王妍　王曉曼　莊仲

摘 要：本設(shè)計(jì)結(jié)合汽車電子實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)CAN（Controller Area Network）總線監(jiān)聽?wèi)?yīng)用。構(gòu)建了一個(gè)以CAN總線為平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集及監(jiān)聽系統(tǒng)。以車內(nèi)各個(gè)子系統(tǒng)作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以CAN總線為紐帶，將信息傳輸給嵌入式處理系統(tǒng)，同時(shí)將各子系統(tǒng)的運(yùn)行情況通過多種方式傳輸給上位機(jī)，以做進(jìn)一步分析研究。

關(guān)鍵詞：CAN總線 STM32 監(jiān)聽

中圖分類號(hào)：TN919 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）06（b）-0001-02

場總線是最近二十幾年發(fā)展起來的新技術(shù)，CAN總線是應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。由于CAN具有獨(dú)特的多主工作方式、非破壞仲裁機(jī)制以及高通信速率等特點(diǎn)，使其與一般的通信總線相比，具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。上述優(yōu)點(diǎn)使CAN總線逐漸代替了汽車內(nèi)部各個(gè)電子控制單元（ECU）數(shù)據(jù)通信使用的其他總線。

作為汽車電子實(shí)訓(xùn)設(shè)備，學(xué)習(xí)人員不僅要了解關(guān)鍵部件的狀態(tài)數(shù)據(jù)，還需要對(duì)各部件工作狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，必要時(shí)需將各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸至PC機(jī)中進(jìn)行進(jìn)一步存儲(chǔ)及分析。本設(shè)計(jì)采用CAN總線來實(shí)現(xiàn)模擬車內(nèi)各個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，嵌入式微處理器單元通過無線、WIFI，多種方式實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各子系統(tǒng)的監(jiān)聽功能。方案以內(nèi)嵌CAN控制器STM32F103VET6作為微處理器，完成上述功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一個(gè)完整的采集系統(tǒng)由傳感器，CAN收發(fā)器，CAN總線，接口，微處理器等幾大部分組成，如圖1所示。

圖1中的被檢測量是由汽車某一控制單元發(fā)出的，這些控制單元包括燈光控制單元、電動(dòng)座椅單元、門鎖防盜單元等。傳感器按一定規(guī)律將被檢測量轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠測量的電信號(hào)。通過傳感器得到的信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路對(duì)其進(jìn)行緩沖、放大、隔離、濾波，以及線性化等處理，以獲得模數(shù)轉(zhuǎn)換所需的歸一化信號(hào)。將經(jīng)過調(diào)理的信號(hào)通過微控制器（如單片機(jī)）進(jìn)行取樣保持和模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后通過CAN收發(fā)器發(fā)送到數(shù)據(jù)總線上。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還包括驅(qū)動(dòng)軟件，驅(qū)動(dòng)軟件直接對(duì)硬件的寄存器進(jìn)行操作，并管理中斷、存儲(chǔ)器等微機(jī)資源。

1.2 檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

檢測系統(tǒng)的形式采用集散型數(shù)據(jù)處理模式，指一路或幾路信號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊，每個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊都包括AD轉(zhuǎn)換和單片機(jī)系統(tǒng)，完成對(duì)一路或幾路信號(hào)的采集和處理。模塊間通過總線相連。

從圖2中可以看出，每一個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊只負(fù)責(zé)一路信號(hào)，數(shù)據(jù)模塊之間通過總線進(jìn)行通訊。由于一個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊只負(fù)責(zé)一路信號(hào)，所以數(shù)據(jù)采集的速度可以很高。由于現(xiàn)在主流的AD芯片的轉(zhuǎn)換時(shí)間大多為幾，所以采用這種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，速度可以達(dá)到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集要求。同時(shí)這種方式體現(xiàn)了模塊化的設(shè)計(jì)思想，可以將幾個(gè)相同類型的信號(hào)共用一個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊，對(duì)于不同類型的信號(hào)只需要更改前置電路就可以了。這樣設(shè)計(jì)便于系統(tǒng)擴(kuò)展，當(dāng)有新的信號(hào)需要采集時(shí)只需要添加一個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊并連接到總線上就可以了?？紤]到汽車上信號(hào)接線和汽車部件關(guān)系比較密切，所以本方案采用集散型數(shù)據(jù)采集處理模塊來完成對(duì)汽車上的信號(hào)的采樣。

