李愛(ài)佳，崔建峰，李愛(ài)慧，劉慧豐

（1.中北大學(xué)電子測(cè)試技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030051；2.哈爾濱電機(jī)廠有限責(zé)任公司，哈爾濱 150000；3.北京特種車輛試驗(yàn)場(chǎng)，北京 100072）

0 引言

隨著信息技術(shù)與計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，CAN總線（Controller Area Network）已成為目前國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。CAN總線最開(kāi)始是由20世紀(jì)80年代德國(guó)Bosch公司為了解決現(xiàn)代汽車中龐大的電子控制裝置之間的通信而最先提出的。在汽車領(lǐng)域，CAN總線被設(shè)計(jì)為汽車環(huán)境中的微控制器通信，與車載其他電子控制裝置ECU之間交換信息［1］。CAN總線是一個(gè)單一的網(wǎng)絡(luò)總線，其外圍器件都可被掛在總線上。目前，CAN總線已經(jīng)在汽車工業(yè)、航空工業(yè)、工業(yè)控制等領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用［2］。

車載記錄儀采用飛思卡爾單片機(jī)中的MC9S12XEP100作為主控制器，該單片機(jī)內(nèi)置CAN通信接口，只需搭配外圍電路和CAN驅(qū)動(dòng)器即可。車輛采集系統(tǒng)諸如：溫度檢測(cè)、里程表更新、油量檢測(cè)、車速等所有采集系統(tǒng)與記錄儀的通信都采用CAN總線模塊［3］。通過(guò)編寫采集系統(tǒng)與記錄儀固件代碼，對(duì)不同采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)定義不同的ID，車載記錄儀通過(guò)CAN總線標(biāo)識(shí)符接收寄存器接收不同的擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符實(shí)現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)記錄。

1 系統(tǒng)概述

記錄儀由主控（MC9S12XEP100單片機(jī)）、數(shù)據(jù)接收模塊（CAN總線接口）和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊（Flash芯片）構(gòu)成。主控MCU的控制器局域網(wǎng)是一種通信控制器，它使用先進(jìn)的緩沖器安排，簡(jiǎn)化了應(yīng)用軟件。采集系統(tǒng)將不同ID和不同優(yōu)先級(jí)的多通道數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)CAN總線與記錄儀進(jìn)行通信［4］，完成對(duì)數(shù)據(jù)記錄。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 CAN總線接口設(shè)計(jì)

2.1 CAN總線特性

CAN總線是一種多主方式的串行通信總線，設(shè)計(jì)規(guī)范要求有較高位速率、高抗電磁干擾性［5］。其通信協(xié)議實(shí)質(zhì)是完成設(shè)備之間的信息傳遞方式，CAN總線不僅有很遠(yuǎn)的數(shù)據(jù)傳輸距離（最長(zhǎng)10 km），還有高速的數(shù)據(jù)傳輸速率（高達(dá)1 Mb/s）最重要的是CAN總線能根據(jù)報(bào)文的ID決定接收或者屏蔽該報(bào)文，CAN總線的模塊框圖如圖2所示。

圖2 CAN模塊框圖

方案中CAN總線使用雙絞線作為通信的介質(zhì)媒介，且CAN信號(hào)使用差分電壓進(jìn)行傳送，CAN總線的兩條信號(hào)線（CAN_H和CAN_L）在靜態(tài)時(shí)均為2.5 V左右，這種狀態(tài)也稱為“隱性”；當(dāng)兩條信號(hào)線之間有電壓差（一般情況下：CAN_H=3.5 V，CAN_L=1.5 V）這種狀態(tài)成為“顯性”［6］。

2.2 CAN總線接口模塊硬件電路設(shè)計(jì)

CAN總線接口模塊硬件設(shè)計(jì)如下頁(yè)圖3所示，方案中設(shè)計(jì)了2種CAN總線接口工作模式，具體分析如下：

1）非隔離驅(qū)動(dòng)模式：選用的CAN驅(qū)動(dòng)芯片為NXP公司的PCA82C251，該芯片收發(fā)器是協(xié)議控制器和物理傳輸線路之間的接口，此器件對(duì)總線提供差動(dòng)發(fā)送能力，對(duì)CAN控制器提供差動(dòng)接收能力［7］，可以廣泛應(yīng)用在汽車、一般工業(yè)控制、遠(yuǎn)程通訊等應(yīng)用領(lǐng)域中。其承受的共模電壓范圍為-7 V～12 V，工作最高速率為1Mb/s，RJ9電阻為斜率電阻，它用來(lái)控制通信速率斜率，方案中CAN總線的工作速率為1Mb/s，此時(shí)RJ9應(yīng)該直接接地。D3和D4為二極管，主要作用是對(duì)CAN接口差分線的信號(hào)電平進(jìn)行鉗位，防止外部干擾信號(hào)對(duì)其通訊過(guò)程產(chǎn)生影響。RJ8為CAN總線終端匹配電阻。

