（计算机应用技术专业论文）基于can总线的汽车安全检测系统研究与开发.pdf

r e s e a r c ha n d i m p l e m e n t a t i o no nv e h i c l es a f e t y i n s p e c t i o ns y s t e mb a s e d o nc a nb u s at h e s i ss u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：l e iy u h o n g s u p e r v i s o r ：p r o f z h a ox i a n g m o c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：需蚴z 咖年月z - e l 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：、豸亨疡 导师签名乙勿碜穆 z 加年多月l 日 2 咖年舌只f 乙e t 摘要 传统的基于分布式以太网结构的汽车检测控制系统存在结构复杂、投资成本高、不 易大规模推广等不足，采用以太网通信容易受病毒侵扰，其实时性和可靠性也难以得到 保证。针对以上问题，论文研究开发了一种基于c a n 总线的汽车安全性能检测控制系统。 该系统采用c a n 总线代替传统的以太网，采用嵌入式a r m 代替传统的工控机，并将 主控机、报检机、数据库服务器合而为一，简化了分布式汽车检测控制系统的结构，降 低了系统成本。系统采用l m 3 s 8 9 6 2a r m 芯片设计了一种通用式的嵌入式工位机，该工 7 位机可以在汽车检测控制系统的任意工位使用并具有全部检测功能，为系统的安装和维 护带来了便利。系统采用c h 3 6 5 芯片设计了基于p c i 总线的c a n 通信卡，实现了上位机 与c a n 总线的通信。系统设计了一种可以区分节点和通信内容多重优先级的报文格式， 满足了系统c a n 总线实时通信的要求。最后，论文在开发的硬件平台上完成了上位机软 件设计，实现了车辆报检、车辆调度及数据库管理等功能。 经过实验室测试和现场应用表明，论文研究开发的系统具有结构简单、成本低、可 扩展性好、易于维护等优点，可满足实际工程应用需求。 关键词：汽车检测线、测控系统、c a n 总线、数据采集与处理 a b s t r a c t t h et r a d i t i o n a le t h e r n e t - b a s e dd i s t r i b u t e dv e h i c l e i n s p e c t i o ns y s t e m h a ss o m e d i s a d v a n t a g e s ，s u c ha sc o m p l i c a t e ds t r u c t u r e ，h i g hc o s t ，d i f f i c u l t yo fl a r g e s c a l ep r o m o t i o n a n ds of o r t h u s i n ge t h e m e tc o m m u n i c a t i o n s ，i ti se a s yt ob ev u l n e r a b l et ov i r u s e s ，a n dt h e r e a l - t i m ep e r f o r m a n c ea n dr e l i a b i l i t ya r ed i f f i c u l tt ob eg u a r a n t e e d i no r d e rt os o l v et h i s p r o b l e m ，an e wv e h i c l ei n s p e c t i o ns y s t e mb a s e do nc a nb u si sd e v e l o p e d t h es y s t e mu s e sc a nb u si n s t e a do ft h et r a d i t i o n a le t h e m e t , e m b e d d e da r mi n s t e a do f t h et r a d i t i o n a li n d u s t r i a lc o n t r o lc o m p u t e r , a n dc o m b i n e st h em a i nc o n t r o lc o m