1.3 總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)核心器件為嵌入式微處理器，它控制CAN收發(fā)器，將各子系統(tǒng)傳輸至CAN總線的信息數(shù)據(jù)按一定優(yōu)先級(jí)通過無線模塊，WIFI模塊或串口模塊與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

設(shè)計(jì)中采用ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103VET6為核心控制器，其中內(nèi)嵌了CAN控制器，節(jié)約了空間資源。CAN收發(fā)器采用PHILIPS公司生產(chǎn)的高速CAN收發(fā)器TJA1050，可以為總線提供不同的發(fā)送性能，為CAN控制器提供不同的接收性能?？傮w框圖如圖2所示。

STM32是意法半導(dǎo)體推出的基于Cortex-M3內(nèi)核的32位ARM，目前有5個(gè)系列，其中STM32 F103VET6屬于STM32F103系列的高容量芯片，QFP100封裝，64K片內(nèi)SRAM，512K片內(nèi)FLASH，具有SDIO 4位接口（SD卡的專用接口，速度更高，該接口也可用于和SDIO接口類型的wifi模塊連接）。選用此芯片作為核心MCU，主要由于其容量大，性價(jià)比高且具有SPI方式的NRF24L01無線收發(fā)器2.4G無線模塊接口。

2 硬件接口

2.1 CAN驅(qū)動(dòng)模塊

ISO 11898是一個(gè)使用CAN總線協(xié)議的汽車內(nèi)高速通訊國際標(biāo)準(zhǔn)。TJA1050符合ISO 11989標(biāo)準(zhǔn)，它可以和其他遵從ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)器產(chǎn)品協(xié)同操作，此外TJA1050還具有良好的電磁兼容性，連接節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110個(gè)。如圖3所示，微處理器內(nèi)部協(xié)議控制器通過一條串行數(shù)據(jù)輸出線（CAN-TX）和一條串行數(shù)據(jù)輸入線（CAN-RX）連接到TJA1050收發(fā)器。而收發(fā)器則通過它的兩個(gè)有差動(dòng)接收和發(fā)送能力的總線終端CANH和CANL連接到CAN總線線路。典型的CAN總線采用一對(duì)雙絞線?？紤]到ISO 11898中定義的線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，總線兩端都端接一個(gè)120Ω的額定電阻。這就要求總線額定負(fù)載是60Ω。終端電阻和電纜阻抗的緊密匹配確保了數(shù)據(jù)信號(hào)不會(huì)在總線的兩端反射。

2.2 WIFI模塊

88W8686是一款最新高整合WLAN Soc。它面向移動(dòng)電話、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、移動(dòng)媒體播放器、PDA、游戲機(jī)等移動(dòng)設(shè)備。它具有封裝尺寸小，低功耗的特點(diǎn)，且提供SDIO和SPI主機(jī)接口適用于各種不同的處理器。

88W8686SoC具有非常高的集成水平，芯片集成了一個(gè)可在2.4 GHz和5 GHz運(yùn)行的雙頻射頻無線收發(fā)器、一個(gè)物理層、一個(gè)媒介接入控制器和一個(gè)ARM處理器。

STM32可通過SDIO接口與88W8686連接。88W8686支持SDIO設(shè)備接口，允許使用SDIO總線協(xié)議訪問WLAN設(shè)備。SDIO接口包含于外部SDIO總線和內(nèi)部共享總線間的接口電路。88W8686充當(dāng)SDIO總線上的設(shè)備。Host單元可以直接訪問SDIO接口的寄存器，也可以通過使用BAR和DMA引擎訪問設(shè)備的共享存儲(chǔ)空間。

