基于CAN總線的行車記錄儀設(shè)計

　　CAN總線（CAN．bus）是一種串行多主站控制器局域網(wǎng)總線，其主要原理是把車輛上相關(guān)控制器都聯(lián)系起來，實現(xiàn)發(fā)動機控制器，變速箱控制器，ABS控制器，車身控制器，儀表及其它控制器的通信。CAN—bus系統(tǒng)除了使整車線束更少、更井井有條，整車重量更輕外，更大的好處是做到了全車信息即時共享。

　　本文探討基于CAN總線的行車記錄儀設(shè)計和實現(xiàn)，詳細闡述了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、硬件電路設(shè)計、軟件設(shè)計流程。所開發(fā)的行車記錄儀用于在車輛行駛過程中實時采集汽車CAN總線數(shù)據(jù)信息，并將數(shù)據(jù)存儲在u盤中，以u盤為載體傳輸給PC機，可運用PC機上的軟件對數(shù)據(jù)進行分析?？朔艘酝F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須有一臺計算機的模式，可實時了解汽車運行期間各種數(shù)據(jù)信息變化，同步記錄行駛狀況，在車輛長時間測試或行駛以后，記錄的數(shù)據(jù)用于分析車輛行駛性能以及各部件的運行情況，方便了標定和設(shè)計工作的進行。

　　1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　由于CAN串行通訊總線的良好特性，被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、汽車制造業(yè)和航空工業(yè)等領(lǐng)域。本文所設(shè)計的基于CAN總線數(shù)據(jù)記錄儀是應(yīng)用在奇瑞汽車A5車型上的，對整車CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點數(shù)據(jù)進行采集和存儲。A5是第一款應(yīng)用CAN bus總線系統(tǒng)的自主品牌國產(chǎn)轎車，其CAN—bus主要應(yīng)用在傳動部，在車身部、ITS部和信息部等也有少量的應(yīng)用。對A5這款首次使用CAN技術(shù)的車型進行實時數(shù)據(jù)采集，可了解汽車運行期問各種數(shù)據(jù)信息變化，對A5乃至后續(xù)所有車款的研發(fā)來說，都有著非常重要的意義。

　　CAN總線行車記錄儀的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　CAN 總線行車記錄儀工作時應(yīng)掛接到汽車CAN總線上成為一個CAN節(jié)點，以便采集CAN數(shù)據(jù)信息。由圖1所示，該系統(tǒng)不僅采集車內(nèi)的CAN總線消息，還可根據(jù)需要實時采集模擬信號量。液晶屏用來顯示采集的各路信號值，具有掉電保護功能，重新通電后，即可恢復顯示原有數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)除了用液晶屏實時顯示給用戶外，還可通過USB接口芯片CH375 將之存儲到u盤中，供實驗員拿回實驗室分析使用，如要實現(xiàn)存儲功能，按下存儲開關(guān)即可。

　　圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　根據(jù)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，硬件電路主要有如下幾個大模塊：主控制器模塊、液晶模塊、CAN驅(qū)動器模塊、電源模塊、CH375接口電路模塊。

　　2．1 主控制器模塊

　　系統(tǒng)CPU采用Freescale公司的MC9S12XD 系列單片機。它是控制和通信部分的核心，不僅負責系統(tǒng)初始化設(shè)置及報文接收，而且實現(xiàn)有關(guān)的數(shù)據(jù)判斷處理和顯示。片內(nèi)集成了構(gòu)成單片機控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所需的幾乎全部模擬和數(shù)字外設(shè)及其它功能部件，其主要特點如下：

　?。?）MC9S12XD系列帶有獨特的XGATE協(xié)處理器，本系統(tǒng)中CAN信號的接收是由中斷程序完成的，而中斷處理程序交給XGATE來處理，這樣將減輕CPU負荷，提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度。

　?。?）帶有l(wèi)6個模數(shù)轉(zhuǎn)換通道，給采集模擬信號提供了硬件支持，并可編程選擇精確到10位精度。

　?。?）帶有5個MSCAN模塊，內(nèi)部集成有CAN控制器，對CAN 模塊的配置實質(zhì)上轉(zhuǎn)化為了對單片機相應(yīng)寄存器的配置，使用方便靈活。

　?。?）背景調(diào)試模式BDM 的支持，使得芯片的調(diào)試極為方便，加快了產(chǎn)品開發(fā)周期。

　?。?）豐富的中斷源，為系統(tǒng)在非操作系統(tǒng)支持下運行提供了充分的保障。

　　2．2 液晶顯示模塊

　　系統(tǒng)采用的是WYM19264液晶，分3屏顯示，每屏可顯示容量為64x64的點陣。該液晶外部接口采用20腳針式插座，與單片機的連接電路也比較簡單，其中片選信號CS1、CS2分別與單片機的PH6、PH5相連，控制信號RS、R／W、EN分別與PK4、PJ1、PJ0相連，8條數(shù)據(jù)線 （DBO~DB7）則連接PB端口的8個引腳（PB0-PB7），實行并口傳輸。

　　2．3 CAN驅(qū)動器模塊

　　CAN 驅(qū)動器接口芯片選用PAC82C250，它是CAN協(xié)議控制器和物理總線的接口， 主要是為汽車中高速通訊（高達1Mbps）應(yīng)用而設(shè)計的。此器件對總線提供差分發(fā)送能力，對CAN控制器提供差動接收能力，具有抗汽車環(huán)境中的瞬間干擾而保護總線功能。其管腳8（Rs）允許選擇不同的工作模式：高速、待機、斜率控制，本系統(tǒng)中將管腳8接地，選用其高速模式。而RX、TX則與單片機CAN模塊引腳相連，本系統(tǒng)中選用的是CAN0模塊，即分別與RXCAN0、TXCAN0連接。

