車載數(shù)據(jù)記錄儀的多通道CAN總線接口設計

李愛佳，崔建峰，李愛慧，劉慧豐

（1.中北大學電子測試技術國家重點實驗室，太原 030051；2.哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150000；3.北京特種車輛試驗場，北京 100072）

0 引言

隨著信息技術與計算機通信技術的飛速發(fā)展，CAN總線（Controller Area Network）已成為目前國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN總線最開始是由20世紀80年代德國Bosch公司為了解決現(xiàn)代汽車中龐大的電子控制裝置之間的通信而最先提出的。在汽車領域，CAN總線被設計為汽車環(huán)境中的微控制器通信，與車載其他電子控制裝置ECU之間交換信息［1］。CAN總線是一個單一的網(wǎng)絡總線，其外圍器件都可被掛在總線上。目前，CAN總線已經(jīng)在汽車工業(yè)、航空工業(yè)、工業(yè)控制等領域中有著廣泛的應用［2］。

車載記錄儀采用飛思卡爾單片機中的MC9S12XEP100作為主控制器，該單片機內(nèi)置CAN通信接口，只需搭配外圍電路和CAN驅(qū)動器即可。車輛采集系統(tǒng)諸如：溫度檢測、里程表更新、油量檢測、車速等所有采集系統(tǒng)與記錄儀的通信都采用CAN總線模塊［3］。通過編寫采集系統(tǒng)與記錄儀固件代碼，對不同采集系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)定義不同的ID，車載記錄儀通過CAN總線標識符接收寄存器接收不同的擴展標識符實現(xiàn)多通道數(shù)據(jù)的實時記錄。

1 系統(tǒng)概述

記錄儀由主控（MC9S12XEP100單片機）、數(shù)據(jù)接收模塊（CAN總線接口）和數(shù)據(jù)存儲模塊（Flash芯片）構成。主控MCU的控制器局域網(wǎng)是一種通信控制器，它使用先進的緩沖器安排，簡化了應用軟件。采集系統(tǒng)將不同ID和不同優(yōu)先級的多通道數(shù)據(jù)經(jīng)過CAN總線與記錄儀進行通信［4］，完成對數(shù)據(jù)記錄。系統(tǒng)的結(jié)構圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構圖

2 CAN總線接口設計

2.1 CAN總線特性

CAN總線是一種多主方式的串行通信總線，設計規(guī)范要求有較高位速率、高抗電磁干擾性［5］。其通信協(xié)議實質(zhì)是完成設備之間的信息傳遞方式，CAN總線不僅有很遠的數(shù)據(jù)傳輸距離（最長10 km），還有高速的數(shù)據(jù)傳輸速率（高達1 Mb/s）最重要的是CAN總線能根據(jù)報文的ID決定接收或者屏蔽該報文，CAN總線的模塊框圖如圖2所示。

圖2 CAN模塊框圖

方案中CAN總線使用雙絞線作為通信的介質(zhì)媒介，且CAN信號使用差分電壓進行傳送，CAN總線的兩條信號線（CAN_H和CAN_L）在靜態(tài)時均為2.5 V左右，這種狀態(tài)也稱為“隱性”；當兩條信號線之間有電壓差（一般情況下：CAN_H=3.5 V，CAN_L=1.5 V）這種狀態(tài)成為“顯性”［6］。

2.2 CAN總線接口模塊硬件電路設計

CAN總線接口模塊硬件設計如下頁圖3所示，方案中設計了2種CAN總線接口工作模式，具體分析如下：

1）非隔離驅(qū)動模式：選用的CAN驅(qū)動芯片為NXP公司的PCA82C251，該芯片收發(fā)器是協(xié)議控制器和物理傳輸線路之間的接口，此器件對總線提供差動發(fā)送能力，對CAN控制器提供差動接收能力［7］，可以廣泛應用在汽車、一般工業(yè)控制、遠程通訊等應用領域中。其承受的共模電壓范圍為-7 V～12 V，工作最高速率為1Mb/s，RJ9電阻為斜率電阻，它用來控制通信速率斜率，方案中CAN總線的工作速率為1Mb/s，此時RJ9應該直接接地。D3和D4為二極管，主要作用是對CAN接口差分線的信號電平進行鉗位，防止外部干擾信號對其通訊過程產(chǎn)生影響。RJ8為CAN總線終端匹配電阻。

