（通信与信息系统专业论文）便携式车辆can分析仪设计.pdf

摘要 随着汽车工业的发展，c a n 总线技术在车载网络中得到越来越广泛的应用， 它已经成为车辆局域阚的豳际标准。s a ej 1 9 3 9 游议豳前汽车电子网络中应用最 广泛的应用层协议之一，它是基于c a n 协议的一种高层协议。国外的汽车e c u 产品大都带有j 1 9 3 9 通信接口，国内汽车电子厂齑也在积极开发符合j 1 9 3 9 协议 标准的e c u 产品。在开发、调试以及维护j 1 9 3 9 网络产品时对整车网络和e c u 部件进行协议分析、故障诊断和总线监测更显得尤为重要。因此需要一种基予 s a ej 1 9 3 9 协议的c a n 分析仪来实现这些功能，完成对车辆c a n 总线网络上 的数据含义、错误状态、网络负载和高层协议等进行分析和处理。 本文首先对囡内外c a n 总线分析纹的研究现状做了分析，然后阐述了本文 的主要工作和结构，结合国内外同类产品的设计思想、设计特点及技术经验， 对便携式c a n 分析仪的研究与设计进行了讨论。主要从以下凡个方震进行了论 述：首先，硬件设计以$ 3 c 2 4 1 0 核心板为基础，进行了l c d 、触摸屏、c a n 通 信等模块的电路设计，使系统能满足便携、稳定的需求；系统软件设计方面移 植u c o s i i 多任务实时揉作系统，比传统的前后台系统反应迅速，多任务的调 度可以实现更复杂的系统；移植了专为嵌入式应用软件设计的通用图形软件库 u c g u i ，它简洁离效，并且提供了丰富的图形开发接口，使褥开发复杂、功能 强大图形界面变得更为方便；并且进行了l c d 驱动、c a n 驱动以及触摸屏驱动 的开发，为上层c a n 分析功能软件的开发提供基础和软件接曰；进行了基于s a e j 1 9 3 9 协议的车辆c a n 网络分析，本设计目前主要完成了车辆发动机各个模块 的分孝厅，并用u c g u i 设计了支持触摸屏操作的界面来显示用户所查询模块的分 析数据和分析结果；最后，对便携式车辆c a n 分析仪进行了总结，指出该设计 的优缺点，并对来来所需要做的工作提出展望。 本设计支持s a ej 1 9 3 9 高层协议，使得c a n 分析仪分析结果更加有针对性： 对车辆c a n 网络数据的分析处理、结果显示均在嵌入式系统完成，通过数据和 图表形式展现给焉户，壹囊明了；两且系统支持触摸羼操作，使用方便。 关键词：u c o s 一，u c g u i ，c a n ，触摸孱，s a ej 1 9 3 9 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ea u t o m o b i l ei n d u s t r y ，c a nb u st e c h n o l o g yi nt h e a u t o m o t i v en e t w o r kh a sb e e nw i d e l yu s e d i n c r e a s i n g l ya n di t h a sb e c o m et h e i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r do fv e h i c l el o c a la r e an e t w o r k s a ej19 3 9p r o t o c o li so n eo f m o s tw i d e l yu s e da p p l i c a t i o nl a y e rp r o t o c o li na u t o m o t i v ee l e c t r o n i cn e t w o r k 越 p r e s e n ta n di t sa l s oah i g h e rl a y e rp r o t o c o lb a s e do nc a n b u s a tp r e s e n t ，m o s to f f o r e i g nv e h i c l ee c up r o d u c t sh a v ej 19 3 9c o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c ea n de l e c t r o n i c s m a n u f a c t u r e r sa r ea c t i v e l yd e v e l o p i n ge c u p r o d u c t sw i t hj19 3 9p r o t o c o li nd o m e s t i c m a r k e t i nt h ed e v e l o p m e n to ft h ec a nb u sa n dv e h i c l e sf a u l td i a g n o s i s , t h e d e v e l o p e r sn e e dac a nb u sa n a l y z e rt ot h i sp o w e r f u lt o o lf o rc a nn e t w o r k m o n i t o r i n g ，m a i n t