基于VB與CAN總線技術(shù)的AMT臺(tái)架監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

劉文秀 龍迎春 郭偉

摘 要： 針對AMT的研制過程開發(fā)了AMT臺(tái)架監(jiān)測系統(tǒng)，包括硬件電路及軟件的設(shè)計(jì)。以MC9S12XS128為微控制器實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集，通過微控制器中的CAN模塊及USBCAN接口卡實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的實(shí)時(shí)通信，利用VB的可視界面開發(fā)了AMT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的監(jiān)控平臺(tái)。實(shí)踐表明，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，為提高AMT系統(tǒng)的開發(fā)效率提供了一個(gè)操作簡單且實(shí)用的平臺(tái)，有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： AMT； 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)； CAN網(wǎng)絡(luò)； MC9S12XS128

中圖分類號(hào)： TN911?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）05?0093?03

AMT臺(tái)架監(jiān)測系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的多輸入多輸出控制系統(tǒng)。AMT工作原理是通過電控單元TCU，根據(jù)車況行駛工況（車速、加速度、擋位）和駕駛員的意圖（加速踏板、制動(dòng)踏板、換擋控制桿），按照設(shè)定的最佳換擋規(guī)律和離合器模糊控制規(guī)律以及發(fā)動(dòng)機(jī)供油自適應(yīng)調(diào)節(jié)規(guī)律等，控制換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)模擬熟練駕駛員的換擋動(dòng)作進(jìn)行選擋和換擋，從而提高燃料經(jīng)濟(jì)性與動(dòng)力性能以及駕車舒適性。

自動(dòng)機(jī)械變速器臺(tái)架試驗(yàn)是AMT研制開發(fā)過程中的重要組成部分。張志偉通過LabVIEW和USBCAN實(shí)現(xiàn)了AMT的下線檢測試驗(yàn)系統(tǒng)[1]，很好地實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測AMT和試驗(yàn)臺(tái)的運(yùn)行情況；馬永富等同樣通過LabVIEW和CAN總線實(shí)現(xiàn)AMT臺(tái)架試驗(yàn)[2]；武州等通過以美國NI公司的虛擬儀器軟件Lab Windows/CVI為開發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了通過同一試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行多種型號(hào)AMT變速器的實(shí)驗(yàn)[3]?；诖碎_發(fā)了以VB為軟件平臺(tái)，以飛思卡爾單片機(jī)為控制器，通過CAN總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)AMT監(jiān)測系統(tǒng)的試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的下位機(jī)采用MC9S12XS128作為控制器，完成AMT系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能，通過CAN總線將計(jì)算后的數(shù)據(jù)輸出到USB采集卡中，上位機(jī)程序通過控制USBCAN采集卡得到下位機(jī)的輸出數(shù)據(jù)，并顯示出來，以方便研究人員分析、調(diào)試系統(tǒng)。

1 AMT變速器臺(tái)架硬件電路的設(shè)計(jì)

MC9S12XS128單片機(jī)作為AMT系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集及控制單元，上位機(jī)采用PC機(jī)，利用MC9S12XS128單片機(jī)中的CAN模塊實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的實(shí)時(shí)通信，記錄現(xiàn)場數(shù)據(jù)。系統(tǒng)總框圖如圖1所示。

系統(tǒng)硬件主要由傳感器檢測的輸入信號(hào)模塊、主控制器模塊、 執(zhí)行機(jī)構(gòu)模塊和通信模塊等組成。分析系統(tǒng)所需采集的基本信號(hào)并進(jìn)行歸類，輸入信號(hào)包括脈沖信號(hào)、 模擬輸入信號(hào)和開關(guān)量信號(hào)。主控制器芯片采用16位微控制器芯片MC9S12XS128，其功能模塊豐富， 不僅能滿足基本控制要求，同時(shí)其本身集成了CAN控制器，可降低硬件復(fù)雜度，也提高了數(shù)據(jù)傳遞效率，完全滿足AMT系統(tǒng)的要求。執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括選換檔電機(jī)、油門控制電機(jī)及離合器控制電機(jī)。通信模塊采用MC9S12XS128自帶的CAN總線模塊、USBCAN智能接口卡、CTM1050的CAN總線收發(fā)器實(shí)現(xiàn)上位機(jī)監(jiān)控的系統(tǒng)[4]。硬件設(shè)計(jì)總體框圖如圖2所示。

