李繼武

（南京城市職業(yè)學(xué)院智能工程學(xué)院，江蘇 南京 211200）

CAN總線技術(shù)課程是新能源汽車專業(yè)核心課程，承擔(dān)著培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)崗位需求，提高應(yīng)用能力的重任，而以培養(yǎng)應(yīng)用能力為核心改革實訓(xùn)教學(xué)，是高職院校人才培養(yǎng)工作內(nèi)涵式發(fā)展的主要努力方向。高職院校新能源汽車專業(yè)目前在講授新能源汽車CAN總線技術(shù)課程時主要依賴于CAN網(wǎng)絡(luò)硬件實訓(xùn)臺架，這種臺架通常只是將汽車上的相關(guān)CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備拆解下來，再組裝到一個工作臺上，通上電后可以測量CAN網(wǎng)絡(luò)電壓和波形。停留在這個層次上的實訓(xùn)臺架，只能滿足低層次認知實訓(xùn)，無法勝任高職教育創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的高層次需求［1］。汽車CAN總線技術(shù)課程是汽車技術(shù)、通信技術(shù)和計算機軟硬件技術(shù)結(jié)合的課程，從崗位人才需求角度考慮，學(xué)生不僅需要掌握汽車技術(shù)和CAN總線技術(shù)，還需要從軟件開發(fā)的角度入手，掌握CAN數(shù)據(jù)報文幀的截獲破解方法、報文幀的收發(fā)過程以及控制設(shè)備的原理。

本文設(shè)計了一款CAN總線教學(xué)平臺軟件，它利用USBCAN接口卡接入某純電動汽車的CAN網(wǎng)絡(luò)，通過配置濾波器和波特率等參數(shù)，可以截獲破解舒適網(wǎng)、動力網(wǎng)等CAN數(shù)據(jù)。根據(jù)破解的CAN數(shù)據(jù)，平臺實現(xiàn)了自動空調(diào)、組合開關(guān)、雨刮開關(guān)、背光調(diào)節(jié)等設(shè)備的CAN命令控制模塊。實踐表明，利用本平臺軟件開展CAN總線技術(shù)課程實訓(xùn)教學(xué)，有效提高了學(xué)生的應(yīng)用能力。作為創(chuàng)新教育和專業(yè)教育相結(jié)合的產(chǎn)品，以平臺軟件為核心搭建的工作坊為本專業(yè)學(xué)生開展創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐提供了重要的機會和可能［2］。

1 硬件結(jié)構(gòu)

1.1 測試用車

平臺測試用車為2019年上市的某款純電動汽車，該車工信部純電續(xù)航里程為400km，電池能量52kWh，前置永磁同步單電機，單速變速器，4.3英寸液晶儀表，自動空調(diào)。

1.2 檢測點選擇

平臺測試用新能源汽車CAN總線網(wǎng)絡(luò)包含3個通信子網(wǎng)，分別為舒適網(wǎng)125kb/s，動力網(wǎng)250kb/s，ESC網(wǎng)500kb/s。

新能源汽車CAN網(wǎng)絡(luò)各子網(wǎng)之間由于通信速率不同，互相之間信息交換需要由網(wǎng)關(guān)控制器進行轉(zhuǎn)發(fā)［3］。網(wǎng)關(guān)是汽車內(nèi)部通信的核心，通過它可以實現(xiàn)各條總線上信息的共享、網(wǎng)絡(luò)管理和故障診斷功能［4］。各子網(wǎng)同網(wǎng)關(guān)控制器的連接關(guān)系如圖1所示。

圖1 某款純電動汽車網(wǎng)關(guān)控制器電氣連接圖

本平臺軟件因為要對測試用汽車CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進行采樣，所以選取圖1中的①~⑥作為檢測點，并引出采樣接口。

1.3 USBCAN接口卡

USB接口是一種方便、靈活、簡單且即插即用的通用串行總線，CAN總線可以通過USBCAN接口卡與USB接口連接從而與主機進行高速通信。USBCAN接口卡用于在USB總線和CAN總線之間完成數(shù)據(jù)的雙向收發(fā)功能。

平臺選用的USBCAN接口卡是廣成科技公司生產(chǎn)的USBCAN-IIV502型，該接口卡使用鳳凰端子接線方式，具有兩路CAN總線接口，支持CAN2.0A/CAN2.0B幀格式，通信波特率在5kb/s至1Mb/s之間可自由設(shè)置，電源供電采用USB總線方式，CAN總線接口每秒最多接收14000幀數(shù)據(jù)，支持Windows操作系統(tǒng)。

1.4 硬件連線圖

上位機PC、USBCAN接口卡和網(wǎng)關(guān)控制器三者連接關(guān)系如圖2所示。從USBCAN接口卡引出的L、H兩根CAN引線可以接到網(wǎng)關(guān)控制器的7和8引腳（舒適網(wǎng)）或14和13引腳（ESC網(wǎng)）或9和10引腳（動力網(wǎng)），從而接入汽車CAN網(wǎng)絡(luò)。