p u t e r , a p p l i e d i n s p e c t i o nc o m p u t e r , d a t a b a s es e r v e r si n t oo n e ，s oi ts i m p l i f i e st h es t r u c t u r eo fd i s t r i b u t e d v e h i c l ei n s p e c t i o ns y s t e ma n dr e d u c e st h es y s t e mc o s tt oal a r g ee x t e n t u s i n gl m 3 s 8 9 6 2 a r m c h i p ，au n i v e r s a lt y p eo fe m b e d d e d - s t a t i o nm a c h i n ei sd e s i g n e df o rt h es y s t e m t h e m a c h i n ec a l lb eu s e da ta n ys t a t i o nw i t ha l lt h ed e t e c t i o nf u n c t i o n t h u si tp r o v i d e sg r e a t c o n v e n i e n c ef o rt h ei n s t a l l a t i o na n dm a i n t e n a n c ei nt h ef u t u r e c h 3 6 5i sa l s ou s e dt od e s i g n c a nc o m m u n i c a t i o nc a r db a s e do nt h ep c ib u s ，w h i c hs u p p o r t sc o m m u n i c a t i o no ft h em a i n c o n t r o lc o m p u t e ra n dc a nb u s am u l t i p r i o r i t yd a t ap a c k e tf o r m a tc a p a b l et o d i s t i n g u i s h d i f f e r e n tn o d e sa n dd a t ai s d e s i g n e dt om e e tt h en e e d so fc a n - b u s b a s e d r e a l - t i m e c o m m u n i c a t i o n f i n a l l y , t h ep cs o f t w a r ef o rv e h i c l ei n s p e c t i o nr e g i s t e r , v e h i c l es c h e d u l i n g a n dd a t a b a s em a n a g e m e n ti sd e v e l o p e do nt h ep l a t f o r mo ft h ed e v e l o p e ds y s t e mh a r d w a r e n u m e r o u st e s t si nt h el a b o r a t o r ya n da p p l i c a t i o n si nt h ef i e l ds h o wt h a tt h es y s t e mh a s m a n ya d v a n t a g e s ，s u c ha ss i m p l es t r u c t u r e ，l o wc o s t ，g o o de x t e n s i b i l i t y , e a s ym a i n t e n a n c ea n d s oo n , a n di tc a l lm e e tt h en e e d so f p r a c t i c a la p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：v e h i c l ei n s p e c t i o nl i n e ；i n s p e c t i o na n dc o n t r o ls y s t e m ；c a nb u s ；d a t a a c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n g 目录 第一章绪论l 1 1 论文的研究目的及意义l 1 2 论文的研究背景2 1 2 1 国内外汽车检测技术的发展状况3 1 2 2 汽车安全性能检测线控制方式演变4 1 2 3c a n 总线技术的发展现状及其应用6 1 3 本文的主要内容8 第二章系统总体结构设计与功能需求分析。