的設(shè)計(jì)

（1） 脈沖信號(hào)的采集

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩傳感器采集到的信號(hào)是頻率信號(hào)，通過頻率電壓變換電路并濾波放大，送到微控制器A/D模塊進(jìn)行采集。系統(tǒng)采用LM331芯片構(gòu)建F/V變換電路如圖3所示，濾波放大電路采用集成芯片LMV358設(shè)計(jì)電路，如圖4所示。

（2） 模擬信號(hào)的采集

加速踏板、制動(dòng)踏板、離合器位置傳感器等所產(chǎn)生的信號(hào)是模擬信號(hào)，則直接進(jìn)行濾波放大電路，如圖4所示，并采用軟件量度換算。

（3） 開關(guān)信號(hào)的采集

開關(guān)量信號(hào)的采樣，其主要是抖動(dòng)問題，因?yàn)闄n位位置信號(hào)、制動(dòng)開關(guān)等受外界干擾大，容易產(chǎn)生誤動(dòng)作，并且開關(guān)量采集的本身原理限制即實(shí)現(xiàn)0或者1變位，一般時(shí)間比較長，因此想要準(zhǔn)確采集開關(guān)量信號(hào)消抖濾波電路是基本的，可以采用軟件延時(shí)消抖的處理方法。

1.2 CAN通信電路的設(shè)計(jì)

由于微控制器芯片上集成了CAN控制器，簡化了硬件電路的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)采用CTM1050芯片作為CAN收發(fā)器，將CAN控制器邏輯電平轉(zhuǎn)換為CAN總線的差動(dòng)電平；另外，CTM1050還具有對CAN控制器與CAN總線之間的隔離作用[5]。采用USBCAN?I作為USBCAN智能接口卡，實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的連接，CAN接口電路見圖5。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

模塊化的程序設(shè)計(jì)方法是系統(tǒng)開發(fā)時(shí)常用的方法。軟件部分主要包括上位機(jī)和下位機(jī)軟件的編寫。

2.1 下位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)

下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要是單片機(jī)程序的設(shè)計(jì)，采用C語言模塊化的編程方法實(shí)現(xiàn)對各傳感器信號(hào)的采集及數(shù)據(jù)的傳輸及運(yùn)算。程序主要包括系統(tǒng)初始化模塊和CAN總線收發(fā)模塊的編寫[6]。初始化模塊有系統(tǒng)時(shí)鐘鎖相環(huán)模塊、初始化CAN模塊、I/O端口初始化模塊、定時(shí)器模塊、輸入脈沖捕捉模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊等。程序模塊如圖6所示。

CAN總線收發(fā)模塊包括初始化CAN函數(shù)、CAN數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)、CAN數(shù)據(jù)接收函數(shù)、接收中斷函數(shù)。通過設(shè)定波特率、濾波方式、允許接收ID號(hào)等實(shí)現(xiàn)MSCAN模塊的初始化[7]。CAN數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)以標(biāo)識(shí)符、標(biāo)準(zhǔn)幀、數(shù)據(jù)幀、優(yōu)先級(jí)、數(shù)據(jù)長度、指向發(fā)送數(shù)據(jù)段的指針為函數(shù)參數(shù)。CAN數(shù)據(jù)接收函數(shù)以接收標(biāo)識(shí)符、判斷數(shù)據(jù)幀、數(shù)據(jù)幀長度、接收數(shù)據(jù)段為函數(shù)參數(shù)。其首先判斷前臺(tái)緩沖區(qū)是否有數(shù)據(jù)、再判斷是否為數(shù)據(jù)幀、然后讀取數(shù)據(jù)，并釋放前臺(tái)緩沖區(qū)。

