純電動(dòng)客車CAN通信上位機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

徐 希， 戈小中， 童曉輝， 劉 俊

(東風(fēng)襄陽旅行車有限公司， 湖北 襄陽 441004)

CAN總線是汽車領(lǐng)域目前應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一[1]，也是純電動(dòng)客車各電氣件最主要的通信方式。其通信協(xié)議是連接CAN報(bào)文與各電氣件物理參數(shù)的紐帶，一般由各車廠根據(jù)實(shí)際需求制定。人工直接解析CAN報(bào)文是一項(xiàng)費(fèi)事又耗力的工作，而通過上位機(jī)軟件解析則極大程度上解決了此問題，提高了工作效率，縮短了工程時(shí)間?；诖?，本文采用一種根據(jù)CAN協(xié)議自動(dòng)解析報(bào)文并保存數(shù)據(jù)的方法，為純電動(dòng)客車開發(fā)上位機(jī)軟件[2-3]。

1 上位機(jī)解析CAN報(bào)文的設(shè)計(jì)方法

1.1 軟件程序的設(shè)計(jì)流程

本上位機(jī)設(shè)計(jì)是基于Qt Creator 4.3.1的接口庫函數(shù)ControlCAN.lib和NI LabVIEW2018的接口庫函數(shù)ControlCAN.dll二次開發(fā)而成[4-5]。接口庫函數(shù)的基本處理流程如圖1所示，該處理流程的底層函數(shù)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 接口庫函數(shù)的基本處理流程圖

圖2 處理流程的底層函數(shù)結(jié)構(gòu)

軟件設(shè)計(jì)過程中的基本處理流程應(yīng)依次為打開設(shè)備→檢測(cè)有無設(shè)備打開信息異?！蹇站彌_區(qū)→復(fù)位CAN→讀取CAN緩沖區(qū)幀數(shù)→讀取CAN內(nèi)容→關(guān)閉設(shè)備[6]。在軟件系統(tǒng)內(nèi)，根據(jù)接口庫函數(shù)二次開發(fā)的設(shè)計(jì)要求，結(jié)合純電動(dòng)客車CAN總線數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，為了盡可能不使上位機(jī)丟幀，程序內(nèi)部應(yīng)將讀取CAN報(bào)文程序[7]設(shè)為中斷程序，即當(dāng)收到CAN報(bào)文后，程序立即響應(yīng)中斷，讀取CAN報(bào)文并呈遞給程序設(shè)定參數(shù)，然后將報(bào)文解析出來，這樣才能最大幾率保證接收的CAN報(bào)文不丟失[8]。

1.2 對(duì)報(bào)文自動(dòng)解析的邏輯設(shè)計(jì)方法

報(bào)文的自動(dòng)解析過程是程序設(shè)計(jì)最重要的一環(huán)。根據(jù)CAN報(bào)文SAE J1939的規(guī)定[9]，在純電動(dòng)客車上，從CAN總線接收到的報(bào)文數(shù)據(jù)幀為8個(gè)字節(jié)，分別記為BYTE1……BYTE7、BYTE8，該數(shù)據(jù)均為十六進(jìn)制數(shù)。根據(jù)CAN通信協(xié)議[10]，找到相應(yīng)ID的報(bào)文，然后由協(xié)議中的比例和偏置解析出相應(yīng)的物理數(shù)據(jù)。本上位機(jī)的數(shù)據(jù)解析設(shè)計(jì)使用以下幾種方式。

1.2.1 對(duì)報(bào)文的直接處理

協(xié)議規(guī)定，需要解析的字節(jié)BYTE。若比例為x、偏置為y，則解析出的結(jié)果z為

z=BYTE×x+y

(1)

假設(shè)上位機(jī)收到BMS的報(bào)文[11]數(shù)據(jù)為{01,02,03,04,05,06,07,08}，協(xié)議約定第2個(gè)字節(jié)為駕駛員制動(dòng)踏板值，比例為0.4%，偏置為0，則當(dāng)前駕駛員制動(dòng)踏板值解析為

(0x02)×0.4%+0=0.8%

(2)

1.2.2 高低字節(jié)并行處理

某ID的報(bào)文BYTE2和BYTE1對(duì)應(yīng)電機(jī)控制器直流電壓的高字節(jié)與低字節(jié)，且比例都為x、偏置為y，則在程序中電機(jī)控制器直流電壓解析的公式為

z=(BYTE2×16×16+BYTE1)×x+y

(3)

假如此ID接收到的數(shù)據(jù)為{01,3F,03,04,05,06,07,08}，協(xié)議約定BYTE1為低字節(jié)，BYTE2為高字節(jié)，比例為0.1 V/bit，偏置為-1 000 V，則電機(jī)控制器直流側(cè)電壓值通過十六進(jìn)制轉(zhuǎn)換解析為