9 2 1 系统总体结构9 2 2 系统总体功能分析1 0 2 2 1 上位机功能1 0 2 2 2 下位机功能1 1 2 3 系统通信方案选择1 4 2 3 1 现场通信方案的要求1 4 2 3 2 几种通信方案的对比1 4 2 4 系统工作流程设计。1 5 第三章嵌入式下位机硬件设计与实现1 6 3 1 检测系统硬件设备选型与开发1 6j 3 1 1 检测系统任务需求分析1 6 3 1 2 传感器选型1 7 3 1 2 主要检测设备选择1 8 3 2 工位机硬件电路总体设计1 9 3 3 工位机硬件电路详细设计2 0 3 3 1c p u 电路设计2 0 3 3 2c a n 通信接口电路设计2 2 3 3 3 模拟量通道电路设计2 5 3 3 4 数字量通道电路设计2 6 3 3 5 串行通信接口电路设计2 8 3 3 6 电源模块设计2 8 3 4 下位机嵌入式软件设计2 9 3 4 1 嵌入式软件的功能需求分析2 9 3 4 2 软件开发平台简介3 0 3 4 3 软件流程图3 0 第四章基于p c i 总线的c a n 通讯卡设计3 2 i i i 4 1 系统硬件总体设计3 2 4 1 1 系统硬件设计原则3 2 4 1 2 系统硬件设计框图3 3 4 2 系统硬件详细设计3 3 4 2 1p c i 接口电路设计3 3 4 2 2 译码电路设计3 7 4 2 3c a n 总线控制电路设计3 8 4 2 4c a n 总线驱动电路设计4 1 4 2 5d c d c 变换电路设计4 2 第五章系统c a n 通信可靠性与实时性保障措施4 4 5 1 系统c a n 通信的内容4 4 5 1 1 概述4 4 5 1 2 调度通信4 4 5 1 3 数据通信4 9 5 2 系统c a n 通信质量保障措施5 3 5 2 1c a n 总线本身具有优势5 3 5 2 2 应用层采取的保障措施5 7 第六章系统上位机软件设计与实现。6 1 6 1 上位机软件功能需求分析6 l 6 2 上位机软件功能模块设计6 1 6 2 1 车辆登记模块设计6 l 6 2 2 车辆报检模块设计6 3 6 2 3 主控调度模块6 4 6 2 4 数据库查询模块6 5 6 2 5 设备标定模块一6 6 6 2 6 国标参数模块6 6 6 2 7 检验报表生成模块一6 7 6 3 检测信息数据库设计7 l 6 3 1 数据库设计的基本概念7 l 6 3 2 检测线数据库的实体联系图7 2 6 3 3 数据库的建立7 3 结论与展望：7 4 论文的主要工作与结论7 4 不足与展望7 4 参考文献7 5 硕士期间科研情况7 8 致谢。7 9 i v 长安大学硕士学位论文 1 1 论文的研究目的及意义 第一章绪论 最近几年来，随着我国经济的飞速发展与人民生活水平的日益提高，我国汽车保有 量急剧增加。据统计，我国的汽车保有量逐年剧增，至2 0 0 9 年底，我国汽车保有量已 达7 6 1 9 3 1 万辆，比上年增长1 1 5 2 1 0 万辆，已成为世界第二大汽车保有量国，2 0 0 0 年 以来我国汽车保有量如下图所示。 汽车保有量的急剧增长为社会创造了巨大的经济效益和社会效益的同时，也带来了 严重的社会问题。据调查，我国平均每年死于交通事故的人数约为十万人，死亡率世界 第一，而大部分的事故原因都是车辆故障引起的【l 】。汽车在行驶过程中排放的尾气与发 出的噪声对环境的污染也日益严重。因此，对汽车进行定期的检测，根据检测结果对汽 车进行保养，以确保汽车具有良好的安全性能和环保性能已成为共识。 我国的汽车检测线按服务功能主要分为三类：安全检测站、维修检测站以及综合检 测站【2 1 。 安全检测站由车辆管理机关直接建立，或者车辆管理机关认可的汽车运输企业或汽 车维修企业等单位建立，属于国家执法机构，非营利性企业。定期检测车辆，检测合格 的车辆凭借检测结果报告单办理年审签证，以保证汽车安全行驶，并将污染降到允许的 限度。例如公安部门的汽车安全性能检测站和汽车生产厂家的汽车出厂性能检测站。 维修检测站主要从车辆维修的角度，进行车辆维修前、后的技术状况检测。主要检 测车辆的使用性能，并能进行车辆故障分析与诊断。一般由汽车运输企业或汽车维修企 第一章绪论 业建立。例如客运管理部门的门检系统和汽车维修部门的修后检测。 