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          EEPW首頁(yè) > 汽車(chē)電子 > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 基于CAN總線的車(chē)輛虛擬儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

          基于CAN總線的車(chē)輛虛擬儀表數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

          作者: 時(shí)間:2014-08-26 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

            引言

          本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/262206.htm

            現(xiàn)在總線技術(shù)有很多種。從成本上講,的成本都比CAN低;速度上講,工業(yè)以太網(wǎng)等也都不錯(cuò)。為什么唯獨(dú)CAN在汽車(chē)電子中得到親睞?

            從成本上來(lái)說(shuō),CAN比UART、高,但比以太網(wǎng)低;從實(shí)時(shí)性來(lái)說(shuō):CAN的實(shí)時(shí)性比UART和以太網(wǎng)高,為了保證安全,車(chē)用通信協(xié)議都是按周期性主動(dòng)發(fā)送,不論是CAN還是LIN,對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的消息其發(fā)送周期都小于10ms(每輛車(chē)都有好幾條這樣的消息),發(fā)動(dòng)機(jī)、 ABS和變速器都有幾條這樣的消息;從可靠性來(lái)說(shuō),CAN有一系列事故安全措施,這是UART和以太網(wǎng)都不具備的,多點(diǎn)冗余也是UART(點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸)和工業(yè)以太網(wǎng)(數(shù)據(jù)傳輸距離短)難于實(shí)現(xiàn)的,所以CAN出現(xiàn)后,由于價(jià)格的原因,最初應(yīng)用得最多的地方并不是汽車(chē),而是對(duì)成本不敏感的工業(yè)控制和醫(yī)療設(shè)備,如:工業(yè)上的DEVICENET、SDS、CANOPEN,醫(yī)療上MRI等。至于工業(yè)以太網(wǎng)的產(chǎn)生,其背景與個(gè)人PC的普及是分不開(kāi)的,現(xiàn)在工業(yè)控制中的 PCBASED就是一個(gè)例子,但汽車(chē)控制是不能用一臺(tái)PC的,要達(dá)到汽車(chē)控制的要求,成本上也不容許。而LIN的傳輸過(guò)程只有20Kbps,顯然不能作為獨(dú)立的汽車(chē)總線控制要求,一般它只配合CAN在汽車(chē)上做輔助之用。

            車(chē)輛是一個(gè)特殊的應(yīng)用環(huán)境,車(chē)輛自動(dòng)化程度的不斷提高給車(chē)輛儀表提出了更高的要求,傳統(tǒng)的動(dòng)磁式儀表已經(jīng)越來(lái)越不適應(yīng)現(xiàn)代智能交通工具發(fā)展的需要,而虛擬儀表因其具有交互、智能和便于擴(kuò)展等特點(diǎn)而受到廣泛重視。本課題要求為某車(chē)設(shè)計(jì)一套虛擬儀表,上位機(jī)采用基于RTOS開(kāi)發(fā)環(huán)境的PC104嵌入式微機(jī)。車(chē)輛環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)作為虛擬儀表的一個(gè)最重要的子系統(tǒng),要求完成數(shù)據(jù)的采集和通信功能,而且具有較高的適時(shí)性和可靠性。本文根據(jù)作者體會(huì)介紹了用 Philips公司的高性能單片機(jī)設(shè)計(jì)車(chē)輛數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的方法,重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和CAN通信編程。

            2 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

            根據(jù)設(shè)計(jì)要求,本系統(tǒng)主要完成傳感信號(hào)的處理以及車(chē)輛的工況數(shù)據(jù)采集并將數(shù)據(jù)通過(guò)送上位機(jī),要求處理16路模擬信號(hào)、4路頻率信號(hào)和32路擴(kuò)展 IO信號(hào),采集參數(shù)主要有:發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力、水溫、油溫、轉(zhuǎn)速、車(chē)速、變速箱油壓、油箱油量以及電網(wǎng)電壓、車(chē)門(mén)狀態(tài)、轉(zhuǎn)向燈指示、車(chē)體超寬指示以及車(chē)內(nèi)環(huán)境示警等,信號(hào)的形式有電壓、頻率、以及開(kāi)關(guān)量信號(hào),信號(hào)頻率范圍為0~ 6KHZ.

            2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

            圖1給出了系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)采用的核心器件為Philips公司的8位高性能微控制器,它與標(biāo)準(zhǔn)80C51完全兼容,其主要特性有:內(nèi)建能與內(nèi)部RAM進(jìn)行DMA數(shù)據(jù)傳送的CAN控制器;4個(gè)捕獲端口和2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器;8路模擬量輸入的10位ADC變換器;2×256字節(jié)在片RAM和一個(gè)Watch Dog.的在片CAN控制器可以完全實(shí)現(xiàn)CAN協(xié)議,減少了系統(tǒng)連線,增強(qiáng)了診斷功能和監(jiān)控能力。數(shù)模轉(zhuǎn)換器件選用12位的 AD1674A,分辨率為0.02%,轉(zhuǎn)換時(shí)間為25uS.為了提高系統(tǒng)抗干擾能力,在模-數(shù)電路之間和系統(tǒng)到之間采用了光電隔離,并且將模擬電路和數(shù)字電路分別設(shè)計(jì)成兩塊獨(dú)立的PCB板,兩板通過(guò)棧接組成一個(gè)完整的系統(tǒng)。

            

           

            圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

            硬件工作過(guò)程:溫度、壓力以及電壓信號(hào),經(jīng)相關(guān)處理電路送至16路模擬開(kāi)關(guān)MAX306EP,經(jīng)電壓跟隨電路輸入AD1674A進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,為了提高可靠性和穩(wěn)定性,系統(tǒng)沒(méi)有采用微控制器的在片ADC變換器。在程序控制下對(duì)16路信號(hào)順序選通,采集得到的數(shù)據(jù)在CAN控制器內(nèi)完成CAN協(xié)議包的封裝,由發(fā)送端口經(jīng)光電隔離和發(fā)送器傳送到上。油量信號(hào)經(jīng)光電隔離、整形和分頻后送P80C592的捕獲端口進(jìn)行頻率測(cè)量,轉(zhuǎn)速車(chē)速信號(hào)經(jīng)整形后被分為兩路,一路經(jīng)分頻電路去單片機(jī)捕獲端口,另一路經(jīng)F/V轉(zhuǎn)換后送ADC采樣。對(duì)ADC和I/O擴(kuò)展端口的訪問(wèn)通過(guò)GAL譯碼器的編程邏輯輸出來(lái)控制。

            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(chē)型所選用的傳感器不同,因此對(duì)轉(zhuǎn)速和車(chē)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(zhuān)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(xiě)入在片主RAM的操作,為了區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)類(lèi)型,需要在數(shù)據(jù)塊中添加相應(yīng)的類(lèi)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。

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          關(guān)鍵詞: CAN總線 RS-232/485 P80C592

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