(0x3F×16×16+0x01)×0.1-1 000=612.9 V

(4)

1.2.3 單個(gè)位判斷處理

根據(jù)通信協(xié)議，對(duì)報(bào)文的解析并不都是對(duì)數(shù)據(jù)的處理，還有對(duì)報(bào)文某位的判斷。例如報(bào)文中某字節(jié)的某位為1代表純電動(dòng)客車后艙門打開，為0代表后艙門關(guān)閉，則此時(shí)需要先采用布爾運(yùn)算，然后再判斷。

對(duì)某字節(jié)中單個(gè)位的判斷邏輯：將某字節(jié)與需要判斷的位為1、其他位為0的單字節(jié)數(shù)進(jìn)行與運(yùn)算。若與運(yùn)算后的數(shù)據(jù)與該單字節(jié)數(shù)相同，則表示該位為1，反之為0。

設(shè)某報(bào)文為{x1,x2,x3,x4,x5,x6,x7,x8}，假設(shè)需要將報(bào)文BYTE8轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制數(shù)后的最高位(第7位)進(jìn)行判斷。根據(jù)上段判斷規(guī)則，應(yīng)在程序設(shè)計(jì)中首先應(yīng)該將BYTE8與0x80(第7位為1的二進(jìn)制 1 000 000 的十六進(jìn)制)進(jìn)行與運(yùn)算，如果運(yùn)算結(jié)果為0x80,則說明BYTE8最高位bit7為1；反之為0，偽代碼如式(5)所示：

if((x8&0x80)==0x80)
{BYTE8最高位為1;}
else if((x8&0x80)==0x00)
{BYTE8最高位為0;}

(5)

例如，某字節(jié)的BYTE3 bit0位代表車輛當(dāng)前狀態(tài)為前進(jìn)擋，1有效，0無效。若收到該幀報(bào)文為{01,02,03,04,05,06,07,08}，首先應(yīng)將BYTE3與0x01作與運(yùn)算，判斷bit0位，(0x03)&(0x01)=0x01，此時(shí)可以得出BYTE3的bit0為1，所以應(yīng)將車輛前進(jìn)擋的狀態(tài)發(fā)送給上位機(jī)，偽代碼如式(6)所示：

if((BYTE3&0x01)==0x01)
{上位機(jī)顯示車輛為前進(jìn)擋;}
else if((BYTE3&0x01)==0x00)
{上位機(jī)顯示車輛為非前進(jìn)擋;}

(6)

綜上所述，對(duì)字節(jié)中單個(gè)位的判斷即與所對(duì)應(yīng)字節(jié)的位置1的字節(jié)數(shù)相與，當(dāng)?shù)玫较嗤氖M(jìn)制數(shù)，即可說明當(dāng)前位為1，反之為0，然后在程序中使用判斷語句達(dá)到相應(yīng)的效果。

1.2.4 對(duì)多個(gè)位判斷處理

多個(gè)位聯(lián)合判斷的處理方式與單個(gè)位處理方式類似，但多了對(duì)多位進(jìn)行與運(yùn)算的處理。

例如某ID的BYTE5，bit7～4表示整車高壓電池電芯類型，0001表示磷酸鐵鋰電芯，0010表示錳酸鋰電芯，0011表示鈷酸鋰電池，1111表示其他。由于是對(duì)bit7～4位的邏輯判斷，則應(yīng)當(dāng)對(duì)相應(yīng)位作邏輯與運(yùn)算處理，偽代碼如式(7)所示：

(7)

2 上位機(jī)物理數(shù)據(jù)顯示的設(shè)計(jì)

在CAN通信上位機(jī)中對(duì)數(shù)據(jù)邏輯解析后，再將數(shù)據(jù)顯示到前面板上同樣也是一項(xiàng)重要的工作[12]。工程應(yīng)用中，由于需要處理的CAN報(bào)文數(shù)據(jù)量巨大，純電動(dòng)客車CAN總線在波特率為250 kbps的情況下，一般能達(dá)到200～600幀/s的數(shù)據(jù)量。因此，如果處理不好前面板顯示任務(wù)，會(huì)由于數(shù)據(jù)量過大，造成數(shù)據(jù)擁堵、程序卡死、崩潰等情況。本上位機(jī)采用兩種方法處理物理數(shù)據(jù)的顯示，分別稱為中斷法顯示和多任務(wù)處理顯示。

2.1 中斷法顯示物理數(shù)據(jù)

中斷法[13]顯示的程序處理流程如圖3所示。當(dāng)主程序處理其他程序接收到CAN報(bào)文觸發(fā)程序中斷后，在中斷中將會(huì)發(fā)生4個(gè)步驟，先將接收到的CAN報(bào)文提取出來，然后使用邏輯算法將報(bào)文自動(dòng)解析成各物理值，最后將物理值傳遞給前面板，最終前面板將數(shù)據(jù)顯示在軟件界面上。