2）隔離驅(qū)動模式：選用廣州志遠電子有限公司的CTM1050T作為CAN驅(qū)動芯片，該芯片的隔離電壓為DC 2 500 V，工作速率最高為1 Mb/s，可以達到方案設計中速率的要求，由于CTM1050T在內(nèi)部已經(jīng)集成了CAN總線ESD保護器件，因此，在硬件設計中無需加載二極管，只需配裝一個去耦電容C17，當前模式仍然需要RJ8作為CAN總線終端匹配電阻。

在MC9S12XEP100主控芯片中，提供了兩路CAN協(xié)議接口，當主控單片機相應引腳因外部原因發(fā)生故障時，可通過相應的跳線電阻切換工作端口。這種冗余設計［7］能增加系統(tǒng)的平均鼓掌間隔時間，提高記錄儀的可靠性。

2.3 CAN總線接口固件設計

2.3.1 CAN總線接收數(shù)據(jù)原理分析

記錄儀總CAN總線接口主要完成數(shù)據(jù)的接收，并對相應數(shù)據(jù)進行封包和解析。CAN總線模塊的接收緩沖器結(jié)構如圖4所示。

CAN總線系統(tǒng)中，每個CAN節(jié)點通過收發(fā)器物理連接到CAN總線線路。收發(fā)器驅(qū)動供工作所需的最大電流，并具有對故障節(jié)點的電流保護。圖5為CAN總線系統(tǒng)。

圖3 CAN模塊硬件電路圖

圖4 接收緩沖器結(jié)構

圖5 CAN總線系統(tǒng)

記錄儀的CAN總線接口將實時接收多通道數(shù)據(jù)，利用CAN總線接收標識符定義不同的ID對多通道數(shù)據(jù)進行封包和解析［8］。這些位中的任何一個都可以在標識符掩碼寄存器中表示為不比較，這種可編程通用標識符接收濾波器可以有效降低CPU的中斷負載，該方案中通過編程，實現(xiàn)的具體工作模式為：8個標識符接收濾波器，每個都應用與標識符的前8位，它符合CAN2.0A/B的標準標識符，CAN2.0A/B標準幀協(xié)議如表1所示。一個8位濾波器頁產(chǎn)生濾波器匹配過程如下頁圖6所示。

2.3.2 CAN接口程序設計

CAN接口模塊工作前首先對CAN模塊進行初始化設計，寄存器CAN0CTL0_INITRQ=1，表示CAN模塊進入初始化狀態(tài)；寄存器CAN0BTR0_SJW=0，設置同步跳轉(zhuǎn)寬度為1個Tq時鐘周期；寄存器CAN0BTR0_BRP=2，設置波特率預分頻值為3；寄存器CAN0BTR1=0x1c，設置時間段1和時間段2的值；CAN傳輸位時間=預分頻值*（1+時間段1+時間段2）/fCANCLK，由上述對寄存器配置，可以得到CAN總線的傳輸速率為1 Mb/s。

表1 CAN2.0A/B標準幀協(xié)議

為了能接收多通道數(shù)據(jù)，需要對CAN總線濾波器進行設置，要求對不同數(shù)據(jù)ID進行屏蔽或者接收設置。首先對標識符接收模式設置，方案中選用8個8位接收濾波器，寄存器配置為CAN0IDAC=0x20；然后對8個濾波器的詳細配置為：

