【導(dǎo)讀】現(xiàn)方法，實(shí)現(xiàn)了在LabVIEW開發(fā)平臺(tái)上建立基于CAN總線的虛擬儀表系統(tǒng)。整個(gè)設(shè)計(jì)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(yǔ)言編寫程序?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)CAN. 節(jié)點(diǎn)之間的通訊以及利用LABVIEW編程實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與虛擬儀表之間的通訊。系統(tǒng)首先構(gòu)建了一個(gè)由兩個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)組成的最簡(jiǎn)單的CAN網(wǎng)絡(luò)。

　　

【正文】 片，同時(shí)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(diǎn)闡述這款芯片在應(yīng)用到汽車儀表上時(shí)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(shè)計(jì)。 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(jī) ) 下位機(jī) 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?yàn)閱纹瑱C(jī)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(duì)汽車儀表的使用環(huán)境，世界上各大芯片生產(chǎn)商都爭(zhēng)相推出功能強(qiáng)大、價(jià)格合理的汽車儀表專用芯片。為汽車儀表提供芯片的供應(yīng)商很多，有美國(guó)飛司卡爾 (Freescale)公司的16 位 MC9S12 系列芯片；美國(guó) 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(dǎo)體 (ST)公司的 M29W320 芯片 [13]。 從上面的介紹中可以知道，在整個(gè)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(shè)計(jì)中，選用了美國(guó)飛思卡爾（ Freescale）生產(chǎn)的 MC9S12 系列的微處理器。 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(chǎng)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。顯然，飛思卡爾的微處理器已經(jīng)經(jīng)過(guò)了市場(chǎng)檢驗(yàn)，所以這款芯片對(duì)于完成本論文所需要的任務(wù) 來(lái)說(shuō)，更加顯得綽綽有余，所以更無(wú)需為它的工作性能、可靠性等因素提出擔(dān)心。 從另一方面來(lái)講，要選擇一款芯片，就必須考慮它的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。由于飛思卡爾公司的芯片功能強(qiáng) 大，說(shuō)明文擋豐富，而且價(jià)格適中，所以最終選中 MC9S12XS128芯片作為本文設(shè)計(jì)用的主芯片。 微處理器的介紹 本次設(shè)計(jì)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(qiáng)型 16 位微控制器。其集成度高，片內(nèi)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(jī)電產(chǎn)品等應(yīng)用領(lǐng)域具有廣泛的用途，而且在 FLASH 存儲(chǔ)控制及加密方面也有很強(qiáng)的功能 [14]。 MC9S12XS128微控制器采用增強(qiáng)型 16位 S12CPU，片內(nèi)總線時(shí)鐘最高可達(dá) 40MHz片內(nèi)資源包括 8K RAM、 128K Flash、 6K EEPROM。 SCI、 SPI、 PWM 串行接口模塊。脈寬調(diào)制 (PWM)模塊可設(shè)置成 8 路 8 位，可寬范圍的選擇邏輯時(shí)鐘頻率。它還提供兩個(gè) 8 路 10 位精度 A/D 轉(zhuǎn)換器，控制器局域網(wǎng)模塊 (CAN)，增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器，并支持背景調(diào)試模式。 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。 18 圖 MC9S12XS128 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 1． MCU 核心 該部分包括 MCU 的的三種內(nèi)存 (FLASH、 RAM、 EEPROM)；多電壓調(diào)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(diào)試接口 (BDM)和運(yùn)行監(jiān)視功能的增強(qiáng) S12CPU；程序內(nèi)存的頁(yè)面模式控制；具有終端識(shí)別、讀寫控制、工作模式等。 2． MCU 外設(shè) S12 外設(shè)部分包括： A/D 轉(zhuǎn)換器，增強(qiáng)型定時(shí)與捕捉模塊 (ECT)，串行接口 SPI、CAN 等接口是許多微控制器所沒(méi)有的。 msCAN 總線模塊 msCAN 模塊是飛思卡爾 MC9S12 系列單片機(jī)中直接集成的 CAN 總線控制器。 19 它是完全按照 ，支持標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀格式數(shù)據(jù)的發(fā)送，同時(shí)也支持遠(yuǎn)程幀的傳送。對(duì)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(dá)到 1Mbps。 