圖2 硬件連線圖

2 軟件平臺設(shè)計

2.1 打開CAN設(shè)備

程序啟動后，首先要調(diào)用ECAN鏈接庫中的OpenDevice函數(shù)打開USBCAN接口卡。該函數(shù)需要指定2個輸入?yún)?shù)：設(shè)備類型和設(shè)備索引。設(shè)備類型設(shè)置為4表示USBCANⅡ類型；設(shè)備索引設(shè)置為0表示只有1個設(shè)備。如果有2個設(shè)備，可以指定為0或1。

2.2 初始化CAN設(shè)備

打開USB-CAN接口卡后需要通過INIT_CONFIG結(jié)構(gòu)體初始化濾波器和波特率等參數(shù)。平臺采用恩智浦半導(dǎo)體生產(chǎn)的CAN總線控制器，型號為SJA1000，它有兩種工作模式：BasicCAN和PeliCAN。在BasicCAN模式下，SJA1000只支持接收發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)幀格式報文；在PeliCAN模式下，SJA1000可以接收發(fā)送標(biāo)準(zhǔn)幀格式和擴展幀格式兩種報文。通過軟件編程使用SJA1000的驗收濾波器可以濾掉無關(guān)報文。SJA1000驗收濾波器包含4個驗收碼寄存器：ACR0、ACR1、ACR2和ACR3；同時它還擁有4個屏蔽碼寄存器：AMR0、AMR1、AMR2和AMR3。驗收碼與屏蔽碼按位對應(yīng)，如果屏蔽碼某位為1，則報文幀ID對應(yīng)位不參與屏蔽接收數(shù)據(jù)；如果屏蔽碼某位為0，則該報文幀ID對應(yīng)位和驗收碼對應(yīng)位相同時，表示該位允許接收數(shù)據(jù)；只有報文幀ID所有位都允許接收數(shù)據(jù)，SJA1000控制器才會接收該報文，并將其放入接收數(shù)據(jù)緩沖區(qū)［5］。

INIT_CONFIG結(jié)構(gòu)體同濾波器相關(guān)的成員有3個：Acc－Code、AccMask和Filter。其中AccCode表示驗收碼，AccMask表示屏蔽碼，F(xiàn)ilter表示濾波使能，0表示不使能，1表示使能，只有在使能情況下，才能啟用SJA1000濾波功能。濾波器設(shè)計界面如圖3所示。

圖3 濾波器設(shè)置

設(shè)置通信波特率需要使用SJA1000控制器的2個寄存器：BTR0（總線定時寄存器0）和BTR1（總線定時寄存器1）。BTR0定義了波特率預(yù)設(shè)值（BRP）和同步跳轉(zhuǎn)寬度（SJW）的值，如表1所示。

表1 總線定時寄存器0

CAN總線時鐘周期tSCL計算公式如下：

式中：tCLK——SJA1000的晶振周期。考慮到平臺采用的晶振頻率f為16MHz，因此tCLK=1/f=1/16μs。計算樣例數(shù)據(jù)如下：

BTR1定義了每個位周期的長度、采樣點的位置和在每個采樣點的采樣數(shù)目，如表2所示。

表2 總線定時寄存器1

SAM表示采樣數(shù)目，0表示單倍采樣；TSEG1和TSEG2決定了每一位的時鐘數(shù)目和采樣點位置，關(guān)于SYNCSEG、TSEG1和TSEG2，計算公式如下：

根據(jù)上述公式計算表2樣例，結(jié)果如下：

通過上面計算得到tSYNCSEG、tTSEG1和tTSEG2結(jié)果值后，可以計算出SJA1000控制器的位周期和通信波特率，公式如下：

計算SJA1000控制器的位周期和通信波特率，結(jié)果如下：

綜上，如果BTR0（總線定時寄存器0）設(shè)置為0x03，BTR1（總線定時寄存器1）設(shè)置為0x1C，計算出的SJA1000控制器通信波特率為125kb/s，其它常用波特率設(shè)置情況如表3所示。

表3 SJA1000控制器常用CAN通信波特率設(shè)置

2.3 打開CAN通道

初始化USB-CAN接口卡參數(shù)后，需要調(diào)用StartCAN函數(shù)打開該接口卡的某個CAN通道。如果有多個CAN通道，每次調(diào)用都要指定要使用的CAN通道號。

2.4 接收CAN數(shù)據(jù)

USB-CAN接口卡某個CAN通道打開后，即可開始接收CAN數(shù)據(jù)。由于接收CAN數(shù)據(jù)過程是一個耗時操作，可能導(dǎo)致用戶界面停止響應(yīng)，為了提高程序響應(yīng)性，使用戶界面及時刷新CAN數(shù)據(jù)，本平臺設(shè)計了一個“后臺耗時+通信更新”方案，即開啟一個后臺獨立線程完成接收CAN數(shù)據(jù)的耗時操作，然后通過線程間事件通信，完成用戶界面更新操作。

2.4.1 程序核心設(shè)計方案

使用BackgroundWorker對象開啟單獨線程完成耗時操作并及時響應(yīng)更新用戶界面，需要按照下面步驟進行設(shè)計。

1）創(chuàng)建一個BackgroundWorker對象。BackgroundWorker對象屬于System.ComponentModel命名空間，它是完成本方案的核心對象。

