【導讀】現(xiàn)方法，實現(xiàn)了在LabVIEW開發(fā)平臺上建立基于CAN總線的虛擬儀表系統(tǒng)。整個設計分為硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分。MC9S12XS128作為微處理器的核心。軟件系統(tǒng)是利用C語言編寫程序實現(xiàn)兩個CAN. 節(jié)點之間的通訊以及利用LABVIEW編程實現(xiàn)單片機與虛擬儀表之間的通訊。系統(tǒng)首先構建了一個由兩個CAN節(jié)點組成的最簡單的CAN網(wǎng)絡。

　　

【正文】 片，同時汽車儀表上除了主芯片之外還有很多電子器件和功能芯片。本章將重點闡述這款芯片在應用到汽車儀表上時所涉及到的具體用法，以及電子器件與主芯片的電路連接方法以及功能芯片的外圍電路設計。 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。針對汽車儀表的使用環(huán)境，世界上各大芯片生產商都爭相推出功能強大、價格合理的汽車儀表專用芯片。為汽車儀表提供芯片的供應商很多，有美國飛司卡爾 (Freescale)公司的16 位 MC9S12 系列芯片；美國 Micronas 公司的 16 位 CDC16xyF 系列芯片；富士通公司的 16 位 MB90F428 芯片； NEC 電子公司的 32 位 V850E/Dx3 芯片；德州儀器 (TI)的 32 位 TMS470 芯片；瑞薩公司的基本型 H8S/2282 以及高端 的 H8SX/1544 系列芯片；意法半導體 (ST)公司的 M29W320 芯片 [13]。 從上面的介紹中可以知道，在整個裝置的硬件系統(tǒng)中，微處理器是最為核心的部分，所以它的選擇工作就顯得十分重要。在本設計中，選用了美國飛思卡爾（ Freescale）生產的 MC9S12 系列的微處理器。 飛思卡爾半導體是全球領先的半導體公司，它的產品在汽車半導體產品市場占有量位居世界領先地位，并且已經(jīng)廣泛應用在了奔馳、寶馬、福特、現(xiàn)代和通用汽車之中。顯然，飛思卡爾的微處理器已經(jīng)經(jīng)過了市場檢驗，所以這款芯片對于完成本論文所需要的任務 來說，更加顯得綽綽有余，所以更無需為它的工作性能、可靠性等因素提出擔心。 從另一方面來講，要選擇一款芯片，就必須考慮它的經(jīng)濟性和實用性。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芯片作為本文設計用的主芯片。 微處理器的介紹 本次設計采用的微控制器為 MC9S12XS128。 MC9S12XS128 是 Freescale 公司推出的 S12 系列微控制器中的一款增強型 16 位微控制器。其集成度高，片內資源豐富，接口模塊包括 SPI、 SCI、 IIC、 A/D、 PWM 等， 它不僅在汽車電子、工業(yè)控制、中高擋機電產品等應用領域具有廣泛的用途，而且在 FLASH 存儲控制及加密方面也有很強的功能 [14]。 MC9S12XS128微控制器采用增強型 16位 S12CPU，片內總線時鐘最高可達 40MHz片內資源包括 8K RAM、 128K Flash、 6K EEPROM。 SCI、 SPI、 PWM 串行接口模塊。脈寬調制 (PWM)模塊可設置成 8 路 8 位，可寬范圍的選擇邏輯時鐘頻率。它還提供兩個 8 路 10 位精度 A/D 轉換器，控制器局域網(wǎng)模塊 (CAN)，增強型捕捉定時器，并支持背景調試模式。 如圖 所示 ， MC9S12XS128 系統(tǒng)結構大致可以分為 MCU 核心和 MCU 外設兩部分。 18 圖 MC9S12XS128 系統(tǒng)結構圖 1． MCU 核心 該部分包括 MCU 的的三種內存 (FLASH、 RAM、 EEPROM)；多電壓調整器，包括數(shù)字電路和模擬電路電源電壓；具有單線背景調試接口 (BDM)和運行監(jiān)視功能的增強 S12CPU；程序內存的頁面模式控制；具有終端識別、讀寫控制、工作模式等。 2． MCU 外設 S12 外設部分包括： A/D 轉換器，增強型定時與捕捉模塊 (ECT)，串行接口 SPI、CAN 等接口是許多微控制器所沒有的。 msCAN 總線模塊 msCAN 模塊是飛思卡爾 MC9S12 系列單片機中直接集成的 CAN 總線控制器。 19 它是完全按照 ，支持標準幀和擴展幀格式數(shù)據(jù)的發(fā)送，同時也支持遠程幀的傳送。