CAN總線在汽車行駛記錄儀中的應(yīng)用

張 妮，畢雪芹，田萍果

（1.西安工業(yè)大學(xué) 北方信息工程學(xué)院，陜西 西安 710025；2.西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710032）

汽車行駛記錄儀（vehicle traveling data recorder）是安裝在車輛上，能夠記錄、存儲(chǔ)、顯示、打印車輛運(yùn)行速度、時(shí)間、里程以及有關(guān)車輛行駛的其他狀態(tài)信息，并可通過接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出的數(shù)字式電子記錄裝置，俗稱汽車黑匣子[1]。汽車行駛記錄儀的使用對(duì)遏制疲勞駕駛、車輛超速等交通違章、約束駕駛?cè)藛T的不良駕駛行為、保障車輛行駛安全以及道路交通事故的分析鑒定具有重要的作用。

汽車行駛記錄儀（以下簡(jiǎn)稱記錄儀）由汽車行駛記錄儀的主機(jī)部分和計(jì)算機(jī)終端的數(shù)據(jù)分析軟件部分構(gòu)成。主機(jī)部分是記錄儀的核心，主要完成車輛行駛數(shù)據(jù)的采集、記錄和存儲(chǔ)。傳統(tǒng)的汽車行駛記錄儀由于采樣信號(hào)很多，信號(hào)采集很復(fù)雜，需要很多連接線，為了保證采集信號(hào)的準(zhǔn)確性，采集到的信號(hào)還要經(jīng)過放大電路和濾波電路進(jìn)行處理，如果各級(jí)電路之間電氣特性匹配不好就會(huì)影響記錄儀信號(hào)采集的準(zhǔn)確性，甚至有時(shí)還會(huì)影響到汽車其他系統(tǒng)的正常工作。

計(jì)算機(jī)終端的數(shù)據(jù)分析軟件主要實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車行駛中諸如速度、壓力等數(shù)據(jù)的分析和處理，因此記錄儀采集的信號(hào)必須與計(jì)算機(jī)終端、外圍報(bào)警模塊、人機(jī)接口模塊等進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。標(biāo)準(zhǔn)的RS232串行通信是一種成熟穩(wěn)定的通信方式，也是汽車行駛記錄儀國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的必須具有的通信方式。但RS232串行通訊信距離短，只能進(jìn)行點(diǎn)到點(diǎn)通訊，不能直接組建多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)。為了延長(zhǎng)RS232的通信距離，并將RS232節(jié)點(diǎn)組成通訊網(wǎng)絡(luò)，就需要將RS232串行通信接口轉(zhuǎn)換成CAN總線接口，以CAN總線形式構(gòu)成遠(yuǎn)程多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)。

CAN總線的應(yīng)用使汽車行駛記錄儀通過接口直接從CAN總線上讀取相應(yīng)信號(hào)，因而不會(huì)影響其他系統(tǒng)的正常工作；同時(shí)CAN總線具有數(shù)據(jù)傳遞可靠性很高的優(yōu)點(diǎn)，也使得其數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性得以保障。

1 CAN總線特點(diǎn)

控制器區(qū)域網(wǎng)（Controller Area Metwork，CAN）總線是一種多主機(jī)局部網(wǎng)。CAN總線規(guī)范已被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）制定為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。CAN總線屬于總線式串行通信網(wǎng)絡(luò)，由于采用了許多新技術(shù)和獨(dú)特設(shè)計(jì)，因而具有以下特點(diǎn)：1）總線以多主方式工作，通信方式靈活，且不用占地址等節(jié)點(diǎn)信息；2）CAN總線網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息分不同的優(yōu)先級(jí)，可滿足不同的實(shí)時(shí)要求；3）采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下也不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況；4）只需通過報(bào)文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)，無需專門的 “調(diào)度”；5）直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10 km（速率 5 Kb/s以下）；6）通信速率最高可達(dá)1 Mb/s（此時(shí)通信距離最長(zhǎng)為40 m）；7）每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低；8）CAN總線節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出的功能，以使總線上的其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。