e n a n c ea n da n a l y s i s t h i sp a p e rf i r s t l yi n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n ts t a t u so fc a nb u sa n a l y z e ra t h o m ea n da b r o a d ，t h e nd e s c r i b e dt h em a i nw o r ka n ds t r u c t u r eo ft h i s p a p e r t h i s s y s t e m r e s e a r c h e da n da n a l y s i s e dt h ep o r t a b l ec a nb u sa n a l y z e rc o m b i n i n gw i t h t h ed e s i g ni d e a 、d e s i g nf e a t u r e sa n dd e s i g ne x p e r i e n c eo fs i m i l a rp r o d u c t s t h i sp a p e r m a i n l yf o c u s e s e do nt h ef o l l o wa s p e c t sa sb e l o w ：f i r s t ，t h eh a r d w a r ep l a t f o r mw a s b a s e do na r m 9 $ 3 c 2 410a n d s u p p o r t e d t h e l c d ，t o u c hs c r e e n ，c a n c o m m u n i c a t i o n sm o d u l e t h es y s t e mc a na f f o r dt h ep o r t a b l e ，s t a b l ed e m a n d t r a n s p l a n t e du c o s i i r e a l - t i m e m u l t i - t a s k i n go p e r a t i n gs y s t e ma st h es y s t e m s o f t w a r e i th a sh i g h e l r e a l - t i m ec h a r a c t e rt h a nt h et r a n d i t i o n a lf o r e g r o u n d b a c k g r o u n d s y s t e ma n dm u l t i t a s ks c h e d u l i n ga b i l i t yc a np r o v i d et h er e q u i r e m e n to fc o m p l e x s y s t e mi nh i g hs t a n d a r d ；t h e nt r a n s p l a n t e de m b e d d e dg r a p h i cu s e r si n t e r f a c e - u c g u i i t se f f e c t i v e ，r e l i a b l ea n de x p a n d a b l ea n dp r o v i d eaw e a l t ho fg r a p h i c a ld e v e l o p m e n t i n t e r f a c e 。b a s e do nt h ef e a t u r e so fu c g u i ，d e v e l o p e r sc a l ld e v e l o pc o m p l e x ， p o w e r f u lg r a p h i c a li n t e r f a c em o r ec o n v e n i e n t d e v e l o p e dt h el c dd r i v e r , c a nb u s d r i v e ra n dt o u c hs c r e e nd r i v e r , a n dp r o v i d et h ep h y s i c a ll a y e ri n t e r f a c ef u n c t i o nf o r t h ed e v e l o p m e n to fa p p l i c a t i o ns o f t w a r e a n a l y s i s e dv e h i c l e sc a nn e t w o r kb a s e do n t h es a ej19 3 9p r o t o c o l ，a n dd e s i g n e dt h ei n t e r f a c ef o ru s e rt oq u e r yt h er e q u i r e d a n a l y s i so fd a t aa n da n a l y s i sr e s u l t sw i t ht h eo p e r a t i o