基于CAN總線(xiàn)的重型卡車(chē)嵌入式車(chē)載儀表系統(tǒng)設(shè)計(jì)

重型卡車(chē)因其具有運(yùn)輸量大、運(yùn)輸成本低等特點(diǎn)，在工程建設(shè)、貨物運(yùn)輸、城市垃圾清運(yùn)等方面得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。但近年來(lái)重型卡車(chē)行車(chē)時(shí)引起的交通事故頻繁發(fā)生，給人民生命財(cái)產(chǎn)安全造成了巨大損失。隨著汽車(chē)電子技術(shù)的快速發(fā)展，基于CAN總線(xiàn)的重型卡車(chē)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已成為保證重型卡車(chē)可靠、安全運(yùn)行的一種有效技術(shù)措施[1]。采用分布式網(wǎng)絡(luò)控制，不僅可以減少線(xiàn)束，而且能夠提高各電子控制系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性，實(shí)現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的資源共享和在線(xiàn)故障診斷。
目前，國(guó)外基于CAN總線(xiàn)技術(shù)和J1939協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的重型卡車(chē)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究己經(jīng)進(jìn)入商用化階段，取得了顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益[2]。在國(guó)內(nèi)，一汽、上汽和中國(guó)重汽等集團(tuán)公司相繼都在其不同型號(hào)的重卡上采用CAN總線(xiàn)技術(shù)。但目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的成熟產(chǎn)品，基本上還是采用直接引進(jìn)國(guó)外著名汽車(chē)電子供應(yīng)商的產(chǎn)品的方式，很難掌握其關(guān)鍵技術(shù)，嚴(yán)重阻礙了我國(guó)重型卡車(chē)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展[1]。
本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于CAN總線(xiàn)的重型卡車(chē)車(chē)載儀表系統(tǒng)。該車(chē)載儀表系統(tǒng)是整個(gè)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的核心模塊，綜合應(yīng)用了CAN總線(xiàn)技術(shù)、嵌入式技術(shù)和智能儀器等技術(shù)，主要實(shí)現(xiàn)車(chē)況信息的收集與處理、行駛數(shù)據(jù)記錄、通信和顯示等功能，不僅為駕駛員判斷是否發(fā)生故障以及發(fā)生故障的狀況提供了依據(jù)，而且為運(yùn)輸公司的經(jīng)營(yíng)和事故處理提供依據(jù)。該研究工作對(duì)于我國(guó)汽車(chē)電子技術(shù)，特別是重型卡車(chē)設(shè)備的電子化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)具有積極的促進(jìn)作用。
1 重型卡車(chē)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
重型卡車(chē)通常由牽引車(chē)和拖車(chē)組成。由于牽引車(chē)要掛接一個(gè)或多個(gè)拖車(chē)，并可能需要頻繁地卸載和加掛拖車(chē)，因而應(yīng)在牽引車(chē)、拖車(chē)內(nèi)各自采用單獨(dú)的網(wǎng)段，由多網(wǎng)段組成的網(wǎng)絡(luò)來(lái)支持系統(tǒng)工作。如圖1所示是本文設(shè)計(jì)的基于CAN總線(xiàn)的重型卡車(chē)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它由牽引車(chē)網(wǎng)段和拖車(chē)網(wǎng)段組成。當(dāng)存在多個(gè)網(wǎng)段時(shí)，必須有相應(yīng)的橋接設(shè)備提供從一個(gè)網(wǎng)段到另一個(gè)網(wǎng)段的消息傳遞功能。各網(wǎng)段的信息通過(guò)橋接設(shè)備進(jìn)行報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)、過(guò)濾、地址轉(zhuǎn)換和重新打包等，從而減少每個(gè)子網(wǎng)的數(shù)據(jù)信息流量，使每個(gè)子網(wǎng)工作更有效，也提高了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的效率。
