基于英飛凌XMC4500的高效CAN總線數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫彥超，徐宏宇

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué)電子信息工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110136)

嵌入式設(shè)備節(jié)點(diǎn)越來(lái)越多地被用在控制和數(shù)據(jù)測(cè)量方面。嵌入式設(shè)備節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)算的數(shù)據(jù)以及采集的數(shù)據(jù)等，通常需要被記錄下來(lái)。而這些數(shù)據(jù)往往具有實(shí)時(shí)性，設(shè)備運(yùn)行的時(shí)間長(zhǎng)，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量龐大。利用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄方法，不僅需要耗費(fèi)大量的人力和時(shí)間，也極大地影響了生產(chǎn)效率。

CAN總線是汽車車身控制的標(biāo)準(zhǔn)總線，也被廣泛用于工業(yè)控制中。借助CAN總線可以實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備節(jié)點(diǎn)之間的實(shí)時(shí)通信，也可以通過CAN總線來(lái)對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析［1］。在對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)分析方面，如果在沒有性能較高的數(shù)據(jù)接收處理上位機(jī)設(shè)備，如PC機(jī)、平板電腦等時(shí)，可以有兩種方案:(1)將數(shù)據(jù)通過運(yùn)營(yíng)商手機(jī)網(wǎng)絡(luò)或者WIFI模塊或以太網(wǎng)傳遞給云端主機(jī)，進(jìn)行存儲(chǔ)分析處理;(2)通過滿足性能要求的下位機(jī)節(jié)點(diǎn)，如高性能的FPGA、MCU，通過一定的策略來(lái)實(shí)現(xiàn)CAN總線數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)接收和存儲(chǔ)，以便于以后上位機(jī)處理。其中，方案1成本較高，并且可能滿足不了高速的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送需要;方案2中利用高性能的FPGA方案絕對(duì)是可以實(shí)現(xiàn)的，但是相對(duì)于MCU開發(fā)來(lái)說利用FPGA周期相對(duì)較長(zhǎng)，并且外圍硬件電路設(shè)計(jì)與PCB布線較復(fù)雜。在存儲(chǔ)介質(zhì)的選擇方面，綜合成本、讀寫速度兩個(gè)方面SD卡是絕佳的選擇［2］，并且SD卡可插拔，易于上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)提取［3］，且容易更換。

目前國(guó)外已經(jīng)有著名的CAN總線工具開發(fā)公司——瑞典的Kvaser公司，推出了名為Kvaser Memorator Professional的CAN總線分析儀產(chǎn)品，支持將CAN總線上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD卡中，但價(jià)格較高。國(guó)內(nèi)目前沒有成熟穩(wěn)定的可以將CAN總線上的數(shù)據(jù)記錄到SD卡上的產(chǎn)品。國(guó)內(nèi)對(duì)于CAN總線上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到SD卡的研究，大多使用的是通過SPI總線來(lái)讀寫SD卡，對(duì)于需要快速存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的場(chǎng)合，采用SPI總線來(lái)讀寫SD卡的方式是不可行的。

利用含有SD卡接口外設(shè)的微控制器的SD卡接口來(lái)讀寫SD卡，比通過SPI總線來(lái)讀寫SD卡的讀寫速度要快很多。本文提出采用含有SD卡接口的英飛凌的 XMC4500單片機(jī)(基于ARM－Cortex M4架構(gòu))來(lái)做為讀寫SD卡的控制器，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的硬件電路，詳細(xì)描述了設(shè)計(jì)的軟件算法、數(shù)次試驗(yàn)的研究發(fā)現(xiàn)和方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

英飛凌的XMC4500單片機(jī)有高效的4線SD卡接口和CAN總線接口的，主頻120 MHz，數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，并且支持當(dāng)今常見的大容量的Class 6和Class 10 SDHC卡。由于小容量的SD卡以及Class 6以下的SD卡均已經(jīng)停產(chǎn)，所以以往的只支持這種類型的SD卡的方案已經(jīng)不實(shí)用。XMC4500的SDMMC接口時(shí)鐘最高48 MHz，有兩個(gè)512字節(jié)的緩沖區(qū)，最高對(duì)SD卡的寫入速率可以達(dá)到24MB/s［5］。所以利用XMC4500可以構(gòu)建一個(gè)穩(wěn)定、高速、高實(shí)時(shí)性的CAN總線節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)。

1.系統(tǒng)總體構(gòu)成

系統(tǒng)總體構(gòu)成如圖1所示。由XMC4500接收CAN總線網(wǎng)絡(luò)上的相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過SDMMC接口將數(shù)據(jù)寫入到SDHC卡中，然后通過特定的處理把得到的文本文件通過EXCEL或者M(jìn)ATLAB等數(shù)據(jù)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖1 系統(tǒng)的總體構(gòu)成