msCAN 模塊設(shè)計(jì)了 3 個(gè)具有局部?jī)?yōu)先級(jí)的發(fā)送緩沖器和5 個(gè)擁有 FIFO（先入先出）機(jī)制的接收緩沖器。在接受數(shù)據(jù)的時(shí)候，用戶可以靈活的對(duì)接受信息進(jìn)行數(shù)據(jù)選擇過(guò)濾。當(dāng) msCAN 模塊做出發(fā)送，接受等一系列操作的時(shí)候 ，允許引起相應(yīng)的中斷。 圖 是 msCAN 模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，從直接用戶的角度，并不需要了解其內(nèi)部工作的詳細(xì)機(jī)理，只需要從應(yīng)用的角度上去理解其詳細(xì)功能即可。從圖 中，對(duì) msCAN模塊直觀的感覺(jué)就是：它可以直接應(yīng)用系統(tǒng)總線時(shí)鐘，也可以外接振蕩器時(shí)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(gè)： RxCAN（接受信息）和 TxCAN（發(fā)送信息）。 圖 MSCAN 模塊結(jié)構(gòu)圖 1．傳輸單元 由于 CAN 總線對(duì)實(shí)時(shí)性的要求很高，總希望任何一個(gè) CAN 總線節(jié)點(diǎn)在連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，并不會(huì)輕易釋 放總線。當(dāng)前一個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送完畢之后，下一個(gè)待發(fā)送的數(shù)據(jù)也能及時(shí)去競(jìng)爭(zhēng)總線。也就是說(shuō)，希望任何一個(gè) CAN 總線節(jié)點(diǎn)只有在失去優(yōu)先級(jí)仲裁的情況下，才會(huì)釋放總線。 顯然，如果 msCAN 模塊只設(shè)計(jì)有一個(gè)發(fā)送緩沖區(qū)的話，當(dāng)一個(gè) CAN 總線數(shù)據(jù)發(fā)送完畢的時(shí)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(guò)程必須需要一定的系統(tǒng)時(shí)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(guò)程。所以，即使該節(jié)點(diǎn)待發(fā)送的數(shù)據(jù)擁有著最高的優(yōu)先級(jí)，也有可能迫使它釋放總線。所以 msCAN 為了解決這一問(wèn)題，就設(shè)計(jì)了 3 個(gè)發(fā)送緩沖區(qū)的結(jié)構(gòu)。 20 但是這 3 個(gè)發(fā)送緩沖區(qū)，卻只對(duì)用戶開放了一個(gè)公共的訪問(wèn)地址。并且如果這 3 個(gè)發(fā)送緩沖區(qū)中均裝載好待發(fā)送的數(shù)據(jù)的時(shí)候， msCAN 可以允許用 戶自行決定它們發(fā)送的內(nèi)部?jī)?yōu)先次序。圖 說(shuō)明了發(fā)送緩沖器的結(jié)構(gòu)。 圖 發(fā)送緩沖 器 結(jié)構(gòu) 2． 接 收單元 msCAN 模塊設(shè)計(jì)有 5 個(gè)擁有 FIFO（先入先出）機(jī)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(gè)公共的訪問(wèn)地址。這樣的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化了用戶對(duì)于接收數(shù)據(jù)的操作。圖 說(shuō)明了接收緩沖器的結(jié)構(gòu)。 圖 接 收 緩沖 器 結(jié)構(gòu) 3． msCAN 模塊寄存器在內(nèi)存中的映射地址 在這里，映射地址是采用相對(duì)地址來(lái)表示的，寄存器地址等于基地址加相對(duì)地址，其中 PWM 模塊的基地址為 $0140，是一個(gè) MCU 級(jí)地址，相對(duì)地址是模塊級(jí)地址。msCAN 在內(nèi)存中占據(jù)了 64 個(gè)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(duì)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(cuò)誤計(jì)數(shù)器 2 字節(jié) $_0F $_10 標(biāo)識(shí)符過(guò)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(diǎn)的搭建 圖 CAN 總線節(jié)點(diǎn)的搭建 在上一小節(jié)曾經(jīng)提到過(guò)， 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(gè)引腳。但并不是說(shuō)明，將這兩個(gè)引腳連接到 CAN 總線上就實(shí)現(xiàn)了 CAN 總線節(jié)點(diǎn)的搭建。實(shí)際上，在 msCAN 與 CAN 總線之間還需要安裝有一個(gè) CAN 收發(fā)器，來(lái)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(shí)，它也可以將接受到的 CAN 格式的數(shù)據(jù)進(jìn)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(zhuǎn)化成實(shí)際的電信號(hào)，也就是轉(zhuǎn)化成 CAN 總線上 CAN_H 和 CAN_L 兩個(gè)時(shí)刻互補(bǔ)的信號(hào)。同時(shí)，也可以將 CAN 總線上接收到的信號(hào)，傳送到 msCAN 模塊。 在 CAN 總線的終端，需要分別安裝有兩個(gè) 120 歐姆的電阻，它們實(shí)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(lái)，產(chǎn)生反射波而使數(shù)據(jù)遭到破壞。