圖1中的網(wǎng)絡(luò)互連ECU即為實(shí)現(xiàn)牽引車(chē)網(wǎng)段和拖車(chē)網(wǎng)段互聯(lián)的橋接設(shè)備，牽引車(chē)端的是主橋接設(shè)備（Bridge Master），拖車(chē)端的是從橋接設(shè)備（Bridge Slave）。在牽引車(chē)網(wǎng)段和拖車(chē)網(wǎng)段內(nèi)，各個(gè)電子控制單元ECU通過(guò)CAN總線(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)互連ECU連接，構(gòu)成主從式分布式系統(tǒng)，網(wǎng)橋設(shè)備作為主節(jié)點(diǎn)，各個(gè)電子控制單元ECU作為從節(jié)點(diǎn)。主節(jié)點(diǎn)向從節(jié)點(diǎn)發(fā)出命令幀，從節(jié)點(diǎn)接收到命令幀后向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送響應(yīng)幀，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。網(wǎng)橋具有兩個(gè)CAN通信端口，一方面可以連接同一網(wǎng)段中各個(gè)電子控制單元ECU，另一方面可以實(shí)現(xiàn)牽引車(chē)和拖車(chē)之間的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)。牽引車(chē)的網(wǎng)橋周期地輪詢(xún)拖車(chē)系統(tǒng)中的網(wǎng)橋，當(dāng)拖車(chē)網(wǎng)橋接收到輪詢(xún)消息時(shí)，開(kāi)始對(duì)其網(wǎng)段中的各個(gè)電子控制單元ECU進(jìn)行監(jiān)測(cè)，接收電子控制單元ECU發(fā)送的報(bào)文信息，并將拖車(chē)網(wǎng)段中生成的報(bào)文傳到牽引車(chē)網(wǎng)橋。如果拖車(chē)系統(tǒng)已經(jīng)卸載，牽引車(chē)的網(wǎng)段仍然能正常工作，連接拖車(chē)網(wǎng)橋的CAN網(wǎng)絡(luò)處于等待狀態(tài)，一旦拖車(chē)系統(tǒng)被掛接上，便開(kāi)始對(duì)其進(jìn)行輪詢(xún)檢測(cè)。

2 嵌入式車(chē)載儀表硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
位于牽引車(chē)端的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)ECU，即主橋接設(shè)備是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的核心。它不僅是牽引車(chē)的主控設(shè)備，也是連接后面的拖車(chē)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的信息在此匯集、處理、存儲(chǔ)和顯示，據(jù)此可以判斷發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油液位是否過(guò)低、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液溫度是否過(guò)高、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力是否過(guò)低以及車(chē)燈是否發(fā)生故障，將這些故障信息以圖形的方式顯示出來(lái)，使駕駛員能夠隨時(shí)全面地監(jiān)測(cè)卡車(chē)運(yùn)行狀態(tài)。
網(wǎng)絡(luò)互連ECU采用Samsung公司的S3C2410作為微處理器。S3C2410是一款低價(jià)格、低功耗、高性能的16/32 bit且具有ARM920T內(nèi)核的微處理器。主頻203 MHz，處理能力完全滿(mǎn)足該系統(tǒng)的需要，并且能夠方便地移植Linux操作系統(tǒng)，為設(shè)計(jì)具有良好人機(jī)交互界面的車(chē)載儀表系統(tǒng)創(chuàng)造了條件。