2.3 基于NRF24L01的無線通信模塊

NRF24L01是NORDIC公司生產(chǎn)的一款新型單片射頻收發(fā)器件，采用FSK調(diào)制，內(nèi)部集成NORDIC自己的Enhanced Short Burst協(xié)議。可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或一點(diǎn)對(duì)六點(diǎn)的無線通信。無線通信速度可以達(dá)到2M（bps）。器件工作于全球開放的2.4～2.5 GHz ISM頻段。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。NRF24L01的SPI接口可以利用STM32的硬件SPI接口直接連接。

綜上所述，本文完成了基于CAN總線監(jiān)聽系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，敘述了集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各部分組成，以及芯片的選擇及其優(yōu)勢分析，給出了wifi模塊以及無線模塊與核心芯片STM32 F103VET6的連接設(shè)計(jì)，以及各模塊的詳細(xì)介紹和功能實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 烏寬明.CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1996：127-156.

[2] 楊軍，馮振聲，黃考利.裝備智能故障診斷技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004.

[3] 饒運(yùn)濤，鄒繼軍，鄭勇蕓.現(xiàn)場總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[4] 藺金元，秦亞超.基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].寧夏工程技術(shù)，2002，1（2）：176-178.

[5] 許海燕.基于CAN總線的作戰(zhàn)車輛綜合電子信息系統(tǒng)的研究[D].南京：河海大學(xué)，2004.

[6] 魏雅.基于CAN總線的機(jī)車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究[D].西安：西安工程大學(xué)，2007.endprint

摘 要：本設(shè)計(jì)結(jié)合汽車電子實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)CAN（Controller Area Network）總線監(jiān)聽?wèi)?yīng)用。構(gòu)建了一個(gè)以CAN總線為平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集及監(jiān)聽系統(tǒng)。以車內(nèi)各個(gè)子系統(tǒng)作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以CAN總線為紐帶，將信息傳輸給嵌入式處理系統(tǒng)，同時(shí)將各子系統(tǒng)的運(yùn)行情況通過多種方式傳輸給上位機(jī)，以做進(jìn)一步分析研究。

關(guān)鍵詞：CAN總線 STM32 監(jiān)聽

中圖分類號(hào)：TN919 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）06（b）-0001-02

場總線是最近二十幾年發(fā)展起來的新技術(shù)，CAN總線是應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。由于CAN具有獨(dú)特的多主工作方式、非破壞仲裁機(jī)制以及高通信速率等特點(diǎn)，使其與一般的通信總線相比，具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。上述優(yōu)點(diǎn)使CAN總線逐漸代替了汽車內(nèi)部各個(gè)電子控制單元（ECU）數(shù)據(jù)通信使用的其他總線。

作為汽車電子實(shí)訓(xùn)設(shè)備，學(xué)習(xí)人員不僅要了解關(guān)鍵部件的狀態(tài)數(shù)據(jù)，還需要對(duì)各部件工作狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，必要時(shí)需將各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸至PC機(jī)中進(jìn)行進(jìn)一步存儲(chǔ)及分析。本設(shè)計(jì)采用CAN總線來實(shí)現(xiàn)模擬車內(nèi)各個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，嵌入式微處理器單元通過無線、WIFI，多種方式實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各子系統(tǒng)的監(jiān)聽功能。方案以內(nèi)嵌CAN控制器STM32F103VET6作為微處理器，完成上述功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一個(gè)完整的采集系統(tǒng)由傳感器，CAN收發(fā)器，CAN總線，接口，微處理器等幾大部分組成，如圖1所示。

圖1中的被檢測量是由汽車某一控制單元發(fā)出的，這些控制單元包括燈光控制單元、電動(dòng)座椅單元、門鎖防盜單元等。傳感器按一定規(guī)律將被檢測量轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠測量的電信號(hào)。通過傳感器得到的信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路對(duì)其進(jìn)行緩沖、放大、隔離、濾波，以及線性化等處理，以獲得模數(shù)轉(zhuǎn)換所需的歸一化信號(hào)。將經(jīng)過調(diào)理的信號(hào)通過微控制器（如單片機(jī)）進(jìn)行取樣保持和模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后通過CAN收發(fā)器發(fā)送到數(shù)據(jù)總線上。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還包括驅(qū)動(dòng)軟件，驅(qū)動(dòng)軟件直接對(duì)硬件的寄存器進(jìn)行操作，并管理中斷、存儲(chǔ)器等微機(jī)資源。