no ft o u c hs c r e e n a tl a s t ，i t s u m m a r i z e dt h ed e v e l o p m e n tp r o c e s so fc a nb u sa n a l y z e ra n di n d i c a t e dt h e l l a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h es y s t e m ，t h e ne x p e c t e dt h ew o r kt od oi nt h e p r o s p e c t s t h i sd e s i g ns u p p o r t e dt h eh e i g h e rp r o t o c o ls a ej19 3 9 ，a n dm a d et h ea n a l y s i s r e s u l t sh a v em o r ep e r t i n e n c e t h ea n a l y s i sa n dt r e a t m e n tt ov e h i c l en e t w o r kd a t ah a v e b e e nc o m p l e t e di nt h ee m b e d d e ds y s t e m t h er e s u l tw a ss i m p l ea n dc l e a r b e i n g d i s p l a y e dt o u s e ra sd a t aa n dg r a p h s t h es y s t e ma l s o s u p p o r t e dt o u c hs c r e e n o p e r a t i o na n dw a se a s yt ou s e k e yw o r d s ：u c o s i i ，u c g u i ，c a n ，t o u c hs c r e e n ，s a ej19 3 9 i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：彳鹤己幽期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保 留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：j 障导师签名：三生兰至兰l 日期：删 武汉理j ：人学硕十学位论文 第1 章绪论 本章首先分析了便携式c a n 分析仪的研究背景及意义，然后说明了国内外 的研究水平和发展趋势，并指出了本设计的研究内容和创新点。 1 1 研究背景及意义 随着电子技术的迅速发展和在汽车上的广泛应用，汽车电子化程度越来越 高，汽车上的电控装置也越来越多，例如电子燃油喷射装置、防抱死制动装置 ( a b s ) 、驱动防滑系统( a s r ) 、电控自动变速器、安全气囊、主动悬架、电动 门窗等。集成电路和单片机在汽车上的广泛使用，大大增加了汽车上的电子控 制器的数量，使得线路越来越复杂。许多中高档轿车上采用了十几个甚至二十 几个电控单元，而每一个电控单元都需要与相关的多个传感器和执行器发生通 讯，并且各控制单元间也需要进行信息交换，如果每项信息都通过各自独立的 数据线进行传输，这样会导致电控单元针脚数增加，整个电控系统的线束和插 接件也会增加，故障率也会增加等诸多问题【l 】。为了简化线路，提高各电控单元 之间的通信速度，降低故障频率，采用车载网络来实现车载电子设备之问的通 信，同时提高控制单元间通讯可靠性和降低导线成本的网络总线技术应用成为 成为汽车电子领域的最大热点。包括c a n 、l i n 、f l e x r e y 、m o s t 、i d b l 3 9 4 等已成为现代汽车网络总线的关键技术。 c a n 总线( c o n t r o l l e r a r e an e t w o r k ) t 2 j 即控制器局域网络，最初应用于汽车工 业，并逐步成为车载网络中比较流行的高速网络协议标准。它一开始是德国的 b o s c h 公司为汽车检测、控制系统而设计的。c a n 是一种很高保密性，有效支 持分布式控制或实时控制的串行通信网络。c a n 的应用范围遍及从高速网络到 低成本底多线路网络。在自动化电子领域、发动机控制部件、传感器、抗滑系 统等应用中，c a n 的位速率可高达1 m b p s 。同时，它可以廉价地用于交通运载 工具电气系统中，如灯光聚束、电气窗口等，可以替代所需要的硬件连接。它 采用线性总线结构，每个子系统对总线有相同的权利，即为多主工作方式。c a n 网络上任意一个节点可在任何时候向网络上的其他节点发送信息而不分主从。 武汉理+ i ：人学硕十学位论文 网络卜的节点可分为不通优先级，满足不同的实时要求。采用非破坏性总线裁 决技术，当两个节点( a o 子系统) 同时向网络上传递信息时，优先级低的停止数据 发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传送数据。具有点对点、一点对多 点及全局广播接收传送数据的功能。 