基于CAN總線的嵌入式車燈監控系統設計

魏志翔，周莉萍，徐 龍，干江紅，張 文

（1.華中科技大學 機械科學與工程學院 儀器系，湖北 武漢 430074；2.湖北法雷奧車燈有限公司 湖北 武漢 430056）

當前我國的汽車總數呈現爆發式增長，由于汽車照明與交通安全有著密不可分的關系，因此對車燈產品進行可靠性檢測是很有必要的。針對這種情況，提出了基于CAN總線的嵌入式車燈監控系統的設計思想，結合總線技術和單片機嵌入式技術，實現對車燈進行功能控制以及電壓電流參數檢測。其中，iCAN協議在CAN總線網絡中的使用，可以實現對多個車燈同時進行網絡化監控，進而可以實時準確地掌握各個車燈的工作情況，確保車燈產品的質量可靠性。

1 系統整體結構

系統主要由上位機和多個下位機節點組成。上位機是由VC編成的監測軟件，PC機通過PCI-CAN卡與CAN總線相連，完成與下位機節點的通信，顯示各車燈的電流電壓及工作情況，并完成功能的設置。下位機節點以LM3S2965為主體，采樣車燈工作時的電壓電流，并對車燈進行控制。系統整體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統整體結構框圖Fig.1 Structure diagram of the system

2 節點的硬件設計

下位機節點的硬件結構設計框圖如圖2所示。節點主要完成以下工作：1）定期對車燈工作時的電壓電流進行AD采樣，并將結果發送到CAN總線上，供上位機接收；2）接收上位機發送到CAN總線上的命令，并控制車燈實現相應的功能。因此，節點主要包括微處理器部分、CAN通訊模塊、電源模塊。

圖2 節點硬件結構框圖Fig.2 Structure diagram of the node’s hardware

2.1 微處理器選型

為了確保系統對車燈進行實時、可靠地控制及檢測，這里選用可植入實時操作系統的Cortex-M3內核芯片LM3S2965。LM3S2965是由TI公司Stellaris所提供的首款基于ARM Cortex-M3的控制器對CAN總線應用方案而設計的芯片，具有較高的代碼密度和指令執行效率。片內有256 kB的單周期訪問的Flash，64KB的單周期SRAM，為操作系統的植入和運行提供了足夠的容量；內部集成了兼容CAN2.0A/B的CAN控制器和ADC模數轉換器，可以簡化節點中CAN通訊電路和AD采樣的電路的設計，同時也降低了軟件開發的難度。

2.2 CAN通訊模塊設計

CAN通訊接口可實現各個節點與上位機之間的通訊，從而完成數據的共享和命令的收發[1]。LM3S2965有兩個兼容CAN2.0A/B的CAN控制器，可以實現數據鏈路層的功能，為實現物理層，這里只需要增加一個CAN收發器。Philips公司的TJA1040是一款通用的高速CAN收發器，它可將CAN控制器的邏輯電平與CAN總線上的差分電平進行相互的轉化，同時具有優秀的EMC性能，可靠性高。本節點中，CAN接口電路如圖3所示，微處理器內置的兩個CAN控制器分別與TJA1040連接，一路與CAN總線相連，完成與上位機的通訊；另一路與車燈相連，完成與車燈之間的通訊，實現對車燈的控制。

圖3 CAN總線接口電路Fig.3 Circuit of CAN bus interface

2.3 電源模塊設計

電源模塊可對供電電源進行凈化處理，濾除高次諧波，避免供電電源對主控單元形成干擾[2]。嵌入式系統的性能在很大程度上取決于電源電路的穩定性和可靠性[3]，因此設計穩定可靠的電源模塊非常重要。本節點中，LM3S2965的電源輸入分為模擬輸入和數字輸入兩種，電壓為+3.3 V；CAN收發器TJA1040采用+5 V的供電電壓。首先采用穩壓器將外部直流輸入電壓穩壓成5 V供給CAN收發器工作，然后用LT1086CM-3.3將5 V電壓轉換成+3.3 V供給微處理器工作。由于模擬電源和數字電源本身的性質差異，為保證這兩種電源不會相互影響，這里在模擬電源和數字電源間用電感進行隔離。

3 系統軟件設計

系統的軟件部分由上位機軟件和下位機軟件組成。上位機完成對系統功能參數的設置以及顯示各車燈的電壓電流；下位機軟件主要完成基于iCAN協議的總線通訊，實時傳遞車燈的工作情況。

3.1 下位機軟件設計

下位機軟件設計流程圖如圖3所示，包括操作系統μCOS-II、節點初始化、外設驅動程序以及應用程序。

圖4 軟件設計流程圖Fig.4 Flow chart of the software design

操作系統μCOS-II是系統運行的核心部分，完成任務的調度、時間管理和資源管理[4]，在操作系統源碼中通過對OS_CPU_C.C、OS_CPU_A.ASM和OS_CPU.H 3個文件中與微處理器相關的數據類型和處理函數進行修改和重新編寫后，便可將μCOS-II植入LM3S2965。初始化代碼完成對MCU外設、μCOS-II操作系統以及CAN節點的初始化。應用程序在操作系統的基礎上，分配任務堆棧空間，然后建立任務間通訊的信號量以及消息郵箱等，進而創建任務，并分配不同的優先級，此系統的任務劃分如表1所示。

