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南京林业大学南京林业大学 本科毕业设计 论文 本科毕业设计 论文 题题 目 目 基于基于CAN的汽车发动机测试系统设计的汽车发动机测试系统设计 学学 院 院 汽车与交通工程学院汽车与交通工程学院 专专 业 业 交通运输 汽运方向 交通运输 汽运方向 学学 号 号 0532304 学生姓名 学生姓名 葛卫林葛卫林 指导教师 指导教师 万茂松万茂松 职职 称 称 副教授副教授 二二 OO 九九 年年 五五 月月 二十二十 日日 摘要 基于 CAN 的汽车发动机测试系统设计 是针对现代汽车电控系统检测与故障诊断的 要求而提出的 它形成了一种不同于传统的检测诊断仪器 设备的检测诊断理念 主要就 体现在它是一种 在线 测试系统 此外还应用了现代电控汽车广泛应用的 CAN 总线技 术 这就保证了测试系统的实时性和可靠性 本课题遵循 CAN 总线技术规范 2 0A B 以课题实际应用的需求为出发点 设计并实 现了基于 CAN 的汽车发动机测试系统 课题完成了测试系统的全部硬件和软件的设计及 实现 在此基础上将测试系统应用于实际的汽车发动机上 精确地测量了发动机上的多种 信号并将所采集的数据封装成 CAN 报文格式经周立功单片机发展有限公司开发的 USBCAN II 接口卡发送至 PC 机 在 PC 端使用 LabVIEW 软件编写相应的上位机软件对所 采集到的数据进行分析 处理 显示和保存 本文对测试系统从硬件系统的构建到控制软件的编写 以及调试过程都进行了详细分 析 对于硬件系统 无论是核心芯片的选择 还是外围设备的搭建都秉承 保证系统的稳 定性和实时性 这样一个宗旨 对于软件系统 对各个功能进行模块化设计 依然坚持保 证系统的稳定性和实时性 对于在系统调试过程中出现的问题作了详细地分析 指出了需 要改进的地方 并给出了进一步完善的方案 在对系统调试结果进行分析的基础上 对该 系统作出了客观的评价 指出不足之处 并就该问题的研究结论做了简要分析和进一步的 展望 关键词 汽车检测 电控发动机 测试系统 CAN 总线 Abstract Automobile engine online test system design based on CAN bus is aimed at modern Automobile for electric control system fault detection and diagnosis of the request it formed a different concept from the traditional test and diagnostic apparatus equipment mainly reflected in that it is a kind of online test system it also uses CAN bus technology applied widely in modern Automobile characterized by electronic control which guarantees the test system s real time and reliability requirement This thesis designed and carried out Automobile engine online test system based on CAN BUS in the need of practical application The task about this test system which was based on CAN 2 0A B was composed of software and hardware design and achievement And apply the test system on the practical Automobile engine accurately measured different signal of the engine and convert the data acquisited to CAN message format and transimit them to PC via USBCAN II Interface Card developed by Ligong zhou MCU Development Co Ltd thus we can use the software programmed in LabVIEW analyzing processing displaying and saving these data on PC This article discusses in detail the CAN based automotive engine test system design throughout the design process It analyzes the System from hardware to software system development and debugging process in