基于CAN发送模块的车载信息服务系统调试装置设计

唐 琳， 雷 霖， 李跃鹏

(成都大学 信息科学与工程学院， 四川 成都 610106)

0 引 言

目前，绝大部分汽车都安装了车载信息服务系统，由于系统的功能较多，接口线路繁冗复杂[1-3]，如果调试时直接将系统连接到汽车上，一方面调试过程会变得更加复杂，造成数据报文丢失，另一方面调试过程也可能对系统接口造成损坏，所以需要一种能够独立调试系统各个模块的装置.对此，本研究以CAN通信为基础，模拟车载信息服务系统中各个模块的状态，以CAN报文的形式与主控模块发生交互，设计出一CAN发送模块的调试装置来实现车载信息服务系统各模块的独立调试.

1 装置总体设计

1.1 装置结构设计

本研究探讨面向车联网的车载信息服务系统的调试装置[4-5]，该装置是针对整个车载信息服务系统设计的，其主要功能是采用CAN发送模块模拟系统的各个模块发送相应的CAN报文信息，调试装置的主控模块对各CAN发送装置发送的CAN报文信息，如胎压、车速、ABS及故障监测信息等，进行解析，将信息记录在内存中，同时对CAN报文中有故障的模块以报文交互的方式进行处理，直观体现车载信息服务系统是哪一个通信模块出现了问题.同时，调试装置中扩展SD卡存储电路，将故障报警数据和影像数据记录在SD卡中,便于电脑读取.该装置可以实现车载信息服务系统各个模块的独立调试.装置的结构设计图如图1所示.

图1装置结构设计示意图

1.2 装置模块划分

根据设计目标，调试装置包括MCU主控模块、CAN发送模块、SD卡存储电路、液晶显示模块、电源电路、行车影像接口、按键模块、串口、调试接口以及CAN通信接口.其中，MCU主控模块集成了SPI接口、UART接口、BKGD接口及CAN接口等.SPI接口连接SD卡存储电路，UART接口连接外部串口，BKGD接口连接调试接口， CAN通信接口连接CAN发送模块.MCU的I/O口连接了液晶显示模块、行车影像模块以及按键接口模块，并通过模数转换接口A/D连接电源电路模块对装置电压进行采集并通过液晶显示模块显示出来.

2 CAN发送模块设计

CAN信息发送模块主要是根据汽车制造商所提供的CAN报文信息(制造商的CAN信息多是通过多传感器技术，将功能模块监测到的数据，整合成符合格式要求的CAN信息)矩阵格式，发送到CAN总线中，用于CAN接收装置对信息进行二级计算和分析.本装置用到的CAN信息发送模块所发送的CAN报文格式以长安汽车CAN报文矩阵格式为例，模拟长安汽车车载信息服务系统中各个模块所发送的数据[6].

2.1 硬件设计

本装置的硬件MCU基于Freescale的MC9S12HY64RM芯片，其RAM为4 KiB，ROM空间为64 KiB.其硬件设计框图如图2所示.

图2 CAN发送模块硬件设计框图

由于汽车正常情况下提供的供电电源在12～15 V之间，而MCU的工作电压通常为5 V，因此需要12 V和5 V的稳压电路作为支撑.按键电路主要是针对CAN网络中不同地址ID所设置的控制电路，主要目的是通过按键来模拟CAN网络中各报文异常丢失的情况.指示灯电路主要显示当前是何种报文丢失，为整个平台实验起到引导作用.CAN信号输出电路主要将CAN发送模块的报文接入到调试装置的MCU主控单元中.

2.2 软件设计

CAN信息发送模块的软件设计主要模拟车载信息服务系统中各个汽车模块的CAN信息矩阵格式发送出包含各模块信息的CAN报文[7]，其软件设计基本流程如图3所示.指示灯用于模拟不同ID的CAN发射装置的报文发送状态，当所有CAN发射装置与车载信息服务系统调试装置连接完成并启动时，MCU、定时器和CAN发送模块以及各装置的报文指示灯相继初始化，所有CAN发送模块处于待机状态，一旦检测到对应ID的CAN发送模块的发送键被按下，相应的报文指示灯就被点亮，该发送装置就开始发送固定格式的CAN报文，发送完毕则继续处于待机状态等待发送命令.对于发送键没有被按下的模块，对应的报文指示灯处于熄灭状态，一旦指示灯熄灭，即便上一个报文没有发送完毕，模块也会停止发送，而不会因为发送端和接收端状态不匹配造成数据的丢失.

