基于CAN總線的GPS傳感器應用開發研究

羅發貴，張 杰，隋良紅

（1.中國測試技術研究院，四川 成都 610021；2.四川大學制造科學與工程學院，四川 成都 610065）

0 引 言

在汽車運行過程中，經常需要知道汽車運行的基本情況，需要測量汽車的運行速度、運行距離、經緯度位置以及所在地的海拔等，這些信息對于人車安全具有重要意義。將GPS技術用于這些參數的測量，可以達到期望的效果。但由于其測量數據量大，而且具有高速變化、不易采集、不易存儲數據等缺點，必須要配以高性能的傳輸總線[1]。在這種情況下，基于CAN總線的GPS汽車參數采集測量方案應運而生。

在本項目中，將CAN總線技術應用于GPS汽車參數測量中，并用C8051F500作為主控芯片，把TJA1050作為其外加物理接口。同時輔以按鍵、顯示、存儲等功能，實現汽車行駛參數的高速采集測量。

1 CAN總線及特點

CAN是一種多主方式的串行通信總線，基本設計規范要求有高的位速率、高抗電磁干擾性，而且能夠檢測出產生的任何錯誤[2]。當信號傳輸距離達到10km時，CAN總線仍可提供高達50kb/s的數據傳輸速率。CAN通信協議主要描述設備之間的信息傳遞方式，CAN層的定義與開放系統互連模型一致。每一層與另一設備上相同的那一層通信，實際的通信發生在每一設備上相鄰的兩層，而設備只通過模型物理層的物理介質互連[3]。

CAN能夠使用多種物理介質，例如雙絞線、光纖等，其中最常用的就是雙絞線。信號使用差分電壓傳送，2條信號線被稱為CAN_H和CAN_L，靜態時均為2.5V左右，此時狀態表示為邏輯“1”，也可以叫做“隱性”。用CAN_H比CAN_L高表示邏輯“0”，稱為“顯形”；此時，通常電壓值為：CAN_H=3.5 V，CAN_L=1.5V。CAN總線成本低，具有極高的總線利用率、很遠的數據傳輸距離（長達10km）、高速的數據傳輸速率（高達1 Mb/s）、可靠的錯誤處理和檢錯機制，發送的信息遭到破壞后，可自動重發，節點在錯誤嚴重的情況下具有自動退出總線的功能。

2 GPS系統

GPS系統包括3部分：空間部分（GPS衛星星座）；地面控制部分（地面監控系統）；用戶設備部分（GPS信號接收機）[4]。GPS衛星星座和地面控制部分屬于整個系統的運行維持部分，由美國專門的機構維護。通常普通用戶直接使用的僅僅是GPS信號接收機[5]。

GPS信號接收機的任務是：能夠捕獲到按一定衛星高度截止角所選擇的待測衛星的信號，并跟蹤這些衛星的運行，對所接收到的GPS信號進行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛星到接收機天線的傳播時間，解譯出GPS衛星所發送的導航電文，實時地計算出測站的三維位置，甚至三維速度和時間[6]。接收機硬件和機內軟件以及GPS數據的后處理軟件包，構成完整的GPS用戶設備[7]。GPS接收機的結構分為天線單元和接收單元2個模塊。

3 系統硬件設計

3.1 系統硬件總體

系統硬件主要是由C8051F500單片機、TJA1050、GPS傳感器、按鍵、顯示、打印、存儲等組成，硬件組成如圖1所示。

圖1中，單片機C8051F500是沒有CAN接口的MCU，需要通過外加TJA1050作為物理通信接口，單片機負責數據的處理計算工作，是整個系統的主要部分。TJA1050是控制器區域網絡（CAN）協議控制器和物理總線之間的接口，可以為總線提供不同的發送性能，為CAN控制器提供不同的接收性能。GPS傳感器是系統的主要傳感器單元，負責對被測量的測量。

3.2 基于C8051F500的CAN實現

Silicon Lab公司的C8051F500單片機內部集成了CAN控制器，符合Bosch規范2.0A（基本CAN）和2.0B（全功能CAN），方便了CAN網絡通信系統的設計。由于C8051F500的高集成度，只需少量外圍測量電路便可組成集數據采集、控制和通信功能于一體的單片機系統，同時還可提高系統的整體可靠性。另外，C8051F500內核與普通51系列兼容，且指令簡單易學，可縮短系統研發周期[8]。圖2是基于C8051F500的CAN硬件電路實現原理圖。

圖1 系統硬件組成框圖

圖2 CAN功能節點組成原理圖

3.2.1 C8051F500單片機

單片機內部集成了CAN控制器，其與收發模塊（CTM1050）共同構成CAN節點模塊。其中CAN控制器包括CAN核、消息存儲器、消息處理器和控制寄存器。由于其MCU無法直接訪問消息RAM，因此有兩組位于控制寄存器的接口寄存器被用來控制CPU對消息RAM的訪問。接口寄存器通過緩存傳輸將要傳輸的數據，避免了CPU訪問消息RAM時同CAN消息的發送和接收之間的沖突[9]。在單個傳輸時，一個完整的消息對象或者消息對象的一部分在消息RAM和IFx消息緩沖寄存器之間進行可靠傳輸。