detail For hardware systems whether the choice of the core chip or peripheral device structures are both adhering to purpose that guarantee the system stability and real time requirement For software system it applies the modular design for each function and also for the purpose to guarantee system stability and real time requirement System debugging process as well as areas need to be improved are analyzed in detail it also gives a scenario to further improve the system It gives an objective evaluation based on the analysis of the system debugging results pointing out the inadequacies making a brief analysis of the research result and further prospects on this issue Key Words Automobile detection Electronically controlled engine Test system CAN BUS 目录 第一章 概述 1 1 1 研究目的和意义 1 1 2 国内外研究现状 2 1 3 本课题的研究内容 3 第二章 CAN 协议规范介绍 4 2 1 CAN 总线技术简介 4 2 2 基本概念 5 2 3 报文传输 8 2 3 1 CAN 总线的位数值表示 8 2 3 2 帧格式 8 2 3 3 帧类型 8 2 4 报文滤波 12 第三章 硬件系统设计 13 3 1 系统总体结构 13 3 2 主控芯片 MC68HC908GZ60 简介 13 3 3 CAN 通信电路 14 3 3 1 CAN控制器MSCAN08简介 14 3 3 2 CAN收发器PCA82C250简介 15 3 3 3 CAN通信节点设计 15 3 4 测试信号及其调理电路 16 3 4 1 模拟电压信号及其调理电路 16 3 4 2 喷油信号及其调理电路 18 3 4 3 转速信号及其调理电路 19 第四章 软件系统设计 22 4 1 开发环境介绍 22 4 2 软件系统总体结构 22 4 3 系统初始化模块 22 4 4 信号测量模块 23 4 4 1 模拟电压信号测量 23 4 4 2 喷油信号测量 24 4 4 3 转速信号测量 25 4 5 CAN 通信模块 26 4 5 1 位速率的参数设置 26 4 5 2 CAN初始化 28 4 5 3 发送1帧子程序 28 4 5 4 接收 1 帧子程序 28 第五章 系统集成与调试 30 5 1 系统集成 30 5 2 系统调试 31 5 2 1 调试平台介绍 31 5 2 2 系统的上位机软件部分 32 5 2 3 调试内容 33 5 3 4 结果分析 34 第六章 结论与展望 36 6 1 结论 36 6 2 展望 36 致谢 37 附录 1 测试系统整体原理图 38 附录 2 系统软件部分源代码 39 参考文献 51 1 第一章 概述 1 1 研究的目的和意义 汽车已经成为当今社会必不可少的交通工具 也是一项备受重视的产业 如何使汽车 更安全 更经济 更舒适 更清洁地满足人们的需要一直是汽车设计师的重要课题 也是 用户参考选择的依据 近十几年来 大规模集成电路的发展和高性能 多功能传感器的研 制成功 极大地推动了以微型计算机和传感器为基础的汽车电子技术的发展 并成功地用 于改进汽车的性能和质量 近些年来 电子技术在汽车上的应用越来越广泛 如发动机的 电子燃油喷射控制装置 EFI 汽车制动防抱死系统 ABS 电控自动变速器 AT 电子稳定系 统 ESP 汽车电子主动悬架控制装置等汽车新型装置的应用 明显地提高了汽车的经济性 安全性 舒适性 并极大的减少的排放 改善了环境 汽车电子化的进程足以反映汽车技 术的进步 研究人员都已认识到采用电子技术 计算机技术 微电子技术 集成电路技术 是解决汽车面临的诸多技术问题的最佳方案 目前的汽车己有很多系统实现了计算机控 制 而且越来越多的汽车采用了计算机控制系统 因此 汽车电子技术水平 就成为未来 汽车厂在汽车产品竞争中能否掌握主动权的关键 发动机作为汽车的动力来源 是汽车中最为重要的总成之一 由于它结构复杂 零件 多 工作条件恶劣 因而在运行中也是故障最多的总成之一 往往成为检测与诊断的重点 对象 发动机在运行过程中的工作状态参数 以及这些参数的变化趋势 与它的工作作性 能和故障状况及其发展趋势都密切相关 所以 迅速 高质量地确定汽车发动机的故障原 因和部位对恢复汽车性能和开展相关方面的研究工作都是十分必要的 实时在线监测发动 机的工作状况 连续记录和存储工作状态参数 