月前全球各大汽车制造商在上世纪9 0 年代后期研发的汽车( 乘用车和商用 车) 都采用了c a n 总线或者车中的部分零部件具有c a n 总线通信功能。迄今 为止，世界上已经拥有2 0 多家c a n 总线控制器芯片生产商，1 1 0 多种c a n 总 线协议控制器芯片和集成c a n 总线协议控制器的微处理器芯片。在北美和西欧， c a n 总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总 线，并且拥有以c a n 为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的j 1 9 3 9 协 议。近年来，其所具有的高可靠性和良好的错误检测能力受到重视，被广泛应 用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。 以c a n 总线为代表的车用总线技术已成为全球各大汽车制造商实施平台战略和 模块化战略的重要措施之一。此时，总线对于全球汽车工业的意义已远远超过 节省线束和连接插件，总线已成为现代汽车传输整车控制信息的神经网络。与 一般的通信总线相比，c a n 总线的数据通信具有突出的可靠性、灵活性、实时 性和低成本。它的应用不仅减少了汽车内线束的数量和控制器接口的引脚数， 更为重要的是由此而引出了汽车电子器件的网络化趋势。而且其协议也逐渐成 为嵌入式工业控制局域网的标准总线协议。 在汽车行业c a n 总线以其优异的性能成为汽车局域网的发展趋势。但是根 据i s o 定义o s i 模型，c a n 协议定义了物理层和数据链路层规范，为不同的汽车 厂商制定符合自身需要的应用层协议提供了很大的便利。如果需要建立更加完 善的系统，还需要在c a n 的基础上选择合适的应用层协议。1 9 9 1 年9 月形成c a n 总线技术规范2 0 版本，该版本包括2 0 a 和2 0 b 两部分。以后，s a e 的货车、 客车控制和通信网络小组委员会投票通过了将c a n 作为c 类数据交换网应用于 客车、货车、农业及建筑车辆，并形成s a ej 1 9 3 9 标准协议。s a ej 1 9 3 9 协议是 目前汽车电子网络中应用最广泛的应用层协议之一。国外的汽车e c u 产品大都 带有j 1 9 3 9 通信接口，国内汽车电子厂商也在积极开发符合j 1 9 3 9 协议标准的 e c u 产品。在开发、调试以及维护j 1 9 3 9 网络产品时，对整车网络和e c u 部件进 行协议分析、故障诊断和总线监测更显得尤为重要。因此需要一种基于s a e j 1 9 3 9 协议的c a n 分析仪来实现这些功能，完成对车辆c a n 总线网络上的数据 2 武汉理一r 大学硕士学位论文 含义、错误状态、网络负载和高层协议等进行分析和处理。 1 2 国内外研究水平和发展趋势 介于以c a n 总线为代表的车用总线技术在现代汽车工业的重要性，目前不 仅全球各大汽车制造商建立了相应的总线研发部门，并制定了相应的总线企业 标准。如通用汽车公司以c a n 总线为基础制定了该公司的c a n 总线标准 g m l a n ，而且在新车设计之初总线研发部门就开始介入。一些技术先进的国家 还成立了汽车总线标准化组织并推出总线标准。如美国汽车工程师学会( s a e ) 基于c a n 总线制定了商用车总线标准j 1 9 3 9 。部分国家相关政府部门和高校也 在开展总线基础性研究。如美国联邦机动车安全管理局、德国应用科技大学的 c & s 实验室等。另有一些专业公司也在专注于总线工具的研发，如全球著名汽 车总线工具提供商德国v e c t o r 公司。此外，还有一些与总线相关的零部件商 正根据主机厂的标准和规范研发具有总线通信功能的零部件。 随着c a n 总线越来越广的应用，目前市场上的各种类型的c a n 分析仪 也随之产生、发展。国内比较著名的有周立功单片机公司的c a n a l y s t i i 双路 c a n 分析仪，它支持w i n 9 8 m e 2 列x p 等3 2 位操作系统，集成有2 路符合 i s 0 1 1 8 9 8 标准的独立c a n b u s 通道，可以处理c a n 2 0 a 或c a n 2 0 b 格式的 c a n 报文信息，并提供强大的分析功能。分析仪提供有多个客户应用程序： 在线显示、跟踪报文( r e c e i v e c l i e n t ) 发送循环发送报文( t r a n s m i t c l i e n t ) 在线显示统计数字( s t a t i s t i c c l i e n t ) ；上海电科公司的基于p c c 2 0 0 0 c a n 卡的 报文分析仪，能够对c a n 报文进行监视，对d e v i c c n e t 组二报文进行解析并 显示，可以设置c a n 的参数，对报文进行分组及分m a c i d 显示及记录，并 通过单次发送或连续发送c a n 报文，进行网络测试。以及国外l e c r o y 公司 推出的v b a ( v e h i e l eb u sa n a l y z e r ) ，它是业界首个能将c a n 串行数据解码为 符号文本的示波器产品，利用它可以看到c a n 协议栈的信息、符号十六进制 和电信号，也能查看到叠加到线路中影响c a n 总线的电气信号( 如传感器输 入、电压及瞬态信号等) 。