整個(gè)硬件電路主要包括電源電路、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路、液晶顯示電路和兩路CAN通信接口電路，其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)采用SJA1000 CAN控制器和PCA82C250總線(xiàn)收發(fā)器設(shè)計(jì)CAN通信接口。SJA1000是PHILIPS公司推出的一款CAN通信控制器，支持CAN2.0A、2.0B協(xié)議。由于其設(shè)計(jì)是基于早期的80C51單片機(jī)應(yīng)用，內(nèi)嵌鎖存器可以使80C51單片機(jī)無(wú)需任何外接器件就可以直接連接。但是，S3C2410A的地址總線(xiàn)和數(shù)據(jù)總線(xiàn)是分開(kāi)的，不能直接連接SJA1000，所以需要模擬出類(lèi)似80C51單片機(jī)的外部存儲(chǔ)器時(shí)序才能使用。圖3電路中，使用了一個(gè)“或”門(mén)74LS32和一個(gè)“或非”門(mén)74LS02的組合，配合地址總線(xiàn)，首先模擬出一個(gè)ALE(地址鎖存信號(hào))，把SJA1000的內(nèi)部寄存器地址寫(xiě)入鎖存器，然后再向SJA1000內(nèi)部寄存器寫(xiě)入數(shù)據(jù)。這樣，使用ARM的兩條外部存儲(chǔ)器訪問(wèn)指令，就可以模擬出SJA1000所需要的時(shí)序了。利用S3C2410A的片選信號(hào)nGCS4和地址總線(xiàn)LADDR2，經(jīng)過(guò)“或非”門(mén)模擬出的SJA1000的物理端口地址為0x20000008，片選信號(hào)nGCS4和地址總線(xiàn)LADDR3，經(jīng)過(guò) “或”門(mén)，模擬出的SJA1000的數(shù)據(jù)端口地址為0x20000004。

3 嵌入式車(chē)載儀表軟件設(shè)計(jì)
3.1 嵌入式Linux下CAN設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)
網(wǎng)絡(luò)互連ECU在Linux系統(tǒng)下使用CAN通信技術(shù)，因此需設(shè)計(jì)基于Linux的CAN設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。
　 設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核和機(jī)器硬件之間的接口。Linux內(nèi)核有三種類(lèi)型的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序：字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、塊設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序[4]。SJA1000控制器屬于字符型設(shè)備，CAN設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)嶋H上是Linux內(nèi)核直接對(duì)SJA1000器件的初始化與讀寫(xiě)操作。而這些操作方式其實(shí)就是一些標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)用，如open()、read()、write()、close()等。定義把系統(tǒng)調(diào)用和驅(qū)動(dòng)程序關(guān)聯(lián)起來(lái)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)file_operations，結(jié)構(gòu)體中的每一個(gè)成員都是一個(gè)函數(shù)指針，實(shí)現(xiàn)了對(duì)于不同操作的函數(shù)跳轉(zhuǎn)功能。具體的聲明如下：
struct file_operations sja1000_can_fops =
{
owner: THIS_MODULE,
　 ioctl: can_ioctl, //設(shè)置通信參數(shù)
　 open: can_open, //完成SJA1000初始化,中斷申請(qǐng)，
增加次數(shù)計(jì)數(shù)器的使用次數(shù)
　 write: can_write, //發(fā)送數(shù)據(jù)
read: can_read, //接收數(shù)據(jù)
　 release : can_release, //關(guān)閉CAN設(shè)備，關(guān)閉中斷,
減少次數(shù)計(jì)數(shù)器的使用次數(shù)
};
驅(qū)動(dòng)程序加載到內(nèi)核中時(shí)，首先運(yùn)行驅(qū)動(dòng)程序的初始化函數(shù)，然后等待系統(tǒng)調(diào)用在file_operations結(jié)構(gòu)中定義的相關(guān)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的操作。CAN設(shè)備的初始化函數(shù)負(fù)責(zé)創(chuàng)建CAN設(shè)備文件，注冊(cè)CAN設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。