并利用微型计算机强大的计算功能和存储 功能 作进一步的理论计算和统计分析 可以找出发动机运行状况的相应规律 为发动机 的检测诊断提供可靠的理论依据 CAN 总线具有实时性和较强容错能力的特点 能够满足汽车发动机的在线测试系统的 要求 目前 CAN 技术已经应用于各种汽车控制系统 它可靠的将汽车各个控制单元连接 实现了多个控制单元之间的实时通信 然而将 CAN 技术用于汽车检测的却为数甚少 根 据 CAN 总线对的这一特点 应用 CAN 技术搭建 CAN 网络可以实现多点 分布的实时可 靠测量 本课题的目的是开发出一种基于 CAN 的汽车发动在线测试系统 它选取发动机的转速 进气温度 进气压力 节气门位置 冷却水温度 喷油脉宽等参数作为监测对象 通过对 这些参数的在线实时监测和工况分析 为发动机的状态趋势分析和故障诊断提供依据 因 2 此 本课题的研究具有重要的理论及实用意义 1 2 国内外研究现状 目前人们已能依靠各种先进仪器设备 对汽车进行综合检测诊断 而且具有自动控制 检测过程 自动采集检测数据等功能 使检测诊断过程更安全 更快捷 更准确 国外对这方面的研究相当重视 开发出的很多产品已经应用于汽车发动机自动监测系 统 如 NI 公司所开发的许多针对汽车的数据采集卡 能够精确而高速地采集汽车发动机 的原始信号 在上位机采用该公司功能强大的虚拟仪器软件 LabVIEW 通过一定的接口协议 如 RS232 USB GPIB 等 实时的调用所采集的数据并对其进行精确地分析 还能以图 形化的界面对数据及其分析结果进行显示 此外 美国福禄克 FLUKE 公司也开发的多款用于汽车检测的专业仪器 能够迅速准 确地检测各种汽车信号 并提供了通用接口 便于与工控机等连接 在发动机在线测试方面 国内有一部分科研院所已开始了这方面的研究开发工作 如 如华中理工大学傅勇等开发研制的 发动机自动测试台架的数据采集系统 它采用 动 作流水 时间并行 的数据采集方式 并且在工业控制机上用该方式实现对汽车发动机参 量的数据采集 保证了发动机自动测试台架精确 稳定 可靠 此系统主要是用于发动机 的性能测定 考察发动机的性能指标是否达到要求 以及研究提高发动机性能的途径和方 法 己应用于第二汽车制造厂的发动机生产线上 一拖洛阳柴油机公司王宏传等研制的 虚拟技术在发动机测试系统的应用 以 PC 工 控机为主控单元 以 LabVIEW 为软件开发平台研制的发动机测试系统 可实现对多种参数 的自动测量 实时监测和试验数据的校正 同时可实现自动报警和紧急停车 还可对所有 测量数据及中间数据进行分析处理 自动打印试验报告及各种试验曲线 目前 对于汽车发动机许多还是采用模拟监测仪表自动连续地监测并显示其运行参数 它的最大缺点是精度低 分辨能力差 寿命短 而且模拟监测仪表只能显示和记录被监测 信号的幅值 提示用户信号是否超出范围 并不能完整地记录原始数据 而且难以了解工 作过程中数据的变化规律 不具备分析与诊断功能 特别是无法记录突发故障发生时刻的 原始数据 不便于查找故障原因 近年来出现的以计算机为核心的汽车在线监测和诊断系统具有功能强大 灵活度高 操作方便等优点 能够对发动机的工作状态参数进行监测 迅速 准确 可靠 客观地评 价其技术状况 因而具有着十分重要的现实意义 1 3 本课题的研究内容 3 本课题提出一种基于 CAN 的汽车发动机在线测试系统 主要工作和要求如下 1 设计出一个 CAN 节点 主要包括硬件电路及其控制软件两部分 在硬件方面包 含两部分 传输所采集到的数据的 CAN 通信部分和对采集的信号进行调理的外围电路部 分 与硬件相对应 在软件方面也包含两部分 CAN 通信模块和信号测量模块 2 要求能够精确测量汽车发动机常见信号 如冷却液温度 发动机转速 喷油脉宽 等信号 3 使用 LabVIEW 软件编写上位机的数据采集处理软件 4 将所设计的 CAN 节点与周立功单片机发展有限公司开发的 USBCAN II 接口卡进 行通信 将所采集到的数据按照一定的序列封装成 CAN 报文的格式并通过 CAN 通信经 USBCAN II 发送至 PC 机 并通过 LabVIEW 编写的 PC 端软件对这些数据进行提取 分 析 处理 判断 显示和保存等 4 第二章 CAN 协议规范介绍 2 1 CAN 总线技术简介 CAN 全称为 Controller Area Network 即控制器局域网 是国际上应用最广泛的 现场总线之一 拥有国际标准 CAN 最初出现在 80 年代末的汽车工业中 由德国 Bosch 公司最先提出 CAN 一直是嵌入式网络研究的热点 它是为汽车应用而开发的一个多主机 局部网络系统 最先应用于汽车上 现在已广泛应用于各行各业的工业现场 由于 CAN 技术应用的普遍推广 从而要求通信协议的标准化 为此 1991 年 9 月 Bosh 公司制定并发布了 CAN 技术规范 Version 2 0 该技术规范包括 A 和 B 两部分 2 0A 给 出了曾在 CAN 技术规范版本 1 2 中定义的 CAN 报文格式 而 2 0B 给出了标准的和扩展的 两种报文格式 此后 1993 年 11 月 ISO 正式颁布了道路交通运载工具 数据交换 高速通 信控制器局部网 CAN 国际标准 ISO 11898 为控制器局域网的标准化 规范化的推广铺平 了道路 