這樣一個(gè) CAN 總線節(jié)點(diǎn)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(shí)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(shè)計(jì)有多種保護(hù)措施，工作性能可靠。圖 是 PCA82C250 收發(fā)器在 CAN 總線節(jié)點(diǎn)的電路圖。 圖 CAN 總線節(jié)點(diǎn)的硬件電路圖 串行接口電路的設(shè) 計(jì) 每一臺(tái) PC 機(jī)上，都配置有標(biāo)準(zhǔn)的串行通訊端口 COM1 和 COM2。但是它們是遵循 RS232 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，這是由美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)制定的通訊標(biāo)準(zhǔn)。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(jī) SCI 串行接口的邏輯電壓值并不兼容。所以要想成功實(shí)現(xiàn) PC 機(jī)與單片機(jī)之間的串行通訊，還需要使用額外的電子芯片來(lái)解決電壓轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。 在本文中，選用了 MAX232 芯片來(lái)處理電壓轉(zhuǎn)換的問(wèn)題。這是一款為解決 RS232 23 標(biāo)準(zhǔn)兼容問(wèn)題而專門設(shè)計(jì)的芯片。它可以將單片機(jī)發(fā)送過(guò)來(lái)的 0V 和 5V 的電壓信號(hào)，轉(zhuǎn)化成相應(yīng) RS232 標(biāo)準(zhǔn)的 +10V 和 10V 的電壓信號(hào)。而且它只需要 5V 的電壓供電，即可完成這一系列電壓轉(zhuǎn)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(shè)計(jì) 利用四個(gè)按鍵來(lái)分別控制發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和檔位的增加和減小。按下 KEY1 鍵使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表增加 100r/min，同理按下 KEY2 鍵使發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速表減小 100r/min。按下 KEY3鍵使汽車增加一個(gè)檔位，按下 KEY4 鍵使汽車減少一個(gè)檔位。車速隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化而變化。 圖 按鍵電路圖 24 電位計(jì)電路設(shè)計(jì) 水溫和油量的輸入信號(hào)為模擬電壓信號(hào)，通過(guò)芯片 AD 模塊的轉(zhuǎn)換，將 0~5V 的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為具體數(shù)據(jù)發(fā)送 到總線上。 圖 電位計(jì)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(jì)。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(diǎn)和串行接口以及按鍵和電位計(jì)幾方面具體講述了硬件系統(tǒng)的詳細(xì)組成結(jié)構(gòu)。 25 第 4 章 汽車智能儀表系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 硬件設(shè)計(jì)完成之后，系統(tǒng)的主要功能將依賴于系統(tǒng)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)能否正?？煽康毓ぷ鳎擞布暮侠碓O(shè)計(jì)外，與完善的軟件設(shè)計(jì)是分不開的。汽車虛擬儀 表系統(tǒng)的上位機(jī)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(lái)開發(fā)，并配合硬件實(shí)現(xiàn) CAN 信息報(bào)文的采集、處理，最終實(shí)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(jī)和上位機(jī)的通信 采用 C 語(yǔ)言編寫，因?yàn)? C 語(yǔ)言編寫的軟件易于實(shí)現(xiàn)模塊化，生成的機(jī)器代碼質(zhì)量高、可讀性強(qiáng)、移植好。 本文 在 版本的集成開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行編譯連接 。 LabVIEW 簡(jiǎn)介 LabVIEW 是美國(guó) NI 公司開發(fā)的一套基于 G 語(yǔ)言 (Graphics Language，圖形化編程語(yǔ)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(dá)而設(shè)計(jì)的開發(fā)軟件。符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn) 接口驅(qū)動(dòng)程序，適合于用戶組建小型的測(cè)試系統(tǒng)和較簡(jiǎn)單的虛擬儀器或者用于大系統(tǒng)中某個(gè)分系統(tǒng)的編程。它增強(qiáng)了用戶在標(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)上配以高效經(jīng)濟(jì)的硬件設(shè)備來(lái)構(gòu)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(shè)備加以組合，就可以設(shè)計(jì)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]。 LabVIEW 具有豐富的庫(kù)函數(shù)供用戶調(diào)用。以 為例，功能模板包 括各種功能的子模板，每個(gè)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