1.2 檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

檢測系統(tǒng)的形式采用集散型數(shù)據(jù)處理模式，指一路或幾路信號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊，每個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊都包括AD轉(zhuǎn)換和單片機(jī)系統(tǒng)，完成對(duì)一路或幾路信號(hào)的采集和處理。模塊間通過總線相連。

從圖2中可以看出，每一個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊只負(fù)責(zé)一路信號(hào)，數(shù)據(jù)模塊之間通過總線進(jìn)行通訊。由于一個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊只負(fù)責(zé)一路信號(hào)，所以數(shù)據(jù)采集的速度可以很高。由于現(xiàn)在主流的AD芯片的轉(zhuǎn)換時(shí)間大多為幾，所以采用這種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，速度可以達(dá)到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集要求。同時(shí)這種方式體現(xiàn)了模塊化的設(shè)計(jì)思想，可以將幾個(gè)相同類型的信號(hào)共用一個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊，對(duì)于不同類型的信號(hào)只需要更改前置電路就可以了。這樣設(shè)計(jì)便于系統(tǒng)擴(kuò)展，當(dāng)有新的信號(hào)需要采集時(shí)只需要添加一個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊并連接到總線上就可以了。考慮到汽車上信號(hào)接線和汽車部件關(guān)系比較密切，所以本方案采用集散型數(shù)據(jù)采集處理模塊來完成對(duì)汽車上的信號(hào)的采樣。

1.3 總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)核心器件為嵌入式微處理器，它控制CAN收發(fā)器，將各子系統(tǒng)傳輸至CAN總線的信息數(shù)據(jù)按一定優(yōu)先級(jí)通過無線模塊，WIFI模塊或串口模塊與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

設(shè)計(jì)中采用ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103VET6為核心控制器，其中內(nèi)嵌了CAN控制器，節(jié)約了空間資源。CAN收發(fā)器采用PHILIPS公司生產(chǎn)的高速CAN收發(fā)器TJA1050，可以為總線提供不同的發(fā)送性能，為CAN控制器提供不同的接收性能。總體框圖如圖2所示。

STM32是意法半導(dǎo)體推出的基于Cortex-M3內(nèi)核的32位ARM，目前有5個(gè)系列，其中STM32 F103VET6屬于STM32F103系列的高容量芯片，QFP100封裝，64K片內(nèi)SRAM，512K片內(nèi)FLASH，具有SDIO 4位接口（SD卡的專用接口，速度更高，該接口也可用于和SDIO接口類型的wifi模塊連接）。選用此芯片作為核心MCU，主要由于其容量大，性價(jià)比高且具有SPI方式的NRF24L01無線收發(fā)器2.4G無線模塊接口。

2 硬件接口

2.1 CAN驅(qū)動(dòng)模塊

ISO 11898是一個(gè)使用CAN總線協(xié)議的汽車內(nèi)高速通訊國際標(biāo)準(zhǔn)。TJA1050符合ISO 11989標(biāo)準(zhǔn)，它可以和其他遵從ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)器產(chǎn)品協(xié)同操作，此外TJA1050還具有良好的電磁兼容性，連接節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110個(gè)。如圖3所示，微處理器內(nèi)部協(xié)議控制器通過一條串行數(shù)據(jù)輸出線（CAN-TX）和一條串行數(shù)據(jù)輸入線（CAN-RX）連接到TJA1050收發(fā)器。而收發(fā)器則通過它的兩個(gè)有差動(dòng)接收和發(fā)送能力的總線終端CANH和CANL連接到CAN總線線路。典型的CAN總線采用一對(duì)雙絞線?？紤]到ISO 11898中定義的線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，總線兩端都端接一個(gè)120Ω的額定電阻。這就要求總線額定負(fù)載是60Ω。終端電阻和電纜阻抗的緊密匹配確保了數(shù)據(jù)信號(hào)不會(huì)在總線的兩端反射。