控制器局域网CAN为串行通讯协议 能有效地支持具有很高安全等级的分布实时控 制 CAN的应用范围很广 从高速的网络到低价位的多路接线都可以使用CAN 在汽车电 子行业里 使用CAN连接发动机控制单元 传感器 制动防抱死系统等等 其传输速度可 达1 Mbit s 同时 可以将CAN安装在卡车本体的电子控制系统里 诸如车灯组 电气车窗 等等 用以代替接线配线装置 CAN 2 0技术规范为任何两个CAN仪器之间建立了兼容性 为了达到设计透明度以及实 现柔韧性 CAN被细分为数据链路层和物理层 数据链路层又包含逻辑链路控制子层 LLC 和介质访问控制子层 MAC 逻辑链路控制子层 LLC 的作用范围如下 为远程数据请求以及数据传输提供服务 确定由实际要使用的LLC子层接收哪一个报文 为恢复管理和过载通知提供手段 在这里 定义对象处理较为自由 介质访问控制子层 MAC 子层的作用主要是传送规则 也就是控制帧结构 执行仲 裁 错误检测 出错标定 故障界定 总线上什么时候开始发送新报文及什么时候开始接 收报文 均在MAC子层里确定 位定时的一些普通功能也可以看作是MAC子层的一部分 因而 MAC子层的修改是受到限制的 物理层的作用是在不同节点之间根据所有的电气属性进行位的实际传输 同一网络的 5 物理层对于所有的节点当然是相同的 尽管如此 在选择物理层方面还是很自由的 这本技术规范定义了数据链路层中MAC子层和一小部分LLC子层 以及描述了CAN 协议于周围各层中的逻辑关系和作用 2 2 基本概念 CAN 总线具有以下主要特性 报文的优先权 保证延迟时间 设置灵活 时间同步的多点接收 系统内数据的连贯性 多主机 错误检测和标定 只要总线一处于空闲 就自动将破坏的报文重新传输 将节点的暂时性错误和永久性错误区分开来 并且可以自动关闭错误的节点 1 依据 ISO OSI 参考模型的层结构 CAN 的 ISO OSI 参考模型的层结构如图 2 1 所示 1 物理层定义信号是如何实际地传输的 因此涉及到位时间 位编码 同步的解释 本技术规范没有定义物理层的驱动器 接收器特性 以便允许根据它们的应用 对发送媒体 和信号电平进行优化 2 数据链路层包含以下两个子层 介质访问控制子层MAC是CAN协议的核心 它把接收到的报文提供给LLC子层 并 接收来自LLC子层的报文 MAC子层负责报文分帧 仲裁 应答 错误检测和标定 MAC 子层也被称作故障界定的管理实体监管 此故障界定为自检机制 以便把永久故障和短时 扰动区别开来 逻辑链路控制子层LLC涉及报文滤波 过载通知 以及恢复管理 2 报文 Message 总线上的报文以不同的固定报文格式发送 但长度受限 见第3 节的报文传输 当总线空闲时任何连接的单元都可以开始发送新的报文 图2 1 CAN的ISO OSI参考模型的层结构 3 信息路由 Information Routing 在CAN 系统里 CAN 的节点不使用任何关于系统结构的信息 比如 站地址 以 下是与此有关的几个重要的概念 系统灵活性 不需要应用层以及任何节点软件和硬件的任何改变 可以在CAN 网络 中直接添加节点 报文路由 报文的内容由标识符命名 标识符不指出报文的目的地 但解释数据的 含义 因此 网络上所有的节点可以通过报文滤波确定是否应对该数据做出反应 多点传送 由于引入了报文滤波的概念 任何节点都可以接收报文 并对此报文做 出反应 数据连贯性 应确保报文在CAN 网络里同时被所有的节点接收 或同时不被接收 因此 系统的数据连贯性是通过多点传送和错误处理的功能来实现的 4 位速率 Bit Rate 不同的系统 CAN的速度不同 但是 在一个给定的系统里 位速率是唯一的 并且 是固定的 6 7 5 优先权 Priorities 在总线访问期间 标识符定义一个静态的报文优先权 当多个CAN单元同时传输报文发 生总线冲突时 标识符的二进制值较小的具有较高的优先权 6 远程数据请求 Remote Data Request 通过发送远程帧 需要数据的节点可以请求另一节点发送相应的数据帧 数据帧和相应的 远程帧具有相同的标识符 7 多主机 Multimaster 总线空闲时 任何单元都可以开始传送报文 具有较高优先权报文的单元可以获得总 线访问权 8 仲裁 Arbitration 只要总线空闲 任何单元都可以开始发送报文 如果2个或2个以上的单元同时开始传 送报文 那么就会有总线访问冲突 通过使用了标识符的逐位仲裁可以解决这个冲突 仲 裁的机制确保了报文和时间均不损失 当具有相同标识符的数据帧和远程帧同时初始化 时 数据帧优先于远程帧 仲裁期间 每一个发送器都对发送位的电平与被监控的总线电 平进行比较 如果电平相同 则这个单元可以继续发送 如果发送的是一 隐性 电平而 监视的是一 显性 电平 见总线值 那么单元就失去了仲裁 必须退出发送状态 9 安全性 Safety 为了获得最安全的数据发送 CAN的每一个节点均采取了强有力的措施以便于错误检 测 错误标定及错误自检 包括错误检测和错误检测的执行 对于没有被检测到的错误报文 其剩余的错误可能性概率低于 报文错误率 4 7 10 11 10 错误标定和恢复时间 任何检测到错误的节点都会标志出损坏的报文 此报文会失效并将自动地开始重新传 送 如果不再出现错误的话 从检测到错误到下一报文的传送开始为止 恢复时间最多为 