2 CAN總線接口硬件電路設(shè)計(jì)原理

CAN總線是一種多主總線，可將汽車行駛記錄儀作為汽車CAN網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，在系統(tǒng)中與計(jì)算機(jī)終端相連的節(jié)點(diǎn)是主節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)是從節(jié)點(diǎn)。理論上，主節(jié)點(diǎn)可以有多個(gè)。在簡(jiǎn)單的系統(tǒng)中，一般只設(shè)置1個(gè)主節(jié)點(diǎn)，完成主節(jié)點(diǎn)向從節(jié)點(diǎn)發(fā)送配置數(shù)據(jù)、主節(jié)點(diǎn)向從節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求當(dāng)前工作狀態(tài)、當(dāng)前數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)管理等工作。從節(jié)點(diǎn)根據(jù)應(yīng)用的需要完成不同的功能，如現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集、設(shè)備控制和驅(qū)動(dòng)等，并能實(shí)現(xiàn)上傳數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)等通信功能。

主節(jié)點(diǎn)由PC機(jī)、CAN接口電路、上位機(jī)接口軟件等組成。CAN接口電路實(shí)現(xiàn)了以CAN總線上從節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)之間的通信，CAN接口電路原理框圖如圖1所示。

圖1 CAN接口電路原理圖Fig.1 Principle diagram of CAN interface circuit

CAN接口電路以PHILIPS公司的P89C52微控制器作為核心處理器，負(fù)責(zé)對(duì)CAN總線控制器初始化，并通過數(shù)據(jù)總線對(duì)CAN控制器進(jìn)行讀/寫控制，實(shí)現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中信息的收發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的控制；通過MAX232與PC機(jī)實(shí)現(xiàn)串行通信，由PC機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)寫到微控制器中，再由微控制器的I/O口和控制信號(hào)線將數(shù)據(jù)寫入CAN控制器，通過CAN收發(fā)器向CAN總線發(fā)送；CAN總線上，需要上傳給主節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，經(jīng)CAN收發(fā)器寫入CAN控制器，通過中斷信號(hào)提醒微控制器讀取，再由RS-232接口上傳給PC機(jī)。在CAN總線的兩端，需要接一個(gè)120 Ω的匹配電阻，以提高數(shù)據(jù)通信的抗干擾能力及整體可靠性。

3 主要硬件電路設(shè)計(jì)

除主控器件微處理器P89C52之外，CAN總線接口電路主要由CAN總線通信接口電路、CAN收發(fā)器與光電隔離部分、串口收發(fā)器等組成[2-5]。

3.1 CAN總線通信接口電路

CAN總線通信接口電路是一個(gè)很重要的環(huán)節(jié)，記錄儀的正確運(yùn)行與其密切相關(guān)。該設(shè)計(jì)采用了PHILIPS公司生產(chǎn)的總線控制器SJA1000，該器件是一種獨(dú)立的CAN總線控制器，主要用于移動(dòng)目標(biāo)和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制。SJA1000具有PCA82C200模式（即默認(rèn)的Basic CAN模式），基本特性如下：1）具有PCA82C200模式（即默認(rèn)的Basic CAN 模式）；2）支持 CAN2.OA 和 CAN2.OB 協(xié)議；3）支持 11位和 29位標(biāo)識(shí)符；4）通信的位速率可達(dá) 1 Mb/s；5）采用的是24 MHz時(shí)鐘頻率；6）可與不同的微處理器相接；7）可編程的CAN輸出驅(qū)動(dòng)器配置；8）溫度適應(yīng)范圍大（-40～+125℃）。

圖2 CAN總線通信接口電路Fig.2 CAN-bus communication interface circuit

此外，還具有PeliCAN模式擴(kuò)展功能：1）可讀/可訪問的錯(cuò)誤計(jì)數(shù)寄存器；2）可編程的錯(cuò)誤報(bào)警限額寄存器；3）最近一次錯(cuò)誤代碼寄存器；4）對(duì)每一個(gè)CAN總線錯(cuò)誤的中斷；5）有具體位表示的仲裁丟失中斷；6）單次發(fā)送（無重復(fù)）；7）只聽模式（無確認(rèn)、無激活的錯(cuò)誤標(biāo)志）；8）支持熱插拔（軟件位速率檢測(cè)）；9）驗(yàn)收濾波器的擴(kuò)展（4字節(jié)的驗(yàn)收代碼，4字節(jié)的屏蔽）；10）接收自身報(bào)文（自接收請(qǐng)求）。

