【正文】 模塊寄存器組織情況。 在 CAN 總線的終端，需要分別安裝有兩個 120 歐姆的電阻，它們實際上就是數(shù)據(jù)傳遞的終端，作用是避免數(shù)據(jù)傳輸終了反射回來，產(chǎn)生反射波而使數(shù)據(jù)遭到破壞。它規(guī)定了 3V 至15V 的電壓為邏輯“ 1”，而＋ 3V 至＋ 15V 的電壓為邏輯“ 0”。 圖 串行接口電路圖 按鍵電路設(shè)計 利用四個按鍵來分別控制發(fā)動機轉(zhuǎn)速和檔位的增加和減小。 25 第 4 章 汽車智能儀表系統(tǒng)的軟件設(shè)計 硬件設(shè)計完成之后，系統(tǒng)的主要功能將依賴于系統(tǒng)軟件來實現(xiàn)。將 LabVIEW 與一般的數(shù)據(jù)采集以及儀器設(shè)備加以組合，就可以設(shè)計出虛擬儀器并將其應(yīng)用于許多領(lǐng)域，從而擺脫傳統(tǒng)的儀器功能的限制 [15]。以 為例，功能模板包 括各種功能的子模板，每個子模板中又含有該類型的控制命令、函數(shù)、變量等。汽車虛擬儀 表系統(tǒng)的上位機軟件部分將采用虛擬儀器技術(shù)目前比較流行、比較成熟的開發(fā)軟件 LabVIEW 來開發(fā)，并配合硬件實現(xiàn) CAN 信息報文的采集、處理，最終實現(xiàn) 汽車 儀表的 部分 功能。按下 KEY3鍵使汽車增加一個檔位，按下 KEY4 鍵使汽車減少一個檔位。所以要想成功實現(xiàn) PC 機與單片機之間的串行通訊，還需要使用額外的電子芯片來解決電壓轉(zhuǎn)換的問題。 在本論文中，選用 PCA 公司的 PCA82C250 收發(fā)器。但并不是說明，將這兩個引腳連接到 CAN 總線上就實現(xiàn)了 CAN 總線節(jié)點的搭建。 圖 發(fā)送緩沖 器 結(jié)構(gòu) 2． 接 收單元 msCAN 模塊設(shè)計有 5 個擁有 FIFO（先入先出）機制的接收緩沖區(qū)。當前一個數(shù)據(jù)發(fā)送完畢之后，下一個待發(fā)送的數(shù)據(jù)也能及時去競爭總線。對于 CAN 總線的通訊速率可以允許用戶編程設(shè)置，最大可以達到 1Mbps。 SCI、 SPI、 PWM 串行接口模塊。 飛思卡爾半導(dǎo)體是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，它的產(chǎn)品在汽車半導(dǎo)體產(chǎn)品市場占有量位居世界領(lǐng)先地位，并且已經(jīng)廣泛應(yīng)用在了奔馳、寶馬、福特、現(xiàn)代和通用汽車之中?，F(xiàn)在，世界上有很多大公司為汽車儀表提供專用芯片。同步段包含了一個上升沿跳變電壓，用來與總線上的節(jié)點同步。有 5 種可能的錯誤會造成發(fā)送錯誤幀： (1)位錯誤； 15 (2)填充錯誤； (3)CRC 錯誤； (4)構(gòu)成錯誤； (5)應(yīng)答錯誤。錯誤分隔域由 8 個退讓位組成。 ACK 分隔符位是一個單獨的退讓位。對于數(shù)據(jù)幀， 14 這個位必須為支配 (邏輯低 )，而遠程幀則必須為退讓 (邏輯高 )。協(xié)議包括了一個直接仲裁技術(shù)和復(fù)雜的錯誤檢測機制。 B 部分包括數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。通信協(xié)議棧源代碼完全由標準ANSIC 代碼編寫，可以和多種商業(yè)用實時操作系統(tǒng)配套使用。網(wǎng)絡(luò)管理層：該層不屬于 OSI 標準的一部分，但對于采用 J1939 協(xié)議通訊的設(shè)備很重要。 J1939 協(xié)議棧實現(xiàn) OSI 標準中定義的數(shù)據(jù)鏈路層及傳輸層，實現(xiàn) J1939 協(xié)議為傳輸報文所附加的兩層[10]。這種基于 OSI 層模型的協(xié)議軟件具有標準組件的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)最適于移植到特殊的目標系統(tǒng)。在不需要 CAN 總線的帶寬和多功能的場合，比如智能傳感器和制動裝置之間的通信，使用 LIN 總線可以大大節(jié)省成本。 MOST的數(shù)據(jù)傳送使用 512b 的幀，以及 16 個幀的塊。