用户还能够使用标准和专门的示波器工具来验证并 调试其设计，所有这些仅需要很短的时间。 目前国内普通的c a n 分析仪设计上采用m c u 加c a n 控制芯片，比较 常见的为5 1 系列单片机加s j a l o o oc a n 控制器组成一个c a n 节点实现c a n 3 武汉理【：人学硕士学位论文 数据收发。此类设计实现简单，技术也比较成熟，但由于m c u 接口及处理能 力及c a n 控制器接口效率的限制，往往需要p c 通过上位机软件进行数据处 理和显示，而且很多c a n 分析仪仅对底层c a n 数据进行采集和显示，未实 现高层c a n 协议的分析功能，在有些工业现场有较大的局限性。而国外高端 的c a n 分析仪功能强大，但是价格昂贵，加大了开发成本。因此需要一种成 本适当、方便携带、性能可靠、可以脱离上位机软件的嵌入式平台来完成数 据采集、显示及分析等功能。 1 3 研究内容和创新点 本课题的研究目的是设计一种便携式车辆c a n 分析仪，主要研究内容如下： 1 ) 系统硬件设计。以$ 3 c 2 4 1 0 核心板为基础，扩展外围接口电路，包括l c d 接口、触摸屏接口、s p ic a n 控制器接口等电路设计，为系统提供硬件基础； 2 ) 嵌入式实时操作系统u c o s i i 和嵌入式g u iu c g u i 的移植。使u c o s i i 和u c g u i 在目标板上顺利运行，为后续开发提供系统基础； 3 ) s p i 接口c a n 控制器驱动和触摸屏驱动的开发。主要完成c a n 通信接 口和触摸屏接口软件设计，为上层软件提供数据操作的接口： 4 ) 基于s a ej 1 9 3 9 协议对车辆c a n 网络数据分析，并将分析结果在u c g u i 设计的显示界面上显示。 论文主要创新点如下： 1 ) 系统支持s a ej 1 9 3 9 高层协议，使得c a n 分析仪分析结果更加有针对 性； 2 ) 对车辆c a n 网络数据的分析处理、结果显示均在嵌入式系统上完成， 通过数据和图表形式展现给用户，直观明了；而且系统支持触摸屏操作，使用 方便。 1 4 论文结构 本论文章节分为6 章，每个章节的内容介绍如下： 第l 章绪论部分对国内外c a n 技术研究水平和发展趋势进行了概述，对 研究c a n 分析仪的意义进行了阐述，最后揭示了课题意义和研究内容。 4 武汉理：人学硕十学位论文 第2 章系统概述，包括c a n 总线特点及技术规范i3 1 ，系统硬件构成以及软 件构成等。 第3 章介绍以$ 3 c 2 4 1 0a r m 9 处理器核心板为基础的硬件平台的系统接口 电路设计，包括l c d 模块、触摸屏模块以及c a n 通信模块接口电路等。 第4 章详细阐述了系统底层软件的设计，包括操作系统与g u i 的移植、c a n 控制器驱动、触摸屏驱动等，为实现c a n 总线分析功能提供底层接口。 第5 章详细说明了基于s a ej 1 9 3 9 协议的c a n 总线分析功能的实现。 第6 章对便携式c a n 分析仪进行了总结，指出该设计的优缺点，并对未 来所需要做的工作提出展望。 5 武汉理t 火学硕十学位论文 第2 章c a n 分析仪系统概述 作为便携式车辆c a n 分析仪，系统设计要满足车辆c a n 总线分析的需求 的同时，在体积方面也要突出轻便、易携带，而嵌入式系统硬件与软件的可裁 剪性正好能满足这些需求。本章主要对本嵌入式系统的各个模块进行概述。 2 1 系统总体结构 系统由以下几个模块构成：c p u 核心板模块、l c d 模块、触摸屏模块和c a n 通信模块，系统框图如下图2 1 。 图2 1 系统结构框图 系统涉及到的技术包括硬件设计、软件设计、总线技术等诸多方面。硬件 方面为系统各个模块接口电路设计，包括l c d 接口、s p ic a n 控制器接口、触 摸屏接口等；软件方面包括操作系统移植、g l 移植、以及c a n 控制器、触摸 屏、l c d 驱动以及上层软件设计等；总线技术主要为c a n 总线通信、s a ej 1 9 3 9 协议分析等。 6 武汉理1 二大学硕七学位论文 2 2 系统硬件组成 系统硬件包括a r m 处理器，c a n 控制器与收发器，l c d ，触摸屏等器件， 各部分概述如下。 2 2 1a r m 处理器 目自订在嵌入式c p u 领域采用a r m 技术知识产权( i p ) 核的微处理器已遍 及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市 场，基于a r m 技术的微处理器应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的 市场份额，a r m 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面【引。 本系统所需外设接口较多，分别为l c d 控制器接口，c a n 控制器接口及触 摸屏接口等，而且对系统实时性和处理能力有较高的要求。而基于a r m 核的微 处理器以其丰富的外设，强大的处理能力和方便的人机交互开发恰好能满足这 一要求。