表1 系統的任務劃分Tab.1 Sysem task partitioning

3.1.1 CAN節點初始化

系統的主要任務是實現上位機與下位機之間的通訊，將下位機節點采集到的電壓電流參數上傳至上位機并顯示給用戶，實時反映車燈的工作狀況。因此CAN通訊任務具有最高級別的優先級。在任務taskican中，首先完成CAN節點的初始化，包括端口初始化、設定波特率、設置驗收濾波等，初始化通過調用Stellaris外設驅動庫中的相應函數來完成。函數 SysCtlPeripheralEnable（）和 GPIOPinTypeCAN（）可 完 成CAN模塊外設的端口初始化，CANSetBitTiming（）可以設定波特率，本設計中的通訊波特率設定為1 MB/s，并且總線上的節點都設置成相同的波特率，canAcceptFilterSet（）可完成驗收濾波設置。完成CAN節點的初始化之后，在任務taskican中每 10 ms調用一次 iCAN調度函數 ICAN_Schedul（），完成一次數據收發工作，同時將下位機節點采集的電壓電流值上傳至上位機并刷新顯示。

3.1.2 基于iCAN協議的消息處理

iCAN協議，即工業CAN-bus應用層協議。是由我國自主研發的基于CAN總線的高層應用協議，詳細的定義了CAN報文中ID以及數據的分配和應用，建立了一個統一的設備模型，定義了設備的I/O資源和訪問規則，采用“基于連接，面向節點”的通訊方式[6]，既支持主從方式通訊模式，又支持事件觸發通訊模式。系統中，上位機主節點的ID為0x01，下位機各節點的ID可以根據具體情況設定，范圍為0x00-0x3F。

節點中，數據的發送和接收是由微處理器集成的CAN控制器自動完成。為滿足實時性的要求，數據的接收操作采用中斷方式。由于下位機節點數量較多，數據的發送接收量比較大，為了保證不丟失數據，這里設計了兩個深度為40字節的CAN報文緩沖區，分別用作發送和接收緩存。對緩沖區的操作，由函數canCirBufRead和函數canCirBufWrite來完成。而對于 CAN消息的發送和接收由函數ICANTxMsgObjSend、canFrameSend和ICANRxMsgObjExplain來完成。

CAN消息的發送接收流程圖如圖5所示。數據的發送調用函數ICANTxMsgObjSend，其中先按照iCAN協議規定的格式填寫報文的ID和數據段，然后查詢緩沖區的狀態，如果發送緩沖區未滿，則調用canCirBufWrite將整合后的數據寫入發送緩沖區，最后調用函數canFrameSend將數據發送到CAN總線上。

圖5 消息的發送接收流程圖Fig.5 Flow chart of sending and receiving message

接收采用中斷方式，當有中斷產生，即收到一幀數據，此時首先查詢接收緩沖區的狀態，如果未滿，則調用函數canCirBufWrite將接收到的數據寫入接收緩沖區。

通過調用函數ICANRxMsgObjExplain對接收到的數據進行處理。其中，首先調用函數canCirBufRead從接收緩沖區讀取一幀報文，然后解析出報文的功能碼FuncID和數據段內容，根據不同的功能碼，按照iCAN協議填寫不同的響應報文，最后調用數據發送函數ICANTxMsgObjSend返回響應幀。

3.2 上位機軟件設計

上位機軟件的編寫利用開發工具VC，利用MFC結合PCI-CAN卡的VCI庫函數完成，軟件界面如圖6所示。

圖6 上位機軟件界面Fig.6 Software interface of the host computer

其中，利用VCI庫中的函數，可以實現數據的發送、接收以及設備的初始化。VC自帶標準控件和模態對話框的使用，可以完成對下位機控制節點工作參數的設定，同時顯示并保存各車燈的電壓電流及工作情況，當電壓或電流超出量程時，會有相應的報警提示。電壓電流監測界面如圖7所示。

圖7 電壓電流監測界面Fig.7 Monitoring interface of voltage and current

4 結 論

結果表明，系統可以同時對多組車燈進行功能控制，并且對車燈工作時的電壓電流進行實時可靠的監測。該系統可以用于對新出廠的車燈進行測試，對其質量以及性能加以評定。這樣，對保證日后車燈的質量有著重要的意義。

[1]馬福昌，楊少峰.基于CAN總線的嵌入式水位監測系統設計[J].電子設計工程，2010（10）:87-89.MA Fu-chang，YANG Shao-feng.Design of embedded water level monitoring system based on CAN bus[J].Electronic Design Engineering，2010（10）:87-89.

[2]向懷坤，梁松峰，袁媛.基于CAN/uCOS-II的網絡交通信號控制器設計[J].深圳職業技術學院學報，2008（3）:3-6.XIANG Huai-kun，LIANG Song-feng，YUAN Yuan.Design of the controller of network traffic signals based on CAN/μCOSII[J].Journal of Shenzhen Polytechnic，2008（3）:3-6.

[3]王田苗.嵌入式系統設計與實例開發：基于ARM微處理器與μC/OS-Ⅱ實時操作系統 [M].北京:清華大學出版社，2002.

[4]邵貝貝.嵌入式實時操作系統uCOS-II[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.

[5]Stellaris外設驅動庫用戶指南[S].廣州周立功單片機發展有限公司.

[6]周立功.iCAN現場總線原理與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[7]王成卉，曾連蓀.基于CAN總線的信息采集系統設計[J].電子設計工程，2010（9）：113-117.WANG Cheng-hui，ZENG Lian-sun.Design of information acquisition system based on CAN bus[J].Electronic Design Engineering，2010（9）:113-117.