（ 1998 年），參與各方建立了一個自主的實體，即 MOST 公司，由它控制總線的定義工作。同時，還支持總線或星型拓撲。時基的精確度介于 和 10us 之間 (通常為 12us)。 LIN 相對于 CAN 的成本節(jié)省主要是由于采用單線傳輸、硅片中硬件或軟件的低實現(xiàn)成本和無需在從屬節(jié)點中使用石英或陶瓷諧振器。對于不需要控制器局域網(wǎng)絡(luò)的高帶寬和多種功能的應(yīng)用， LIN 實現(xiàn)了一種具有成本效益的智能傳感器和執(zhí)行器的通訊方式。 LIN 相對于 CAN 的成本節(jié)省主要是由于采用單線傳輸、硅片中硬件或軟件的低實現(xiàn)成本和無需在從屬節(jié)點中使用石英或陶瓷諧振器。 CAN 控制器對于 CPU 來說，是以確保雙方獨立工作的存儲影像外圍設(shè)備出現(xiàn)的。 CAN 控制器芯片的片內(nèi)輸出驅(qū)動器和輸入比較器可編程，它可方便地提供多種發(fā)送類型，諸如：單線總線、雙線總線（差分）和光纜總線。另外， CAN 節(jié)點在嚴重錯誤的情況下，具有自動關(guān)閉輸出的功能，以使總線上其它節(jié)點的 操作不受其影響。采用雙絞線通信時，速率為1Mbps/40m,50Kbps/10Km,結(jié)點數(shù)可達 110 個。 CAN 總線基本特點 CAN 總線是一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，其通信接口中集成了 CAN 協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對數(shù)據(jù)的成幀處理，用戶可在其基礎(chǔ)上開發(fā)適應(yīng)系統(tǒng)實際需要的應(yīng)用層通信協(xié)議 [7]。組件之間傳送的數(shù)據(jù)遵循標準的 CAN 通訊格式，其中包括目的組件 ID、控制和數(shù)據(jù)信息負荷 以及 CRC。 CAN 推出之初是用于汽車內(nèi)部測量和執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。 在 20 世紀 90 年代初， Bosch CAN 規(guī)范（ CAN ）被提交給了國際標準化組織。 汽車總線控制是汽車產(chǎn)業(yè)的 發(fā)展方向，要想進行總線控制，必須從軟件和硬件兩個方面著手，而使用嵌入式操作系統(tǒng)對軟硬件進行管理，不論是實時性還是從可靠性來講，都具有無可比擬的優(yōu)勢。由于我國中高級車以歐洲車型為主，因此隨著 CAN 總線技術(shù)的飛速發(fā)展，汽車儀表會進入一個全新的時代。 為使不同廠家生產(chǎn) 的零部件能在同一輛汽車中協(xié)調(diào)工作， 1993 年 11 月， ISO 在充分考慮工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境的背景下，正式頒布了 CAN 國際標準，為控制器局域網(wǎng)標準化、規(guī)范化推廣鋪平了道路。汽車電子控制裝置的增多， 使得連接汽車電子控制裝置之間導(dǎo)線也變得更為復(fù)雜 [3]。從其應(yīng)用技術(shù)手段上看，還是電子技術(shù)范疇，也屬于電子式儀表，但是信號傳輸方式己經(jīng)從 模擬信號變成數(shù)字信號，并朝著數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化方向發(fā)展。磁電式儀表的性能穩(wěn)定，讀數(shù)精確，量限多，使用方便，適應(yīng)于直流電路的精密測量和實驗室中的標準測量儀表。 汽車 儀表 的發(fā)展 根據(jù)儀表的工作原理、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和顯示方式，汽車儀表的發(fā)展過程可以分為以下四個階段 [1]： 1． 傳統(tǒng)儀表階段。因為目前對汽車儀表的要求，已經(jīng)不僅僅滿足于單純的完成指示工作了，而且還要求汽車儀表能夠?qū)崿F(xiàn)對汽車各部件參數(shù)的監(jiān)測，而達到控制汽車各種運行工況的目的。其中硬件系統(tǒng)是以飛思卡爾公司的MC9S12XS128 作為微處理器的核心。