一種基于單片機(jī)的車輛虛擬儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.2 頻率信號(hào)測(cè)量

　　頻率信號(hào)測(cè)量是本系統(tǒng)的一個(gè)設(shè)計(jì)難點(diǎn)，在本課題中，對(duì)于不同的車型所選用的傳感器不同，因此對(duì)轉(zhuǎn)速和車速頻率信號(hào)的處理可以有兩種方法：一是當(dāng)選用輸出頻率范圍為0-100HZ的接觸式傳感器時(shí)，采用CS289頻壓轉(zhuǎn)換芯片，將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換成2.2~7.2V的電壓信號(hào)然后送ADC采集;二是當(dāng)選用輸出信號(hào)頻率范圍為0~3000HZ的非接觸式傳感器時(shí)，通過(guò)單片機(jī)捕獲端口用脈沖計(jì)數(shù)的方法進(jìn)行頻率測(cè)量。為提高系統(tǒng)的通用性，可以同時(shí)采用了這兩種方法，具體采用哪一種方法得到的數(shù)據(jù)通過(guò)上微機(jī)軟件設(shè)定。圖2為F/V轉(zhuǎn)換電路圖。

　　圖2 F/V轉(zhuǎn)換電路圖

　　CS289是美國(guó)Cherry公司生產(chǎn)的單片高精度專用轉(zhuǎn)速測(cè)量芯片，在-400至+850溫度范圍內(nèi)都能有很好的線性輸出。它不僅可以用于 F/V、V /F轉(zhuǎn)換，還可以用作函數(shù)發(fā)生器以及動(dòng)磁式儀表驅(qū)動(dòng)。由其構(gòu)成的F/V轉(zhuǎn)換電路外圍元件少，調(diào)試容易，工作穩(wěn)定可靠。圖2所示，整形后的轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)經(jīng)濾波網(wǎng)絡(luò)和限幅輸入CS289第10腳，電壓信號(hào)由第8腳輸出，經(jīng)濾波消除可能的工頻干擾后送采樣電路。本電路中，輸出電壓和輸入頻率的關(guān)系由下式?jīng)Q定：上位機(jī)據(jù)此線性關(guān)系解算出頻率值。為保證F/V變換具有足夠高的線性度，應(yīng)合理選取的值。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)軟件主要完成三項(xiàng)任務(wù)：1、傳感器信號(hào)的采樣與解算;2、上位機(jī)請(qǐng)求數(shù)據(jù)時(shí)將采集的數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī);3、接收到上位機(jī)自檢命令時(shí)，上傳數(shù)據(jù)完成傳感器信號(hào)到標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的切換。程序流程如圖3所示。

　　圖3 程序流程如圖

　　主程序采用模塊化編程。具有故障自診斷功能是虛擬儀表的重要特征之一，為此數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了3組標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，分別是頻率信號(hào)、電壓信號(hào)和電阻信號(hào)，自檢模塊的主要功能是：當(dāng)接收到上位機(jī)發(fā)出的自檢命令后，微控制器斷開(kāi)傳感器輸入，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)被接入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將得到的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較，以確定故障點(diǎn)是傳感器系統(tǒng)還是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，若自檢通過(guò)則表示數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)工作正常。數(shù)據(jù)發(fā)送模塊主要實(shí)現(xiàn)對(duì)上位機(jī)的數(shù)據(jù)通信，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為每隔20毫秒將數(shù)據(jù)分組發(fā)送到上位機(jī)。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存模塊完成各種數(shù)據(jù)寫入在片主RAM的操作，為了區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)類型，需要在數(shù)據(jù)塊中添加相應(yīng)的類型標(biāo)識(shí)碼，該碼由用戶層協(xié)議自行定義。A/D采樣模塊控制系統(tǒng)采樣過(guò)程，并將每一路12位采樣數(shù)據(jù)分兩次讀入指定的RAM單元中。

　　頻率信號(hào)處理模塊完成對(duì)捕獲端口頻率的測(cè)量，其基本思想是：在被測(cè)信號(hào)的一個(gè)周期時(shí)間內(nèi)，2次脈沖下降沿分別啟動(dòng)和停止定時(shí)器T2計(jì)數(shù)，兩次計(jì)數(shù)值之差的倒數(shù)即為頻率值，本模塊只需計(jì)算差值，頻率值由上位機(jī)解算。

　　3.1CAN控制器編程

　　本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的一個(gè)難點(diǎn)在于關(guān)于CAN的編程。本系統(tǒng)處理的CAN程序模塊有：CAN初始化子程序、CAN中斷程序和CAN數(shù)據(jù)收發(fā)子程序。

　　CAN 是Controller Area Network 的縮寫，是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的串行通信協(xié)議。在當(dāng)前的汽車產(chǎn)業(yè)中，出于對(duì)安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統(tǒng)被開(kāi)發(fā)了出來(lái)。由于這些系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)類型及對(duì)可靠性的要求不盡相同，由多條總線構(gòu)成的情況很多，線束的數(shù)量也隨之增加。為適應(yīng)"減少線束的數(shù)量"、"通過(guò)多個(gè) LAN,進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的高速通信"的需要，1986 年德國(guó)電氣商博世公司開(kāi)發(fā)出面向汽車的CAN 通信協(xié)議。此后，CAN 通過(guò)ISO11898 及ISO11519 進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，現(xiàn)在在歐洲已是汽車網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

　　CAN總線的基本特點(diǎn)：

　　*CAN協(xié)議廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，采用數(shù)據(jù)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編程，可以多主方式工作。

　　*CAN采用非破壞性仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上傳送數(shù)據(jù)時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，有效避免了總線沖突。

　　*CAN采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的 有效字節(jié)為8個(gè)(CAN技術(shù)規(guī)范2.0A)，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低，重新發(fā)送的時(shí)間短。

　　*CAN的每幀數(shù)據(jù)都有CRC效驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃裕m于在高干擾環(huán)境中使用。

　　*適用于現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與儀表之間或者與其上位設(shè)備間的通信網(wǎng)絡(luò)，可以統(tǒng)一組態(tài)，相互操作，控制功能分散到最底層。

　　*CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下，具有自動(dòng)關(guān)閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上其它操作不受影響。

　　*CAN可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)(成組)及全局廣播集中方式傳送和接受數(shù)據(jù)

　　*CAN總線直接通訊距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km/5Kbps,通訊速率最高可達(dá)1Mbps/40m.

　　*采用不歸零碼(NRZ-Non-Return-to-Zero)編碼/解碼方式，并采用位填充(插入)技術(shù)。

　　CAN控制器是以CPU存儲(chǔ)器映像外圍設(shè)備出現(xiàn)的。P80C592的CPU與CAN控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸通過(guò)4個(gè)特殊功能寄存器來(lái)實(shí)現(xiàn)，即： CANADR、CANCON、CANSTA和CANDAT,通過(guò)這四個(gè)特殊功能寄存器，CPU可以訪問(wèn)CAN控制器內(nèi)部的任一寄存器(地址為0~29)和 DMA邏輯。表1給出了這四個(gè)SFR的功能簡(jiǎn)述，其中CANCON和CANSTA的讀寫操作含義不同。