基于CAN總線的汽車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)開發(fā)

鄧召文，周 圍

（湖北汽車工業(yè)學(xué)院 汽車工程學(xué)院 汽車動力傳動與電子控制湖北省重點實驗室，十堰 442002）

0 引言

CAN（Controller Area Network）即控制器局域網(wǎng)，是幾種流行現(xiàn)場總線中應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。由于CAN總線采用時間觸發(fā)協(xié)議，在消息傳輸中采用非破壞性的仲裁機制，保證了數(shù)據(jù)的完整和系統(tǒng)安全，CAN總線網(wǎng)絡(luò)已被汽車廠普遍接受，成為車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的中流砥柱[1]?；贑AN總線對汽車運行數(shù)據(jù)進(jìn)行采集可以分析汽車的運行狀況，及時發(fā)現(xiàn)故障，為檢測和故障診斷提供依據(jù)，通過對采集數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)設(shè)計參數(shù)的不足，提出改進(jìn)設(shè)計思路，形成分析-改進(jìn)-分析的閉環(huán)設(shè)計過程。

華南理工大學(xué)開發(fā)設(shè)計了一套專用的高效、經(jīng)濟(jì)、較為準(zhǔn)確的離線式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[2]。利用專用數(shù)據(jù)采集芯片對模擬量進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，由單片機將數(shù)據(jù)以FAT32格式寫入內(nèi)存卡中，在汽車運行完成后，取下內(nèi)存卡導(dǎo)出數(shù)據(jù)到PC機，用數(shù)學(xué)軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和分析。武漢理工大學(xué)設(shè)計了一種基于飛思卡爾9s12單片機的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[3]。使用了自定義的傳感器對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，由單片機進(jìn)行轉(zhuǎn)換后通過SCI發(fā)送給PC機的LabView上位機進(jìn)行顯示，系統(tǒng)優(yōu)點是可以增加傳感器數(shù)量和類型。青島理工大學(xué)也采用了單片機采集方案[4]。采用了自定義傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用NRF2401無線模塊通過SPI接口與主控芯片連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)由上位機進(jìn)行接收和保存。同濟(jì)大學(xué)設(shè)計了一種基于LabView和CAN總線的數(shù)據(jù)采集監(jiān)測系統(tǒng)，用于汽車試驗時實時監(jiān)測車輛的運行狀態(tài)[5]。

本論文利用USBCAN接口卡，實現(xiàn)CAN總線與USB總線間的數(shù)據(jù)交換。利用LabView調(diào)用Dll文件實現(xiàn)對USBCAN卡的配置，包括同步時間、總線速率、濾波方式、CAN卡通道、驗收碼、屏蔽碼等參數(shù)，實現(xiàn)接收和發(fā)送功能；在USBCAN卡收到數(shù)據(jù)后根據(jù)通信協(xié)議解析出對應(yīng)的數(shù)據(jù)，實時顯示并解析車輛電控系統(tǒng)的狀態(tài)信息和故障信息；在接收和解析完數(shù)據(jù)后，根據(jù)用戶需求實現(xiàn)對汽車實時狀態(tài)數(shù)據(jù)的顯示、保存與回放等功能。

1 通信協(xié)議和軟硬件選型

1.1 通信協(xié)議

該通信協(xié)議包含的信息主要包括以下五部分：1）幀頭：一共四字節(jié)長度，包含固定的三個標(biāo)志字節(jié)為0x82、0x81、0x80以及一字節(jié)的本組數(shù)據(jù)長度（默認(rèn)為84個參數(shù)）；該部分主要用于表示新一組數(shù)據(jù)的開始，與前一組數(shù)據(jù)形成分界，防止數(shù)據(jù)出現(xiàn)混亂；2）數(shù)據(jù)段：數(shù)據(jù)共60個，每個數(shù)據(jù)按高位在前、低位在后分成兩字節(jié)；包含了發(fā)動機以及底盤的部分?jǐn)?shù)據(jù)；該部分?jǐn)?shù)據(jù)是研究和保存的重點，根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以判斷發(fā)動機及底盤參數(shù)的設(shè)置是否合理，可能潛在的故障及原因；3）錯誤診斷信息：共16個數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)由兩字節(jié)組成，低位字節(jié)的每一位表示一種錯誤。當(dāng)某位為1時表示錯誤發(fā)生，為0時表示沒有錯誤；所以每個數(shù)據(jù)可以表示出8種錯誤。該部分?jǐn)?shù)據(jù)可以作為故障判斷的表現(xiàn)判斷，也是最直觀的故障指示；4）狀態(tài)信息：共8個數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)分高低兩個字節(jié)；低字節(jié)的每一位表示一種狀態(tài)。類似于錯誤信息，每個數(shù)據(jù)包可以表示8種系統(tǒng)狀態(tài)；5）CRC32校驗段：該部分按照標(biāo)準(zhǔn)CRC32校驗算出每組數(shù)據(jù)前四部分的CRC32值，分為4字節(jié)高位在前低位在后；該部分?jǐn)?shù)據(jù)主要作為改組數(shù)據(jù)是否有效的依據(jù)。

