基于CAN总线的汽车数据采集系统开发

2019-06-01邓召文

制造业自动化 2019年5期

邓召文，周围

（湖北汽车工业学院汽车工程学院汽车动力传动与电子控制湖北省重点实验室，十堰 442002）

0 引言

CAN（Controller Area Network）即控制器局域网，是几种流行现场总线中应用最广泛的现场总线之一。由于CAN总线采用时间触发协议，在消息传输中采用非破坏性的仲裁机制，保证了数据的完整和系统安全，CAN总线网络已被汽车厂普遍接受，成为车载网络系统的中流砥柱[1]。基于CAN总线对汽车运行数据进行采集可以分析汽车的运行状况，及时发现故障，为检测和故障诊断提供依据，通过对采集数据的分析，发现设计参数的不足，提出改进设计思路，形成分析-改进-分析的闭环设计过程。

华南理工大学开发设计了一套专用的高效、经济、较为准确的离线式数据采集系统[2]。利用专用数据采集芯片对模拟量进行模数转换，由单片机将数据以FAT32格式写入内存卡中，在汽车运行完成后，取下内存卡导出数据到PC机，用数学软件对数据进行显示和分析。武汉理工大学设计了一种基于飞思卡尔9s12单片机的数据采集系统[3]。使用了自定义的传感器对数据进行采集，由单片机进行转换后通过SCI发送给PC机的LabView上位机进行显示，系统优点是可以增加传感器数量和类型。青岛理工大学也采用了单片机采集方案[4]。采用了自定义传感器进行数据采集，利用NRF2401无线模块通过SPI接口与主控芯片连接进行数据传输，数据由上位机进行接收和保存。同济大学设计了一种基于LabView和CAN总线的数据采集监测系统，用于汽车试验时实时监测车辆的运行状态[5]。

本论文利用USBCAN接口卡，实现CAN总线与USB总线间的数据交换。利用LabView调用Dll文件实现对USBCAN卡的配置，包括同步时间、总线速率、滤波方式、CAN卡通道、验收码、屏蔽码等参数，实现接收和发送功能；在USBCAN卡收到数据后根据通信协议解析出对应的数据，实时显示并解析车辆电控系统的状态信息和故障信息；在接收和解析完数据后，根据用户需求实现对汽车实时状态数据的显示、保存与回放等功能。

1 通信协议和软硬件选型

1.1 通信协议

该通信协议包含的信息主要包括以下五部分：1）帧头：一共四字节长度，包含固定的三个标志字节为0x82、0x81、0x80以及一字节的本组数据长度（默认为84个参数）；该部分主要用于表示新一组数据的开始，与前一组数据形成分界，防止数据出现混乱；2）数据段：数据共60个，每个数据按高位在前、低位在后分成两字节；包含了发动机以及底盘的部分数据；该部分数据是研究和保存的重点，根据这些数据可以判断发动机及底盘参数的设置是否合理，可能潜在的故障及原因；3）错误诊断信息：共16个数据，每个数据由两字节组成，低位字节的每一位表示一种错误。当某位为1时表示错误发生，为0时表示没有错误；所以每个数据可以表示出8种错误。该部分数据可以作为故障判断的表现判断，也是最直观的故障指示；4）状态信息：共8个数据，每个数据分高低两个字节；低字节的每一位表示一种状态。类似于错误信息，每个数据包可以表示8种系统状态；5）CRC32校验段：该部分按照标准CRC32校验算出每组数据前四部分的CRC32值，分为4字节高位在前低位在后；该部分数据主要作为改组数据是否有效的依据。

1.2 软硬件选型

对CAN总线的数据采集，上位机使用LabView进行编写，通信接口方案需要根据CAN数据由何种总线输入PC机确定。直接利用USBCAN卡将CAN总线数据传输至USB总线，LabView利用CAN卡所附带的驱动程序和动态链接库来实现对CAN卡的设置以及数据获取。所需要的软硬件有：周立功USBCAN-I、USBCAN配套的驱动程序以及动态链接库。

1.3 调用Dll文件实现USBCAN卡配置

LabView在互联接口函数子模板中提供了库与可执行程序，其中，调用库函数节点可以调用厂家提供的dll文件。只要知道动态连接库里被导出的函数名称及其参数，就可以通过调用库函数节点调用，调用dll文件函数的操作步骤为如图1所示。

图1 调用DLL文件函数步骤

图2 Dll调用程序框图

设置完成后连接参数程序框图如图2所示，左侧为输入端，右侧接口为输出端，右侧最上方返回的是一个状态标志，它表示函数操作的结果。要想使用CAN卡必须先打开设备驱动，初始化设备后才能进行其他操作。

2 数据采集系统软件设计

2.1 用户界面设计

设计代码前，首先必须根据课题要求，进行需求分析。LabView由于采用的是G语言，根据经验，所有的数据处理应该围绕用户需求来进行。而用户需求最直观的表现在用户界面[6～8]。根据课题要求，本次设计主要以获取CAN总线数据为主。第一个用户界面CAN助手界面如图3所示，该界面主要设计为CAN参数的设置、CAN卡配置与操作、数据发送等功能。第二个用户界面波形数据显示界面如图4所示，提供了数据显示、曲线（可见性、颜色、校式等）设置、清除图像操作、数据保存、历史数据打开等功能。第三个用户界面仪表界面如图5所示，提供传统仪表界面，与车辆仪表类似的显示内容。第四个用户界面错误与系统状态显示界面如图6所示，提供原始的英文错误和状态显示，这些提示和状态信息对于后期车辆诊断有很大帮助，有必要进行解析和显示。