从嵌入式发展趋势出发要方便高效完成系统功能，并为系统升级预留 一定的空间决定采用a r m 9 微处理器$ 3 c 2 4 1 0 。 $ 3 c 2 4 1 0 处理器有如下特性1 6 】。 1 ) a r m 9 2 0 t 内核； 2 ) 5 级整数流水线； 3 ) 3 路u a r t ： 4 ) 最多支持5 5 个中断源( 包括定时器、外部中断、d m a 、a d c 、u 触汀、 n c 、s p i 、u s b 等) ； 5 ) 8 路1 0 位a d c ； 6 ) l c d 控制器( 支持单色、4 级与1 6 级灰度、2 5 6 色与4 0 9 6 色s t n 、1 6 b p p 和2 4 b p p 的1 i 可屏等) ： 7 ) i i c 串行接口： 8 ) s p i 串行接口； 9 ) 看门狗定时器； 1 0 ) 片内m m u 支持w i n c e 、l i n u x 、p a l mo s 等操作系统； 1 1 ) 核电压1 8 v ，i o 电压3 3 v ； 1 2 ) 支持片内p l l ，最大工作频率可达2 0 3 m ； 1 3 ) 多种工作模式，支持空闲和掉电，实现功耗最优化。 7 武汉理工人学硕士学位论文 2 2 2c a n 控制器与收发器 由于$ 3 c 2 4 1 0 芯片上未集成c a n 控制器，所以需要选择相应的c a n 控制 器。目前市场上主流的c a n 控制器为s j a l 0 0 0 、m c p 2 5 1 5 等。s j a l 0 0 0 由于地 址、数据总线的分时复用常导致接口效率低下；接收、发送缓冲区的数量太小 导致数据吞吐量不高：帧屏蔽和过滤器设置不灵活，不能满足同时需要更多屏 蔽和过滤的要求等。为了尽可能降低硬件电路的复杂性，保证c a n 通信的稳定、 灵活和效率，采用带s p i 接口的独立c a n 控制器m c p 2 5 1 5 。由于$ 3 c 2 4 1 0 芯 片内部集成s p i 接口，使得它与处理器连接方便，其通信速率也完全能满足c a n 通信的要求。c a n 收发器采用m i c r o c h i p 公司开发的与m c p 2 5 1 5 配套的器件 m c p 2 5 5 1 ，它是一个可容错的高速c a n 器件，它完全符合i s o 11 8 9 8 标准，包 括能满足2 4 v 电压要求，工作速率高达1m b s t7 1 。 图2 4 简要显示了m c p 2 5 1 5 的结构框图。该器件主要由三个部分组成： 1 ) c a n 模块，包括c a n 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； 3 ) s p i 协议模块。 c 删幔埂 广一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一1 ：ll 图2 4m c p 2 5 1 5 结构框图 8 i n t r x o b f r x l b f t x c r t s 薇丽再 t x 2 r t s i r e s e l 蚋烈 习 武汉理丁人学硕士学位论文 2 2 3l c d l c d 是一种数字显示技术，可以通过液晶和彩色过滤器过滤光源，在平面 面板上产生图象。与传统的阴极射线管( c r t ) 相比，l c d 占用空间小，低功 耗，低辐射，无闪烁，降低视觉疲劳。目前l c d 液晶显示技术大多以s t n 和 t f t 技术为主，s t n 屏结构简单、价格低廉、功耗低，但是对比度和亮度差， 可视角度小，最多只支持4 k 色，而t f t 屏反应速度快，可视角度大，色彩丰 富，分辨率高，对比亮度高，但是价格相比偏高。 本设计采用三菱公司a a 0 8 4 v c 0 3 型号的8 4 寸t f t l c d 模块，分辨率为 6 4 0 * 4 8 0 ，包括驱动芯片，外围电路与背光单元。它的像素操作时序【l o 】为图2 5 ， 水平操作时序为图2 - 6 ，垂直操作时序图2 7 ： d c l k d a t a ( r ，g b ) 。 d e n a ，h d ，v d 图2 5a a 0 8 4 v c 0 3 像素操作时序 图2 - 6 水平操作时序 9 武汉理r 人学硕 学 _ 7 ：论文 d a 丁a ( r g 1 3 ) h d 2 2 4 触摸屏 图2 7 垂直操作时序 随着多媒体信息查询的与同俱增，人们越来越多地接触、使用触摸屏。它 作为一种新的电脑输入设备，是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。 用户只要用手指轻轻触碰计算机显示屏上的图符或者文字就能实现对主机的操 作，使得人际交互更为直截了当。触摸屏有电阻式触摸屏、电容式触摸屏、表 面声波式触摸屏、红外线触摸屏等多种。 电阻式触摸屏是目前应用比较广泛的一种，它的屏体部分是一块与显示器 表面相匹配的多层复合膜，由一层玻璃或者有机玻璃作为基层，表面涂有一层 透明的导电层，上面再涂有一层外表面硬化处理、光滑防滑的塑料层，它的内 表面也涂有一层透明的导电层，在两层之间有许多细小的透明隔离点把它们隔 开绝缘。