2）訂閱BackgroundWorker對象的3個事件：DoWork事件、ProgressChanged事件和RunWorkerCompleted事件。

DoWork事件用于執(zhí)行耗時操作，耗時期間需要不斷輪詢CancellationPending屬性，其值一旦為true，則中止耗時操作。

ProgressChanged事件用于接收耗時操作的計算結(jié)果并實時更新用戶界面，事件處理程序的第2個參數(shù)，其類型為ProgressChangedEventArgs，它有一個UserState屬性，是后臺線程向本事件傳遞進度數(shù)據(jù)的媒介。

RunWorkerCompleted事件在后臺耗時操作已完成、被取消或引發(fā)異常時觸發(fā)。判斷哪個原因觸發(fā)了該事件需要根據(jù)第2個參數(shù)，其類型是RunWorkerCompletedEventArgs，它有Cancelled、Error和Result三個屬性，如果耗時操作中途取消，則Cancelled屬性為true；如果發(fā)生異常，則Error屬性指明發(fā)生了哪種錯誤；如果既沒中途取消，又沒發(fā)生異常，則可通過Result屬性獲得耗時操作結(jié)果。

3）啟動后臺線程。調(diào)用BackgroundWorker對象的RunWorkerAsync方法將觸發(fā)DoWork事件，啟動后臺線程開始執(zhí)行耗時工作。

2.4.2 程序核心代碼

整個程序最核心部分是后臺線程接收CAN數(shù)據(jù)的耗時操作，其代碼如下（部分）：

上述代碼中，CAN_OBJ作為結(jié)構(gòu)體類型代表幀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。Transmit發(fā)送函數(shù)和Receive接收函數(shù)使用CAN_OBJ結(jié)構(gòu)體來傳送CAN信息幀。Receive函數(shù)從指定的設(shè)備CAN通道的緩沖區(qū)里讀取數(shù)據(jù)，函數(shù)原型如下：

上述參數(shù)中，pReceive參數(shù)是一個指針變量，表示用來接收的數(shù)據(jù)幀數(shù)組。根據(jù)本方案設(shè)計的程序，接收CAN數(shù)據(jù)界面如圖4所示。

圖4 接收CAN數(shù)據(jù)界面

2.5 發(fā)送CAN數(shù)據(jù)

發(fā)送CAN數(shù)據(jù)需要調(diào)用ECAN鏈接庫中的Transmit函數(shù)，其原型如下：

上述參數(shù)中，pSend參數(shù)是一個指針類型，表示要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀數(shù)組，Len參數(shù)是一個整數(shù)類型，表示要發(fā)送的數(shù)據(jù)幀數(shù)組的長度。函數(shù)成功調(diào)用后，返回實際發(fā)送的幀數(shù)。發(fā)送CAN數(shù)據(jù)的界面如圖5所示。

圖5 發(fā)送CAN數(shù)據(jù)界面

3 系統(tǒng)測試

以2019款某純電動汽車的“雨刮洗滌”部件為研究對象，運行本實訓(xùn)平臺軟件，檢測出CAN命令如表4所示。

表4 某純電動汽車“雨刮洗滌”部件CAN命令測試結(jié)果

根據(jù)檢測結(jié)果，進一步開發(fā)“雨刮洗滌”功能模塊，程序運行界面如圖6所示。

圖6 某純電動汽車“雨刮洗滌”部件CAN命令控制模塊

任選一種“雨刮”工作模式，雙擊即可發(fā)送CAN命令控制雨刮工作。實際測試表明，CAN命令發(fā)出后，汽車雨刮即可按照指定模式工作。

4 結(jié)束語

1）本文搭建了“上位機PC+USBCAN設(shè)備+汽車網(wǎng)關(guān)控制器”硬件環(huán)境，設(shè)計開發(fā)了一款新能源汽車CAN總線實訓(xùn)教學(xué)軟件平臺，通過該平臺可以接收、分析新能源汽車CAN總線數(shù)據(jù)，并向新能源汽車發(fā)送CAN命令，同時以某款純電動汽車為例，開發(fā)了自動空調(diào)、組合開關(guān)和雨刮開關(guān)等部件的CAN命令控制模塊。

2）本文設(shè)計的實訓(xùn)平臺彌補了各高校在用的CAN網(wǎng)絡(luò)實訓(xùn)平臺的不足，演示直觀，控制邏輯清晰，提高學(xué)生崗位應(yīng)用能力效果明顯。

3）通過本文設(shè)計的實訓(xùn)平臺可建立專業(yè)工作坊，為大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育提供一個切實可行的途徑。

4）本文設(shè)計的實訓(xùn)平臺后續(xù)可持續(xù)拓展不同車型，以豐富平臺功能，增加實訓(xùn)教學(xué)應(yīng)用場景，模擬企業(yè)真實環(huán)境，提高人才培養(yǎng)質(zhì)量和就業(yè)競爭力。