現(xiàn)場采集到的模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)、開關(guān)信號(hào)等是通過CAN發(fā)送程序先將數(shù)據(jù)寫入控制器空閑的發(fā)送緩沖器，并設(shè)置緩沖區(qū)內(nèi)的其他寄存器為MSCAN中的IDR格式，為數(shù)據(jù)的發(fā)送做好準(zhǔn)備，當(dāng)總線空閑時(shí)，CAN控制器就會(huì)將數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上，等待上位機(jī)的讀取。CAN總線數(shù)據(jù)的接收是采用中斷的方式，當(dāng)接收緩沖區(qū)內(nèi)有數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)出中斷請求，從而完成數(shù)據(jù)的接收。

單片機(jī)主程序流程圖如圖7所示。

2.2 上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)

2.2.1 上位機(jī)與CAN模塊通信的實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)采用VB軟件開發(fā)，通過CAN模塊通信實(shí)現(xiàn)對AMT數(shù)據(jù)監(jiān)測。其中CAN通信是基于USBCAN來實(shí)現(xiàn)的。USBCAN提供了應(yīng)用程序接口VCI函數(shù)庫。庫里的函數(shù)可以從ControlCAN.dll中導(dǎo)出，其鏈接庫中的函數(shù)的使用流程如圖8所示。VB中可以直接使用這些庫函數(shù)，實(shí)現(xiàn)對接口卡的啟動(dòng)、設(shè)置等相關(guān)操作。

在VB程序設(shè)計(jì)中，采用循環(huán)方式處理數(shù)據(jù)的接收及數(shù)據(jù)的運(yùn)算。在軟件的編寫過程中首先實(shí)現(xiàn)對CAN進(jìn)行初始化配置，包括CAN卡的類型、通道、波特率、驗(yàn)收碼、屏蔽碼、數(shù)據(jù)幀的類型、數(shù)據(jù)幀的濾波方式等；實(shí)現(xiàn)對在數(shù)據(jù)總線上傳輸?shù)腃AN報(bào)文數(shù)據(jù)的解析。然后解析的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算處理，實(shí)現(xiàn)對換擋系統(tǒng)中的換擋數(shù)據(jù)等信號(hào)的實(shí)時(shí)處理以及在現(xiàn)實(shí)界面的實(shí)時(shí)顯示和數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，并畫出動(dòng)態(tài)曲線為試驗(yàn)的分析做準(zhǔn)備。

2.2.2 人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

對采集到的信號(hào)利用VB可視界面實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示，其中包括車速顯示、發(fā)動(dòng)機(jī)模塊、駕駛員控制模塊、選換擋機(jī)構(gòu)模塊，變換曲線顯示模塊等。人機(jī)界面如圖9所示。

監(jiān)控界面可以通過人為設(shè)置期望值，并把期望值封裝成CAN協(xié)議形式發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)解析數(shù)據(jù)幀的ID判斷數(shù)據(jù)的目標(biāo)對象，對數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的解碼讀取，同時(shí)與現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)值進(jìn)行比較，依據(jù)程序算法產(chǎn)生控制信號(hào)，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)加以控制。

3 結(jié) 語

本文根據(jù)AMT研制開發(fā)過程設(shè)計(jì)了AMT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的選換擋數(shù)據(jù)監(jiān)測和顯示方面的需求，以飛思卡爾16位單片機(jī)為核心搭建硬件平臺(tái)，利用CAN通信技術(shù)，采用VB軟件設(shè)計(jì)了AMT數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的監(jiān)控平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)AMT數(shù)據(jù)采集功能，為提高AMT系統(tǒng)的開發(fā)效率提供了一個(gè)操作簡單而實(shí)用的平臺(tái)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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