一種車載CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)的仿真及設(shè)計

劉鑫爽，程洋

(柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西柳州，545616）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)用于汽車上的設(shè)備不斷改進(jìn)和提升，這些裝置與傳統(tǒng)的機械設(shè)備相比，具有更高的通信及計算要求，從而，提升了汽車的性能、效率以及安全性[1-2]。對于復(fù)雜的汽車設(shè)備及裝置的控制，需要可靠的總線技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來支撐，并適用于復(fù)雜的汽車環(huán)境。這些技術(shù)的發(fā)展成為汽車相關(guān)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢[3]。CAN總線技術(shù)作為一種先進(jìn)的支持串行的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，能夠在實時的以及分布式控制的系統(tǒng)上運行[4]，已成為現(xiàn)場總線國際標(biāo)準(zhǔn)之一[5]，廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)領(lǐng)域，成為汽車的主干通信總線。目前，汽車運行過程中的狀態(tài)只有有限的信息通過車載儀表面板顯示，仍有很多重要的信息無法直觀地顯示，如故障報警信息等，而這些信息是能夠通過CAN總線向?qū)?yīng)的ECU申請，由ECU響應(yīng)并反饋這些信息數(shù)據(jù)的。因此設(shè)計一個通過CAN總線能獲取汽車各ECU的參數(shù)數(shù)據(jù)，并直觀地顯示出來的監(jiān)控系統(tǒng)，對汽車狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和故障診斷對于實現(xiàn)車輛安全運行具有重要的作用[6-7]。另外，對于車主而言，汽車運行狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)可以讓車主準(zhǔn)確、直接了解車輛的各種參數(shù)和狀態(tài)，而不需要到專門的檢測部門進(jìn)行了解，降低不必要的車輛維護(hù)成本[8-10]。

1 車載CAN總線協(xié)議的監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

硬件電路設(shè)計如圖1所示。

圖1 汽車CAN總線協(xié)議分析儀系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)采用嵌入式STM32F103VET6作為CPU，片內(nèi)集成CAN控制器，采用TJA1050作為 CAN數(shù)據(jù)的收發(fā)器。通過OBDII接口連接到車載CAN總線接口。顯示器采用LCD串口顯示屏。電源模塊電路采用L7805三端穩(wěn)壓IC作為5V輸出的穩(wěn)壓芯片，為CAN收發(fā)模塊、3.3V穩(wěn)壓電路輸入以及光耦模塊提供電源。采用AMS1117_3.3穩(wěn)壓IC作為3.3V電壓輸出電路的電壓轉(zhuǎn)換芯片，為主控制器提供直流電源。

2 CAN總線數(shù)據(jù)獲取和解析處理

2.1 CAN數(shù)據(jù)的提取方案

CAN協(xié)議數(shù)據(jù)幀定義包括ID的定義、幀數(shù)據(jù)的定義等，以發(fā)動機轉(zhuǎn)速為例，利用CAN協(xié)議分析儀和汽車診斷儀ISCANCAR VAG對斯柯達(dá)轎車的CAN通信數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。采集方法如下：首先，將汽車診斷儀通過汽車OBD-II接口接入大眾汽車的CAN總線，啟動汽車，然后將汽車診斷儀上切換到007通道，請求讀取發(fā)動機轉(zhuǎn)速。其次，把CAN協(xié)議分析儀的CAN接口與OBD-II接口中的CAN總線引腳連接，將CAN總線分析儀的CANPro計算機端軟件的CAN波特率配置為500kbps。此時CANPro協(xié)議分析平臺就可獲取到數(shù)據(jù)流通道號為07的發(fā)動機轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)。

CAN總線分析儀讀取到的汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速的通信數(shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 CAN總線分析儀獲取的由汽車診斷儀申請發(fā)動機轉(zhuǎn)速的數(shù)據(jù)

2.2 CAN數(shù)據(jù)解析

解析過程如下：

（1）對于序號為0和序號為1的這兩幀數(shù)據(jù)表示成功進(jìn)入汽車發(fā)動機（Engine）系統(tǒng)，握手成功。在這兩幀數(shù)據(jù)塊中：

發(fā)送：01 C0 00 10 00 03 01

接收：00 D0 00 03 40 07 01

在發(fā)送這行的第0個字節(jié)“01” 表示的是發(fā)動機系統(tǒng)的觸發(fā)地址碼，在接收幀的第五個字節(jié)和第六個字節(jié)“07 01”表示的是發(fā)動機系統(tǒng)的系統(tǒng)地址碼。