對于 CAN 總線的通訊速率可以允許用戶編程設置，最大可以達到 1Mbps。 msCAN 模塊設計了 3 個具有局部優(yōu)先級的發(fā)送緩沖器和5 個擁有 FIFO（先入先出）機制的接收緩沖器。在接受數(shù)據(jù)的時候，用戶可以靈活的對接受信息進行數(shù)據(jù)選擇過濾。當 msCAN 模塊做出發(fā)送，接受等一系列操作的時候 ，允許引起相應的中斷。 圖 是 msCAN 模塊的系統(tǒng)結構圖，從直接用戶的角度，并不需要了解其內部工作的詳細機理，只需要從應用的角度上去理解其詳細功能即可。從圖 中，對 msCAN模塊直觀的感覺就是：它可以直接應用系統(tǒng)總線時鐘，也可以外接振蕩器時鐘。它一共可以引起 4 種類型的中斷，而且與外界聯(lián)系的引腳有兩個： RxCAN（接受信息）和 TxCAN（發(fā)送信息）。 圖 MSCAN 模塊結構圖 1．傳輸單元 由于 CAN 總線對實時性的要求很高，總希望任何一個 CAN 總線節(jié)點在連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，并不會輕易釋 放總線。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。也就是說，希望任何一個 CAN 總線節(jié)點只有在失去優(yōu)先級仲裁的情況下，才會釋放總線。 顯然，如果 msCAN 模塊只設計有一個發(fā)送緩沖區(qū)的話，當一個 CAN 總線數(shù)據(jù)發(fā)送完畢的時候，由于 CPU 將下一幀數(shù)據(jù)裝載到發(fā)送緩沖區(qū)中的過程必須需要一定的系統(tǒng)時間，所以這樣很難能夠保證 CAN 總線的下一幀數(shù)據(jù)在開始傳送之前，就完成數(shù)據(jù)裝載的過程。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。所以 msCAN 為了解決這一問題，就設計了 3 個發(fā)送緩沖區(qū)的結構。 20 但是這 3 個發(fā)送緩沖區(qū)，卻只對用戶開放了一個公共的訪問地址。并且如果這 3 個發(fā)送緩沖區(qū)中均裝載好待發(fā)送的數(shù)據(jù)的時候， msCAN 可以允許用 戶自行決定它們發(fā)送的內部優(yōu)先次序。圖 說明了發(fā)送緩沖器的結構。 圖 發(fā)送緩沖 器 結構 2． 接 收單元 msCAN 模塊設計有 5 個擁有 FIFO（先入先出）機制的接收緩沖區(qū)。與發(fā)送緩沖區(qū)相類似，它也只提供給用戶一個公共的訪問地址。這樣的設計簡化了用戶對于接收數(shù)據(jù)的操作。圖 說明了接收緩沖器的結構。 圖 接 收 緩沖 器 結構 3． msCAN 模塊寄存器在內存中的映射地址 在這里，映射地址是采用相對地址來表示的，寄存器地址等于基地址加相對地址，其中 PWM 模塊的基地址為 $0140，是一個 MCU 級地址，相對地址是模塊級地址。msCAN 在內存中占據(jù)了 64 個字節(jié)。 表 是 msCAN 模塊寄存器組織情況。 21 表 msCAN 寄存器的組織 相對地址 組織情況 $_00 控制寄存器 12 字節(jié) $_0B $_0C 保留 2 字節(jié) $_0D $_0E 錯誤計數(shù)器 2 字節(jié) $_0F $_10 標識符過濾器 16 字節(jié) $_1F $_20 輸入緩存 16 字節(jié) $_2F $_30 輸出緩存 16 字節(jié) $_3F CAN 總線節(jié)點的搭建 圖 CAN 總線節(jié)點的搭建 在上一小節(jié)曾經(jīng)提到過， msCAN 模塊與外界接觸的引腳只有 RxCAN（接受信息） 和 TxCAN（發(fā)送信息）這兩個引腳。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。實際上，在 msCAN 與 CAN 總線之間還需要安裝有一個 CAN 收發(fā)器，來作為從 msCAN 控制器到 CAN 物理總線的接口。 22 msCAN 模塊的作用是將想要發(fā)送到 CAN 總線的數(shù)據(jù)打包成 CAN 總線協(xié)議規(guī)定的數(shù)據(jù)格式。同時，它也可以將接受到的 CAN 格式的數(shù)據(jù)進行解讀。