基于CAN通信的卡車語(yǔ)音報(bào)警器的設(shè)計(jì)

   汽車診斷技術(shù)是汽車安全技術(shù)中不可缺少的一部分，它能在汽車發(fā)生故障時(shí)及時(shí)地進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警，避免事故的發(fā)生。CAN即控制器局域網(wǎng)，是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。由于CAN總線技術(shù)的優(yōu)良特性，在汽車電氣系統(tǒng)以及其他一些實(shí)時(shí)控制單元中得到廣泛應(yīng)用。一種基于CAN總線的通信網(wǎng)絡(luò)具有速度高、抗噪性強(qiáng)及通用性好等優(yōu)點(diǎn)。

   我們?cè)O(shè)計(jì)的基于CAN總線技術(shù)的卡車語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)能給汽車乘員提供一個(gè)安全的駕乘環(huán)境。該語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)采用了摩托羅拉公司的M68HC908GZ16微控制器，該微控制器尺寸小，資源齊全，具有很高的性價(jià)比。

CAN總線位定時(shí)

   CAN總線采用同步串行通信方式，數(shù)據(jù)流中的字符與字符之間、字符內(nèi)部的位與位之間都同步，這就要求收/發(fā)雙方必須以同步時(shí)鐘來(lái)控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。要在相當(dāng)長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流中保持位同步，接收端必須能識(shí)別每個(gè)二進(jìn)制位是從什么時(shí)刻開(kāi)始的，這就是位定時(shí)。通常為保證接收器時(shí)鐘和發(fā)送器時(shí)鐘嚴(yán)格一致，采用接收器通過(guò)解調(diào)器從數(shù)據(jù)流中提取同步信號(hào)，或者接收器和發(fā)送器使用統(tǒng)一的時(shí)鐘的方法。但是即便這樣，仍然很難解決總線傳輸延時(shí)問(wèn)題。針對(duì)以上問(wèn)題， CAN總線的位定時(shí)改進(jìn)了位編碼/解碼。

   CAN總線位定時(shí)由4部分組成：同步段（SYNC_SEG）、傳播段（PROP_SEG）、相位段1（PHASE_SEG1）和相位段2 （PHASE_SEG2）。同步段用于同步總線上的各節(jié)點(diǎn)，在此段等待一個(gè)跳邊沿；傳播段用于補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的物理延遲時(shí)間；相位段1及相位段2用做補(bǔ)償相位誤差。在采樣點(diǎn)讀總線電平。

   M68HC908GZ16微控制器（見(jiàn)圖1）中內(nèi)置CAN控制器，提供了波特率控制寄存器；SJW（重同步跳轉(zhuǎn)寬度）決定了一次重同步期間一個(gè)位時(shí)間被延長(zhǎng)或縮短的時(shí)間量子；BRP為波特率預(yù)分頻系數(shù)；Spl（采樣模式位）決定對(duì)有效位采樣的次數(shù)。

圖1 MC68HC908GZ16的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
   位定時(shí)主要用于定義CAN總線通信的速率，對(duì)同一總線上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)應(yīng)定義同一種通信速率，否則無(wú)法進(jìn)行通信聯(lián)系。CAN控制器的總線工作頻率計(jì)算公式如下：

   式中：BRP為系統(tǒng)預(yù)分頻因子，它在TSEG1域中的取值范圍為0～63；TSEG1、TSEG2的值由位定時(shí)寄存器編程決定，并滿足1≤TSEG1≤7， 2≤TSEG2≤15。報(bào)警器中位定時(shí)的設(shè)置，定義通信頻率為250KB/s。設(shè)定DSC=BRP=1，TSEG1+TSEG2=5，系統(tǒng)晶振頻率為 8MHz，即XTAL=8MHz，CAN通信頻率由上式計(jì)算得到250KB/s。

最后位定時(shí)設(shè)置結(jié)果為：BRP=1，TSEG2=2，TSEG1=3。

圖2 語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
設(shè)計(jì)概述

  該卡車語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是：成本低；功能強(qiáng)大；適用于日常應(yīng)用；能夠應(yīng)用于各類車輛。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)如下功能：利用CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)對(duì)卡車故障碼的接收；二，通過(guò)識(shí)別CAN系統(tǒng)傳過(guò)來(lái)的信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理得到相應(yīng)的語(yǔ)音提示，通過(guò)與語(yǔ)音芯片的連接實(shí)現(xiàn)相應(yīng)故障的語(yǔ)音播放報(bào)警。

   該語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)以摩托羅拉公司的MC68HC908GZ16處理器為核心，并利用其豐富的接口擴(kuò)展使用了語(yǔ)音播放、CAN通信接口等外圍模塊，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)更加人性化。MC68HC908GZ16處理器具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1.豐富的硬件資源

   MC68HC908GZ16為閃存型MCU，內(nèi)部擁有16K的FLASH存儲(chǔ)空間和1K的RAM存儲(chǔ)空間。內(nèi)部擁有鎖相環(huán)電路，能夠在使用低速晶振的情況下使總線頻率最高達(dá)到8MHz。同時(shí)擁有多達(dá)37個(gè)通用I/O口，可以方便地與其他外圍設(shè)備相連接。

圖3 卡車報(bào)警器電路原理圖
2.極強(qiáng)的抗擾能力

    內(nèi)部集成了CAN控制器，利用CAN通信具有很強(qiáng)的抗干擾這一特點(diǎn)，保證了產(chǎn)品能夠在惡劣環(huán)境條件下高效而穩(wěn)定地運(yùn)行。

