基于CAN总线的汽车多功能监测仪

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摘 要：设计了一个基于can总线的汽车多功能监测系统，该系统为运行中的汽车提供了一个数据采集和显示的平台。系统主要由传感器、CAN总线以及芯片MC9S12XS128组成，CAN总线将传感器采集的信息传递给芯片MC9S12XS128，同时又将芯片MC9S12XS128的处理结果传送给显示器。驾驶员可以通过该系统看到汽车在行驶过程中的一系列数据，实验表明，基于CAN总线的汽车多功能检测仪性能卓越、可靠性高。

关键词关键词：CAN总线；汽车测速；传感器；数据采集

中图分类号：TP319 文献标识码：A 文章编号文章编号：16727800（2013）008008103

作者简介作者简介：张尊扬（1989-），男，北方民族大学电气信息工程学院学生，研究方向为电气工程及其自动化。

0 引言

本系统通过多种传感器采集汽车在行驶中的各种数据，经过数据处理芯片MC9S12XS128处理后通过显示器显示给驾驶员。系统中的数据通过CAN总线进行传输，这样就可以免除数据传输线冗长，既有节省车内空间又保证了数据的可靠性。

1 CAN总线简介

在当前的汽车行业中，由于安全、舒适、方便、低公害、低成本的要求，出现了各种各样的电子控制系统，由于这些系统对通信所用的数据类型以及可靠性的要求有所不同，使得汽车中的电子控制系统由多条总线构成，为解决这一难题德国Bosch公司开发出的面向汽车的CAN 通信协议，这样不但可以减少线束的数量，而且可以通过多个LAN，进行大量数据的高速通信。CAN 通过ISO11898 及ISO11519 进行了标准化，现在已经发展成为欧洲汽车网络的标准协议。按照现场总线透明设计和柔性设计的要求来说，CAN总线分为了3个层次：CAN对象层、CAN传输层、CAN物理层[3]。

2 测速原理

汽车测速的原理是公式v =r[]t。假定轮圈的周长为L，在轮圈上安装m个永久磁铁，则测得的里程值最大误

差为L/m。经综合分析，本设计中取m=1。当轮子每转一圈，通过开关型霍尔元件传感器采集到一个脉冲信号，并输入给处理器，传感器每获取一个脉冲信号即对系统提供一次计数中断。每次中断代表车轮转动一圈，中断数n与轮圈的周长L的乘积为里程值。计数器T1计算每转一圈所用的时间t，就可以计算出即时速度v。

3 硬件设计

3.1 硬件设计总体方案

硬件总体设计如图1所示，数据采集模块主要由传感器构成，采集汽车的各种数据，并将采集到的模拟量转化成可以处理的数字信号，输入到CAN总线的收发芯片mcp2515。

图1 硬件框图

采集的数据通过CAN_RX/CAN_TX传递给芯片MC9S12XS128，芯片MC9S12XS128进行计算和处理，引脚接线如图2所示。

图2 CAN连接线线路

3.2 传感器简介

（1）霍尔器件计速。霍尔器件是一种磁传感器，用它们可以检测磁场及其变化，霍尔器件以霍尔效应为工作基础，霍尔器件具有结构牢固、体积小、重量轻、寿命长、安装方便、功耗小、频率高等优点。

（2）温湿度传感器。DHT21数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度符合传感器，应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容式感湿原件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相联，因此该传感器具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比较高等优点。

（3）温湿度传感器接入电路图。温湿度传感器DHT21的供电电压为5V。传感器上电后要等待1s以越过不稳定状态，在此期间无需发送任何指令。电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100nf的电容，用以去耦滤波。其连接电路如图3所示，实物如图4所示。

（4）红外测距传感器。

项目采用SHARP公司生产的GP2Y0A21YK0F型红外测距传感器，该传感器体积小、功耗低。该传感器采用三角测量原理，原理如图5所示。红外发射按照一定的角度发射红外光束，当遇到物体后，光束会反射回来，回波被CCD检测设备检测到后，会获得一个偏移值L，已知发射角度a、偏移距L、中心距X，以及滤镜的焦距f以后，传感器到物体的距离D就可以计算了。

