CAN總線在汽車行駛記錄儀中的應(yīng)用

摘要：傳統(tǒng)汽車行駛記錄儀由于采集信號多，信號傳輸復(fù)雜，往往不能保證終端獲取數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。將CAN總線應(yīng)用到汽車行駛記錄儀設(shè)計中，采 用了CAN總線控制器SJA1000，CAN總線收發(fā)器TJAl050，實現(xiàn)了汽車行駛記錄儀間的遠(yuǎn)程多點數(shù)據(jù)通信。給出了汽車行駛記錄儀CAN總線接口 電路硬件設(shè)計原理和軟件設(shè)計流程。CAN總線的使用，提高了汽車行駛記錄儀的穩(wěn)定性，使得汽車行駛記錄儀數(shù)據(jù)傳輸更為可靠，使用更為方便。
關(guān)鍵詞：CAN總線；汽車行駛記錄儀；SJAl000；CAN控制器；CAN總線收發(fā)器

    汽車行駛記錄儀(vehicle traveling data recorder)是安裝在車輛上，能夠記錄、存儲、顯示、打印車輛運行速度、時間、里程以及有關(guān)車輛行駛的其他狀態(tài)信息，并可通過接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸出的數(shù) 字式電子記錄裝置，俗稱汽車黑匣子。汽車行駛記錄儀的使用對遏制疲勞駕駛、車輛超速等交通違章、約束駕駛?cè)藛T的不良駕駛行為、保障車輛行駛安全以及道路交 通事故的分析鑒定具有重要的作用。
    汽車行駛記錄儀(以下簡稱記錄儀)由汽車行駛記錄儀的主機部分和計算機終端的數(shù)據(jù)分析軟件部分構(gòu)成。主機部分是記錄儀的核心，主要完成車輛行駛數(shù)據(jù)的采 集、記錄和存儲。傳統(tǒng)的汽車行駛記錄儀由于采樣信號很多，信號采集很復(fù)雜，需要很多連接線，為了保證采集信號的準(zhǔn)確性，采集到的信號還要經(jīng)過放大電路和濾 波電路進行處理，如果各級電路之間電氣特性匹配不好就會影響記錄儀信號采集的準(zhǔn)確性，甚至有時還會影響到汽車其他系統(tǒng)的正常工作。
    計算機終端的數(shù)據(jù)分析軟件主要實現(xiàn)對汽車行駛中諸如速度、壓力等數(shù)據(jù)的分析和處理，因此記錄儀采集的信號必須與計算機終端、外圍報警模塊、人機接口模塊等 進行數(shù)據(jù)傳輸。標(biāo)準(zhǔn)的RS232串行通信是一種成熟穩(wěn)定的通信方式，也是汽車行駛記錄儀國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的必須具有的通信方式。但RS232串行通訊信距離 短，只能進行點到點通訊，不能直接組建多點通信網(wǎng)絡(luò)。為了延長RS232的通信距離，并將RS232節(jié)
點組成通訊網(wǎng)絡(luò)，就需要將RS232串行通信接口轉(zhuǎn)換成CAN總線接口，以CAN總線形式構(gòu)成遠(yuǎn)程多點通信網(wǎng)絡(luò)。
    CAN總線的應(yīng)用使汽車行駛記錄儀通過接口直接從CAN總線上讀取相應(yīng)信號，因而不會影響其他系統(tǒng)的正常工作；同時CAN總線具有數(shù)據(jù)傳遞可靠性很高的優(yōu)點，也使得其數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性得以保障。

1 CAN總線特點
    控制器區(qū)域網(wǎng)(Controller Area Metwork，CAN)總線是一種多主機局部網(wǎng)。CAN總線規(guī)范已被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)制定為國際標(biāo)準(zhǔn)。C-AN總線屬于總線式串行通信網(wǎng)絡(luò)，由 于采用了許多新技術(shù)和獨特設(shè)計，因而具有以下特點：1)總線以多主方式工作，通信方式靈活，且不用占地址等節(jié)點信息；2)CAN總線網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點信息分不 同的優(yōu)先級，可滿足不同的實時要求；3)采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況；4)只需通過報文濾波即可實現(xiàn)點對 點、一點對多點及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)，無需專門的“調(diào)度”；5)直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10 km(速率5 Kb／s以下)；6)通信速率最高可達(dá)1 Mb／s(此時通信距離最長為40 m)；7)每幀信息都有CRC校驗及其他檢錯措施，保證了數(shù)據(jù)出錯率極低；8)CAN總線節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動關(guān)閉輸出的功能，以使總線上的其 他節(jié)點的操作不受影響。