综合检测站不仅可以承担前两种检测站的任务，还能承担科研或教学方面的性能检 验和参数测试。例如交通运输部门的汽车综合性能检测站。 目前国内的汽车检测站大都采用基于以太网的控制结构，下位机一般由工业计算机 组成。以太网采用c s m a c d ( 载波监听多路访问及冲突检测技术) ，当网络负载较重时， 会造成效率的降低，应用于工业现场时以太网的实时性和可靠性不足，现场布线复杂。 工业p c 机成本较高，功耗大、占用空间大、后期维护成本高，且在检测线中未能完全 发挥计算机的功能。 由于国家已经出台法规，提出民营企业可以经政府批准并受政府委托自主建立汽车 检测站对汽车进行安全检测，未来国内汽车检测站将主要由民间自主建立组成，而民营 企业由于资金等各方面的原因，所以未来汽车检测站将更倾向于低成本高性价比的汽车 检测站。 因此本文研究了一种基于c a n 总线，以嵌入式计算机作为工位机的汽车安全性能 检测系统。该系统采用3 2 位高性能a r m 微处理器的嵌入式系统代替工业p c 机作为工 位机。由于以a r m 内核的嵌入式系统体积小、功耗低且程序固化在芯片上，所以可以 有效节约系统成本，减少整个检测线占用空间，增加汽车检测系统的稳定性和可靠性， 简化系统安装及调试。其次，在检测线中的通信以c a n 总线代替以太网。由于以太网 在环境恶劣的工业现场无法保证数据的有效性和实时性；而且，以太网节点的硬件成本、 软件开发费用较高。而利用c a n 总线构成通信网络，组网自由、扩展性强：c a n 总线 使用双绞线作为传输介质，成本低、布线简单：基于优先权的仲裁方式，由c a n 控制 器实现硬件纠错，具有自诊断和监控能力，可以有效提高数据传输的实时性和可靠性， 并且降低了系统开发及后期维护的成本。 1 2 论文的研究背景 汽车检测技术是从无到有逐步发展起来的，它伴随着汽车技术的发展而发展。早期 只能通过有经验的维修人员发现故障并作针对性的修理。随着科学技术的进步，汽车检 测技术也随之发展。目前人们可以依靠各种先进的仪器设备对机器进行不解体检测，并 且具有安全、迅速、可靠等特点。 2 长安大学硕士学位论文 1 2 1 国内外汽车检测技术的发展状况 由于各国国情不同，经济发展水平各异，汽车工业规模不同，所以各国的汽车管理 检测制度也不尽相同，大体形成了美国、欧洲、日本三种类型。经过几十年的发展和改 革，体系已相当完善，成为其他国家建立汽车检测制度的样板f 3 1 。 在美国，汽车安全的最高主管机关是隶属于运输部的国家公路交通安全署 ( n h t s a ) 。1 9 5 3 年，美国在世界上首先颁布了联邦车辆法，由此开始对车辆进行 有法可依的管理检测。美国对汽车检测实行的是自我认证、部门抽查的制度，即汽车制 造商按照法规的要求进行自我检查和验证。如果企业自己认为汽车符合法规要求，即可 投入生产和销售；而美国主管部门的任务就是对汽车进行抽查，n h t s a 可随时在制造 商不知情的情况下对市场中销售的车辆尽心抽查，也有权调取厂家的鉴定实验室数据。 如果发现有检测不合格的车辆进入市场，则要对汽车生产企业处以重罚，所以虽然企业 对车辆检测拥有自主性，但是严格的法律法规使得汽车制造商对汽车检测不敢掉以轻 心。 欧洲各国实行的虽然也是认证制度，但与美国有较大的区别就在于美国是由企业自 己进行认证，欧洲则是由独立的第三方认证机构进行认证。在德国，汽车检测工作属交 通部门管辖，在全国各地建有由交通部门认证的汽车检测场( 站) ，这些汽车检测站统 一归交通部门管理，属于完全经营性质的企业单位 4 1 。负责新车的登记和在用车的安全 检测，修理厂维修后的汽车也要经过检测场的检测，以确定其安全性能和排放是否符合 国家标准。交通部门委托一些具有资质的汽车检测机构对汽车检测站进行业务指导和管 理工作，交通部门与汽车检测机构是委托关系。 在日本，汽车的检测工作由运输省统一领导。运输省在全国设有“国家检测场 和 经过批准的“民间检测场”，代替政府执行汽车检测工作。其中“国家检测场 主要负 责新车登记和在用车安全检测；“民间检测场 通常设在汽车维修厂内，经政府批准并 受政府委托对汽车进行安全检测。目前全日本国立车检站有8 3 个( 共拥有1 0 t 、3 t 和柴 油车专用检测线2 5 0 条，全部为自动检测线) 。东京建有全日本汽车档案数据中心，实 现了车辆档案电子数据处理及联网，在任何国立车检站可检索和打印任意一辆登记注册 过的汽车资料。 我国的汽车安全性能检测系统起步较晚，从6 0 年代开始研究汽车检测技术。7 0 年 代开始大力发展汽车检测技术，在交通部的带领下研发了一批汽车检测设备。