图3 CAN报文发送软件流程图

3 模块测试

3.1 车速模块测试

JIS规范规定，车辆每行驶1 km，机械式速度传感器要转637圈，这是计算车速的基础.由于具体的车型和各主机厂的不同要求，每转一圈产生的脉冲数也不一样，但多数采用2、4、8与16等便于计算机计算的脉冲数.车速的数学计算表达式为，

式中，H为仪表车速脉冲输入信号的频率，Hz；V为车速，km/h；n为车速传感器每转一圈产生的脉冲信号个数；N2表示车速为60 km/h时车速传感器的转数，r/min.

车速表采用步进电机驱动的指针指示(在调试装置中，数字结果显示在液晶显示器上)，点火开关为“ON”时(即汽车已经启动，但是并没有启动发动机)工作.车速表以km/h表示，指示范围为0～180 km/h，其车速最小分度值为10 km/h.点火开关为“OFF”时，液晶显示归0.

模拟组合仪表车速信号的CAN发送模块通过CAN总线传送给调试装置.车速表指示单体误差应符合表1的规定.其中，实际车速=(指示车速-2)×0.98.车速信号来源的误差规定为±2%.其中，测试车辆轮胎采用标称气压；测试车辆轮胎为新轮胎；车速≥20 km/h以上的车速信号来源精度在±2%内，而当车速<20 km/h时，车速信号精度根据具体项目确定；测试方案为标准转鼓测试台.

表1 车速表指示

3.2 转速模块测试

调试装置的主控模块通过模拟电机转速的CAN发送模块来获取当前转速，并将其显示在液晶显示器上，保持0.5 s更新一次.点火开关为“OFF”时，转速表的指针应返回到0.表2给出了转速表指示值及其误差.

表2 转速表指示

3.3 胎压模块测试

轮胎压力监控系统用于对轮胎压力和温度进行监控[8].当胎压过高、过低或温度过高时给出报警信息，从而保证行车安全.本调试装置将轮胎压力监控系统接入CAN总线网络，接收轮胎压力、环境温度等信息，从而提高监控系统的性能，节约控制成本.当轮胎出现气压高于标准压力25%或轮胎气压低于标准压力12.5%、温度高于85 ℃、快速漏气时(每分钟压力下降超过0.2 Bar)，调试装置会自动发出报警信息，启动声响系统报警，确定故障轮胎的位置，同时将胎压值闪烁显示在液晶显示器上.

4 装置整体测试

装置整体测试遵循先测试硬件设计是否有明显错误的原则.当完成了装置的整体测试，样机的每个部件都能正常工作，就需要测试装置每个方面的功能是否都能达到设定要求、各种性能是否都能满足需要.

装置的基本功能测试，包括开机自检、数据存储、LCD显示、实时时钟、速度信号检测与数据通信等.具体步骤为：

1)给装置接通电源，进入开机界面.在开机界面上会呈现出“长安汽车悦翔V3正在启动”的标志，如图4(a)所示.随后，进入诊断界面，如图4(b)所示.

图4开机界面

2)诊断装置的所有开关都是断开的，它只是对CAN发送装置中的信息进行选择性的接收.当诊断装置中的开关处于断开状态时，CAN发送装置中的信息就不能发送过来，液晶主页面对应项显示“CLOSE”，此时长按相应按键进入子页面，子页面显示停止接收.当诊断装置开关被按下以后，它就可以对CAN发送装置中的信息进行分析判断.当按下CAN发送装置的按键时，它会发送故障代码，诊断装置主页面显示相应的故障指令代码，如图5(a)所示.长按诊断装置中的按键进入相应子页面，显示出相应的故障诊断结果，如图5(b)所示.

图5故障接收及诊断界面

3)发送装置开关弹起以后，发送装置发送正确的CAN指令数据，诊断装置主页面显示“YES”，如图6(a)所示.此时，长按相应的按键，进入子页面，子页面显示正常状态，故障已解决，如图6(b)所示.

5 结 语

本研究设计的车载信息服务系统的调试装置通过CAN发送模块模拟汽车各个接口的报文信息，MCU通过CAN接口获取报文并对报文进行解析，CAN总线通信可以保证通信过程稳定高效， 同时也降低了直接连接汽车的连线要求.模拟实验结果表明，通过对相关问题的解析很容易判断出故障模块，从而可有针对性地对相关模块进行调试.

图6诊断界面及诊断结果