1.2 軟硬件選型

對CAN總線的數(shù)據(jù)采集，上位機使用LabView進(jìn)行編寫，通信接口方案需要根據(jù)CAN數(shù)據(jù)由何種總線輸入PC機確定。直接利用USBCAN卡將CAN總線數(shù)據(jù)傳輸至USB總線，LabView利用CAN卡所附帶的驅(qū)動程序和動態(tài)鏈接庫來實現(xiàn)對CAN卡的設(shè)置以及數(shù)據(jù)獲取。所需要的軟硬件有：周立功USBCAN-I、USBCAN配套的驅(qū)動程序以及動態(tài)鏈接庫。

1.3 調(diào)用Dll文件實現(xiàn)USBCAN卡配置

LabView在互聯(lián)接口函數(shù)子模板中提供了庫與可執(zhí)行程序，其中，調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點可以調(diào)用廠家提供的dll文件。只要知道動態(tài)連接庫里被導(dǎo)出的函數(shù)名稱及其參數(shù)，就可以通過調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點調(diào)用，調(diào)用dll文件函數(shù)的操作步驟為如圖1所示。

圖1 調(diào)用DLL文件函數(shù)步驟

圖2 Dll調(diào)用程序框圖

設(shè)置完成后連接參數(shù)程序框圖如圖2所示，左側(cè)為輸入端，右側(cè)接口為輸出端，右側(cè)最上方返回的是一個狀態(tài)標(biāo)志，它表示函數(shù)操作的結(jié)果。要想使用CAN卡必須先打開設(shè)備驅(qū)動，初始化設(shè)備后才能進(jìn)行其他操作。

2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 用戶界面設(shè)計

設(shè)計代碼前，首先必須根據(jù)課題要求，進(jìn)行需求分析。LabView由于采用的是G語言，根據(jù)經(jīng)驗，所有的數(shù)據(jù)處理應(yīng)該圍繞用戶需求來進(jìn)行。而用戶需求最直觀的表現(xiàn)在用戶界面[6～8]。根據(jù)課題要求，本次設(shè)計主要以獲取CAN總線數(shù)據(jù)為主。第一個用戶界面CAN助手界面如圖3所示，該界面主要設(shè)計為CAN參數(shù)的設(shè)置、CAN卡配置與操作、數(shù)據(jù)發(fā)送等功能。第二個用戶界面波形數(shù)據(jù)顯示界面如圖4所示，提供了數(shù)據(jù)顯示、曲線（可見性、顏色、校式等）設(shè)置、清除圖像操作、數(shù)據(jù)保存、歷史數(shù)據(jù)打開等功能。第三個用戶界面儀表界面如圖5所示，提供傳統(tǒng)儀表界面，與車輛儀表類似的顯示內(nèi)容。第四個用戶界面錯誤與系統(tǒng)狀態(tài)顯示界面如圖6所示，提供原始的英文錯誤和狀態(tài)顯示，這些提示和狀態(tài)信息對于后期車輛診斷有很大幫助，有必要進(jìn)行解析和顯示。