2.2 WIFI模塊

88W8686是一款最新高整合WLAN Soc。它面向移動(dòng)電話、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、移動(dòng)媒體播放器、PDA、游戲機(jī)等移動(dòng)設(shè)備。它具有封裝尺寸小，低功耗的特點(diǎn)，且提供SDIO和SPI主機(jī)接口適用于各種不同的處理器。

88W8686SoC具有非常高的集成水平，芯片集成了一個(gè)可在2.4 GHz和5 GHz運(yùn)行的雙頻射頻無線收發(fā)器、一個(gè)物理層、一個(gè)媒介接入控制器和一個(gè)ARM處理器。

STM32可通過SDIO接口與88W8686連接。88W8686支持SDIO設(shè)備接口，允許使用SDIO總線協(xié)議訪問WLAN設(shè)備。SDIO接口包含于外部SDIO總線和內(nèi)部共享總線間的接口電路。88W8686充當(dāng)SDIO總線上的設(shè)備。Host單元可以直接訪問SDIO接口的寄存器，也可以通過使用BAR和DMA引擎訪問設(shè)備的共享存儲(chǔ)空間。

2.3 基于NRF24L01的無線通信模塊

NRF24L01是NORDIC公司生產(chǎn)的一款新型單片射頻收發(fā)器件，采用FSK調(diào)制，內(nèi)部集成NORDIC自己的Enhanced Short Burst協(xié)議?？梢詫?shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或一點(diǎn)對(duì)六點(diǎn)的無線通信。無線通信速度可以達(dá)到2M（bps）。器件工作于全球開放的2.4～2.5 GHz ISM頻段。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。NRF24L01的SPI接口可以利用STM32的硬件SPI接口直接連接。

綜上所述，本文完成了基于CAN總線監(jiān)聽系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，敘述了集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各部分組成，以及芯片的選擇及其優(yōu)勢分析，給出了wifi模塊以及無線模塊與核心芯片STM32 F103VET6的連接設(shè)計(jì)，以及各模塊的詳細(xì)介紹和功能實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 烏寬明.CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1996：127-156.

[2] 楊軍，馮振聲，黃考利.裝備智能故障診斷技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004.

[3] 饒運(yùn)濤，鄒繼軍，鄭勇蕓.現(xiàn)場總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[4] 藺金元，秦亞超.基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].寧夏工程技術(shù)，2002，1（2）：176-178.

[5] 許海燕.基于CAN總線的作戰(zhàn)車輛綜合電子信息系統(tǒng)的研究[D].南京：河海大學(xué)，2004.

[6] 魏雅.基于CAN總線的機(jī)車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究[D].西安：西安工程大學(xué)，2007.endprint

摘 要：本設(shè)計(jì)結(jié)合汽車電子實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)CAN（Controller Area Network）總線監(jiān)聽?wèi)?yīng)用。構(gòu)建了一個(gè)以CAN總線為平臺(tái)的數(shù)據(jù)采集及監(jiān)聽系統(tǒng)。以車內(nèi)各個(gè)子系統(tǒng)作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，以CAN總線為紐帶，將信息傳輸給嵌入式處理系統(tǒng)，同時(shí)將各子系統(tǒng)的運(yùn)行情況通過多種方式傳輸給上位機(jī)，以做進(jìn)一步分析研究。

關(guān)鍵詞：CAN總線 STM32 監(jiān)聽

中圖分類號(hào)：TN919 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）06（b）-0001-02

場總線是最近二十幾年發(fā)展起來的新技術(shù)，CAN總線是應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。由于CAN具有獨(dú)特的多主工作方式、非破壞仲裁機(jī)制以及高通信速率等特點(diǎn)，使其與一般的通信總線相比，具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。上述優(yōu)點(diǎn)使CAN總線逐漸代替了汽車內(nèi)部各個(gè)電子控制單元（ECU）數(shù)據(jù)通信使用的其他總線。