　　2．4 電源模塊

　　記錄儀電源取自12V車載蓄電池電源，該電源除供系統(tǒng)工作外，還擔負點火、照明、信號等設(shè)備的供電，電源波動大，干擾嚴重，由于汽車在行駛過程中，可能遇到路面狀況比較惡劣的情況，會出現(xiàn)記錄儀電源接口由于劇烈震動所造成的松動或接觸不良，因此電源模塊必須精心設(shè)計才能滿足需求。

　　電源模塊電路簡圖如圖2所示，其中U1是由電池提供的6V備份電源，U2（主電源）是車載12V電源，該電源模塊被分成2路，經(jīng)7805穩(wěn)壓后的+5v 電壓單獨給液晶供電，經(jīng)4275轉(zhuǎn)換后的VCC給整個單片機及輔助電路供電。系統(tǒng)正常工作時，D1處于截止狀態(tài)，備份電池不起作用，一旦失去主電源供給，則D1迅速導通，備份電源自動啟動為系統(tǒng)供電。

　　圖2 電源模塊

　　電源模塊此種設(shè)計方案有2個原因，如下所示：

　　（1） 備用電池的采用。記錄儀存儲采集數(shù)據(jù)，即將采集數(shù)據(jù)按順序?qū)戇M為記錄文件所分配的簇中，當采集結(jié)束時實驗員斷開存儲開關(guān)或者因掉電而采集被迫終止，單片機都需要做關(guān)閉記錄文件這一重要處理。關(guān)閉文件就是將文件實際長度和采集數(shù)據(jù)記錄總數(shù)寫進文件相關(guān)頭中。假如不正確關(guān)閉文件，或者因為掉電來不及關(guān)閉文件，Windows將無法找到文件的末尾，PC機軟件也因找不到采集數(shù)據(jù)的末尾而無法打開文件，此時，所做的采集工作將因此失敗。為了防止因掉電而無法關(guān)閉文件，本系統(tǒng)采用了備用電池。

　?。?）單片機和液晶單獨供電。主電源正常工作時，整個系統(tǒng)的電源由主電源供給，一旦主電源掉電，備用電池只給單片機供電，供單片機完成關(guān)閉文件處理，而液晶因掉電而不工作。因液晶的功耗較大而備份電池電力有限，此種分開2路的供電方式不但能提供關(guān)閉文件的電源需要，而且還節(jié)約了電池電力。

　　當然，備份電池不可能長時間使用，只能用于系統(tǒng)緊急關(guān)閉文件處理，為此設(shè)計了電源檢測信號，一旦檢測出主電源掉電，既啟用蜂鳴器和發(fā)光二極管來提醒用戶電源供電不正常，需工作人員檢查記錄儀電源接頭。

　　2．5 CI-I375接口電路模塊

　　本系統(tǒng)中的USB 接口芯片選用的南京沁恒電子公司的CH375，該芯片支持主機方式和設(shè)備方式．它具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機的系統(tǒng)總線上。還內(nèi)置了處理Mass—Storage海量存儲設(shè)備的專用通訊協(xié)議的固件，外部單片機可以直接以扇區(qū)為基本單位讀寫u盤。

　　讀選通信號RD#、寫選通信號WR#、片選信號CS#均是輸入信號且低電平有效，CS#是中斷請求輸出信號，也是低電平有效。而A0信號用來區(qū)分命令和數(shù)據(jù)，當A0=1時可以寫命令，當A0=0時可以讀寫數(shù)據(jù)，8位雙向數(shù)據(jù)總線與單片機的PA端口（PA0-PA7）相連，并口傳輸。其硬件上支持自動檢測 USB設(shè)備連接功能，在主機方式下正常連接時，其ACT#腳輸出低電平，因此使ACT# I腳外接上拉電阻并串聯(lián)一發(fā)光二極管，可用來標示USB設(shè)備是否正常連接。

　　在布PCB時，盡量使7805芯片布在板子邊緣且散熱比較好的地方，并且遠離液晶屏幕。因為在實際過程中，經(jīng)過測試，7805芯片產(chǎn)生大量的熱量，如果長時間使用并且靠近液晶屏幕，將會影響液晶的顯示效果。另外，盡量使電源模塊的發(fā)光二極管靠近電源接口，USB模塊的發(fā)光二極管靠近USB模塊，并且以顏色區(qū)分開，方便用戶觀察。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　在軟件設(shè)計方面采用模塊化設(shè)計思想和中斷調(diào)用方案，系統(tǒng)上電后首先進行初始化，對 CAN總線上的信息采用中斷方式接收，由XGATE處理中斷程序，系統(tǒng)每接收一幀信息，便產(chǎn)生一次中斷來觸發(fā)微處理器進入中斷，在中斷服務(wù)程序中讀取該幀數(shù)據(jù)并暫存在緩存里。此緩存是XGATE和CPU共享的，由于通過CH375讀寫u盤的數(shù)據(jù)單位是一個扇區(qū)，所以本系統(tǒng)將緩存設(shè)置為一個扇區(qū) （512Byte），當緩存滿時，由主程序?qū)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到U盤中。