基于CANLib的商用車(chē)數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

趙米鵲，蘇燁，祁增祿

（陜西重型汽車(chē)有限公司，陜西 西安 710200）

基于CANLib的商用車(chē)數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

趙米鵲，蘇燁，祁增祿

（陜西重型汽車(chē)有限公司，陜西 西安 710200）

文章基于瑞典Kvaser公司的USB-CAN適配卡Kvaser Leaf Light HS，使用開(kāi)發(fā)工具包CANLib設(shè)計(jì)了一款CAN總線數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件，用于采集和分析使用CAN總線技術(shù)的商用車(chē)的底盤(pán)運(yùn)行數(shù)據(jù)。

商用車(chē)；CANLib；數(shù)據(jù)監(jiān)控；CAN總線

CLC NO.:U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)15-104-03

引言

隨著電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及用戶對(duì)汽車(chē)安全性、智能性、操控性和舒適性要求的不斷提高，越來(lái)越多的電子控制單元在汽車(chē)行業(yè)得到應(yīng)用。由于可以保證不同單元之間良好的信息傳輸，并且能有效減少整車(chē)的線束布置，CAN總線技術(shù)業(yè)已得到廣泛應(yīng)用。本文針對(duì)使用CAN總線技術(shù)的某重卡底盤(pán)，詳細(xì)闡述了使用CANLib開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件的方法和原理，能夠方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)重卡底盤(pán)數(shù)據(jù)的采集與分析。

1 CAN總線技術(shù)及其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

CAN是控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network）的縮寫(xiě)，是一種高性能、高可靠性、易開(kāi)發(fā)、強(qiáng)靈活性和低成本的通信總線。由Bosch公司于1986年首次提出，常用于汽車(chē)的監(jiān)測(cè)和控制。

CAN總線基于ISO-OSI七層網(wǎng)絡(luò)框架，但標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中僅定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的規(guī)范，因此在項(xiàng)目中應(yīng)用CAN總線還需定義上層協(xié)議，即通信數(shù)據(jù)格式和控制單元之間交換數(shù)據(jù)時(shí)遵守的規(guī)則[1]。目前，在商用車(chē)領(lǐng)域主要應(yīng)用美國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)（SAE）提出的J1939協(xié)議，為整車(chē)CAN總線提供了應(yīng)用定義、故障診斷和網(wǎng)絡(luò)管理等標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)。

目前，使用CAN總線技術(shù)的商用車(chē)，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)按復(fù)雜程度可以分為單網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和多網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[2]。單網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)指使用CAN總線連接底盤(pán)總成中的各種控制單元，用于收集車(chē)輛運(yùn)行的各種信息，通過(guò)儀表顯示并由用戶進(jìn)行反饋操作。多網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)則是將整車(chē)電控單元?jiǎng)澐譃閯?dòng)力、車(chē)身、儀表和控制等多個(gè)CAN網(wǎng)段，不同的網(wǎng)段采用不同的通信速率，網(wǎng)段之間的信息交互通過(guò)網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)，最終可以有效提升整車(chē)的信息化和智能化水平。

本文開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件，主要用于觀測(cè)動(dòng)力CAN中油門(mén)、制動(dòng)和轉(zhuǎn)向等電控單元發(fā)出的信號(hào)和數(shù)據(jù)。整個(gè)網(wǎng)段基于CAN2.0B，使用SAE J1939協(xié)議，通信速率500kb/s。

2 基于CANLib的軟件設(shè)計(jì)

2.1 CAN通信適配卡選型

將PC機(jī)作為監(jiān)控節(jié)點(diǎn)連接到CAN總線中，需要CAN總線適配卡[3]。本文采用瑞典Kvaser公司生產(chǎn)的USB-CAN適配卡Kvaser Leaf Light HS。該適配卡是CAN總線全速USB接口，硬件成本較低，同時(shí)支持CAN標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀格式，可提供無(wú)損耗的報(bào)文接收，還可進(jìn)行精確度為100μs的時(shí)間戳傳輸[4]。由于動(dòng)力CAN中最快報(bào)文周期為10ms，因此該適配卡非常適合用作總線數(shù)據(jù)監(jiān)控的硬件工具。

