基于ARM和智能手機(jī)的藍(lán)牙CAN分析儀解析

針對CAN總線通信質(zhì)量、測試和驗(yàn)證的需要，以及傳統(tǒng)CAN分析儀的復(fù)雜性，且必須選擇PC機(jī)作為顯示終端的不足，論證了一種基于ARM單片機(jī)和智能手機(jī)的CAN總線分析儀設(shè)計(jì)。該分析儀采用以ARM單片機(jī)為核心的硬件電路完成對CAN網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集和監(jiān)控;采用藍(lán)牙通信方式實(shí)現(xiàn)分析儀與智能手機(jī)的通信并以智能手機(jī)為終端完成數(shù)據(jù)分析。文章對分析儀硬件、軟件和智能手機(jī)頁面進(jìn)行了具體設(shè)計(jì)，提出了一種新的波特率自動(dòng)檢測方法，最后給出了所設(shè)計(jì)的CAN總線分析儀的實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果，可實(shí)現(xiàn)CAN總線波特率自動(dòng)檢測、正常監(jiān)測以及CAN總線狀態(tài)分析的功能。

CAN(controller area network)控制器局域網(wǎng)絡(luò)是一種實(shí)時(shí)性強(qiáng)、靈活性好、標(biāo)準(zhǔn)化程度高的串行數(shù)據(jù)總線，廣泛應(yīng)用于汽車電子、工業(yè)自動(dòng)化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域。其測試設(shè)備CAN網(wǎng)絡(luò)分析儀成為開發(fā)者的必備設(shè)備。借助使用方便的CAN總線分析儀，能夠快速找到CAN總線系統(tǒng)在使用中出現(xiàn)的設(shè)計(jì)不周或異常干擾問題，并將故障和問題排除。

傳統(tǒng)CAN分析儀需要將電腦通過USB連接到CAN分析儀上，再通過DB9接口將被測總線連接到CAN分析儀上。由于CAN總線是一種流行于車輛行業(yè)的現(xiàn)場總線，這樣的調(diào)試方法對于需要路測的車輛就會(huì)顯得不太方便，很難保證能夠正常工作。同樣，在工業(yè)控制領(lǐng)域，傳統(tǒng)的CAN分析儀由于兩段都有連線，在線束較多的工業(yè)現(xiàn)場可能會(huì)造成一定的混亂。此外，當(dāng)今使用CAN總線的設(shè)備為了保證安全性，有時(shí)不止1根總線，傳統(tǒng)的分析儀至多有2個(gè)接口，也就意味著想要同時(shí)測試2個(gè)以上CAN總線時(shí)就需要2個(gè)USB接口，如果這2條CAN總線相距較遠(yuǎn)則需要較長的USB連接線。為此，這里介紹一種成本低、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)現(xiàn)無線調(diào)試和對環(huán)境要求低的藍(lán)牙CAN總線分析儀。

1 硬件設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)

針對傳統(tǒng)CAN分析儀的各種缺點(diǎn)，本文提出了以智能手機(jī)代替PC機(jī)作為顯示終端，使用藍(lán)牙無線傳輸替代USB電纜傳輸，并且自帶鋰電池的新型CAN分析儀?？傮w設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 藍(lán)牙CAN分析儀總體設(shè)計(jì)框圖

由于CAN分析儀是一種波特率較高的通信協(xié)議，且對通信質(zhì)量分析和故障定位需要復(fù)雜的運(yùn)算處理，所以本文提出的藍(lán)牙CAN分析儀在整體設(shè)計(jì)中包含3個(gè)部分：一部分是以ARM為處理核心的處理主板，負(fù)責(zé)CAN總線波特率檢測、數(shù)據(jù)采集以及藍(lán)牙通信信號發(fā)射;第二部分是鋰電池，負(fù)責(zé)給主板提供電源，鋰電池電壓為5V,容量為3 000mAh,尺寸為11.6mm X42mm×69ram,可保證系統(tǒng)工作lOh以上;第三部分為智能手機(jī)，負(fù)責(zé)接收CAN總線數(shù)據(jù)以及對數(shù)據(jù)的處理。

1.2 主板設(shè)計(jì)

主板上有4個(gè)模塊，分別為隔離CAN接口模塊、ARM處理器模塊、藍(lán)牙串口模塊、電源電路模塊。設(shè)計(jì)框圖如圖2所示，實(shí)物圖如圖3所示。

隔離CAN接口模塊負(fù)責(zé)將ARM的數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上，并將CAN總線上的數(shù)據(jù)發(fā)送給ARM處理器。

圖2 主板系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

圖3 主板買物圖

ARM處理器模塊是本分析儀的核心，采用NXP公司的LPC2119處理器。LPC2119是基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的16/32位ARM7TDMI-STM CPU,帶有128KB嵌入高速Flash存儲器，并內(nèi)部集成2個(gè)CAN控制器。其主要特點(diǎn)是：單個(gè)總線上的數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)1MB/s;32位寄存器和RAM訪問;兼容CAN2.0B,IS011898.1規(guī)范;全局驗(yàn)收濾波器可以識別所有的11位和29位標(biāo)識符;驗(yàn)收濾波器為選擇的標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識符提供Full CAN-style自動(dòng)接收。它主要負(fù)責(zé)將CAN總線上的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后通過藍(lán)牙串口發(fā)送到手機(jī)，此外，ARM模塊還負(fù)責(zé)檢測未知CAN總線上的波特率，并發(fā)送給手機(jī)端。