對(duì)于字符設(shè)備，Linux通過(guò)調(diào)用register_chrdev()向系統(tǒng)注冊(cè)；卸載驅(qū)動(dòng)時(shí)，注銷(xiāo)設(shè)備函數(shù)為unregister_chrdev()。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序一般以模塊形式加入內(nèi)核，使用module_init和module_exit宏對(duì)模塊初始化函數(shù)can_init()和模塊清除函數(shù)can_cleanup()進(jìn)行標(biāo)記（通常在文件末尾）。程序如下：
　 module_init(can_init)；
　 module_exit(can_cleanup)；
驅(qū)動(dòng)程序編寫(xiě)完成并編譯通過(guò)后，可使用命令：#insmod can_sja1000_dev.ko進(jìn)行動(dòng)態(tài)加載。加載后，用戶(hù)程序就可以通過(guò)文件直接操作CAN控制器，實(shí)現(xiàn)CAN總線(xiàn)通信。使用驅(qū)動(dòng)程序完成CAN總線(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)的原理如圖4所示。在系統(tǒng)初始化完畢后，發(fā)送命令幀給監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的電子控制單元ECU，通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用將命令幀從用戶(hù)空間拷貝到內(nèi)核空間，發(fā)送數(shù)據(jù)處理函數(shù)將內(nèi)核層的命令幀寫(xiě)入SJA1000控制器；當(dāng)電子控制單元ECU采集的卡車(chē)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)，中斷被觸發(fā)，喚醒處于睡眠狀態(tài)的進(jìn)程，接收數(shù)據(jù)處理函數(shù)將從SJA1000控制器讀取數(shù)據(jù)到接收緩沖區(qū)，用戶(hù)通過(guò)系統(tǒng)調(diào)用讀取到完整的數(shù)據(jù)。

3.2 基于MiniGUI的車(chē)載儀表顯示程序設(shè)計(jì)
MiniGUI是嵌入式圖形用戶(hù)界面系統(tǒng)，它通過(guò)窗口系統(tǒng)來(lái)管理應(yīng)用程序在屏幕上的顯示[5]。本系統(tǒng)的人機(jī)界面包含的窗口類(lèi)型有：對(duì)話(huà)框、按鈕、靜態(tài)框、位圖和填充條，使用對(duì)話(huà)框作為主窗口，基于MiniGUI人機(jī)界面的程序流程圖如圖5所示。

本系統(tǒng)的圖形用戶(hù)界面主要顯示車(chē)速、轉(zhuǎn)速、水溫、油壓、燃油量、車(chē)內(nèi)溫度，冷卻水溫度過(guò)低、油壓過(guò)低、燃油過(guò)低報(bào)警信號(hào)和大燈、尾燈、左右轉(zhuǎn)向燈、制動(dòng)燈等燈光信號(hào)。使用MiniGUI的按鈕通知消息MSG_COMMOND，該消息是在狀態(tài)監(jiān)測(cè)按鈕按下后發(fā)送到窗口過(guò)程函數(shù)，執(zhí)行CAN通信子程序，接收各電子控制單元ECU上傳的卡車(chē)運(yùn)行狀態(tài)信息，實(shí)時(shí)地顯示在液晶屏上，并以不同的顏色表示報(bào)警信號(hào)和車(chē)燈信號(hào)，使駕駛員能夠隨時(shí)全面地監(jiān)測(cè)卡車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)，提高卡車(chē)運(yùn)行的安全性。
本文針對(duì)我國(guó)重型卡車(chē)的發(fā)展現(xiàn)狀，在完成重型卡車(chē)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，對(duì)基于CAN總線(xiàn)的嵌入式車(chē)載儀表系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了詳細(xì)闡述。該系統(tǒng)能對(duì)重型卡車(chē)的車(chē)速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、油溫、油壓、燃油量以及車(chē)燈開(kāi)關(guān)量等狀態(tài)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)有效地發(fā)現(xiàn)和識(shí)別卡車(chē)運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生的各種故障，對(duì)于保證卡車(chē)安全運(yùn)行起到了重要作用。測(cè)試表明，本文所設(shè)計(jì)的重型卡車(chē)車(chē)載儀表系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定、可靠，具有較好的人機(jī)界面。
參考文獻(xiàn)
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