2）隔離驅(qū)動(dòng)模式：選用廣州志遠(yuǎn)電子有限公司的CTM1050T作為CAN驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片的隔離電壓為DC 2 500 V，工作速率最高為1 Mb/s，可以達(dá)到方案設(shè)計(jì)中速率的要求，由于CTM1050T在內(nèi)部已經(jīng)集成了CAN總線ESD保護(hù)器件，因此，在硬件設(shè)計(jì)中無(wú)需加載二極管，只需配裝一個(gè)去耦電容C17，當(dāng)前模式仍然需要RJ8作為CAN總線終端匹配電阻。

在MC9S12XEP100主控芯片中，提供了兩路CAN協(xié)議接口，當(dāng)主控單片機(jī)相應(yīng)引腳因外部原因發(fā)生故障時(shí)，可通過(guò)相應(yīng)的跳線電阻切換工作端口。這種冗余設(shè)計(jì)［7］能增加系統(tǒng)的平均鼓掌間隔時(shí)間，提高記錄儀的可靠性。

2.3 CAN總線接口固件設(shè)計(jì)

2.3.1 CAN總線接收數(shù)據(jù)原理分析

記錄儀總CAN總線接口主要完成數(shù)據(jù)的接收，并對(duì)相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行封包和解析。CAN總線模塊的接收緩沖器結(jié)構(gòu)如圖4所示。

CAN總線系統(tǒng)中，每個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)通過(guò)收發(fā)器物理連接到CAN總線線路。收發(fā)器驅(qū)動(dòng)供工作所需的最大電流，并具有對(duì)故障節(jié)點(diǎn)的電流保護(hù)。圖5為CAN總線系統(tǒng)。

圖3 CAN模塊硬件電路圖

圖4 接收緩沖器結(jié)構(gòu)

圖5 CAN總線系統(tǒng)

記錄儀的CAN總線接口將實(shí)時(shí)接收多通道數(shù)據(jù)，利用CAN總線接收標(biāo)識(shí)符定義不同的ID對(duì)多通道數(shù)據(jù)進(jìn)行封包和解析［8］。這些位中的任何一個(gè)都可以在標(biāo)識(shí)符掩碼寄存器中表示為不比較，這種可編程通用標(biāo)識(shí)符接收濾波器可以有效降低CPU的中斷負(fù)載，該方案中通過(guò)編程，實(shí)現(xiàn)的具體工作模式為：8個(gè)標(biāo)識(shí)符接收濾波器，每個(gè)都應(yīng)用與標(biāo)識(shí)符的前8位，它符合CAN2.0A/B的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)符，CAN2.0A/B標(biāo)準(zhǔn)幀協(xié)議如表1所示。一個(gè)8位濾波器頁(yè)產(chǎn)生濾波器匹配過(guò)程如下頁(yè)圖6所示。

2.3.2 CAN接口程序設(shè)計(jì)

CAN接口模塊工作前首先對(duì)CAN模塊進(jìn)行初始化設(shè)計(jì)，寄存器CAN0CTL0_INITRQ=1，表示CAN模塊進(jìn)入初始化狀態(tài)；寄存器CAN0BTR0_SJW=0，設(shè)置同步跳轉(zhuǎn)寬度為1個(gè)Tq時(shí)鐘周期；寄存器CAN0BTR0_BRP=2，設(shè)置波特率預(yù)分頻值為3；寄存器CAN0BTR1=0x1c，設(shè)置時(shí)間段1和時(shí)間段2的值；CAN傳輸位時(shí)間=預(yù)分頻值*（1+時(shí)間段1+時(shí)間段2）/fCANCLK，由上述對(duì)寄存器配置，可以得到CAN總線的傳輸速率為1 Mb/s。

表1 CAN2.0A/B標(biāo)準(zhǔn)幀協(xié)議

為了能接收多通道數(shù)據(jù)，需要對(duì)CAN總線濾波器進(jìn)行設(shè)置，要求對(duì)不同數(shù)據(jù)ID進(jìn)行屏蔽或者接收設(shè)置。首先對(duì)標(biāo)識(shí)符接收模式設(shè)置，方案中選用8個(gè)8位接收濾波器，寄存器配置為CAN0IDAC=0x20；然后對(duì)8個(gè)濾波器的詳細(xì)配置為：