（2）序號為2和序號為3這兩數(shù)據(jù)幀是空閑幀，表示的是在等待讀取數(shù)據(jù)流或者其它任務(wù)的執(zhí)行。

（3）序號為4的幀是CAN診斷儀發(fā)出的申請發(fā)動機07組參數(shù)的請求幀，其中“02 21”表示命令字；“07”表示的是參數(shù)組編號。

（4）序號為6到9和序號為12到15的幀ID為0x300表示的是汽車發(fā)動機ECU的響應(yīng)幀，接收的第6幀和第12幀的最后兩個字節(jié)“01 13”和“02 13”就是發(fā)動機的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。將接收ECU幀的數(shù)據(jù)提取出來，轉(zhuǎn)速的計算公式為：（buf[6]*buf[7]）/5。

3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

監(jiān)控系統(tǒng)采用串口LCD顯示屏，通過對應(yīng)的組態(tài)軟件，設(shè)計出友好的顯示界面，并定義各顯示元素的顯示屬性，根據(jù)串口顯示屏的通信協(xié)議，通過RS232串口與車載CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)主機進(jìn)行通訊，實現(xiàn)汽車狀態(tài)參數(shù)的實時顯示。

車載CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)主機的軟件設(shè)計主要包括：系統(tǒng)時鐘配置模塊、串口中斷配置模塊、時鐘節(jié)拍配置模塊、串口屏程序初始化模塊、CAN初始化模塊等。軟件設(shè)計流程圖如圖3所示。監(jiān)控系統(tǒng)通過串口LCD屏，觸摸選擇實時顯示汽車狀態(tài)參數(shù)，監(jiān)控主機向汽車對應(yīng)ECU申請參數(shù)，ECU響應(yīng)并反饋參數(shù)信息，經(jīng)解析后送至串口LCD屏實時該參數(shù)。

圖3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件流程

4 車載CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)測試與分析

實車測試是研發(fā)車型量產(chǎn)前的最后測試，也是最關(guān)鍵的測試[9]。文中以上海大眾的斯柯達(dá)轎車為測試對象，將車載CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)的OBD-II接口通過Y型電纜分別于汽車的OBD-II接口和CAN總線分析的CAN接口連接。駕駛員啟動汽車，汽車檔位設(shè)置在空擋，加油，在不同的發(fā)動機轉(zhuǎn)數(shù)下，通過CAN分析儀的CANPro軟件讀取設(shè)計的CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)請求發(fā)動機轉(zhuǎn)速請求幀及發(fā)動機ECU響應(yīng)幀的數(shù)據(jù)，通過讀取發(fā)動機ECU響應(yīng)的參數(shù)組為07的幀的數(shù)據(jù)域數(shù)據(jù)，解析出發(fā)動機轉(zhuǎn)速，與汽車的發(fā)動機轉(zhuǎn)速儀表以及CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)的串口LCD顯示器顯示出的發(fā)動機轉(zhuǎn)速三者進(jìn)行比較，如果相同，則可以驗證解析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，以及車載CAN總線系統(tǒng)的可行性。

將接收到汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速的部分?jǐn)?shù)據(jù)做成表格，如表1所示。

表1 斯柯達(dá)汽車CAN總線上的發(fā)動機轉(zhuǎn)速相關(guān)數(shù)據(jù)

將“C2 13”轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)速值：194*19/5= 737.2，取整后得到轉(zhuǎn)速為737r/min，與圖4中顯示的發(fā)動機轉(zhuǎn)速一致。

圖4 汽車CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)的顯示轉(zhuǎn)速值

測試表明：汽車CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)能采集和解析斯柯達(dá)汽車的狀態(tài)參數(shù)，并能實時實現(xiàn)這些參數(shù)。

5 結(jié)束語

文中以斯柯達(dá)汽車的發(fā)動機轉(zhuǎn)速為測試參數(shù)對象，驗證了CAN總線監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用可行性。在監(jiān)控系統(tǒng)上，以同樣的數(shù)據(jù)采集和解析的方法，可以獲取汽車運行過程中的主要參數(shù)和報警信息，并實時顯示這些參數(shù)，使汽車運行狀態(tài)參數(shù)可視化，有利于駕駛者了解汽車運行狀態(tài)，提高安全性。