對兩個節(jié)點進行軟件設(shè)計后，來實現(xiàn)相互 之間的通訊和數(shù)據(jù)收發(fā)，同時在汽車的 CAN 應(yīng)用層協(xié)議基礎(chǔ)上，上位機節(jié)點對接收的 CAN 報文進行處理，得到虛擬儀表各控件所對應(yīng)的數(shù)據(jù)。 儀表是汽車工作狀態(tài)的信息顯示中心，是駕駛員與汽車進行信息交流的平臺，是保證汽車安全行駛的關(guān)鍵零部件之一。這種汽車儀表功能單一，僅僅顯示傳感器的信息以向駕駛員提供自身的狀態(tài)參數(shù)，更多的是為安全性著想，信息量少，整個儀表系統(tǒng)的精度低，可靠性較差，體積較大，容易使駕駛員疲勞。第 3 代汽車用儀表工作原理與電氣式儀表基本相同，只不過是用電子器件取代 原來的電氣器件，其出現(xiàn)的時間大致在 20 世紀 50～ 60 年代。 CAN 總線技術(shù)推動汽車儀表的升級換代 隨著汽車電子技術(shù)的飛速發(fā)展，將汽車工業(yè)推入了一個全新的時代。 CAN 總線是一種現(xiàn)場 總線，通訊線可以是一根雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維，將各種汽車電子裝置連接成為一個網(wǎng)絡(luò) [4]。到 目前為至，世界上已擁有 20 多家 CAN 總線控制器芯片生產(chǎn)商， 110 多種 CAN 總線協(xié)議控制器芯片和集成 CAN 總線協(xié)議控制器的微控制器芯片。本文選用飛思卡爾 MC9S12XS128 單片機 為微處理器。 1986 年 2 月， RobertBosch 公司在 SAE 年會上介紹了一種新型的串行總線系統(tǒng) — CAN（ Controller Area Network）。從此CAN 協(xié)議被廣泛的用于各類自動化控制領(lǐng)域。 CAN 總線可廣泛應(yīng)用于離散控制領(lǐng)域中的過程監(jiān)測和控制，特別是工業(yè)自動化的底層監(jiān)控，以解決控制與測試之間的可靠和實時數(shù)據(jù)交換。如果出現(xiàn)多個組件試圖同時發(fā)送的情況，并且總線上數(shù)據(jù)出錯時它們必須相互偵聽，先后退一段時間然后再嘗試發(fā)送。 CAN 的每幀數(shù)據(jù)都有 CRC 效驗及其他檢錯措施，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃?，適于在高干擾環(huán)境中使用； CAN 節(jié)點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關(guān)閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上其它操作不受影響； CAN 是一種多主總線，即每個節(jié)點機均可成為主機，且節(jié)點機之間也可進行。在發(fā)生沖突時，采用非破壞性總線優(yōu)先仲裁技術(shù)，當幾個節(jié)點同時向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送消息時，運用逐位仲裁原則，借助幀中開始部分的表示符，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止發(fā)送數(shù)據(jù)，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響的繼續(xù)發(fā)送信息，從而有效地避免了總線沖突，使信息和時間均無損失。通過簡單的連接即可完成 CAN 協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能，應(yīng)用層功能由微控制器完成。一般在驅(qū)動芯片和 CAN 控制器之間加入光電耦 合器 ,增加抗干擾能力。對于在片的 CAN 控制器，它與 CPU 之間的接口一般借助于 4 個特殊寄存器： CAN 地址寄存器、數(shù)據(jù)寄存器、控制寄存器、狀態(tài)寄存器。主節(jié)點包含主任務(wù)和從任務(wù)，從節(jié)點只包含從任務(wù)。 