进入8 0 年代以来，在单台检测设备研制成功的基础上，交通部开始有计划的在全国筹建汽车检 第一章绪论 测站。8 0 年代初，交通部在大连市建立了国内第一个汽车检测站，以安全性检测为主。 进入9 0 年代，全国掀起了建设汽车综合性能检测站的高潮，到1 9 9 7 年，全国已建立汽 车综合性能检测站近千家，其中a 级站1 4 0 多家。以天津市为例，在2 0 0 0 年，天津市 已建成汽车检测线9 0 多条，其中有2 6 个综合性能汽车检测站，其中a 级站7 家。汽车 安全检测站5 0 个，每年检测车辆可达5 0 万辆。 为了配合汽车检测工作，国内已发布实施了有关汽车检测的国家标准、行业标准、 计量检定规程等1 0 0 多项。从汽车综合性能检测站建站到汽车检测的具体检测项目，都 基本做到了有法可依。与此同时，汽车的检测设备也得到了大力的发展。目前全国生产 汽车检测设备的厂家己达近百家，其中著名的一些汽车设备生产厂家有：成都成保、中 航电测、深圳元征、深圳大雷、安车科技、长安大学。 在未来，汽车检测必将向全自动、智能化方向发展。系统硬件方面将向模块化、标 准化、系列化方向发展，对硬件的可靠性、实时性以及易扩展性将有更高的要求。检测 系统的软件方面向集检测工艺、数据采集和打印、存储、显示等功能与一体的系统软件 方向发展，具有自动化管理、远程维护、基于w e b 的数据查询和上报等功能的新一代 综合性测控系统已成为新的发展方向。 1 2 2 汽车安全性能检测线控制方式演变 在目前国内正在使用的检测线中，按照系统的控制方式来分类，大致有以下几种【5 6 】： 1 集中式控制方式 这种控制方式仅由一台工业计算机和所需的采集设备构成。在该方式中以主控机作 为整个系统的核心，由主控计算机直接负责整个系统中的设备控制、检测结果评价以及 打印检测报告等功能。这种方式的优点是结构简单易行，成本低。这种控制方式的缺点 是由于所有处理过的数据都传送给主控机，所以主控机的任务繁忙，易受干扰。而且主 控机如果发生故障，则整个检测系统就会停止工作；由于工业现场的布局将会导致部分 信号传输距离较远，微弱信号的质量难以保证；主控机的软件编写复杂，调试、维护均 很困难。其结构如图2 1 所示。 4 长安大学硕士学位论文 传感器l 卜厂1 西h 信号调理卜一 a d- dl e d 显示屏| 转换 主 1r 器 i 传基黜卜_ ( 巫) 叫信号调理卜 控 机 圆- 匦囵 - 广j 翮 一i ：! ：i 图2 1 集中控制方式 2 接力式控制方式 这种控制方式其实相当于一种特殊的分布式控制方式。在该方式中每个工位均设置 一台工控机，对每个工位检测设备信号的采集、处理和显示都由该工位的工控机来完成， 每个工位将处理完的数据结果传送到下一工位机。最终所有数据结果传送到到最后一 级，由最后一级的主控机负责统计和打印检测记录表。这种方式的优点是结构简单易行， 抗干扰能力较好，造价低。缺点是功能受到限制，难以实现较高程度的自动控制，对复 杂检测对象的适应性比较差，且通信时间长，出现误码率的机率高，在整个检测系统的 检测过程中如果其中一个工位出现故障，则会导致数据无法传输而使整个检测系统瘫 痪。其结构如图2 2 所示。 到adi o - 每萋 工位机l 卜_ 叫兰 卡 |i ”副a i 喜 工位机2 卜_ 叫兰 咔o 卡ii ”副madio昔享 位机3 卜叫兰 |i ”副ai 茎 咔咔| l ” 尉一赫蒜 图2 2 接力式控制方式 3 分级分布式网络控制方式 该方案主要依托于工业以太网，采用星形网络拓扑结构。整个检测系统分为两级【7 1 ： 直接过程控制级和集中监控级。直接过程控制级各下位机以工业控制计算机为节点，负 责控制各工位的检测设备对待检车辆进行检测，对检测设备采集的检测数据进行处理， 并将检测数据传送往主控机。集中监控级主要由高性能的服务器组成，对各检测工位的 第一章绪论 下位机节点进行检测节拍及调度控制，将下位机传输来的数据进行统计、检测结果报表 的打印以及检测数据的管理与存储。上下两级的通信通过交换机采用了基于t c p i p 协 议来实现网络数据交换。虽然这种检测方式具有检测效率高、易扩展和易维护等诸多优 点，但是也存在一些不足，主要表现在：它只能完成基本的汽车性能检测任务，不能对 检测线的业务进行管理，也没有提供一个有效的对系统自身进行维护的子系统。其结构 如图2 3 所示。 图2 3 分布式网络测控系统体系结构 4 基于现场总线的网络结构 现场总线是2 0 世纪9 0 年代兴起的一种先进的工业控制技术，它将网络通讯与管理 的观念带入控制领域。