圖3 CAN助手界面

圖4 數(shù)據(jù)波形界面

圖5 儀表顯示界面

2.2 代碼主體架構(gòu)設(shè)計

根據(jù)課題要求分析，該軟件主要以數(shù)據(jù)采集為主，所以數(shù)據(jù)必須完整且具有一定的實時性，對用戶操作響應(yīng)必須及時。為了滿足要求，在整體結(jié)構(gòu)上采取并行循環(huán)的生產(chǎn)者與消費者循環(huán)[9～11]；其中生產(chǎn)者有兩個，第一個生產(chǎn)者（CAN數(shù)據(jù)的接收）獨占一個循環(huán)，保證數(shù)據(jù)盡可能實時接收；第二個則是為響應(yīng)前面板操作動作的狀態(tài)生產(chǎn)者。由于數(shù)據(jù)顯示為波形和在助手模式下表格顯示對數(shù)據(jù)處理較慢。所以，設(shè)計了兩個時間占用接近的消費者循環(huán)。其中，一個消費者循環(huán)處理助手模式下表格顯示數(shù)據(jù)以及部分CAN操作產(chǎn)生的動作響應(yīng)；另外一個消費者循環(huán)主要處理耗時的數(shù)據(jù)保存和波形顯示處理。各循環(huán)關(guān)系如圖6所示。

圖6 立體框架設(shè)計圖

2.3 功能代碼設(shè)計

2.3.1 波形圖數(shù)據(jù)顯示方案

根據(jù)課題要求，本次數(shù)據(jù)顯示數(shù)據(jù)量可以達(dá)到60條曲線，且實時顯示；根據(jù)波形圖表和波形圖區(qū)別，必須選用波形圖；波形圖由于沒有數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，要顯示數(shù)據(jù)必須自建一個FIFO的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)；最簡單的辦法是利用二維數(shù)組配合刪除數(shù)組元素來構(gòu)建這個緩沖區(qū)。最后輸出這個數(shù)組即可，F(xiàn)IFO緩沖區(qū)如圖7所示。

圖7 FIFO緩沖區(qū)

2.3.2 數(shù)據(jù)解析方案

數(shù)據(jù)的解析是比較關(guān)鍵的一個部分，數(shù)據(jù)解析要求不能重復(fù)解析，數(shù)據(jù)在正確的情況下保證完整。由于汽車的儀表數(shù)據(jù)流公用一個數(shù)據(jù)幀地址，沒有可靠的幀標(biāo)識，所以只能根據(jù)幀頭信息來確定每組數(shù)據(jù)的開始，也相當(dāng)于組同步信號。每組數(shù)據(jù)從幀頭開始累加幀數(shù)，根據(jù)幀數(shù)和字節(jié)順序確定數(shù)據(jù)位置和數(shù)據(jù)類型，然后對數(shù)據(jù)復(fù)原。

除幀頭包含的兩個數(shù)據(jù)外，其他數(shù)據(jù)的計算公式為：

其中：

Dk為第k個需解析的數(shù)據(jù)；

Zij為第i幀的第j字節(jié)。

數(shù)據(jù)提取解析步驟和解析代碼分別如圖8、圖9所示。

圖8 數(shù)據(jù)提取解析流程圖

圖9 數(shù)據(jù)解析代碼

2.3.3 文件保存方案

文件的保存基本要求是數(shù)據(jù)的完整性，只有數(shù)據(jù)完整，才能保證數(shù)據(jù)在下次打開時不出現(xiàn)失真；數(shù)據(jù)保存必須盡可能快，數(shù)據(jù)的保存不能對數(shù)據(jù)的傳輸、解析、顯示造成用戶可感知的影響；另外，由于汽車的CAN速率為1Mbps，每秒鐘發(fā)送50組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)22幀，每幀8字節(jié)。折算平均速率為8.8kb/s，由于數(shù)據(jù)量不是太大，故可以邊接收邊保存；但是考慮到數(shù)據(jù)保存耗費的時間較長，不能按幀保存。所以，考慮每接收完一組正確的數(shù)據(jù)后保存一次。根據(jù)LabView對數(shù)據(jù)保存的速度來看，保存為二進(jìn)制文件是最快的。為盡量保證程序的流暢性，選擇保存為二進(jìn)制文件。如圖10所示為數(shù)據(jù)保存代碼。

圖10 數(shù)據(jù)保存代碼

2.3.4 錯誤與狀態(tài)信息解析

提取狀態(tài)信息和錯誤信息可將兩個組分開提取，由于LabView可以自己并行處理數(shù)據(jù)，分開提取可以節(jié)約2/3的時間。所以在程序設(shè)計時將兩者分開處理。

錯誤與狀態(tài)信息數(shù)據(jù)與其他參數(shù)數(shù)據(jù)不同，參數(shù)數(shù)據(jù)是連續(xù)不可突變且僅代表唯一含義的參量。而狀態(tài)和錯誤信息的數(shù)據(jù)是分立的數(shù)據(jù)，不同的值包含了一種或多種狀態(tài)或錯誤。根據(jù)通信協(xié)議中可知：狀態(tài)錯誤數(shù)據(jù)的每一位（化為二進(jìn)制）代表了一個錯誤狀態(tài)的有無，當(dāng)某位為1說明對應(yīng)的錯誤或狀態(tài)存在，為0則不存在。