作為汽車電子實(shí)訓(xùn)設(shè)備，學(xué)習(xí)人員不僅要了解關(guān)鍵部件的狀態(tài)數(shù)據(jù)，還需要對(duì)各部件工作狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，必要時(shí)需將各子系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸至PC機(jī)中進(jìn)行進(jìn)一步存儲(chǔ)及分析。本設(shè)計(jì)采用CAN總線來實(shí)現(xiàn)模擬車內(nèi)各個(gè)子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，嵌入式微處理器單元通過無線、WIFI，多種方式實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的數(shù)據(jù)交換，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各子系統(tǒng)的監(jiān)聽功能。方案以內(nèi)嵌CAN控制器STM32F103VET6作為微處理器，完成上述功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一個(gè)完整的采集系統(tǒng)由傳感器，CAN收發(fā)器，CAN總線，接口，微處理器等幾大部分組成，如圖1所示。

圖1中的被檢測量是由汽車某一控制單元發(fā)出的，這些控制單元包括燈光控制單元、電動(dòng)座椅單元、門鎖防盜單元等。傳感器按一定規(guī)律將被檢測量轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠測量的電信號(hào)。通過傳感器得到的信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路對(duì)其進(jìn)行緩沖、放大、隔離、濾波，以及線性化等處理，以獲得模數(shù)轉(zhuǎn)換所需的歸一化信號(hào)。將經(jīng)過調(diào)理的信號(hào)通過微控制器（如單片機(jī)）進(jìn)行取樣保持和模數(shù)轉(zhuǎn)換，然后通過CAN收發(fā)器發(fā)送到數(shù)據(jù)總線上。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)還包括驅(qū)動(dòng)軟件，驅(qū)動(dòng)軟件直接對(duì)硬件的寄存器進(jìn)行操作，并管理中斷、存儲(chǔ)器等微機(jī)資源。

1.2 檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

檢測系統(tǒng)的形式采用集散型數(shù)據(jù)處理模式，指一路或幾路信號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊，每個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊都包括AD轉(zhuǎn)換和單片機(jī)系統(tǒng)，完成對(duì)一路或幾路信號(hào)的采集和處理。模塊間通過總線相連。

從圖2中可以看出，每一個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊只負(fù)責(zé)一路信號(hào)，數(shù)據(jù)模塊之間通過總線進(jìn)行通訊。由于一個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊只負(fù)責(zé)一路信號(hào)，所以數(shù)據(jù)采集的速度可以很高。由于現(xiàn)在主流的AD芯片的轉(zhuǎn)換時(shí)間大多為幾，所以采用這種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，速度可以達(dá)到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集要求。同時(shí)這種方式體現(xiàn)了模塊化的設(shè)計(jì)思想，可以將幾個(gè)相同類型的信號(hào)共用一個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊，對(duì)于不同類型的信號(hào)只需要更改前置電路就可以了。這樣設(shè)計(jì)便于系統(tǒng)擴(kuò)展，當(dāng)有新的信號(hào)需要采集時(shí)只需要添加一個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊并連接到總線上就可以了?？紤]到汽車上信號(hào)接線和汽車部件關(guān)系比較密切，所以本方案采用集散型數(shù)據(jù)采集處理模塊來完成對(duì)汽車上的信號(hào)的采樣。

1.3 總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)核心器件為嵌入式微處理器，它控制CAN收發(fā)器，將各子系統(tǒng)傳輸至CAN總線的信息數(shù)據(jù)按一定優(yōu)先級(jí)通過無線模塊，WIFI模塊或串口模塊與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

設(shè)計(jì)中采用ARM Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103VET6為核心控制器，其中內(nèi)嵌了CAN控制器，節(jié)約了空間資源。CAN收發(fā)器采用PHILIPS公司生產(chǎn)的高速CAN收發(fā)器TJA1050，可以為總線提供不同的發(fā)送性能，為CAN控制器提供不同的接收性能。總體框圖如圖2所示。

STM32是意法半導(dǎo)體推出的基于Cortex-M3內(nèi)核的32位ARM，目前有5個(gè)系列，其中STM32 F103VET6屬于STM32F103系列的高容量芯片，QFP100封裝，64K片內(nèi)SRAM，512K片內(nèi)FLASH，具有SDIO 4位接口（SD卡的專用接口，速度更高，該接口也可用于和SDIO接口類型的wifi模塊連接）。選用此芯片作為核心MCU，主要由于其容量大，性價(jià)比高且具有SPI方式的NRF24L01無線收發(fā)器2.4G無線模塊接口。