31个位的时间 11 故障界定 Fault Confinement CAN节点能够把永久故障和短暂扰动区别开来 永久故障的节点会被关闭 13 应答 Acknowledgment 所有的接收器都会检查报文的连贯性 对于连贯的报文 接收器应答 对于不连贯的报文 接收器作出标志 2 3 报文传输 2 3 1 CAN总线的位数值表示 CAN总线上用 显性 和 隐性 两个互补的逻辑值表示 0 和 1 在 隐性 状态下CANH和CANL都被固定在平均电压电平 Vdiff近似于0 而 显性 状态以大于最 小阈值的差分电压表示 如图2 2所示 图2 2 CAN总线的位数值表示 2 3 2 帧格式 有两种不同的帧格式 不同之处是标识符场的长度不同 具有11位识别符的帧称之为 标准帧 而含有29位标识符的帧为扩展帧 2 3 3 帧类型 报文传输由以下4个不同的帧类型所表示和控制 数据帧 数据帧将数据从发送器传输到接收器 远程帧 总线单元发出远程帧 请求发送具有同一识别符的数据帧 错误帧 任何单元检测到总线错误就发出错误帧 过载帧 过载帧用以在先行的和后续的数据帧 或远程帧 之间提供一附加的延时 数据帧和远程帧可以使用标准帧及扩展帧两种格式 它们用一个帧间空间与前面的帧 分隔 1 数据帧 Data Frame 数据帧由7 个不同的位场组成 帧起始 仲裁场 控制场 数据场 CRC 场 应答场 帧结尾 数据场的长度可以为 0 报文的数据帧结构如图2 3所示 8 图2 3 报文的数据帧结构 1 帧起始 标准格式和扩展格式 帧起始 SOF 标志数据帧和远程帧的起始 仅由一个 显性 位组成 只在总线空闲时才允许站开始发送 信号 所有的站必须同步于首先开始发送报文的站 的帧起始前沿 2 仲裁场 标准格式帧与扩展格式帧的仲裁场格式不同 标准格式里 仲裁场由11位标识符和RTR位组成 标识符位由ID 28 ID 18组成 数 据帧标准格式中的仲裁域如图2 4所示 图2 4 数据帧标准格式中的仲裁场结构 扩展格式里 仲裁场包括29位标识符 SRR位 IDE位 RTR位 其标识符由ID 28 ID 0组成 为了区别标准格式和扩展格式 前版本CAN规范1 0 1 2的保留位r1 现表示为IDE位 数据帧扩展格式中的仲裁域如图2 5所示 图2 5 数据帧扩展格式中的仲裁场结构 9 10 标识符 标准格式中的标识符 标识符的长度为11位 相当于扩展格式的基本ID 这些位按 ID 28到ID 18的顺序发送 最低位是ID 18 7个最高位 ID 28 ID 22 不能全为隐性 扩展格式中的标识符 和标准格式对比 扩展格式的标识符由29位组成 其结构包 含两部分 11位基本ID 18位扩展ID 基本ID 基本ID包括11位 它按ID 28到ID 18的顺序发送 它相当于标准标识符的格 式 基本ID定义扩展帧的基本优先权 扩展ID 扩展ID包括18位 它按ID 17到ID 0顺序发送 在标准帧里 标识符后是RTR位 RTR位 标准格式以及扩展格式中 RTR的全称为 远程发送请求位 Remote Transmission Request BIT RTR位在数据帧里必须为 显性 而在远程帧里必须为 隐性 在扩展格式里 基本ID首先发送 其次是IDE位和SRR位 扩展ID的发送位于SRR位之 后 SRR位 属扩展格式 SRR的全称是 替代远程请求位 Substitute Remote Request BIT SRR是一隐性位 它在扩展格式的标准帧RTR位的位置 见图2 3和图2 4 被发送 因此代替标准帧的RTR位 当标准帧与扩展帧的冲突 而扩展帧的基本ID同标准帧的标识 符一样时 标准帧优先于扩展帧 IDE位 属扩展格式 IDE的全称是 标识符扩展位 Identifier Extension Bit IDE位属于扩展格式的仲裁场和标准格式的控制场 标准格式里的IDE位为 显性 而扩展格式里的IDE位为 隐性 3 控制场 标准格式及扩展格式 控制场由6个位构成 其结构如图2 6所示 标准格式的控制场格式和扩展格式的不同 标准格式里的帧包括数据长度代码 IDE位 为显性位 见上文 及保留位r0 扩展格 式里的帧包括数据长度代码和两个保留位 r1 和r0 其保留位必须发送为显性 但是接收 器认可 显性 和 隐性 位的组合 数据长度代码 标准格式以及扩展格式 DLC 如图2 7所示 图2 6 控制场结构 数据长度代码指示了数据场里的字节数量 数据长度代码为4个位 它在控制场里发送 数据长度代码中数据字节数的编码 缩写 d 显性 逻辑0 r 隐性 逻辑1 数据帧长度允许的数据字节数 0 1 7 8 其他的数值不允许使用 图2 7 数据帧长度代码DLC 4 数据域 标准格式以及扩展格式 数据场由数据帧里的发送数据组成 它可以为0 8 个字节 每字节包含了8 个位 首 先发送最高位MSB 5 CRC场 标准格式以及扩展格式 CRC场包括CRC序列 其后是CRC界定符 如图2 8所示 图2 8 循环冗余码场 11 6 应答场 标准格式和扩展格式 应答场长度为2个位 包含应答间隙和应答界定符 在应答场里 发送站发送两个 隐 性 位 应答场的结构如图2 9所示 当接收器正确地接收到有效的报文 接收器就会在应答间隙期间 发送ACK信号 向 发送器发送一 显性 位以示应答 应答间隙 所有接收到匹配CRC序列的站会在应答间隙期间用一 