LIN 協(xié)會開發(fā)了一個串行低成本通訊概念和開發(fā)環(huán)境的標準，采用這個標準，汽車制造商及其供應(yīng)商能以非常經(jīng)濟的方式創(chuàng)建、實現(xiàn)和處理復(fù)雜的分層化多路復(fù)用系統(tǒng)。在 FlexRay協(xié)議制定 5 年后，該協(xié)議規(guī)范的第二版 ()在 20xx 年春季發(fā)布。 冗余和非冗余通信為了增強系統(tǒng)的可用性， FlexRay 提供了冗余傳輸消息的選項。 FlexRay 是替代這種多總線解決方案的理想技術(shù)。光纖傳輸采用 650nm（紅色）的 LED 發(fā)射器。網(wǎng)絡(luò)完全是即插即用的，當上電或有連接改變時，主結(jié)點上保持著一個所連設(shè)備的中心注冊處。 FlexRay 能夠把所有系統(tǒng)連接在一起，同時為汽車系統(tǒng)以一個整體而不是分散的多個系統(tǒng)工作提供了機會。另外，通過配置文件， SAE J1939 通信協(xié)議棧能夠被精確地移植，完全適合特定應(yīng)用的需要，因此要求這種通信協(xié)議棧完全由 C源代碼編寫。 協(xié)議棧包括數(shù)據(jù)鏈路層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)管理層、過濾層。過濾層：該層允許用戶應(yīng)用程序根據(jù)報文的 PGN 或目的地址進行接收濾波。在CAN 的概念形成之后， CAN 所帶來的收益很快吸引了很多其它工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，使 13 之成為小型分布式實時系統(tǒng)所需的聯(lián)網(wǎng)方法之一。圖 顯示了 CAN 中 A、 B 部分的協(xié)議層。數(shù)據(jù)幀包括多個子域，如圖 所示。數(shù)據(jù)域包含實際的傳輸信息。除了沒有數(shù)據(jù)域，遠程幀很像數(shù)據(jù)幀。通過至少三個退讓位的幀間空間把 CAN 總線上的數(shù)據(jù)幀和遠程幀與其它幀分隔開來。當接收方計 算的 CRC 值和收到的 CRC 值不相符時發(fā)生 CRC 錯誤。 圖 標稱比特時間 段 本章小結(jié) 本章介紹了 CAN 總線汽車儀表的相關(guān)理論知識和協(xié)議規(guī)范。 硬件系統(tǒng)的組成 串行通訊 微控制器 msCAN 模塊 TxCAN RxCAN PCA82C250 CAN_H CAN_L 顯示 (PC 機 ) 下位機 msCAN 模塊 TxCAN RxCAN PCA82C250 CAN_H CAN_L 儀表傳感器 CAN 總線 圖 硬件系統(tǒng) 組成 17 微處理器 的選擇 因為單片機的片上資源非常寶貴，所以汽車儀表的芯片大都是專用芯片。由于飛思卡爾公司的芯片功能強 大，說明文擋豐富，而且價格適中，所以最終選中 MC9S12XS128芯片作為本文設(shè)計用的主芯片。 如圖 所示 ， MC9S12XS128 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大致可以分為 MCU 核心和 MCU 外設(shè)兩部分。當 msCAN 模塊做出發(fā)送，接受等一系列操作的時候 ，允許引起相應(yīng)的中斷。所以，即使該節(jié)點待發(fā)送的數(shù)據(jù)擁有著最高的優(yōu)先級，也有可能迫使它釋放總線。圖 說明了接收緩沖器的結(jié)構(gòu)。同時，它也可以將接受到的 CAN 格式的數(shù)據(jù)進行解讀。圖 是 PCA82C250 收發(fā)器在 CAN 總線節(jié)點的電路圖。它可以將單片機發(fā)送過來的 0V 和 5V 的電壓信號，轉(zhuǎn)化成相應(yīng) RS232 標準的 +10V 和 10V 的電壓信號。 圖 電位計電路圖 本章小結(jié) 本章主要講述了 CAN 總線汽車儀表硬件部分的設(shè)計。 LabVIEW 簡介 LabVIEW 是美國 NI 公司開發(fā)的一套基于 G 語言 (Graphics Language，圖形化編程語言 )，專為數(shù)據(jù)采集與儀器控制、數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)表達而設(shè)計的開發(fā)