2 CAN總線接口硬件電路設(shè)計原理
    CAN總線是一種多主總線，可將汽車行駛記錄儀作為汽車CAN網(wǎng)絡(luò)的一個節(jié)點，在系統(tǒng)中與計算機終端相連的節(jié)點是主節(jié)點，其他節(jié)點是從節(jié)點。理論上，主節(jié) 點可以有多個。在簡單的系統(tǒng)中，一般只設(shè)置1個主節(jié)點，完成主節(jié)點向從節(jié)點發(fā)送配置數(shù)據(jù)、主節(jié)點向從節(jié)點請求當(dāng)前工作狀態(tài)、當(dāng)前數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)管理等工作。 從節(jié)點根據(jù)應(yīng)用的需要完成不同的功能，如現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、設(shè)備控制和驅(qū)動等，并能實現(xiàn)上傳數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)等通信功能。
    主節(jié)點由PC機、CAN接口電路、上位機接口軟件等組成。CAN接口電路實現(xiàn)了以CAN總線上從節(jié)點和上位機之間的通信，CAN接口電路原理框圖如圖1所示。

    CAN接口電路以PHILIPS公司的P89C52微控制器作為核心處理器，負(fù)責(zé)對CAN總線控制器初始化，并通過數(shù)據(jù)總線對CAN控制器進行讀／寫控 制，實現(xiàn)CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中信息的收發(fā)，從而實現(xiàn)對現(xiàn)場的控制；通過MAX232與PC機實現(xiàn)串行通信，由PC機發(fā)送的數(shù)據(jù)寫到微控制器中，再由微控制器 的。I／O口和控制信號線將數(shù)據(jù)寫入CAN控制器，通過CAN收發(fā)器向CAN總線發(fā)送；CAN總線上，需要上傳給主節(jié)點的數(shù)據(jù)，經(jīng)CAN收發(fā)器寫入CAN 控制器，通過中斷信號提醒微控制器讀取，再由RS-232接口上傳給PC機。在CAN總線的兩端，需要接一個120 Ω的匹配電阻，以提高數(shù)據(jù)通信的抗干擾能力及整體可靠性。

3 主要硬件電路設(shè)計
    除主控器件微處理器P89C52之外，CAN總線接口電路主要由CAN總線通信接口電路、CAN收發(fā)器與光電隔離部分、串口收發(fā)器等組成。
3．1 CAN總線通信接口電路
    CAN總線通信接口電路是一個很重要的環(huán)節(jié)，記錄儀的正確運行與其密切相關(guān)。該設(shè)計采用了PHILIPS公司生產(chǎn)的總線控制器SJA1000，該器件是一 種獨立的CAN總線控制器，主要用于移動目標(biāo)和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制。SJA1000具有PCA82C200模式(即默認(rèn)的Basic CAN
模式)，基本特性如下：1)具有PCA82C200模式(即默認(rèn)的Basic CAN模式)；2)支持CAN2．OA和CAN2．OB協(xié)議；3)支持11位和29位標(biāo)識符；4)通信的位速率可達(dá)1 Mb／s；5)采用的是24 MHz時鐘頻率；6)可與不同的微處理器相接；7)可編程的CAN輸出驅(qū)動器配置；8)溫度適應(yīng)范圍大(-40～+125℃)。
    此外，還具有PeliCAN模式擴展功能：1)可讀／可訪問的錯誤計數(shù)寄存器；2)可編程的錯誤報警限額寄存器；3)最近一次錯誤代碼寄存器；4)對每一 個CAN總線錯誤的中斷；5)有具體位表示的仲裁丟失中斷；6)單次發(fā)送(無重復(fù))；7)只聽模式(無確認(rèn)、無激活的錯誤標(biāo)志)；8)支持熱插拔(軟件位 速率檢測)；9)驗收濾波器的擴展(4字節(jié)的驗收代碼，4字節(jié)的屏蔽)；10)接收自身報文(自接收請求)。
    圖2所示為SJA1000與微處理器通信接口電路。SJA1000的復(fù)位信號RST為低電平有效。