最近有少数汽车检测系统集成商开始将该技术用于汽车检测线， 中国也出现了少数基于c a n 、p r o f b u s 现场总线的检测站，该技术是将检测线中传统 的4 - - 2 0 m a 模拟信号转为双向数字通信现场总线信号。其优点是测量精度高，可靠性 强，布线简单。已经成为一种高性价比的方案选择。 1 2 3c a n 总线技术的发展现状及其应用 在工业控制系统的发展过程中，现场总线的发展大致可以划分为五个阶段【8 1 ： 1 初级控制系统 由于当时生产规模小，检测控制仪表也处于起步阶段，当时的仪表只是具备简单的 6 长安大学硕士学位论文 测控功能，而且其信号只能在仪表内部起作用，不能进行仪表间的传送。操作人员需要 在工业现场四处巡视，了解生产现场的工作过程。 2 模拟仪表控制系统 在生产规模扩大后，操作人员需要同时了解工业现场各处的运行参数与信息，并综 合多点的信息发出操作控制命令，于是出现了集中控制室。生产现场各处的仪表通过统 一的模拟信号送往集中控制室。此时操作人员可以在集中控制室综合掌握工业现场各处 的运行状况，并可以将各处的单元仪表按需要组合成复杂控制系统。 3 集中式数字控制系统 而上一代的模拟仪表控制系统所传输的模拟信号需要一对一的物理连接，信号传输 的精度与速度都较为缓慢，而且抗干扰能力也较差。所以开始寻求用数字信号取代模拟 信号的方法，由于当时计算机技术不发达，并且计算机本身价格昂贵，所以初始的系统 采用一台计算机代替控制室的所有仪表盘。但是当时的计算机可靠性较差，采用集中式 的控制系统危险性较高，一旦计算机出现故障，就会导致整个控制现场的瘫痪。所以这 种系统很难为工业现场所接受。 4 集散控制系统( d c s ) 随着计算机技术的发展，计算机的可靠性提高，价格下降，出现了由可编程控制器 和多个计算机构成的集中、分散相结合的集散式控制系统。在该系统中，测量仪表一般 为模拟仪表，因此该系统是模拟数字混合系统。但是由于早期计算机技术发展的影响， 各厂家的设备自成系统。不同厂家的设备难以互联在一起，组成更大的网络系统。 5 现场总线控制系统( f c s ) 该系统以现场总线为基础，形成了全数字化网络集成的、全分布式的控制系统成为 现场总线控制系统。在该系统中，只要遵守同一协议规范的自动化设备均可以通过现场 总线连接成系统，把控制功能下放到现场，依靠现场设备可基本实现控制功能。 c a n 总线是德国b o s c h 公司为了解决汽车中各控制器之间的通信而开发的一种串 行数据通信协议。所以从它的诞生就奠定了它不是类似于以太网的信息管理类的网络， 而是专门应用于工业自动化领域的总线型通信网络。 1 9 8 9 年，i n t e l 公司率先开发出了c a n 总线协议控制器芯片。到目前为止，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 7 第一章绪论 专为大型货车和重工机械车辆设计的j 1 9 3 9 协议。c a n 总线以其高性能，高可靠性及独 特的设计，受到工业控制领域和汽车电子领域的广泛重视，被公认为最有前途的现场总 线之一。我国的汽车c a n 总线技术起步较晚，但随着现代汽车电子的不断进步发展， 其研究和应用正在如火如荼的进行中。 1 3 本文的主要内容 本文的研究工作为以下几个部分： 一、总结了国内外汽车检测技术的发展历程及其现状，阐述了研究汽车检测技术的 目的和意义以及汽车检测技术未来发展方向。 二、在分析了现有的汽车安全检测系统的控制方式所存在优缺点的基础上，提出了 基于c a n 总线的汽车安全性能检测系统的设计方案，并且详细论述了该检测系统的结 构、工作原理和基本功能。 三、在分析了c a n 总线的性能特点及基本原理的基础上，定义了本系统的基于c a n 总线的应用层协议，并对检测系统的车辆调度机制以及通信的实时性和可靠性进行了分 析。 四、在分析了检测系统下位机任务需求的基础上，提出所需传感器以及主要检测设 备的选型方案，并且设计开发了工位机硬件电路各模块。 五、设计开发了基于p c i 总线的c a n 通信卡的各模块，有效地控制了系统的成本， 提高了系统的性价比。 六、以v i s u a lb a s i c6 0 及m i c r o s o f ts q l 2 0 0 0 为程序开发平台，开发出汽车安全性 能检测系统上位机的系统程序。 8 长安大学硕士学位论文 第二章系统总体结构设计与功能需求分析 2 1 系统总体结构 传统的汽车安全性能检测线均采用以太网进行通信，这种系统虽然具有很多优势， 但是其控制设备多、结构复杂、投资规模较大，不利于系统的广泛普及【9 1 。