2.系統(tǒng)硬件組成

2.1 電源電路

TI的LM5007是TI公司推出的低成本的、高效的Buck電壓降壓開關(guān)穩(wěn)壓器，可以接受9－75 V的電壓輸入，輸出電壓范圍為2.5－73 V。如圖2所示，本文采用TI的LM5007電源轉(zhuǎn)換芯片，可以使得系統(tǒng)電源電壓輸入范圍在12－40 V之間，并且轉(zhuǎn)換得到的5 V電源具有低紋波的優(yōu)點(diǎn)。如圖3所示，系統(tǒng)通過英飛凌的IFX1117MEV33來(lái)將5 V轉(zhuǎn)換為3.3 V，給XMC4500供電。

2.2 CAN總線收發(fā)電路

CAN總線收發(fā)電路部分，選取性能可靠的英飛凌TLE6250G作為XMC4500的CAN總線外接收發(fā)器。TLE6250G是英飛凌的高速CAN收發(fā)器，可以應(yīng)用于苛刻的汽車電子領(lǐng)域，具有卓越的EMC性能，具有很寬的溫度范圍(－40℃至150℃)，并且有過溫保護(hù)。具體電路結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖2 LM5007穩(wěn)壓電路

圖3 IFX1117穩(wěn)壓電路

2.3 SD卡接口電路

SDHC卡的訪問需要時(shí)鐘線、指令控制線和數(shù)據(jù)線［6］。時(shí)鐘線和指令控制線分別為MMC_CLK和MMC_CMD。XMC4500通過其SDMMC接口連接SD卡，并且可以提供四條數(shù)據(jù)線為SD卡傳送數(shù)據(jù)，其中四條數(shù)據(jù)線為MMC_DAT0～MMC_DAT3。為保證指令和數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性，數(shù)據(jù)線和指令線均上拉［7］，單片機(jī)相應(yīng)的引腳采用Open－drain模式。具體電路如圖5所示。

圖4 XMC4500外接CAN總線收發(fā)器電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件執(zhí)行流程

程序固件代碼通過DAVE3.1.10和VIM編寫，通過tasking燒寫入XMC4500。程序主要包括相應(yīng)的模塊接口初始化、內(nèi)存分配操作、中斷的配置和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)幾個(gè)部分，具體流程見圖6。

圖5 SD卡接口電路

圖6 軟件執(zhí)行流程

3.2 SDMMC接口的初始化和FATFS文件系統(tǒng)的初始化

SDMMC接口的初始化主要包括SDMMC接口時(shí)鐘的初始化和SDMMC接口引腳的初始化。

CAN總線初始化主要包括CAN總線接收和發(fā)送節(jié)點(diǎn)的配置，CAN總線接口的分配，CAN總線波特率的設(shè)置。CAN總線的接收中斷要賦予較高的優(yōu)先級(jí)，使其可以接收到所有CAN總線網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)發(fā)出來(lái)的數(shù)據(jù)。

SD卡初始化主要是XMC4500檢測(cè)SD卡是否插入SD卡接口及檢測(cè)插入的SD卡是否支持。如果初始化SD卡失敗，需要嘗試再對(duì)其進(jìn)行初始化。因?yàn)椴⒉荒芡耆_保SD卡可以一次初始化成功，也并不能確保使用的SD卡是可用的。

FATFS是一個(gè)小型的FAT文件系統(tǒng)，它不依賴于具體的硬件平臺(tái)，只提供SD卡操作的抽象層的接口，是一個(gè)較為通用的文件系統(tǒng)［8］。

軟件采用FATFS文件系統(tǒng)和XMC4500的SDMMC接口的I/O操作來(lái)完成數(shù)據(jù)寫入到SD卡中，形成數(shù)據(jù)記錄文件。

使用FATFS文件系統(tǒng)，需要首先為文件名的路徑分配內(nèi)存，以存儲(chǔ)文件的路徑。其次需要為打開文件分配內(nèi)存。否則，寫入文件的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致寫入數(shù)據(jù)失敗。

使用f_mount()函數(shù)來(lái)掛載文件系統(tǒng)。使用f_open()函數(shù)來(lái)打開文件，如果文件不存在則可以創(chuàng)建文件。