圖2所示為SJA1000與微處理器通信接口電路。SJA1000的復(fù)位信號(hào)RST為低電平有效。

3.2 CAN總線收發(fā)器隔離電路

CAN總線收發(fā)器采用了標(biāo)準(zhǔn)的高速CAN收發(fā)器TJA1050，該收發(fā)器是CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口。TJA1050可以為總線提供差動(dòng)發(fā)送性能，為CAN控制器提供差動(dòng)接收性能。TJA1050除了增強(qiáng)EMC外，另外一個(gè)重要的特性是不上電時(shí)，CAN總線呈現(xiàn)無源特性。這使TJA1050在性能上大大優(yōu)于其他CAN總線收發(fā)器。TJA1050有高速和靜音2種工作模式，都由引腳S控制。引腳S接地可以進(jìn)入高速模式，由于引腳S有內(nèi)部下拉功能，所以當(dāng)它沒接時(shí)，高速模式也是默認(rèn)模式。在高速模式中，總線輸出信號(hào)有固定的頻率，并且以盡量快的速度切換，適用于最大的位速率和最大的總線長(zhǎng)度。將引腳S接高電平，就可進(jìn)入靜音模式。在靜音模式中，發(fā)送器是禁止的，不管TXD的輸入信號(hào)。因此，TJA1050在非發(fā)送狀態(tài)中，它此時(shí)消耗的電源電流和隱形狀態(tài)時(shí)一樣。TJA1050最低的波特率為 20 Kb/s。

為了確保在CAN總線遭受嚴(yán)重干擾時(shí)控制器能夠正常運(yùn)行，CAN總線控制器沒有與總線收發(fā)模塊直接相連，而是通過光電隔離器6N137后相連，從而實(shí)現(xiàn)總線上各節(jié)點(diǎn)間的電氣隔離。電路圖如圖3所示。6N137光耦合器的第6引腳Vo輸出電路屬于集電極開路電路，必須上拉一個(gè)電阻；另外其第2引腳和3引腳之間是一個(gè)LED，必須串接一個(gè)限流電阻，此外，光電耦合部分所采用的兩個(gè)電源VCC和CAN的+5 V必須完全隔離。

圖3 總線收發(fā)器隔離電路Fig.3 Schematic diagram of bus transceiver and photoelectric isolation

3.3 RS232總線接口模塊

RS232總線接口主要實(shí)現(xiàn)汽車行駛記錄儀與PC機(jī)的RS232串口通信功能。MAX232芯片是常用的RS-232C與TTL電平轉(zhuǎn)換器，它的內(nèi)部有電壓倍增電路和轉(zhuǎn)換電路，只需+5 V電源便可實(shí)現(xiàn)RS-232C與TTL電平轉(zhuǎn)換，使用方便，一個(gè)芯片可連接2對(duì)收/發(fā)信號(hào)線。因此轉(zhuǎn)換器采用MAX232。其接口原理圖如圖4所示。

圖4 RS232接口原理圖Fig.4 Principle schematic of RS232 interface

4 軟件設(shè)計(jì)[6]

在軟件設(shè)計(jì)之前，為了確保SJA1000的片選地址與其他的外部存儲(chǔ)器無沖突，需先確定SJA1000的基地址及復(fù)位引腳，然后正確地初始化SJA1000。CAN接口電路的軟件設(shè)計(jì)主流程圖如圖5所示，主要包括CAN控制器的初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收及出錯(cuò)處理等。

圖5 CAN接口電路主流程圖Fig.5 Flow chart of main program of CAN interface circuit

SJA1000的初始化只有在復(fù)位模式下才可以進(jìn)行，初始化主要包括工作方式的設(shè)置，接收濾波方式的設(shè)置，接收屏蔽寄存器和接收代碼寄存器的設(shè)置，波特率參數(shù)設(shè)置和中斷允許寄存器的設(shè)置等。其初始化流程如圖6所示。

CAN發(fā)送數(shù)據(jù)流程如圖7所示，接收數(shù)據(jù)流程如圖8所示。此程序以采集行駛車輛行駛速度和壓力數(shù)據(jù)為例。

圖6 初始化程序流程圖Fig.6 Flow chart of initialization program

圖7 發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖Fig.7 Flow chart of sending data program

5 結(jié)束語

CAN總線的應(yīng)用，使汽車行駛記錄儀的信號(hào)采樣系統(tǒng)簡(jiǎn)化，降低了對(duì)MCU處理單元的性能要求，提高了汽車行駛記錄儀穩(wěn)定性，可在RS232通信節(jié)點(diǎn)中建立多點(diǎn)遠(yuǎn)程通信，其硬件和軟件設(shè)計(jì)上都有所創(chuàng)新，使記錄儀安裝更為簡(jiǎn)便，具有很好的性價(jià)比和很強(qiáng)的可移植性和擴(kuò)充性。

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