当手指触摸屏幕时，平常相互绝缘的两层导电层就在触电位置有了一 个小接触，因为其中一面导电层接通y 轴方向的5 v 均匀电压场，使得侦测层的 电压由零变为非零，这种接通状态被控制器侦测到后进行a d 转换，并将得到 的电压值与5 v 相比即可得到触摸点的y 轴坐标，同理得出x 轴的坐标。 电阻式触摸屏有四线、五线、七线等几种。本设计选用台湾t o u c h k i t 公司 的l 2 9 9 2 7 6 1 四线电阻式触摸屏，它的特点是： 1 ) 电路接口简单，便于连接； 2 ) 高解析度，高速传输反应； 3 ) 表面硬度处理，减少擦伤、刮伤并进行了防化学处理和光面及雾面处理， l o 武汉理r 大学硕十学何论文 透光性高： 4 ) 一次校正，稳定性高，不容易产生漂移。 2 3 系统软件组成 2 3 ，l 嵌入式操作系统 嵌入式操作系统是用来支持嵌入式应用的系统软件，是嵌入式系统极为重 要的组成部分，通常包括系统内核、设备驱动接口、与硬件相关的底层驱动程 序、通信协议、图形用户界面( g u i ) 等l7 1 。嵌入式操作系统具有通用操作系统 的基本特点，如能够有效管理复杂的系统资源，能够对硬件进行抽象，能够提 供库函数、驱动程序、开发工具集等。但与通用操作系统相比较，嵌入式操作 系统在系统实时性、硬件依赖性、软件固化性以及应用专用性等方面，具有更 加鲜明的特点。 嵌入式实时操作系统在目前的嵌入式应用中用得越来越广泛，尤其在功能 复杂、系统庞大的应用中显得愈来愈重要。嵌入式操作系统常见的有w i n d r i v e r 公司的v x w o r k s 、i s i 的p s o s 、q n x 系统软件公司的q n x 、a t i 的n u c l e u s 以 及嵌入式l i n u x 和u c o s i i 等。由于u c o s i i 系统内核精简、实时性好且便于 移植，本系统设计选用其作为操作系统。它是m i c r i u m 公司专为微控制器系统 和软件开发而设计的抢占式的实时多任务嵌入式操作系统，经过十几年的发展， 已经在众多领域的应用中取得了成功。u c o s i i 的主要特点有【9 】： 1 ) 可移植性 它能广泛应用于各类8 位、1 6 位、3 2 位微控制器或d s p 中。 2 ) 可裁减性 用户可通过预编译语句对i n c l u d e s h 中包含内容进行裁减。不需要的功 能可以裁减掉，降低u c o s i i 内核所需要的存储空间。 3 ) 多任务性 u c o s i i 最多可以管理6 4 个任务，其中5 6 个任务可以分配给用户使用。对 每个任务都必须赋予不同优先级。c p u 的使用权始终交给最高优先级任务。 4 ) 可确定性 绝大多数u c o s i i 的函数调用和服务的执行时间具有可以确定性。 武汉理下大学硕十学位论文 5 ) 系统服务 u c o s i i 提供了很多系统服务，如：信号量、互斥信号量、事件标志、消息邮 箱、消息队列、时间管理函数、内存管理等。 2 3 2 嵌入式图形用户界面g u i 图形用户界面是指计算机与其使用者之间的对话接口，是计算机系统的重 要组成部分，它基于操作系统之上，为用户提供丰富的图形编程接口，使其能 够方便快速地编制界面友好的应用程序。一个优秀的操作系统应该提供良好的 图形用户界面( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ，g u i ) ，否则将给用户的操作带来烦琐、 不直观等问题，也将使程序开发人员很难在此操作系统上快速、有效地设计出 界面友好的应用程序，所以图形用户界面影响着一个操作系统的发展。当前， 以信息家电为中心的嵌入式系统蓬勃发展，它广泛地应用于办公自动化、消费 电子、通信设备、智能仪器和军事电子设备等各个领域。随着信息家电、手持 设备、无线设备等迅速发展，相应的硬件和软件也得到迅速发展，许多设备都 配有i n t e l 、m p s 、m o t o r o l a 等公司生产的3 2 位微处理器，甚至还使用了液晶显 示器，手持式设备的硬件条件的提高，嵌入式系统对良好g u i 系统的需求会越 来越迫切。与一般系统上的图形用户界面相比较，嵌入式系统下的图形用户界 面要求有轻型、占用资源少、高性能、高可靠性、可配置等特点【2 6 1 。 目前主流的嵌入式g u i 主要有m i n i g u i 、q t e m b e d d e d 、u c g u i 等。本设 计采用u c g u i 作为嵌入式图形开发库。它是m i c r i u m 公司开发的通用的嵌入式 用户图形界面软件。它给任何使用图形l c d 的应用程序提供独立于处理器和 l c d 控制器之外的有效的图形用户接口。可以应用于单一任务环境，也可以应 用于多任务环境中。u c g u i 能够应用于任何l c d 控制器和c p u 的任何尺寸的 物理显示或者模拟显示中。它整体设计是模块化的，由在不同的模块中的不同 的层组成，其中一个层称作l c d 驱动层，包含了对l c d 的全部访问。它全部 由c 语言开发而成，移植性强，适用于所有的c p u 。 u c g u i 适合大多数的使用黑色白色和彩色l c d 的应用程序】。