3.3 數(shù)據(jù)處理

FATFS文件系統(tǒng)可以創(chuàng)建擴(kuò)展名為.txt格式的文件。所有FATFS文件系統(tǒng)寫入到SD卡的文件中的數(shù)據(jù)是字符，而CAN總線接收到的數(shù)據(jù)是數(shù)值數(shù)組。所以需要把CAN總線接收到的數(shù)據(jù)，在程序中通過類型轉(zhuǎn)換變成字符數(shù)組。比如CAN總線某一時(shí)刻接收到的數(shù)據(jù)(不考慮 ID號(hào))，為{0x01，0x20，0x33，0x45，0x67，0xaa，0xbc，0xfe}，為了盡量減小文件數(shù)據(jù)寫入壓力，將他們轉(zhuǎn)換為{‘0’，‘1’，‘2’，‘0’，‘3’，‘3’，‘4’，‘5’，‘6’，‘7’，‘a(chǎn)’，‘a(chǎn)’，‘b’，‘c’，‘f’，‘e’}。

擴(kuò)展名為".csv"格式的文件，以純文本的形式存儲(chǔ)表格數(shù)據(jù)。擴(kuò)展名為".txt"的文件通過重命名為".csv"格式，可以利用excel表格打開。擴(kuò)展名為".csv"的格式的文件中的數(shù)據(jù)以逗號(hào)進(jìn)行分隔，如果數(shù)據(jù)是換行符，則接下來(lái)的數(shù)據(jù)換行顯示。

通過對(duì)".csv"格式的文件進(jìn)行研究，程序在對(duì)CAN總線節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)值數(shù)組轉(zhuǎn)換成字符數(shù)組的過程中，在轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)之間加逗號(hào)，并且在一幀數(shù)據(jù)之后加換行符。例如假如CAN總線節(jié)點(diǎn)接收到的一幀數(shù)據(jù)為:{0x01，0x20，0x33，0x45，0x67，0xaa，0xbc，0xfe}，轉(zhuǎn)換之后為{‘0’，‘1’，‘，’，‘2’，‘0’，‘，’，‘3’，‘3’，‘，’，‘4’，‘5’，‘，’，‘6’，‘7’，‘，’，‘a(chǎn)’，‘a(chǎn)’，‘，’，‘b’，‘c’，‘，’，‘f’，‘e’，‘ ’，‘ ’}。也就是說，如果CAN總線一幀數(shù)據(jù)是8字節(jié)，則寫入到SD卡的數(shù)據(jù)記錄文件中的數(shù)據(jù)是25字節(jié)，如果需要存儲(chǔ)CAN總線數(shù)據(jù)的ID號(hào)，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)幀(ID號(hào)為11bit)和擴(kuò)展幀(ID號(hào)為29bit)，一幀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)記錄文件中的大小分別為28字節(jié)和30字節(jié)。

3.4 數(shù)據(jù)寫入

FAT 文件系統(tǒng)以“簇”作為數(shù)據(jù)單元［9－10］，SD 卡的一個(gè)扇區(qū)大小為512字節(jié)［11－12］。FATFS文件系統(tǒng)建議每次寫入數(shù)據(jù)的量最好等于所使用的SD卡的簇的大?。?3］。

經(jīng)試驗(yàn)，SD的簇大小為4K的時(shí)候，寫入速度最快。所以將SD卡格式化成簇大小為4K，并且每次向SD卡寫入4K字節(jié)的數(shù)據(jù)。

數(shù)次實(shí)驗(yàn)證明，SD卡在連續(xù)寫入若干字節(jié)(幾十K以上)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)大的寫入間隔(SD卡垃圾回收時(shí)間)，這一個(gè)間隔也許會(huì)持續(xù)數(shù)十毫秒至一百毫秒左右。如果在這個(gè)寫入間隔期間，CAN總線節(jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)發(fā)出，需要一個(gè)軟件上的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

通過對(duì)執(zhí)行效率和代碼數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的分析，采用循環(huán)緩沖隊(duì)列(Circular Buffer)來(lái)存儲(chǔ)處理后的CAN總線的數(shù)據(jù)幀，可以使系統(tǒng)持續(xù)接收CAN總線傳來(lái)的數(shù)據(jù)，在緩沖隊(duì)列中的數(shù)據(jù)多于4K時(shí)，再進(jìn)行SD卡的寫入操作。文獻(xiàn)［14］采用的程序流程是不足以滿足持續(xù)快速地處理CAN總線上傳來(lái)的數(shù)據(jù)要求的。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建

為了測(cè)試存儲(chǔ)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性、通用性和穩(wěn)定性，特使用兩個(gè)XMC4500硬件平臺(tái)，如圖7所示。其中，硬件平臺(tái)(一)(XMC4500(一))用于產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，通過CAN總線發(fā)送數(shù)據(jù)幀(均為擴(kuò)展幀)給硬件平臺(tái)(二)(XMC4500(二))，同時(shí)硬件平臺(tái)(一)通過XMC4500的USB接口與PC機(jī)相連［15］，PC機(jī)上的上位機(jī)程序?qū)崟r(shí)將收到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為文本，用于在實(shí)驗(yàn)停止后和硬件平臺(tái)(二)通過SD卡接口寫入到SD卡中的文本文件的內(nèi)容進(jìn)行比對(duì)。