2.2 CANLib簡(jiǎn)介

CANLib是基于Kvaser適配卡的開(kāi)發(fā)工具包，含有基于CAN接口軟件開(kāi)發(fā)所需的全部資源，支持的操作系統(tǒng)包括Windows和Linux，支持的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言包括C/C++、C#、Delphi 和Python等。另外，CANLib還支持虛擬的CAN總線通道，可以在沒(méi)有硬件支持的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)軟件功能的測(cè)試。

2.3工程配置

本文使用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件，首先需要對(duì)Visual Studio建立的工程進(jìn)行配置，才能正確使用CANLib。具體步驟如下：

1）創(chuàng)建新工程，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言選擇C#，應(yīng)用框架選擇.NET Framework4.0。

2）在軟件開(kāi)發(fā)之前，必須安裝Visual C++可再發(fā)行組件包。這是因?yàn)镃ANLib庫(kù)文件為C++語(yǔ)言編寫(xiě)，必須由該組件包支持才能在.NET平臺(tái)運(yùn)行。

3）設(shè)置工程屬性，指定程序的目標(biāo)平臺(tái)，這里選擇“x86”表示32位應(yīng)用程序。這是由于CANLib的庫(kù)文件與平臺(tái)相關(guān)，若不指定平臺(tái)將導(dǎo)致代碼無(wú)法編譯。

4）為工程添加引用的庫(kù)文件。若CANLib使用默認(rèn)安裝路徑，則根據(jù)應(yīng)用框架和目標(biāo)平臺(tái)的不同，有不同的引用路徑，如表1所示。

表1 CANLib庫(kù)的引用路徑

在正確配置工程之后，即可調(diào)用其中的API函數(shù)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。根據(jù)實(shí)現(xiàn)功能的不同，CANLib將API函數(shù)封裝在不同的dll文件中，如表2所示。

表2 dll文件的作用

2.4 軟件設(shè)計(jì)

2.4.1 主控流程

整個(gè)軟件按功能可分為總線監(jiān)控和數(shù)據(jù)處理兩大模塊。在對(duì)CANLib和硬件通道初始化完成之后，即可根據(jù)用戶需求監(jiān)控油門(mén)開(kāi)度、制動(dòng)深度和轉(zhuǎn)向角度等參數(shù)，并可繪制實(shí)時(shí)曲線或?qū)?shù)據(jù)保存為Excel表格。控制流程如圖1所示。

圖1 監(jiān)控軟件的控制流程

2.4.2 配置并打開(kāi)CAN總線

代碼中主要使用CANLib類(lèi)中定義的相關(guān)方法完成對(duì)總線的配置和操作。其中配置并打開(kāi)CAN總線的具體流程如下：

1）調(diào)用函數(shù)static void canInitializeLibrary(void)初始化CANLib和設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

2）調(diào)用函數(shù)static int canOpenChannel(int channel, int flag)打開(kāi)相應(yīng)CAN通道。設(shè)備通道號(hào)（從0開(kāi)始）為第一個(gè)參數(shù)，打開(kāi)方式標(biāo)記為第二個(gè) 。若返回總線句柄handle，表示打開(kāi)通道正常，否則將返回故障碼。

3）canSetBusParams函數(shù)用于配置CAN總線參數(shù)。當(dāng)總線速率為500kb/s時(shí)，函數(shù)的調(diào)用方式為canSetBusParams ( handle, Canlib.canBITRATE_500K, 0, 0, 0, 0, 0 )。若返回預(yù)定義的總線狀態(tài)canOK時(shí)，表示配置參數(shù)完成，否則將返回故障碼。

4）canBusOn函數(shù)用于打開(kāi)CAN總線，輸入?yún)?shù)為總線句柄handle，返回值為canOK或故障碼。

2.4.3 監(jiān)控并處理數(shù)據(jù)

正確配置并打開(kāi)CAN總線之后，適配卡將自動(dòng)開(kāi)始讀取總線報(bào)文，并將內(nèi)容存儲(chǔ)在緩沖區(qū)中。軟件通過(guò)與設(shè)備驅(qū)動(dòng)進(jìn)行通信，可獲取對(duì)應(yīng)的報(bào)文及其數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)底盤(pán)運(yùn)行數(shù)據(jù)的監(jiān)控。