3．2 CAN總線收發(fā)器隔離電路
    CAN總線收發(fā)器采用了標(biāo)準(zhǔn)的高速CAN收發(fā)器TJAl050，該收發(fā)器是CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口。TJAl050可以為總線提供差動發(fā)送 性能，為CAN控制器提供差動接收性能。TJAl050除了增強EMC外，另外一個重要的特性是不上電時，CAN總線呈現(xiàn)無源特性。這使TJAl050在 性能上大大優(yōu)于其他CAN總線收發(fā)器。TJAl050有高速和靜音2種工作模式，都由引腳S控制。引腳S接地可以進入高速模式，由于引腳S有內(nèi)部下拉功 能，所以當(dāng)它沒接時，高速模式也是默認(rèn)模式。在高速模式中，總線輸出信號有固定的頻率，并且以盡量快的速度切換，適用于最大的位速率和最大的總線長度。將 引腳S接高電平，就可進入靜音模式。在靜音模式中，發(fā)送器是禁止的，不管TXD的輸入信號。因此，TJA1 050在非發(fā)送狀態(tài)中，它此時消耗的電源電流和隱形狀態(tài)時一樣。TJAl050最低的波特率為20 Kb／s。
    為了確保在CAN總線遭受嚴(yán)重干擾時控制器能夠正常運行，CAN總線控制器沒有與總線收發(fā)模塊直接相連，而是通過光電隔離器6N137后相連，從而實現(xiàn)總 線上各節(jié)點間的電氣隔離。電路圖如圖3所示。6N137光耦合器的第6引腳Vo輸出電路屬于集電極開路電路，必須上拉一個電阻；另外其第2引腳和3引腳之 間是一個LED，必須串接一個限流電阻，此外，光電耦合部分所采用的兩個電源VCC和CAN的+5 V必須完全隔離。

3．3 RS232總線接口模塊
    RS232總線接口主要實現(xiàn)汽車行駛記錄儀與PC機的RS232串口通信功能。MAX232芯片是常用的RS-232C與TTL電平轉(zhuǎn)換器，它的內(nèi)部有電壓倍增電路和轉(zhuǎn)換電路，只需+5 V電源便可實現(xiàn)RS-232C與TTL電平轉(zhuǎn)換，使用方便，一個芯片可連接2對收／發(fā)信號線。因此轉(zhuǎn)換器采用MAX23 2。其接口原理圖如圖4所示。

4 軟件設(shè)計
    在軟件設(shè)計之前，為了確保SJAl000的片選地址與其他的外部存儲器無沖突，需先確定SJAl000的基地址及復(fù)位引腳，然后正確地初始化SJAl000。CAN接口電路的軟件設(shè)計主流程圖如圖5所示，主要包括CAN控制器的初始化、數(shù)據(jù)發(fā)送、數(shù)據(jù)接收及出錯處理等。

    SJAl000的初始化只有在復(fù)位模式下才可以進行，初始化主要包括工作方式的設(shè)置，接收濾波方式的設(shè)置，接收屏蔽寄存器和接收代碼寄存器的設(shè)置，波特率參數(shù)設(shè)置和中斷允許寄存器的設(shè)置等。其初始化流程如圖6所示。

    CAN發(fā)送數(shù)據(jù)流程如圖7所示，接收數(shù)據(jù)流程如圖8所示。此程序以采集行駛車輛行駛速度和壓力數(shù)據(jù)為例。
5 結(jié)束語
    CAN總線的應(yīng)用，使汽車行駛記錄儀的信號采樣系統(tǒng)簡化，降低了對MCU處理單元的性能要求，提高了汽車行駛記錄儀穩(wěn)定性，可在RS232通信節(jié)點中建立 多點遠(yuǎn)程通信，其硬件和軟件設(shè)計上都有所創(chuàng)新，使記錄儀安裝更為簡便，具有很好的性價比和很強的可移植性和擴充性。