應(yīng)用的需要，達(dá)到測(cè)試效果。