图3 CAN助手界面

图4 数据波形界面

图5 仪表显示界面

2.2 代码主体架构设计

根据课题要求分析，该软件主要以数据采集为主，所以数据必须完整且具有一定的实时性，对用户操作响应必须及时。为了满足要求，在整体结构上采取并行循环的生产者与消费者循环[9～11]；其中生产者有两个，第一个生产者（CAN数据的接收）独占一个循环，保证数据尽可能实时接收；第二个则是为响应前面板操作动作的状态生产者。由于数据显示为波形和在助手模式下表格显示对数据处理较慢。所以，设计了两个时间占用接近的消费者循环。其中，一个消费者循环处理助手模式下表格显示数据以及部分CAN操作产生的动作响应；另外一个消费者循环主要处理耗时的数据保存和波形显示处理。各循环关系如图6所示。

图6 立体框架设计图

2.3 功能代码设计

2.3.1 波形图数据显示方案

根据课题要求，本次数据显示数据量可以达到60条曲线，且实时显示；根据波形图表和波形图区别，必须选用波形图；波形图由于没有数据缓冲区，要显示数据必须自建一个FIFO的数据缓冲区；最简单的办法是利用二维数组配合删除数组元素来构建这个缓冲区。最后输出这个数组即可，FIFO缓冲区如图7所示。

图7 FIFO缓冲区

2.3.2 数据解析方案

数据的解析是比较关键的一个部分，数据解析要求不能重复解析，数据在正确的情况下保证完整。由于汽车的仪表数据流公用一个数据帧地址，没有可靠的帧标识，所以只能根据帧头信息来确定每组数据的开始，也相当于组同步信号。每组数据从帧头开始累加帧数，根据帧数和字节顺序确定数据位置和数据类型，然后对数据复原。

除帧头包含的两个数据外，其他数据的计算公式为：

其中：

Dk为第k个需解析的数据；

Zij为第i帧的第j字节。

数据提取解析步骤和解析代码分别如图8、图9所示。

图8 数据提取解析流程图

图9 数据解析代码

2.3.3 文件保存方案

文件的保存基本要求是数据的完整性，只有数据完整，才能保证数据在下次打开时不出现失真；数据保存必须尽可能快，数据的保存不能对数据的传输、解析、显示造成用户可感知的影响；另外，由于汽车的CAN速率为1Mbps，每秒钟发送50组数据，每组数据22帧，每帧8字节。折算平均速率为8.8kb/s，由于数据量不是太大，故可以边接收边保存；但是考虑到数据保存耗费的时间较长，不能按帧保存。所以，考虑每接收完一组正确的数据后保存一次。根据LabView对数据保存的速度来看，保存为二进制文件是最快的。为尽量保证程序的流畅性，选择保存为二进制文件。如图10所示为数据保存代码。

图10 数据保存代码

2.3.4 错误与状态信息解析

提取状态信息和错误信息可将两个组分开提取，由于LabView可以自己并行处理数据，分开提取可以节约2/3的时间。所以在程序设计时将两者分开处理。

错误与状态信息数据与其他参数数据不同，参数数据是连续不可突变且仅代表唯一含义的参量。而状态和错误信息的数据是分立的数据，不同的值包含了一种或多种状态或错误。根据通信协议中可知：状态错误数据的每一位（化为二进制）代表了一个错误状态的有无，当某位为1说明对应的错误或状态存在，为0则不存在。

由于状态错误信息数据的这种特性，所以需要检查数据的每一位是否为1。然后查表得对应位进行文字的提取。检查数据位可以使用循环移位法，但LabView中不支持取数据特定位的操作。为实现取位，设计了除2取余法判断最低位是否为1，商作为下一次取位的被除数。进行7个循环即可取出每一位的值（虽然是双字数据，但仅用了低字节最大255）。最后将信息输出。

信息表和程序代码如图11所示。

图11 状态信息表及错误处理代码

3 试验验证

软件在初步调试完成之后需进行稳定性和可靠性验证。稳定性验证需要大量时间满载运行，以检验是否能长时间正常工作，采用模拟实验检验。可靠性检验需要验证数据的准确性，需要与仪表进行对比，采用现场试验。

3.1 模拟试验检验

为了提高试验效率，方便离车调试，减少实车调试次数。编写代码写入STM32开发板内，实现下位机部分模拟试验汽车CAN通讯向USBCAN发送有规律的数据，进行稳定性耐久测试。其硬件连接示意图如图12所示。

图12 模拟试验的硬件连接示意图

图13 模拟测试结果

进行了约30分钟的模拟测试后，大约采集了15MB的数据，密集的波形图在局部放大后数据依然完整。测试结果如图13所示。由模拟测试结果可知，数据完整，波形图流畅（正弦曲线，主要检验完整性，如果数据有丢帧波形会有畸变），满载荷运行测试符合基本要求。

3.2 现场试验

确认程序在模拟试验时依然可以较为流畅的运行后，再进行现场数据采集试验，并与实车仪表对比，以验证程序的可靠性和准确性。按照硬件连接规范连接好实物后开始采集数据。观察仪表盘上发动机转速，记录怠速工况下的转速在1600r/min附近，其波动范围约200～350，另外还对比了进气温度、节气门开度和进气歧管压力等这类变化较慢的参数。现场试验连接及观察软件现场测试结果如图14所示。从现场测试图可以看出，转速在1600r/min附近，波动范围在200～350与仪表观测结果吻合。节气门开度保持稳定的怠速开度（约12%），进气温度约23℃，进气歧管压力约90kPa小于大气压力（正常）。根据以上内容的对比，可以判定数据是准确的。