因此，在综 合分析了汽车检测各种控制方案优缺点的基础上，本文对基于以太网的汽车安全性能检 测系统进行了简化，提出了一种基于c a n 总线的汽车安全性能检测系统方案。该方案 采用如图2 1 所示的结构模型。 图2 1 系统整体结构示意图 系统采用嵌入式处理器代替传统的工业计算机作为工位处理器，使得整个检测线结 构紧凑、占地面积小，减少了电缆和连接器的数量，降低了成本，性价比较高；使用 c a n 总线代替传统的以太网连接，使整个系统布线简单，数据传输衰减性小，抗干扰 能力强，提高了数据传输的可靠性和实时性。系统将报检、主控以及服务器合而为一， 采用一台高性能工业计算机代替，同时实现报检、主控和数据库管理。 由于c a n 总线的特性，系统的可扩展性很强，各工位的检测与控制功能可随时根 据实际情况进行调整和增减。如果要增加工位，只需要将设计好的工位嵌入处理器的 c a n 总线接口挂接在c a n 总线上，同时修改相应的软件即可完成。为日后系统的维护 和扩展提供了便利。 9 检测 滑性 显示 并将 度以 示以 2 2 2 2 1 将会 息。 当待检车辆的车牌号码输入后，系统会自动查询数据库中的信息，如果该车辆曾经 检测过，则自动调出该车辆的信息记录，并且可以对该车辆调出的信息记录进行修改。 如果该车辆没有检测过，就需要输入车辆的基本信息：例如车牌号码、车主信息、检测 编号、厂牌编号等。这些信息将存在数据库中，在该车下次检测时可自动调出。 2 车辆调度功能 本系统所有工位的任务均由主控服务器统一管理和调度。主控服务器监控和管理着 所有在线工位的检验任务、各工位工作模式、各工位工作状态、检验过程及检验结果等， 主控服务器采用主动式数据牵引算法调度各个工位进行检验，并以各工位的l e d 屏幕 与引车员进行人机交互。 3 检测数据管理 所有车辆档案信息、检验过程数据、结果数据和评价结论均存储在主控机中。 本系统将检测中的信息流划分为3 种类型，分别是数据流、控制流和消息流。主控 子系统在调度过程中需要稳定迅速地处理这些信息，本软件通过充分结合a d o 数据引 擎的稳定性和c a n 总线通信的实时性特点，使之得到保障，因此从技术上既保障了检 测线的稳定性、健壮性，又保证了检验的高效率。 1 0 长安大学硕士学位论文 主控服务器管理着所有的检验结果数据，提供了功能灵活的查询访问程序，用户通 过设置多种查询条件的范围或组合多种查询条件进行查询，则可得到相应的结果记录。 主控服务器管理着所有的检验报表，包括安全检验项目报告、例行检验项目报告、 各检验项目的单项检验报告以及检验结果分析报告。在查询与统计程序中，用户可预览 并打印所有检验报表。通过多条件组合式模糊查询得到结果后，灵活地选择菜单中的报 表项目进行预览或打印。 2 2 2 下位机功能 在检测过程中，检测设备均由各工位控制，并由各工位实时采集全部数据，检测完 成后将检测数据发往主控机，最后由主控机提供检车结果的报表打印。 本系统能对汽车的以下各项内容进行检测和统计。 1 排放性能检测 根据国家标准g b l 8 2 8 5 2 0 0 5 和g b 3 8 4 7 2 0 0 5 中规定的方法，分别对汽油车和柴油 车的排放性能进行检测。 对于汽油车的排放性能采用尾气分析仪进行检测。可以对汽油车的h c 、c o 、n o 、 n 0 2 、0 2 五种气体的浓度和发动机的怠速转速进行检测，完全满足g b l 8 2 8 5 2 0 0 5 中规 定的双怠速检测方法。 对于2 0 0 1 年1 0 月1 日前生产的在用柴油车，采用滤纸式烟度计进行检测。系统连 续三次对车辆加速时排放气体的烟度进行采样，并计算出平均值作为检验结果1 0 】。 对于2 0 0 1 年1 0 月1 日起生产的在用柴油车，系统通过不透光烟度计检测柴油车辆 排放气体的不透光系数。在进行连续4 次采样后，取其中3 次采样值计算平均值，形成 检验结果【1 。 2 灯光测定 通过控制汽车前照灯检测仪，对汽车进行前照灯远、近光的光束照射方位和发光强 度的检测评价，根据国家标准计算各检测项的合格性。该数据通过r s 2 3 2 串行通信采集， 同时进行前照灯相应数据的管理。 3 声级测定 通过声级计检测车辆喇叭声级，下位机通过串行通信采集声级计的数据，然后记录 声级数据并根据国家标准进行评价。第一工位检测框图如下图所示。 第二章系统总体结构设计与功能需求分析 图2 4 第一工位检测部分框图 4 外观检测内容 一 在汽车检测中，有些项目不适合自动检测，如车身漆面。这些项需要人工检测，但 是检测结果要反映在检测报表中，因此，检测线应具备方便的人工检测项( 这里称为外 检项，对应检测过程称为外检) 。