圖7 測(cè)試所用的硬件平臺(tái)

4.2 系統(tǒng)性能測(cè)試

4.2.1 系統(tǒng)實(shí)時(shí)性存儲(chǔ)壓力測(cè)試

在測(cè)試系統(tǒng)實(shí)時(shí)性時(shí)，硬件平臺(tái)(一)每200 μs發(fā)送一幀數(shù)據(jù)給硬件平臺(tái)(二)，測(cè)試系統(tǒng)在若干萬(wàn)CAN總線擴(kuò)展幀數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至SD卡(每次寫4K數(shù)據(jù)至SD卡)之后，是否存在丟失數(shù)據(jù)的情況。通過比對(duì)硬件平臺(tái)(一)和硬件平臺(tái)(二)所產(chǎn)生的文本文件是否內(nèi)容一致來(lái)進(jìn)行評(píng)判。測(cè)試情況如表1所示，由表1可知，系統(tǒng)具有較高的實(shí)時(shí)性存儲(chǔ)能力。

4.2.2 系統(tǒng)通用性測(cè)試

在測(cè)試系統(tǒng)通用性時(shí)，硬件平臺(tái)(一)通過CAN總線分別以不同的波特率向硬件平臺(tái)(二)發(fā)送擴(kuò)展幀，測(cè)試硬件平臺(tái)(二)存在SD卡中的數(shù)據(jù)文件與PC機(jī)上得到的硬件平臺(tái)(一)所發(fā)送的數(shù)據(jù)文件是否一致。測(cè)試情況如表2所示。由表2可知，系統(tǒng)對(duì)不同CAN總線波特率的節(jié)點(diǎn)具有通用性，而不是只適用于CAN總線波特率為1 000 Kb/s的節(jié)點(diǎn)。

表1 系統(tǒng)實(shí)時(shí)性測(cè)試

表2 系統(tǒng)通用性測(cè)試

4.2.3 系統(tǒng)穩(wěn)定性測(cè)試

在測(cè)試系統(tǒng)穩(wěn)定性時(shí)，測(cè)試系統(tǒng)在若干小時(shí)的持續(xù)寫入的情況下的表現(xiàn)。測(cè)試時(shí)使用的CAN總線的波特率為1 000 Kb/s，硬件平臺(tái)(一)每200 μs發(fā)送一幀數(shù)據(jù)。評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)同上。測(cè)試結(jié)果如表3所示。由表3可知，系統(tǒng)在總線高負(fù)荷的情況下，仍然具有長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的高穩(wěn)定性。

表3 系統(tǒng)的穩(wěn)定性能測(cè)試

4.3 數(shù)據(jù)記錄文件的后續(xù)處理

如圖8所示，將一個(gè)用硬件平臺(tái)(二)存儲(chǔ)了6個(gè)小時(shí)的單個(gè)文本文件，分割成了單個(gè)大小為1 600 kB的小文件。因?yàn)榭紤]到經(jīng)過若干小時(shí)的數(shù)據(jù)寫入，若用excel軟件來(lái)分析硬件平臺(tái)(二)在SD卡上存儲(chǔ)的單個(gè)記錄文件，文件的行數(shù)會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過excel表格的單個(gè)文件的行數(shù)限制;若用MATLAB來(lái)分析數(shù)據(jù)，則一次讀入整個(gè)文件，即使在PC機(jī)內(nèi)存夠用的情況下，也會(huì)嚴(yán)重影響MATLAB運(yùn)行效率。故系統(tǒng)采用在PC機(jī)上將文件進(jìn)行按行分割，然后再進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。其中按行分割文本文件的軟件來(lái)自于互聯(lián)網(wǎng)。

圖8 文件按行分割結(jié)果

單個(gè)文件用excel表格解析后的結(jié)果如圖9所示，第1列為CAN總線的幀的ID號(hào)，第2列到第9列為提取的8字節(jié)的CAN總線幀的數(shù)據(jù)段的內(nèi)容。記錄的數(shù)據(jù)均為16進(jìn)制，可以通過excel的HEX2DEC函數(shù)把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成10進(jìn)制，以便于數(shù)據(jù)的處理。

圖9 單個(gè)文件用excel表格解析

5 結(jié)論

分析可得，系統(tǒng)對(duì)SD卡平均寫入速率至少可以達(dá)到1.2 Mbps。使用XMC4500可以構(gòu)建出一個(gè)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定、可靠、高效率的CAN總線數(shù)據(jù)記錄設(shè)備?？梢源蟠鬁p輕測(cè)試記錄人員的負(fù)擔(dān)，也可為系統(tǒng)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)記錄方面提供良好的技術(shù)支持。

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