显性 的位写入发送器的 隐 性 位来作出回答 应答界定符 应答界定符是应答场的第二个位 并且是一个必须为 隐性 的位 因此 应答间隙 被两个 隐性 的位所包围 也就是CRC界定符和应答界定符 图2 9 应答场结构 7 帧结尾 标准格式以及扩展格式 每一个数据帧和远程帧均由一标志序列定界 这个标志序列由 7个 隐性 的位组成 2 4 报文滤波 报文滤波取决于整个标识符 允许在报文滤波的可选屏蔽寄存器中将任何的标识符位 设置为 不考虑 可以选择多组的标识符 使之被映射到隶属的接收缓冲器里 在使用屏蔽寄存器时 它的每一个位都是可编程的 即它们能够被允许或禁止报文滤 波 屏蔽寄存器的长度可以包含整个标识符 也可以包含部分的标识符 12 第三章 硬件系统设计 3 1 系统总体结构 本系统硬件部分由主控芯片 CAN 通信模块 模拟电压信号调理模块 喷油信号调理 模块 转速信号调理模块等组成 如图 3 1 所示 图 3 1 系统总体结构 3 2 主控芯片 MC68HC908GZ60 简介 本系统采用Freescale公司的MC68HC908GZ60作为主控芯片 MC68HC908GZ60是 Freescale公司的低功耗 高性能的M68HC08家族8位单片机的成员之一 具有32 48和64 引脚的LQFP三种封装 是一款带片内CAN控制器的单片机 本系统选用48引脚的LQFP封 装的MC68HC908GZ60 其引脚定义如图3 2所示 图3 2 MC68HC908GZ60引脚排列及定义 13 其主要的片内资源和特性如下 60K 片内 Flash ROM 2K 片内 RAM 最高8MHZ的内部总线时钟 符合CAN2 0协议的CAN控制器MSCAN08 SPI模块 增强的串行通信接口 ESCI 模块 16路10位ADC 一个16位2通道的定时器接口模块 TIM1 每个通道都具有可选择的输入捕获 输出比较和PWM输出功能 一个16位6通道的定时器接口模块 TIM1 每个通道都具有可选择的输入捕获 输出比较和PWM输出功能 支持1MHZ到8MHZ的时钟发生模块 CGM 具有在系统编程 ISP 功能 3 3 CAN通信电路 3 3 1 CAN控制器MSCAN08简介 MSCAN08是MC68HC908GZ60单片机自带的符合CAN2 0A B协议标准的CAN控制器 该模块可由软件对配置寄存器 CONFIG2 的MSCANEN位置位来使能 也可通过清除 MSCANEN位关闭MSCAN08 CAN通信位速率可由软件编程实现 最高可达1Mbps 支 持远程帧 有 3 个具有局部优先级的发送缓冲区 标识符验收模式比较灵活 可配置成 1 个32 位过滤码 2个16位过滤码和4个8位过滤码 兼容CPU总线时钟和外部晶振输出的可 编程MSCAN08时钟源 2 外部引脚 MSCAN08有两个外部引脚 一根输入脚 CANRX 一根输出脚 CANTX 输出 引脚CANTX代表了CAN上的逻辑电平 0 为 显性 1 为隐性 一个由MSCAN08模块构建的典型的CAN 系统如图3 3所示 图3 3 MSCAN08构建的CAN系统 14 每一个CAN工作站都通过一个收发芯片物理的连接到CAN总线上 该收发芯片具有驱 动大容量当前CAN需求以及对当前CAN上和工作站上的错误具有保护功能 3 3 2 CAN收发器PCA82C250简介 PCA82C250 是 CAN 控制器和物理总线的接口 从 CAN 控制器出来的数据流需经过驱动 器 PCA82C250 才可与 CAN 总线相连 驱动器 PCA82C250 除加强总线的差动发送和接收 功能外 还有如下特点 具有抗汽车环境下的瞬间干扰 保护总线传输能力 采用斜率控 制 降低射频干扰 过热保护及总线与电源之间的短路保护 低电流待机模式 未上电节 点不会干扰总线 其引脚分布义如图 3 4 所示 图 3 4 PCA82C250 引脚分布 3 3 3 CAN 通信节点设计 本系统使用 MC68HC908GZ60 自带的 CAN 控制器 MSCAN08 及 CAN 收发器 PCA82C250 构建基本的 CAN 节点 为了增强 CAN 总线节点的抗干扰能力 MSCAN08 的两个引脚 CANTX 和 CANRX 并 不是直接与 PCA82C250 的 TXD 和 RXD 相连而是通过高速光耦 6N137 后再与 82C250 相 连 这样就很好的实现了总线上各个 CAN 节点的电气隔离 不过应该说明的是 光耦部 分电路所采用的两个电源 VCC 和 VCC1 必须完全隔离 否则采用光耦也就失去了意义 在 82C250 与 CAN 总线的接口部分也采用了一定的抗干扰措施 82C250 的 CANH 和 CANL 引脚与地之间并联了两个 30pF 的小电容 可以起到滤除总线上的高频干扰和一定 的防电磁辐射的能力 具体的 CAN 通信节点的电路如图 3 5 所示 15 图 3 5 CAN 通信节点电路图 3 4 测试信号及其调理电路 本系统需要测试的信号包括 0 5V 模拟电压信号 喷油器驱动信号和转速信号 3 4 1 模拟电压信号及其调理电路 1 MC68HC908GZ60的ADC简介 MC68HC908GZ60的ADC的基本特点为 24 个输入通道 10 位精度 单次或连续的 转换 转换完成标志或转换完成中断 可选的模 