3.2.2 TJA1050高速CAN收發器

TJA1050是CAN控制器與CAN物理總線之間的接口芯片，是CAN協議控制器和物理總線之間的接口，它最初應用于波特率范圍在60 K波特到1 M波特的高速自動化應用中。TJA1050可以為總線提供不同的發送性能，為CAN控制器提供不同的接收性能。

TJA1050有一個電流限制電路，保護發送器的輸出級，使由正或負電源電壓意外造成的短路不會對TJA1050造成損壞（此時的功率消耗增加）。TJA1050還有一個溫度保護電路，當與發送器連接點的溫度超過165℃時，會斷開與發送器的連接。因為發送器消耗了大部分的功率，所以這個集成電路的功率消耗和溫度會較低[10]，但是此時IC的其他功能仍繼續工作。當引腳TXD變高電平，發送器由關閉狀態復位。當總線短路時，尤其需要這個溫度保護電路。

在汽車通電的瞬間，引腳 CAN_H和CAN_L也受到保護，如圖3所示。

圖3 自動的暫態過程測試電路圖

當引腳 TXD由于硬件和／或軟件程序的錯誤而持久為低電平時，“TXD控制超時”定時器電路可以防止總線進入這種持久的支配狀態（阻塞所有網絡通信），這個定時器是由引腳TXD的負跳變邊沿觸發。如果引腳TXD的低電平持續時間超過內部定時器的值，發送器會被禁能，使總線進入隱性狀態，定時器由引腳TXD的正跳變邊沿復位。

4 項目軟件設計

在CAN初始化時會打開CAN中斷，即CAN總線上有數據要發送時會產生一個中斷，此時由單片機的MCU來判斷其優先級是否為最優，若是，則響應其中斷。此時單片機內的CAN處理器會控制消息緩存寄存器寫入數據，并按照協議對消息進行處理；等發送請求中斷產生，響應中斷并發送處理好的數據，此為一次數據收發過程[11]。CAN總線數據收發流程如圖4所示。

4.1 系統初始化

系統初始化主要包括端口、時鐘和CAN控制器的初始化。其一般步驟如下：

（1）將SFRPAGE寄存器設置為CAN0_PAGE；

（2）將CAN0CN寄存器中的INIT和CCE位設置為‘1’；

（3）設置位定時寄存器和BRP擴展寄存器中的時序參數；

（4）初始化每個消息對象或將其MsgVal位設置為 NOTVALID（無效）；

（5）將 INIT 位清零。

其初始化部分程序如下：

4.2 收發程序

系統初始化完成后，在主程序中調用接收子程序，由接收子程序來響應總線上的消息接收請求命令。接收子程序要比發送子程序復雜一些，因為在處理接收報文的過程中，還要對諸如總線關閉、錯誤報警、接收溢出等情況進行處理。下面給出部分接收子程序：

發送子程序負責節點報文的發送，發送時用戶只需將處理好的待發送數據按特定的格式組合成一幀報文，送入發送緩存區中，然后啟動發送即可。

5 測試實驗與數據分析

本項目是基于CAN總線的GPS傳感器應用，用來實時測量汽車運行中的相關動態參數。試驗前，將傳感器天線置于汽車外部（吸附于車頂），通過RF傳輸線與車內儀器主機連接。儀器開機啟動后，當汽車運行時，儀器可以測試出汽車實時的行駛速度、里程、所在位置的經緯度值、大地坐標以及海拔高度等參數。經過實車道路測試，隨機列舉了4組等精度重復測量數據，如表1所示。

表1 實車路試數據

由多次重復測量數據經計算分析，通過標準偏差公式：

式中：Σ——總和；

可知表1中緯度、經度、海拔、大地坐標X、Y的穩定性分別為：5.776 2×10-10，6.691 67×10-11，0.870 92，0.87093，0.083833。通過該組數據，并與更高精度已知數據相比較分析后，可以看出系統的測量結果達到了既定的精度和穩定性要求。

6 結束語

本項目研究成果的實際使用與測試實驗數據證明，系統可以達到對汽車經緯度、海拔、速度、里程及大地坐標X/Y的準確測量，實現了對汽車動態運行參數測量的實時性和靈活性。同時，拓展了基于CAN總線的傳感器在汽車領域中的應用，數據傳輸準確靈活，具有較好的實用意義。相比于傳統的傳輸方式，CAN總線減少了數據沖突和丟失，提高了信息的準確性和精確度；因此，項目具有較好的工程背景和實際應用價值。

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