圖3 中斷法處理流程示意圖

中斷法顯示物理數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)是能夠第一時(shí)間使接收到的CAN報(bào)文得到處理，不會(huì)因?yàn)槠渌蚨箶?shù)據(jù)的處理延遲，數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性較高；缺點(diǎn)為對(duì)處理器的運(yùn)算速度要求較高。若上位機(jī)需要導(dǎo)出EXCEL數(shù)據(jù)，則可能會(huì)出現(xiàn)周期小的報(bào)文的物理數(shù)據(jù)量多于周期大的報(bào)文的物理數(shù)據(jù)量。因此，中斷法適用于需要實(shí)時(shí)顯示車輛狀態(tài)的上位機(jī)軟件，不適合需要導(dǎo)入物理數(shù)據(jù)到圖表類的數(shù)據(jù)顯示軟件。

2.2 多任務(wù)法顯示物理數(shù)據(jù)

多任務(wù)處理顯示的流程圖如圖4所示。主程序1處理初始化程序和其他類型程序，而CAN總線有報(bào)文發(fā)送后觸發(fā)中斷響應(yīng)，中斷子程序接收CAN報(bào)文并自動(dòng)解析出來，然后將各物理數(shù)據(jù)呈遞給全局變量；主程序2負(fù)責(zé)顯示全局變量，并呈遞給軟件前面板顯示。

圖4 多任務(wù)處理流程示意圖

多任務(wù)處理的優(yōu)點(diǎn)是能夠大大減少中斷程序處理數(shù)據(jù)的時(shí)間，主程序2按一定的周期循環(huán)執(zhí)行，從而使得顯示數(shù)據(jù)與自動(dòng)解析報(bào)文分離，互不干擾，也大大保證了數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，尤其適合需要用EXCEL圖表類顯示數(shù)據(jù)的CAN上位機(jī)軟件；其缺點(diǎn)是顯示的數(shù)據(jù)有一定的延遲。由于接收到CAN報(bào)文后才能更新全局變量，因此，如果不觸發(fā)中斷，那么全局變量便得不到更新，有一定的延遲性。

因此，在實(shí)際應(yīng)用中，如果需要將CAN報(bào)文物理數(shù)據(jù)呈遞給EXCEL顯示，則使用多任務(wù)處理顯示的方式；如果是需要實(shí)時(shí)顯示純電動(dòng)客車各項(xiàng)參數(shù)，更適合使用中斷法顯示。

3 CAN上位機(jī)的應(yīng)用

本上位機(jī)是根據(jù)某公司純電動(dòng)城市客車整車CAN網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議V3.1.2版本開發(fā)而成，主要用于通過整車CAN網(wǎng)絡(luò)讀取純電動(dòng)城市客車的相關(guān)信息。由于是需要實(shí)時(shí)快速顯示整車各項(xiàng)狀態(tài)，所以前面板采用中斷法顯示物理數(shù)據(jù)，上位機(jī)截圖如圖5所示。

圖5 CAN上位機(jī)截圖

用于記錄數(shù)據(jù)的上位機(jī)，由于需要將數(shù)據(jù)呈遞給EXCEL，所以采用多任務(wù)處理模式，其上位機(jī)截圖如圖6所示。

圖6 記錄數(shù)據(jù)的CAN上位機(jī)截圖

上位機(jī)記錄數(shù)據(jù)有兩個(gè)任務(wù)：一個(gè)是負(fù)責(zé)處理初始化程序和解析數(shù)據(jù)；另一個(gè)是以周期為50 ms循環(huán)顯示全局變量。截取的EXCEL如圖7所示。

圖7 導(dǎo)入到EXCEL中的物理數(shù)據(jù)示意

可以看出，雖然各物理數(shù)據(jù)來自于不同周期的報(bào)文，但是依然能夠以每秒20幀的速度顯示出完整的數(shù)據(jù)表格。這是由于顯示程序是一個(gè)周期為50 ms的循環(huán)子程序，所以如果對(duì)應(yīng)物理值的全局變量沒有得到更新，那么下一時(shí)刻的EXCEL數(shù)據(jù)記錄將會(huì)繼續(xù)繼承上一時(shí)刻全局變量的數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

本文介紹了一種可行性高的CAN上位機(jī)軟件制作方法，著重論述了將原始報(bào)文轉(zhuǎn)換成物理數(shù)據(jù)的處理方法。對(duì)于上位機(jī)前面板處理數(shù)據(jù)的顯示方式，可根據(jù)實(shí)際情況采用多任務(wù)法和中斷法兩種不同的處理方式。有針對(duì)性地處理，不僅能夠提高變成效率，而且還能使上位機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定。