数转换时钟 其转换结果有四种不同形 式 左调整 右调整 左调整有符号数据方式 8 位切断方式 在本系统中使用8 位切断 方式 本系统所选芯片的模 数转换器可通过16个引脚对外部输入信号进行采样 其引脚引脚 为PTA7 KBD7 AD15 PTA0 KBD0 AD8 和PTB7 AD7 PTB0 AD0 它类似一个多路复 用器 允许单一A D转换从16个通道中选择一路作为ADC电压输入端 VADIN VADIN端 口可以通过相应的寄存器来进行选择 当转换完成后 A D转换将结果存放在A D转换数据 寄存器并设置一个标志位或产生一个中断信号 2 模拟电压信号 本系统所需采集的模拟电压信号都来自汽车发动机的各种传感器 对其进行一定的分 16 压后使其幅值均在0 5V范围内 而MC68HC908GZ60的ADC的输入信号电压范围也为0 5V 故可使用芯片内的ADC直接对其进行采样 但考虑到在测试信号的同时不应影响原有 的信号以及输入信号较弱等情况 因而需对输入的信号进行隔离处理 3 测试电路 本系统选用2片4通道集成运算放大器LM324搭建一个8通道电压跟随器 如图3 7所 示 由于电压跟随器的阻抗极大 故其输入电流几乎为 0 因而几乎不会影响原有信号 本系统采用 5V 电源供电 然而 LM324芯片的特性表明其输出电压并不能达到其电源供 电电压值 经测试在使用5V供电时 其输出电压最大只能达到3 75V 因而在系统中设置 了一套升压电路 采用DC DC升压芯片MC34063 将所供给的5V电压升至6 4V左右 用来 给LM324供电 如图3 6所示 使其输出电压能够完整的覆盖0 5V范围并具有较为理想的 线性 图3 6 5V到6 4V升压电路 图3 7 8通道电压跟随器 17 18 3 4 2 喷油信号及其调理电路 1 MC68HC908GZ60的定时器接口模块简介 MC68HC908GZ60提供了两个独立的定时器 TIM1和TIM2 它们具有定时器溢出 中断 输入捕捉 输出比较和脉宽调制 PWM 输出4种基本功能 其中 定时器溢出中 断是最基本和最简便的功能 下面着重介绍后三种功能 1 输入捕获 使用输入捕捉功能 当一个外部事件发生时 TIM1 可以捕捉到这个时间 当输入引 脚上发生一个跳变沿的时候 TIM1 就将TIM1 计数器的值锁存到TIM 通道寄存器 T1CHxH T1CHxL中 跳变沿的极性是可设置的 输入捕捉可以产生 TIM1 中央处理单 元 CPU 的中断请求 2 输出比较 使用输出比较的功能 通过可编程的极性 周期和频率可以产生一个特定的脉冲 当 计数器的值达到输出比较通道寄存器的值 定时器可以设置 清除或者锁存通道引脚 输 出比较可以产生定时器系统中断请求 输出比较分为不带缓冲的输出比较和带缓冲的输出 比较 3 脉宽调制 PWM 通过使用输出比较通道的溢出锁存功能 定时器可以产生一个脉宽调制信号 定时器 计数器预设寄存器中的值决定脉冲信号的周期 当计数器的值达到预设寄存器中的值 引 脚通道被锁存 两次溢出中间的事件就是脉冲信号的周期 脉宽调制是输出比较的一种特 例 因而也分不带缓冲的脉宽调制和带缓冲的脉宽调制 这些功能可应用于各种场合下的时间与频率参数的测量 可以用作D A输出各种信号波 形 亦可用作控制信号等 本系统即是使用TIM1来测量喷油脉宽 以及用TIM2测量转速的 2 喷油信号 汽车发动机电子控制单元所提供的喷油器控制信号本应是标准的脉宽调制信号 然而 由于喷油器自身具有较大的电感 使得在供油电压信号终止时喷油线圈因自感而产生约 35V的电压脉冲 如图3 8 a 所示 这样高的电压是单片机远远不能承受的 因而需要 对其进行处理后再输入单片机 3 测试电路 由于本系统所需采集的是喷油脉宽的值 因而由于喷油线圈应自感而产生的较高的电 压脉冲对测量结果并没什么实际的意义 可以将其滤去 本系统采用TLP521光电隔离芯片 搭建耦合电路 如图3 9所示 使其输出如图3 8 b 所示的数字脉冲信号 这样既能使信 号得到的有效而准确地测量又能保证系统的稳定运行 其中 FI IN为原始的喷油信号输入 端 FI为接入单片机TIM1的通道0的引脚的端口 图3 8 喷油信号 a 原始的喷油信号 b 处理后的信号 图3 9 喷油信号的光电耦合电路 3 4 3 转速信号及其调理电路 1 转速信号 本系统的转速信号可以从两个地方采集 转速传感器或者发动机ECU所提供的点火信 号 而转速传感器通常又分为三种 磁脉冲式 霍尔式和光电式 对于ECU所提供的点火 信号及霍尔式转速传感器和光电式转速传感器的信号 其处理方法比较容易实现 因为这 两者所产生的都是在0 5V范围内的数字脉冲信号 只需对其作简单的电压跟随处理 方 法同上述A D信号处理方法 这样就可以用单片机对其进行采集 对于从磁脉冲式转速传感器采集转速信号的情况 由于其转速传感器所产生的是一个 19 正弦波信号 如图3 10 且其幅值有正有负 显然不能简单地使用单片机对其直接进行采 集 图3 10 磁电式转速传感器信号 a 原始的转速信号 b 处理后的信号 2 测试电路 为了能够有效地测得发动机的转速信号 本系统所采取的处理方法是使用一个电压比 较器LM393 其电路图如图3 14 图3 11 转速信号处理电路 其中RS IN 和RS IN 分别连接于磁脉冲式转速传感器的两个输出端 