  本設(shè)計(jì)采用CAN通信的方式完成卡車語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

   通過(guò)MC68HC908GZ16上集成的MSCAN08模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。利用C68HC908GZ16的I/O口，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中使用了市場(chǎng)上常見(jiàn)的ISD公司的ISD4002-120數(shù)碼語(yǔ)音芯片。該芯片采用3V直流供電，可以錄制并保存2min的語(yǔ)音信息。其采樣頻率為8kHz，信息分辨率可達(dá)200ms，能夠非常真實(shí)地再現(xiàn)語(yǔ)音、音樂(lè)、聲調(diào)和效果音。

硬件設(shè)計(jì)

   從圖3可以看出，卡車報(bào)警器電路主要由三部分構(gòu)成：微控制器        MC68HC908GZ16（內(nèi)部集成的MSCAN08模塊）、語(yǔ)音芯片 ISD4002和CAN總線收發(fā)器TLE6250、ZJYS。微控制器負(fù)責(zé)MSCAN08模塊的初始化，通過(guò)CAN模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務(wù)。 CAN通信控制模塊主要完成CAN的通信協(xié)議。CAN控制模塊可完成物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能，適用于汽車及一般的工業(yè)環(huán)境。利用CAN通信不但可以減少導(dǎo)線連接，而且能增強(qiáng)診斷和監(jiān)控能力。

   CAN收發(fā)器TLE6250用于提供對(duì)總線差動(dòng)發(fā)送和接收的驅(qū)動(dòng)能力，具有輸出信號(hào)CANH和CANL的最佳匹配、電磁輻射更低、無(wú)待機(jī)模式等優(yōu)點(diǎn)。CANH和CANL與地之間并聯(lián)兩個(gè)25PF的小電容，可以起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射作用。

軟件描述

    軟件編程主要實(shí)現(xiàn)兩大功能：利用總線進(jìn)行故障碼接收；通過(guò)轉(zhuǎn)換故障碼實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的語(yǔ)音故障報(bào)警。語(yǔ)音播放根據(jù)其功能設(shè)計(jì)，整個(gè)程序大部分操作在主程序中完成，而CAN接收是在中斷中完成。

   主程序中的操作是初始化各寄存器、I/O端口，然后在死循環(huán)中根據(jù)標(biāo)志位進(jìn)行相應(yīng)的處理，具體流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖
1.語(yǔ)音模塊軟件設(shè)計(jì)

   語(yǔ)音模塊使用了ISD4002芯片。單片機(jī)通過(guò)I/O接口與ISD4002建立連接，并通過(guò)命令字的方式控制語(yǔ)音播放的地址，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播放的控制。

2.CAN通信模塊軟件設(shè)計(jì)

   在CAN總線編程時(shí)，需要定義一系列的控制字配置，并要在裝置上進(jìn)行配置。其具體步驟包括：定義CAN控制寄存器、定義位定時(shí)、定義信息體屏蔽方式、信息體的初始化、信息體發(fā)送數(shù)據(jù)和信息體接收數(shù)據(jù)。

（1）MSCAN08模塊的初始化

    MSCAN08模塊的初始化主要是定義通信速率。配置位定時(shí)寄存器以確定CAN的通信速率、配置全域屏蔽寄存器以確定濾波策略、初始化每個(gè)信息體。初始化信息體需要確定信息體類型（發(fā)送還是接收），設(shè)定符合CAN協(xié)議的ID、SRR、IDE和RTR。CAN通信首先要進(jìn)行初始化。在完成 MSCAN08模塊的初始化以后，MSCAN08模塊就可以回到工作狀態(tài)，進(jìn)行正常的通信任務(wù)。

（2）數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送

   報(bào)文的發(fā)送由CAN控制器獨(dú)立完成，微控制器只要將發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送到發(fā)送MSCAN08模塊相應(yīng)的發(fā)送信息體中，然后將命令寄存器中的“發(fā)送請(qǐng)求”標(biāo)志置位即可。報(bào)文發(fā)送流程圖如圖5所示，在發(fā)送之前先做判斷。發(fā)送程序分為發(fā)送遠(yuǎn)程幀和數(shù)據(jù)幀兩種。遠(yuǎn)程幀無(wú)數(shù)據(jù)場(chǎng)，其程序流程圖如圖5（左）所示。

   圖5 CAN發(fā)送和接收流程圖（左為發(fā)送流程，右為接收流程）
     MSCAN08模塊的接收非常靈活。如果根據(jù)CAN總線應(yīng)用層協(xié)議規(guī)定好ID的含義，就可以通過(guò)設(shè)定3個(gè)屏蔽寄存器（1個(gè)全局的，2個(gè)特殊的）將需要的數(shù)據(jù)接收到消息緩沖區(qū)，將不需要的過(guò)濾掉，再通過(guò)讀當(dāng)前消息緩沖區(qū)的ID確定數(shù)據(jù)所代表的含義。AN82527報(bào)文接收主要有兩種方式：中斷方式和查詢方式，在該系統(tǒng)中采用了中斷方式。報(bào)文接收流程圖如圖5（右）所示。

小結(jié)

  該卡車語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)已經(jīng)在臺(tái)架上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，并在與其他控制器的臺(tái)架實(shí)驗(yàn)中取得了良好的通信效果，能實(shí)現(xiàn)良好的語(yǔ)音報(bào)警功能。此外，該設(shè)計(jì)還需進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)車驗(yàn)證，其基本設(shè)計(jì)思路也可應(yīng)用于轎車中。