由于狀態(tài)錯誤信息數(shù)據(jù)的這種特性，所以需要檢查數(shù)據(jù)的每一位是否為1。然后查表得對應(yīng)位進(jìn)行文字的提取。檢查數(shù)據(jù)位可以使用循環(huán)移位法，但LabView中不支持取數(shù)據(jù)特定位的操作。為實現(xiàn)取位，設(shè)計了除2取余法判斷最低位是否為1，商作為下一次取位的被除數(shù)。進(jìn)行7個循環(huán)即可取出每一位的值（雖然是雙字?jǐn)?shù)據(jù)，但僅用了低字節(jié)最大255）。最后將信息輸出。

信息表和程序代碼如圖11所示。

圖11 狀態(tài)信息表及錯誤處理代碼

3 試驗驗證

軟件在初步調(diào)試完成之后需進(jìn)行穩(wěn)定性和可靠性驗證。穩(wěn)定性驗證需要大量時間滿載運行，以檢驗是否能長時間正常工作，采用模擬實驗檢驗?？煽啃詸z驗需要驗證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要與儀表進(jìn)行對比，采用現(xiàn)場試驗。

3.1 模擬試驗檢驗

為了提高試驗效率，方便離車調(diào)試，減少實車調(diào)試次數(shù)。編寫代碼寫入STM32開發(fā)板內(nèi)，實現(xiàn)下位機部分模擬試驗汽車CAN通訊向USBCAN發(fā)送有規(guī)律的數(shù)據(jù)，進(jìn)行穩(wěn)定性耐久測試。其硬件連接示意圖如圖12所示。

圖12 模擬試驗的硬件連接示意圖

圖13 模擬測試結(jié)果

進(jìn)行了約30分鐘的模擬測試后，大約采集了15MB的數(shù)據(jù)，密集的波形圖在局部放大后數(shù)據(jù)依然完整。測試結(jié)果如圖13所示。由模擬測試結(jié)果可知，數(shù)據(jù)完整，波形圖流暢（正弦曲線，主要檢驗完整性，如果數(shù)據(jù)有丟幀波形會有畸變），滿載荷運行測試符合基本要求。

3.2 現(xiàn)場試驗

確認(rèn)程序在模擬試驗時依然可以較為流暢的運行后，再進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集試驗，并與實車儀表對比，以驗證程序的可靠性和準(zhǔn)確性。按照硬件連接規(guī)范連接好實物后開始采集數(shù)據(jù)。觀察儀表盤上發(fā)動機轉(zhuǎn)速，記錄怠速工況下的轉(zhuǎn)速在1600r/min附近，其波動范圍約200～350，另外還對比了進(jìn)氣溫度、節(jié)氣門開度和進(jìn)氣歧管壓力等這類變化較慢的參數(shù)?，F(xiàn)場試驗連接及觀察軟件現(xiàn)場測試結(jié)果如圖14所示。從現(xiàn)場測試圖可以看出，轉(zhuǎn)速在1600r/min附近，波動范圍在200～350與儀表觀測結(jié)果吻合。節(jié)氣門開度保持穩(wěn)定的怠速開度（約12%），進(jìn)氣溫度約23℃，進(jìn)氣歧管壓力約90kPa小于大氣壓力（正常）。根據(jù)以上內(nèi)容的對比，可以判定數(shù)據(jù)是準(zhǔn)確的。

圖14 現(xiàn)場試驗連接及現(xiàn)場測試結(jié)果

4 結(jié)束語

1）利用CAN接口卡，完成了CAN總線網(wǎng)絡(luò)的連接和汽車運行數(shù)據(jù)狀態(tài)的實時讀取。

2）完成了LabView軟件對CAN總線通訊和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的開發(fā)，實現(xiàn)實時提取并解析車輛電控系統(tǒng)的狀態(tài)信息和故障信息。

3）實現(xiàn)了汽車狀態(tài)信息的提取、報警和存儲，完成車輛運行狀態(tài)的實時監(jiān)控功能。

4）經(jīng)驗證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠、操作簡單、界面直觀，具有一定的應(yīng)用價值。