1）8個(gè)標(biāo)識(shí)符驗(yàn)收控制寄存器：

CAN0IDAR0=0x2C；

CAN0IDAR1=0x8C；

CAN0IDAR2=0x6C；

圖6 濾波器匹配過(guò)程

CAN0IDAR3=0x64；

CAN0IDAR4=0x24；

CAN0IDAR5=0x50；

CAN0IDAR6=0x18；

CAN0IDAR7=0x00；

2）8個(gè)標(biāo)識(shí)符掩碼寄存器：

CAN0IDMR0=0x05；

CAN0IDMR1=0x02；

CAN0IDMR2=0x03；

CAN0IDMR3=0x01；

CAN0IDMR4=0x05；

CAN0IDMR5=0x02；

CAN0IDMR6=0x01；

CAN0IDMR7=0x00；

完成對(duì)CAN總線濾波器配置后，CAN總線正常工作還需要使能其CAN功能，并確定CAN接口的時(shí)鐘源，這里設(shè)置CAN總線時(shí)間為總線時(shí)鐘源48 MHz，寄存器配置為CAN0CTL1=0xC0；CAN總線接口接收多通道數(shù)據(jù)采用中斷方式［9］，所以在初始化設(shè)計(jì)中應(yīng)該配置寄存器為中斷使能模式，具體配置為CAN0RIER_RXFIE=1。以上操作完成對(duì)CAN接口模塊的初始化設(shè)計(jì)。

CAN接口模塊接收多通道數(shù)據(jù)時(shí)，先寫入ID寄存器：

CAN0TXIDR0=（unsigned char）（msg.id>>3）；

CAN0TXIDR1=（unsigned char）（msg.id＜＜5）；

CAN接口模塊想要準(zhǔn)確接收每個(gè)通道數(shù)據(jù)，需讀取ID寄存器：

msg->id= （unsigned int）（CAN0RXIDR0＜＜3）|（unsigned char）（CAN0RXIDR1>>5）；只有寫入 ID和讀取ID一致時(shí)，看它是否通過(guò)濾波器，同時(shí)被寫入有效RXBG。CAN模塊的標(biāo)識(shí)符接收寄存器定義了擴(kuò)展標(biāo)識(shí)符的可接受模式［8］。標(biāo)識(shí)符的匹配標(biāo)志能清晰識(shí)別并引起接收的濾波寄存器完成對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)文的接收工作。CAN總線接口模塊接收多通道數(shù)據(jù)流程圖如圖7所示。

圖7 CAN接口模塊接收數(shù)據(jù)流程圖

2.4 記錄儀其他模塊設(shè)計(jì)

記錄儀其他模塊諸如：電源模塊、時(shí)鐘模塊、主控MCU接口配置等。電源模塊根據(jù)元器件的要求供電電壓為5 V；時(shí)鐘模塊主要為主控MCU提供48 MHz時(shí)鐘；主控MCU接口配置主要完成引腳功能設(shè)置，并完成對(duì)所有模塊的固件初始化。

3 測(cè)試分析

為了驗(yàn)證記錄儀的CAN總線接口設(shè)計(jì)的可靠性，將車載記錄儀中記錄的數(shù)據(jù)與采集系統(tǒng)中原始數(shù)據(jù)文件分析比較如下頁(yè)圖8得出：記錄儀存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)完全正確，且無(wú)數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。CAN總線接口設(shè)計(jì)具有可行性。

上述分析表明CAN總線接口接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，然而記錄儀的CAN總線接口設(shè)計(jì)需正確接收多通道數(shù)據(jù)，完成對(duì)多通道數(shù)據(jù)的接收。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，記錄儀的CAN總線接口設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)對(duì)多通道數(shù)據(jù)的記錄，經(jīng)過(guò)上述測(cè)試，從而驗(yàn)證了記錄儀的CAN總線接口設(shè)計(jì)的有效性。圖9為CAN總線接口接收多通道數(shù)據(jù)在上位機(jī)驗(yàn)證過(guò)程。

4 結(jié)論

圖8 數(shù)據(jù)比較分析

圖9 多通道數(shù)據(jù)

本文提出一種車載數(shù)據(jù)記錄儀的多通道CAN總線接口設(shè)計(jì)，記錄儀通過(guò)CAN總線接口接收多個(gè)采集系統(tǒng)的消息數(shù)據(jù)，避免了使用傳統(tǒng)RS232總線進(jìn)行通信存在的傳輸速率不高、穩(wěn)定性不強(qiáng)等問(wèn)題。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)具有可行性、有效性。