RS与单片机相应 的引脚相连 为调理后的转速信号 当转速传感器的输出信号为正 即V RS IN V RS IN 时 RS端输出约5V电压的高电平 当转速传感器的输出信号为负 即V RS IN V RS IN 时 RS 端输出约 0V 电压的低电平 其最终输入单片机引脚的信号如图 3 10 b 所示 20 21 这样就将原来的正弦信号转换成了数字脉冲信号 通过采集这一信号 即可得出发动 机的实际转速 对于LM393芯片的另外一路未使用的电压比较器 没有简单的使其悬空 采用如图3 11 所示的接法使其同相输入端保持低电平 反相输入端保持高电平 从而使其输出确定的低 电平信号 主要原因是防止其输出端不断输出不确定的电平信号 从而产生高频振荡 进 而影响系统的稳定运行 22 第四章 软件系统设计 4 1 开发环境介绍 本系统采用MT IDE For Freescale HC08通用开发套件 它是针对飞思卡尔MC68HC908 系列的开发工具 提供MON08方式在线编程 仿真调试功能 是面向单片机开发人员的功 能强大 低成本 高运行速度的开发工具 在MT IDE集成开发环境的支持下 通过写入调试适配头 可以对HC08系列的单片机 进行在线编程 调试 它采用Windows风格 提供友好的操作界面 具有编辑 编译 下 载 调试等功能 通用性强 使用方便 具体功能如下 1 支持Freescale HC08系列的所有MCU 2 以工程的方式管理文件 3 支持C和汇编语言的源文件编辑 编译 4 支持HC08系列MCU的Flash操作 擦除 写入和读出 5 支持C和汇编语言的断点调试与单步调试 6 支持内存与寄存器观察 7 支持S Record文件 MT IDE的软件运行环境 Windows2000及更高版本的Windows操作系统 4 2 软件系统总体结构 本系统的软件系统部分主要包括CAN通信程序和数据采集程序两大部分 数据采集程 序又包括ADC程序 PWM程序和脉冲计数程序3个模块 根据需要建立相应的C文件及其 头文件和模块化函数 这就在很大程度上提高了函数调用及系统调试的效率 在系统完成初始化后便进入主循环中 此时系统中的所有功能模块均已被启动 整个 系统以中断的形式响应各种外部输入信号 如有中断 程序便转入相应的中断处理程序并 在中断处理程序中完成所输入的信号或标志位的处理工作 从而极大地提高了程序的执行 效率 更好的满足了测试系统的实时性要求 软件系统总体结构如图4 1所示 4 3 系统初始化模块 在主程序中主要是实现对系统的配置和对各个功能模块的初始化 具体为对系统 时钟的配置 使其产生8MHZ内部总线时钟 打开中断 以及对CAN模块 ADC模块 和定时器接口模块的初始化函数的调用等 各个具体功能模块的实现部分并不放在主 程序中 而是在相应的中断中进行处理或调用其对应的实现函数 这样能够更快的响 应外部信号的变化 也进一步提高了系统的实时性 其流程图如图4 2所示 系统上电 各功能模块初始化 AD转换模块 喷油脉宽测量模块 转速测量模块 中断处理 设置标志量 主函数 main 系统时钟时钟配置 CAN初始化 ADC初始化 TIM初始化 主循环 图4 1 软件系统总体结构 图4 2 系统初始化流程图 4 4 信号测量模块 4 4 1 模拟电压信号测量 本系统所选的MC68HC908GZ60内部具有16通道10位ADC 根据需要本系统只使用其 中的8个通道 且采用8位切断模式 该功能模块主要包括 ADC初始化函数 通道切换函 数 转换完成中断处理函数等 1 ADC初始化子程序 该函数所实现的功能是选择内部总线时钟作为ADC时钟源 8MHZ 并对其8分频作为 ADC时钟 之所以要对8MHZ的内部总线时钟8分频 是因为GZ60技术文档中明确规定要 求ADC时钟应在1MHZ附近 采用8位切断方式 单次转换模式 其流程图如图4 3所示 入口 ADCInit ADC时钟配置 1MHZ ADC模式配置 8位转换方式 单次转换模式 使能ADC中断 出口 图4 3 ADC初始化子程序 2 AD转换子程序 23 本系统需要用到8路AD转换 都是使用MC68HC908GZ60中的同一个数 模转换器 ADC 就必然要采用一种通道切换方法 使得同一时刻ADC只被8路模拟信号输入中 的某一路所占用 本系统所使用的方法是在函数外部定义了一个 unsigned char 型的全局 数组变量 该数组中有8个元素 分别对应ADC的8个通道 将相应的数族元素赋值给通道 选择寄存器即可使指定的通道独占ADC 对于8路模拟信号采用按照次序逐个进行转换的 方法 8路均转换完成后推出AD转换模块函数 其流程图如图4 4所示 入口 ADC 选择第一个通道 开始转换 转换完成 切换到下一通道 8个通道 转换完成 出口 是 否 图4 4 ADC通道切换子程序 4 4 2 喷油信号测量 本系统所需采集的喷油脉宽信号以及转速信号都要用到MC68HC908GZ60的定时 器接口模块 包括TIM1和TIM2 此处只对TIM1部分作介绍 TIM2与它相似 在本系统中 对喷油信号的采集使用了GZ60的TIM1的输入捕捉功能 需要测量的是喷 油脉宽 而喷油脉宽的大小即是第三章中图3 8 b 中电平为0的状态所持续的时间 由于 该 0 电平状态与前后高电平 1 的状态之间均存在跳变沿 因而可以使用TIM1