它提供一 个强大的颜色管理器，允许它处理灰阶色彩；而且提供一个可扩展的2 d 图形库 和一个视窗管理器，使得它能以较小的r a m 空间支持显示窗口，其特点如下： 1 ) 适用于任何8 位1 6 位3 2 位c p u ，可允许于支持a n s ic 的任何编译器； 2 ) 适用于任何控制器驱动任何l c d ( 单色，灰度，或者彩色) ； 1 2 武汉理：大学硕十学位论文 3 ) 通过配置宏，可支持任何接口； 4 ) 可配置显示尺寸； 5 ) 可在l c d 的任何一点上显示字符和画位图； 6 ) 对于较慢的l c d 控制器，l c d 能够被存储到内存当中，减少访问的次 数使其最小，从而得到非常高的速度； 7 ) 对于显示尺寸和速度提供优化进程，编译时间依赖于采用的优化进程； 8 ) 支持虚拟显示，虚拟显示能够给你实际的显示表现更大尺寸的内容。 2 4c a n 总线特点及报文格式 2 4 1c a n 总线特点 c a n 总线与一般的通讯总线相比，采用了许多新技术及独特的设计，它的 数据通讯具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点可概括如下【1 3 】： 1 ) c a n 总线是具有国际标准( i s o 一1 1 8 9 8 ) 的现场总线，应用范围广： 2 ) c a n 总线接口芯片支持8 位、1 6 位c p u ，可做成i s a 与p c i 总线的插 卡任意插在p c 、x t 、a t 兼容机上，也可置于温度、压力、流量等物理变送器 中，构成智能化仪表； 3 ) c a n 总线可以在多主机方式下工作，网络上任意一个节点均可以在任意 时刻，主动地向网上其它节点发送信息，最先访问总线的单元可获得总线控制 权，而不分主从，通讯方式灵活： 4 ) 良好的实时性。c a n 控制器工作于多主方式，网络中的各节点都可根 据总线访问优先权( 取决于报文标识符) 采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争 向总线发送数据，且c a n 协议废除了站地址编码，而代之以对通信数据进行编 码，这可使不同的节点同时接收到相同的数据，这些特点使得c a n 总线构成的 网络各节点之间的数据通信实时性强，并且容易构成冗余结构，提高系统的可 靠性和灵活性； 5 ) c a n 总线采用非破坏性总线仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送信 息时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继 续传输数据，有效避免了总线冲突。这样就大大降低了在网络负载很重的情况 下系统出现瘫痪的可能性； 1 3 武汉理i ：人学硕士学位论文 6 ) c a n 可以点对点、一点对多点、及全局广播几种方式传送和接收数据， 只需设置相应验收滤波器即可，无需专门的调度； 7 ) c a n 总线采用短报文结构，每一帧的有效字节数为8 个。传输时间短， 受干扰的概率低，重新发送时i 日j 短： 8 ) 良好的传输防错能力。c a n 采用短帧结构，数据最多8 个字节，数据 传输时间短，受干扰几率低，且每帧信息都具有c r c 校验及其他检错措施： 9 ) c a n 总线节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它 与总线的联系，以使总线上其他操作不受影响。 2 4 2c a n 标准帧与扩展帧区别 在c a n 2 o b 中存在两种不同的帧格式，其主要区别在于标识符的长度，具 有l l 位标识符的帧称为标准帧，而包括2 9 位标识符的帧称为扩展帧。标准格 式和扩展格式的数据帧结构如下图2 2 和2 3 所示【8 l 。 图2 2 标准帧数据格式 主匝三三碌 画三三匝丑二 图2 3 扩展帧数据格式 1 4 武汉理i i 人学硕十学位论文 第3 章c a n 分析仪硬件设计 本系统借鉴目前国内外类似产品的设计思想、设计特点及技术经验，根据 实际的设计需求，把嵌入式操作系统与嵌入式g u i 相结合，突出便携式特点。 因此系统硬件设计要求轻便、可靠，同时能满足处理能力的要求。系统硬件组 成框图如图3 1 所示。 3 1c p u 核心板 图3 1系统硬件组成框图 n l $ 3 c 2 4 1 0 芯片引脚众多，p c b 核心板需要至少6 层板，对布板及制作工艺 要求较高。因此考虑到开发时间及成本的关系，核心板直接购买，然后只开发 底板，灵活扩展所需的外围接口。 核心板采用广州友善之臂公司的$ 3 c 2 4 1 0 核心板，它充分考虑接口的扩展 问题，在8 0 m m x 8 0 m m 的p c b 上，集成了电源、c p u 、s d r a m 、n o r f l a s h 、 n a n d f l a s h 、1 0 m 网口、复位电路、j t a g 调试接口、实时时钟等。通过四条双 排6 8 针的连接器，引出了外部扩展需要用到的全部数据、地址总线、各外设接 口、i o 信号等。这个高度集成化的模块非常便于扩展外围电路，能加快开发进 度。图3 2 为其外观图： 1 3 武汉理l 。人学硕十学竹论空 图3 - 2 $ 3 c 2 4 1 0 核心板外观图 需要特别说明的是核心板的电源模块，其输入电压为5 v ，经过滤波和稳压 电路处理后又提供18 v 和33 v 电压，均