1）8個標識符驗收控制寄存器：

CAN0IDAR0=0x2C；

CAN0IDAR1=0x8C；

CAN0IDAR2=0x6C；

圖6 濾波器匹配過程

CAN0IDAR3=0x64；

CAN0IDAR4=0x24；

CAN0IDAR5=0x50；

CAN0IDAR6=0x18；

CAN0IDAR7=0x00；

2）8個標識符掩碼寄存器：

CAN0IDMR0=0x05；

CAN0IDMR1=0x02；

CAN0IDMR2=0x03；

CAN0IDMR3=0x01；

CAN0IDMR4=0x05；

CAN0IDMR5=0x02；

CAN0IDMR6=0x01；

CAN0IDMR7=0x00；

完成對CAN總線濾波器配置后，CAN總線正常工作還需要使能其CAN功能，并確定CAN接口的時鐘源，這里設置CAN總線時間為總線時鐘源48 MHz，寄存器配置為CAN0CTL1=0xC0；CAN總線接口接收多通道數(shù)據(jù)采用中斷方式［9］，所以在初始化設計中應該配置寄存器為中斷使能模式，具體配置為CAN0RIER_RXFIE=1。以上操作完成對CAN接口模塊的初始化設計。

CAN接口模塊接收多通道數(shù)據(jù)時，先寫入ID寄存器：

CAN0TXIDR0=（unsigned char）（msg.id>>3）；

CAN0TXIDR1=（unsigned char）（msg.id＜＜5）；

CAN接口模塊想要準確接收每個通道數(shù)據(jù)，需讀取ID寄存器：

msg->id= （unsigned int）（CAN0RXIDR0＜＜3）|（unsigned char）（CAN0RXIDR1>>5）；只有寫入 ID和讀取ID一致時，看它是否通過濾波器，同時被寫入有效RXBG。CAN模塊的標識符接收寄存器定義了擴展標識符的可接受模式［8］。標識符的匹配標志能清晰識別并引起接收的濾波寄存器完成對數(shù)據(jù)報文的接收工作。CAN總線接口模塊接收多通道數(shù)據(jù)流程圖如圖7所示。

圖7 CAN接口模塊接收數(shù)據(jù)流程圖

2.4 記錄儀其他模塊設計

記錄儀其他模塊諸如：電源模塊、時鐘模塊、主控MCU接口配置等。電源模塊根據(jù)元器件的要求供電電壓為5 V；時鐘模塊主要為主控MCU提供48 MHz時鐘；主控MCU接口配置主要完成引腳功能設置，并完成對所有模塊的固件初始化。

3 測試分析

為了驗證記錄儀的CAN總線接口設計的可靠性，將車載記錄儀中記錄的數(shù)據(jù)與采集系統(tǒng)中原始數(shù)據(jù)文件分析比較如下頁圖8得出：記錄儀存儲的數(shù)據(jù)完全正確，且無數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。CAN總線接口設計具有可行性。

上述分析表明CAN總線接口接收數(shù)據(jù)的準確性，然而記錄儀的CAN總線接口設計需正確接收多通道數(shù)據(jù)，完成對多通道數(shù)據(jù)的接收。經(jīng)過驗證，記錄儀的CAN總線接口設計能實現(xiàn)對多通道數(shù)據(jù)的記錄，經(jīng)過上述測試，從而驗證了記錄儀的CAN總線接口設計的有效性。圖9為CAN總線接口接收多通道數(shù)據(jù)在上位機驗證過程。

4 結(jié)論

圖8 數(shù)據(jù)比較分析

圖9 多通道數(shù)據(jù)

本文提出一種車載數(shù)據(jù)記錄儀的多通道CAN總線接口設計，記錄儀通過CAN總線接口接收多個采集系統(tǒng)的消息數(shù)據(jù)，避免了使用傳統(tǒng)RS232總線進行通信存在的傳輸速率不高、穩(wěn)定性不強等問題。經(jīng)過多次測試結(jié)果表明，該設計具有可行性、有效性。