藍(lán)牙串口模塊負(fù)責(zé)ARM與手機(jī)交換數(shù)據(jù)，其串口的通信速率達(dá)到1 382 400bps。電源模塊負(fù)責(zé)為各個(gè)模塊供電。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件是藍(lán)牙CAN分析儀的關(guān)鍵。根據(jù)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，軟件包括兩個(gè)部分，即運(yùn)行于ARM處理器的波特率檢測以及數(shù)據(jù)傳輸軟件;運(yùn)行在智能手機(jī)上的CAN分析儀操作界面。對于運(yùn)行在ARM處理中的軟件，本文著重介紹一種新型的波特率自動(dòng)檢測方法。

2.1 波特率自動(dòng)檢測軟件設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)CAN總線和CAN分析儀之間的通信，需有相同的波特率，因而波特率的檢測十分重要。當(dāng)下主流的波特率檢測方法是利用應(yīng)答機(jī)制建立的波特率檢測方法。其開始時(shí)通過試聽一些推薦的CAN總線優(yōu)選波特率，即1Mbit/s,800kbit/s,500kbit/s,250kbit/s,125kbit/s,(100kbit/s)，50kbit/s,20kbit/s,10kbit/sHl:若能無故障地接受到完整的CAN消息，說明波特率檢測成功;如果CAN總線的波特率不是優(yōu)選波特率，則可以通過主機(jī)和CAN總線的應(yīng)答來測定波特率。此種檢測方法速度慢，存在一定誤差且對被測網(wǎng)絡(luò)有一定影響。

針對采用應(yīng)答機(jī)制設(shè)定的波特率檢測方法的缺點(diǎn)，本文提出了一種新的自動(dòng)波特率檢測方法。本自動(dòng)波特率檢測系統(tǒng)巧妙地利用了ARM處理器的中斷端口，將CAN總線上的波形記錄到ARM處理器內(nèi)，然后對獲得的波形進(jìn)行分析，得出系統(tǒng)的波特率。其檢測速度快(小于200ms)，檢測準(zhǔn)確(得出的波特率為一個(gè)精確值，而非范圍值)，不向被測網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)，并且成本很低，無須增加任何芯片。

具體實(shí)現(xiàn)方法是：硬件方面，將隔離CAN接口的RX引腳接到ARM的定時(shí)器捕獲端口。在軟件方面，首先將RX引腳相鄰兩個(gè)上跳變和下跳變的間隔周期都記錄下來;其次將周期數(shù)據(jù)排序，數(shù)據(jù)應(yīng)呈階梯狀;然后將數(shù)據(jù)按階梯分段并求出每個(gè)階梯的中位數(shù)，第一個(gè)階梯為1位數(shù)據(jù)的持續(xù)時(shí)間，第二個(gè)階梯為2位數(shù)據(jù)的持續(xù)時(shí)間……以此類推。由于CAN總線不會(huì)連續(xù)6位出現(xiàn)相同電平，因此階梯只有5階，且第二個(gè)數(shù)據(jù)等于第一個(gè)數(shù)據(jù)的2倍，第三個(gè)數(shù)據(jù)等于第一個(gè)數(shù)據(jù)的3倍，以此類推。根據(jù)這個(gè)特性可以校驗(yàn)數(shù)據(jù)并調(diào)整最終獲得的1位數(shù)據(jù)的持續(xù)時(shí)間。最終的波特率即為1位持續(xù)時(shí)間的倒數(shù)。流程圖如圖4所示。

圖4 波特率檢測流程圖

2.2智能手機(jī)界面設(shè)計(jì)

智能手機(jī)界面的設(shè)計(jì)采用Eclipse.Eclipse是一個(gè)開放源代碼的、基于Java的可擴(kuò)展開發(fā)平臺，它只是一個(gè)框架和一組服務(wù)，用于通過插件組件構(gòu)建開發(fā)環(huán)境，并附帶了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的插件集，包括Java開發(fā)工具。手機(jī)運(yùn)行界面如圖5、圖6所示。

圖5 軟件運(yùn)行界面

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本藍(lán)牙CAN分析儀的設(shè)計(jì)效果，構(gòu)建了1個(gè)包含以ARM為核心的主板、鋰電池、智能手機(jī)(安裝了安卓系統(tǒng))、模擬被測系統(tǒng)的USB-CAN的測試系統(tǒng)，然后進(jìn)行實(shí)際測試。測試流程圖如圖7所示。

圖7 實(shí)際測試流程圖

實(shí)際測試系統(tǒng)如圖8所示。實(shí)際測試顯示，在模擬CAN總線上只要有數(shù)據(jù)的流通，針對不同的CAN總線的波特率設(shè)置，本文設(shè)計(jì)的藍(lán)牙CAN分析儀能夠準(zhǔn)確、快速地自動(dòng)檢測波特率且能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

圖8 實(shí)際測試系統(tǒng)圖

4 結(jié)束語

通過構(gòu)建以NXP公司LPC2119為核心的處理器、智能手機(jī)為基礎(chǔ)的硬件系統(tǒng)、藍(lán)牙作為信息傳遞方式以及相應(yīng)軟件設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)CAN總線的波特率自動(dòng)檢測以及數(shù)據(jù)接收與發(fā)送，驗(yàn)證了藍(lán)牙CAN分析儀的正確性。藍(lán)牙CAN分析儀的實(shí)現(xiàn)，其操作簡單、攜帶容易、抗震性能好等特點(diǎn)將為CAN總線開發(fā)工程師提供極大的便利;同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，進(jìn)一步加強(qiáng)軟件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，該分析儀還能提供對CAN總線更多更有價(jià)值的信息。