2 硬件接口

2.1 CAN驅(qū)動(dòng)模塊

ISO 11898是一個(gè)使用CAN總線協(xié)議的汽車內(nèi)高速通訊國際標(biāo)準(zhǔn)。TJA1050符合ISO 11989標(biāo)準(zhǔn)，它可以和其他遵從ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)器產(chǎn)品協(xié)同操作，此外TJA1050還具有良好的電磁兼容性，連接節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110個(gè)。如圖3所示，微處理器內(nèi)部協(xié)議控制器通過一條串行數(shù)據(jù)輸出線（CAN-TX）和一條串行數(shù)據(jù)輸入線（CAN-RX）連接到TJA1050收發(fā)器。而收發(fā)器則通過它的兩個(gè)有差動(dòng)接收和發(fā)送能力的總線終端CANH和CANL連接到CAN總線線路。典型的CAN總線采用一對(duì)雙絞線?？紤]到ISO 11898中定義的線性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，總線兩端都端接一個(gè)120Ω的額定電阻。這就要求總線額定負(fù)載是60Ω。終端電阻和電纜阻抗的緊密匹配確保了數(shù)據(jù)信號(hào)不會(huì)在總線的兩端反射。

2.2 WIFI模塊

88W8686是一款最新高整合WLAN Soc。它面向移動(dòng)電話、數(shù)字?jǐn)z像機(jī)、移動(dòng)媒體播放器、PDA、游戲機(jī)等移動(dòng)設(shè)備。它具有封裝尺寸小，低功耗的特點(diǎn)，且提供SDIO和SPI主機(jī)接口適用于各種不同的處理器。

88W8686SoC具有非常高的集成水平，芯片集成了一個(gè)可在2.4 GHz和5 GHz運(yùn)行的雙頻射頻無線收發(fā)器、一個(gè)物理層、一個(gè)媒介接入控制器和一個(gè)ARM處理器。

STM32可通過SDIO接口與88W8686連接。88W8686支持SDIO設(shè)備接口，允許使用SDIO總線協(xié)議訪問WLAN設(shè)備。SDIO接口包含于外部SDIO總線和內(nèi)部共享總線間的接口電路。88W8686充當(dāng)SDIO總線上的設(shè)備。Host單元可以直接訪問SDIO接口的寄存器，也可以通過使用BAR和DMA引擎訪問設(shè)備的共享存儲(chǔ)空間。

2.3 基于NRF24L01的無線通信模塊

NRF24L01是NORDIC公司生產(chǎn)的一款新型單片射頻收發(fā)器件，采用FSK調(diào)制，內(nèi)部集成NORDIC自己的Enhanced Short Burst協(xié)議?？梢詫?shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或一點(diǎn)對(duì)六點(diǎn)的無線通信。無線通信速度可以達(dá)到2M（bps）。器件工作于全球開放的2.4～2.5 GHz ISM頻段。內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器等功能模塊，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置。NRF24L01的SPI接口可以利用STM32的硬件SPI接口直接連接。

綜上所述，本文完成了基于CAN總線監(jiān)聽系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，敘述了集散型數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的各部分組成，以及芯片的選擇及其優(yōu)勢分析，給出了wifi模塊以及無線模塊與核心芯片STM32 F103VET6的連接設(shè)計(jì)，以及各模塊的詳細(xì)介紹和功能實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 烏寬明.CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1996：127-156.

[2] 楊軍，馮振聲，黃考利.裝備智能故障診斷技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2004.

[3] 饒運(yùn)濤，鄒繼軍，鄭勇蕓.現(xiàn)場總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2003.

[4] 藺金元，秦亞超.基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].寧夏工程技術(shù)，2002，1（2）：176-178.

[5] 許海燕.基于CAN總線的作戰(zhàn)車輛綜合電子信息系統(tǒng)的研究[D].南京：河海大學(xué)，2004.

[6] 魏雅.基于CAN總線的機(jī)車數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研究[D].西安：西安工程大學(xué)，2007.endprint