通過(guò)函數(shù)canRead讀取報(bào)文數(shù)據(jù)，調(diào)用方式為canRead (handle, &id, data, &dlc, &flags, ×tamp)。其中handle為總線句柄，id、dlc為讀取報(bào)文的ID和數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度指針，data為接收數(shù)據(jù)創(chuàng)建的數(shù)組名，flags、timestamp為指定幀格式和時(shí)間戳的指針。這樣即可將報(bào)文中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至data數(shù)組中。

根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)，使用第三方繪圖控件ZedGraph實(shí)現(xiàn)該功能，流程如圖2所示。

圖2 實(shí)時(shí)曲線繪制流程

保存數(shù)據(jù)使用第三方組件NPOI實(shí)現(xiàn)。該組件提供了工作簿類(lèi)HSSFWorkbook、工作表類(lèi)ISheet、單元行類(lèi)IRow和單元格類(lèi)ICell，相關(guān)的方法可以簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)對(duì)Excel表格的讀寫(xiě)，并且可以在沒(méi)有安裝Office的PC上運(yùn)行。流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)保存流程

2.4.4 退出并關(guān)閉CAN總線

在關(guān)閉程序之前，必須先關(guān)閉CAN總線并釋放總線句柄，具體流程如下：

1）canBusOff函數(shù)用于關(guān)閉CAN總線，輸入?yún)?shù)為總線句柄handle，返回值為canOK或故障碼。

2）canClose函數(shù)用于釋放總線句柄，輸入?yún)?shù)和返回值同canBusOff。

2.5 應(yīng)用效果

在對(duì)某重卡裝配的電控液壓轉(zhuǎn)向器做轉(zhuǎn)向助力測(cè)試時(shí)，將轉(zhuǎn)向盤(pán)打至左右極限，從轉(zhuǎn)向器返回的報(bào)文數(shù)據(jù)中讀取轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩值，繪制曲線如圖4所示。

觀察曲線可以判斷，轉(zhuǎn)向器左側(cè)極限為891°，右側(cè)極限為952°，并且在左轉(zhuǎn)至550°時(shí)扭矩達(dá)到最大值。

根據(jù)結(jié)果可知，當(dāng)轉(zhuǎn)角較小時(shí)，該轉(zhuǎn)向器的助力特性較好。而當(dāng)轉(zhuǎn)角較大時(shí)，助力力矩稍有欠缺，因此應(yīng)檢查此時(shí)的機(jī)械連接。

圖4 轉(zhuǎn)角-轉(zhuǎn)矩曲線

3 結(jié)語(yǔ)

本文研究了基于Kvaser USB-CAN適配卡，使用CANLib開(kāi)發(fā)工具包，設(shè)計(jì)總線數(shù)據(jù)監(jiān)控軟件的方法。與普遍使用的CANoe系列工具相比，本方法硬件成本較低，可使用CANLib開(kāi)發(fā)自定義功能的上位機(jī)軟件，使用簡(jiǎn)單便捷。在某商用車(chē)底盤(pán)測(cè)試中的應(yīng)用證明，本方法開(kāi)發(fā)的軟件功能穩(wěn)定、實(shí)時(shí)高效，因此具有較高的推廣價(jià)值。

[1] 俞燚,崔振亞.某重卡CAN總線控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù).2014.3.

[2] 李安,楊立慧.CAN總線應(yīng)用說(shuō)明[J].客車(chē)長(zhǎng)廊.2015.02.

[3] 陶永進(jìn).CAN總線測(cè)控系統(tǒng)的上位機(jī)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息.2009.25(4-1).

[4] Kvaser AB.Kvaser Leaf User Guide[M].2015:17-19.

The design of data monitoring software for commercial vehicle based on CANLib

Zhao Mique, Su Ye, Qi Zenglu
( Shaan xi Heavy-Duty Automobile Co, Ltd, Shaanxi Xi'an 710200）

In this paper, based on the USB-CAN hardware Kvaser Leaf Light HS, the product of Swedish company Kvaser, use the CANLib SDK to design a data monitoring software for CAN bus. It can be used to collect and analyse the data of chassis for commercial vehicle.

Commercial Vehicle; CANLib; Data Monitor; CAN Bus

U462.1

A

1671-7988 (2017)15-104-03

趙米鵲，就職于陜西重型汽車(chē)有限公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.15.038