而 CAN 收發(fā)器的作用則是將符合 CAN 總線格式的數(shù)據(jù)轉化成實際的電信號，也就是轉化成 CAN 總線上 CAN_H 和 CAN_L 兩個時刻互補的信號。同時，也可以將 CAN 總線上接收到的信號，傳送到 msCAN 模塊。 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，產生反射波而使數(shù)據(jù)遭到破壞。這樣一個 CAN 總線節(jié)點就可以搭建完畢，其模型可以參見圖 。 在本論文中，選用 PCA 公司的 PCA82C250 收發(fā)器。該芯片作為 msCAN 控制器和物理總線之間的接口，可以為 CAN 總線提供不同的發(fā)送性能，同時也可以為 CAN 控制器提供不同的接收性能。芯片本身的電磁輻射很低，而且設計有多種保護措施，工作性能可靠。圖 是 PCA82C250 收發(fā)器在 CAN 總線節(jié)點的電路圖。 圖 CAN 總線節(jié)點的硬件電路圖 串行接口電路的設 計 每一臺 PC 機上，都配置有標準的串行通訊端口 COM1 和 COM2。但是它們是遵循 RS232 標準設計的，這是由美國電子工業(yè)協(xié)會制定的通訊標準。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”。所以，它顯然與單片機 SCI 串行接口的邏輯電壓值并不兼容。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換的問題。 在本文中，選用了 MAX232 芯片來處理電壓轉換的問題。這是一款為解決 RS232 23 標準兼容問題而專門設計的芯片。它可以將單片機發(fā)送過來的 0V 和 5V 的電壓信號，轉化成相應 RS232 標準的 +10V 和 10V 的電壓信號。而且它只需要 5V 的電壓供電，即可完成這一系列電壓轉換的工作。圖 是串行接口電路圖。 圖 串行接口電路圖 按鍵電路設計 利用四個按鍵來分別控制發(fā)動機轉速和檔位的增加和減小。按下 KEY1 鍵使發(fā)動機轉速表增加 100r/min，同理按下 KEY2 鍵使發(fā)動機轉速表減小 100r/min。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。車速隨著發(fā)動機轉速的變化而變化。 圖 按鍵電路圖 24 電位計電路設計 水溫和油量的輸入信號為模擬電壓信號，通過芯片 AD 模塊的轉換，將 0~5V 的電壓信號轉換為具體數(shù)據(jù)發(fā)送 到總線上。 圖 電位計電路圖 本章小結 本章主要講述了 CAN 總線汽車儀表硬件部分的設計。首先從整體組成部分開始講述，然后給出了硬件系統(tǒng)所選用的微處理器。接著又分別從 CAN 總線節(jié)點和串行接口以及按鍵和電位計幾方面具體講述了硬件系統(tǒng)的詳細組成結構。 25 第 4 章 汽車智能儀表系統(tǒng)的軟件設計 硬件設計完成之后，系統(tǒng)的主要功能將依賴于系統(tǒng)軟件來實現(xiàn)。系統(tǒng)能否正常可靠地工作，除了硬件的合理設計外，與完善的軟件設計是分不開的。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。為了保證軟件的通用性和可移植性， 下位機和上位機的通信 采用 C 語言編寫，因為 C 語言編寫的軟件易于實現(xiàn)模塊化，生成的機器代碼質量高、可讀性強、移植好。 本文 在 版本的集成開發(fā)環(huán)境下進行編譯連接 。 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)表達而設計的開發(fā)軟件。符合國際標準 接口驅動程序，適合于用戶組建小型的測試系統(tǒng)和較簡單的虛擬儀器或者用于大系統(tǒng)中某個分系統(tǒng)的編程。它增強了用戶在標準的計算機上配以高效經(jīng)濟的硬件設備來構建自己的儀器系統(tǒng)的能力。將 LabVIEW 與一般的數(shù)據(jù)采集以及儀器設備加以組合，就可以設計出虛擬儀器并將其應用于許多領域，從而擺脫傳統(tǒng)的儀器功能的限制 [15]。 LabVIEW 具有豐富的庫函數(shù)供用戶調用。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。能充分滿足用戶的不同要求。 LabVIEW 的特色在