检验项目包括外观检验项、底盘检验项、地沟检验项 等3 大类9 0 项1 2 , 1 3 1 。外观检验通过人工方式进行，并根据车辆的不合格项目数，按标 准进行判定并维护外观数据。 5 制动、轴重检测 在检测前通过l e d 屏幕提示驾驶员将待检车辆驶上检测台架，当车辆到位时光电 信号表示车辆已到位。通过台架的压力传感器测出左右两轮的轴重。轴重测 通过l e d 屏幕提示驾驶员轴重测试完毕开始进行制动检测，首先通过台架 筒带动车辆两轮转动，随后l e d 屏幕提示驾驶员踩死刹车，此时车轮对滚 作用力通过压力传感器采集，可以得到制动力的曲线。第- - t 位检测框图如 1 2 长安大学硕士学位论文 图2 2 第- - 3 2 位检测部分框图 6 侧滑检测 通过侧滑检验台检验车辆转向轮横向侧滑量，通过位移传感器采集，获得检验结果 后，自动依据国家标准g b 7 2 5 8 2 0 0 4 进行侧滑合格判定，并输出判定结果，同时维护车 辆的侧滑性能数据。 7 车速表检测 汽车车速表检验是依据车辆装配的速度仪表的示值稳定达到4 0 k m h 时，与台架实 际测得车辆的行驶速度进行比较的原理进行检验，在车辆驶上台架后，l e d 屏提示驾驶 员将车速提升至4 0 k m h ，由车轮带动滚筒进行转动，此时滚筒将切割霍尔传感器的磁 场，通过霍尔传感器输出脉冲量，测得实际车速。并依据国家标准g b 7 2 5 8 2 0 0 4 的规定 进行合格判定，国标要求当速度表的示值稳定到4 0 k m h 时，实际速度应在3 2 8 - 4 0 k m h 之间。第三工位检测框图如下所示。 图2 3 第三工位检测部分框图 厂l n j 厂l 几 吼饥饥饥吼 2 3 保障 线等。它们的传输速度均可以满足系统的基本要求，除r s 2 3 2 总线，其余均支持多级网 络，但是它们与c a n 总线相比较也都存在着弊端。 1 ) r s 2 3 2 最大传输距离为1 5 米，这就对检测现场的布置有了很大的限制，而且由 于r s 2 3 2 属于单端信号传输，即一根信号发送线和一根信号发送返回线构成共地的传输 形式，所以其存在共地噪声和不能抑制共模干扰的问题，抗干扰性弱。汽车检测线现场 环境复杂，r s 2 3 2 较差的抗干扰性难以满足系统的需求。 2 ) 工业以太网解决冲突的方式是碰撞检测方式，这种方式不仅会使电缆的长度受 到限制，而当网络负荷较大时，可能会出现网络瘫痪的情况。对于汽车检测系统来说， 采用工业以太网会需要使用大量的电缆以及电缆敷设工程费用，会大大增加系统的成 本。 3 ) 对于r s 4 8 5 来说，其故障隔离能力差、网络系统总体可靠性较低。在r s 4 8 5 网络中，如果其中某些节点发生故障，或者上位机调度出现失误，导致多个节点同时向 总线发生数据时，就可能使总线发生短路，从而损坏某些节点的r s 4 8 5 驱动器，导致故 障范围进一步扩大。r s 4 8 5 采用的是主站以轮询的方式获取从站信息，这样相比较于 c a n 总线来说对于总线的利用率较低，系统的实时性也较差。 1 4 长安大学硕士学位论文 4 ) 而c a n 总线传输速率较快，采用优先级仲裁方式传输数据， 响应性能。采用短帧传输结构，传输数据的时间相对较短，受干扰几 有好几种错误校验方式，保证了极低的传输出错率，工作于多主方式 的可靠性。布线简单、成本低廉、后期维护成本较低【1 4 1 。 综合以上几点，在本系统中选用c a n 总线作为汽车检测系统的内部总线网络。 2 4 系统工作流程设计 检测系统的工作流程为：首先待检车辆在报检机上进行报检，主要输入待检车辆的 基本信息，例如：送检单位、车牌号码、车辆类型以及检测项目等内容。报检完成后， 待检车辆的基本信息被发送往主控机，报检完成。此时主控机根据检测线的状态进行调 度，如工位空闲则发出命令调度车辆上线检测。在待检车辆检测过程中，驾驶员可根据 l e d 显示屏的提示信息进行操作，完成各检测项目。检测结果将会发送给主控机保存， 同时会在l e d 屏幕上显示。当所有检测完成后，主控机会打印出检测结果报告【5 1 。汽车 安全性能检测系统流程图如图2 2 所示。 车辆报检 一 从数据库读取输入车辆基本 录入信息信息 i 爹否 声级检测 灯光检测 尾气检测 外观检测 u i 进入第 = 工位一 - v 是 轴重检测 制动检测 书 侧滑柃测 速度检测 上 厂检测结束、 世出检测线 图2 5 汽车安全性能检测流程图 否 第三章嵌入式下位机硬件设计与实现 第三章嵌入式下位机硬件设计与实现 汽车检测线对系统的稳定性要求很高，因此系统硬件设计是整个系统设计的基础， 而合理的设计也能使软件系统的功能得到发挥。 3