由分析可知，当D的距离足够近的时候，L值就会相当大，当超过CCD范围时，虽然物体很近，但是传感器反而看不到，当物体距离D很大时，L值就会很小。这时CCD检测器能否分辨得出这个很小的L值就成为关键，CCD分辨率决定能不能获得足够精确的L值。

图5 测量原理

3.3 CAN总线传输部分简介

Micoship公司生产的MCP2515是一款独立控制局域网络（Controller Area Network，CAN）协议控制器。可以简化需要与CAN总线连接的应用，其结构如图7所示。由图示可知，MCP2515主要由3部分组成：①CAN模块，包括CAN协议引擎、验收滤波寄存器、验收屏蔽寄存器、发送和接收缓冲器；②用于配置该器件及其运行的控制逻辑和寄存器；③SPI协议模块[1]。

（1）CAN模块。CAN模块的功能是处理所有CAN总线上的报文接收和发送。报文发送时，首先将报文装载到正确的报文缓冲器和控制寄存器中。通过SPI接口设置控制寄存器中的相应位或使用发送使能引脚均可启动发送操作。

（2）控制逻辑。控制逻辑模块的功能主要通过与其它模块链接，控制逻辑模块控制MCP2515的设置和运行，以便传输信息与控制，所提供的中断引脚提高了系统的灵活性。器件上有一个多用途中断引脚及各接收缓冲器的专用中断引脚，用于指示有效报文是否被接收并载入接收缓冲器[4]。

4 显示部分设计

本系统为了方便汽车驾驶员随时观察输出的数据，输出显示部分采用比较先进的7寸TFT彩屏设计。TFT即薄膜晶体管LCD，是有源矩阵类型液晶显示器的一种，和TN技术不同，TFT的显示采用“背光式”——假象的光源路径不是像NT液晶那样从上至下，而是从下向上，这样的做法是在液晶背部设置特殊光管，光源照射时通过下偏光板向上透出[5]。彩屏输出内容直接来自处理器ROM，不需要接外部的SD卡，这样软件设计起来比较容易，数据输出方便准确[6]。

CAN总线技术，在硬件方面有很多先进的地方，但是，CAN总线技术是否能够展现出它的先进之处，关键还是看软件的设计是否合理，算法是否最优，只有解决了软件的问题，才能使CAN总线技术发挥出最大的优势，才能在汽车工业中，发挥出更好的效果[7] 。

5 软件总体设计

图8为软件总体设计的流程。系统开始运行后，首先进行初始化，初始化后传感器进行信号采集，并将采集的信号传送到处理器，处理后将信息传递给显示器[9]。系统

设有自动纠错功能，若处理后的信息不正确，则自动返回[10]。

图6 软件设计流程

6 结语

CAN总线为多主工作方式，数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性；错误节点具有自动关闭输出功能，不会影响整个系统的正常运行等诸多优点。虽然在国内CAN总线起步较晚，但是CAN总线的优点已经被广泛

认识，逐渐被应用到了更多领域。本文初步讨论了CAN总线在汽车工业中的一个小小的应用，采用更强大的硬件作为支撑，更优化的算法解决采集来的信号的整理和计算，CAN总线一定会在更广阔的舞台上发挥巨大的作用。

参考文献参考文献：

[1] 曹博.基于ARM的变电站嵌入式通信控制系统的研究[D].太原：太原理工大学，2008.

[2] 余涛.基于CAN总线的指令电话的设计与实现[D].重庆：重庆大学，2009.

[3] 胡佳文.船舶机舱检测报警系统设计[D].杭州：浙江工业大学，2011.

[4] 杨亚联.基于GPRS的混合动力汽车参数远程监控系统的开发[D].重庆：重庆大学，2010.

[5] 尹杰.基于FPGA的CAN总线与以太网的网关设计与实现[D].武汉：武汉理工大学，2012.

[6] 赵培伟.星内光无线CAN总线的研究[D].大连：大连理工大学，2012.

[7] 李可.一种可连接以太网的有线和无线混合的CAN总线网络的设计[D].长春：吉林大学，2012.

[8] 韩修刚.基于CAN总线和IPV6的高可信汽车控制系统的设计与实现[D].长春：吉林大学，2012.