【《基于CAN总线的汽车电子产品检验测试总成系统设计》9000字（论文）】

`第一章绪论在1986年，CAN总线系统由bosch公司发布了。该系统被称为汽车串行局域网总线系统，其本质是以一种协议的形式被提出，在刚提出的时候，并没有支持该协议的芯片推出。而在1987年，英特尔公司首次推出了支持该总线的相应通讯芯片。此时CAN总线技术正式走入我们的生活之中。而在2003年，国际通用化组织也对于CAN总线发布了详细的使用标准。随着科技的发展，现如今，宝马、沃尔沃等大型汽车厂商，已经能够将CAN总线技术熟练的运用在自己生产的汽车之上。这也正说明了CAN总线技术发展的迅速。1.1CAN总线的重要性在1990年，我国电子技术逐渐萌芽，电子技术也逐渐地和传统的机械结构相互结合起来，这样也就为微电子技术的发展提供了前提。现如今，汽车行业正在不断的发展之中，其使用的技术也在不断的更新之中，所以消费者在购买汽车的时候也越来越关注汽车的安全性，可靠性和舒适性。而汽车总线技术则能够完全兼顾这一点，因此得到了迅速的发展。现如今互联网时代已经到来，汽车也越来越走向智能化发展。互联网技术与人工智能技术相互结合，从而使得汽车的电气化发展越来越快速，也就逐渐的产生了越来越多具有以上优点的新产品。为了使得顾客在乘车的时候能够享受到现代生活带来的便利，汽车内部已经集成了娱乐设施和通信电子设施，而维持以上各类产品的网络需求就依赖于汽车网络技术。汽车上的各个系统之中都要互相进行通讯，当进行线路连接时，会产生较大的成本，所以采用了CAN总线系统，利用它来解决汽车内各个零部件之间相互的通讯。由于其成本比较低，而且所要连接的线路比较简单，所以在安装的时候不需要耗费较高的成本，而且它还具有比较好的可靠性，所以越来越多的厂商也开始使用。现如今的大部分车载芯片处理器中已经集成了CAN芯片，而汽车采用其他的通讯协议的时候，就必须使用其专门的芯片[2]。所以它具有较低的成本和较高的可靠性，因此被汽车厂商不断的推广，从而也促进了CAN总线技术的发展。1.2.1国内外CAN总线技术研究现状从上个世纪90年代以来，奔驰宝马大众以及各大汽车品牌，为了解决各个控制器之间的信息传输的问题，都采用了CAN总线技术进行数据的传输。而且随着CAN技术的不断发展和完善，也逐渐形成了统一的通信格式。个大国际标准组织也发布了相应的通信标准，从此之后，在车辆上已经逐渐地开始使用了CAN总线技术，使得CAN总线技术已经逐渐走向了成熟，现如今大部分的车辆都使用了该项技术，使得该项技术已经成为了一种行业的标准[3]。现如今，对于总线技术的研究已经不是为了节约成本的，而是为了解决随着现如今科技发展，汽车之内存在着更多的零部件之间的互相通讯做出相应的信息交换的标准，要使得各个零部件之间有着统一的通信标准以及通用的接口，这样才能够为以后的发展做出准备。我国的CAN总线技术起步是比较晚的，和国外相比晚了很长时间。现如今我国的合资车品牌已经采用了该总线技术，由于现如今我国的国产车大多数采用的是国内生产的零部件，这样就使得在智能零部件上面存在着一定的弱点。所以由我国自主研发并生产的汽车使用该总线技术的并不多。但是现如今我国各大汽车企业也开始了CAN总线技术的探索和研究，我国的CAN总线技术也处于不断的发展之中，不断地与国外的各大企业缩小了差距[3-6]。现如今CAN总线技术已经在我国经过多年的发展，我国各大汽车厂商也已经能够熟练地使用该CAN总线技术。在我国使用的CAN总线，连接示意图如下图1.1所示。图1.1CAN线的连接示意图1.2CAN总线技术的国内外研究现状1.2.2我国CAN总线技术研究现状分析CAN总线技术虽然是现如今使用过融资中最简单的一种总线，但是在实际使用过程之中，每个数据之后的原理也不是很了解。所以我们需要对一个车的总线技术进行详细的分析和处理，之后才能够得出相应的结论。而我国的大部分车型对于CAN总线技术的认识，还处在初级阶段，没有深入了解其阶级标准，对于CAN总线的设计，也依旧停留在初始的减少成本使用方面，缺少长远发展的意识。CAN是汽车上最普遍使用的一个总线技术，它需要和汽车的各个零部件之间建立通讯，从而相互处理执行相应的功能，而我国现如今对于CAN总线技术的芯片研发功能，研发和零部件的处理都处于分开的阶段，没有对其系统和零部件进行整体的研究，这是由于我国对于该技术的研究落后于其他科技发达国家，所以不能够注重零部件与CAN之间良好的结合[4]。同时，由于我国对该方面的研究是刚刚起步的阶段，所以我国际组研发的产品相比于国外已经成熟的产品之间没有一定的优势，因此，各大厂商之间也不愿意采用由我国自主研发的产品。这样就会使得没有充足的资金能够支持其继续发展，这样也就导致对纤维总线技术的产品研发以及新的接口定义等等方面都很难有新的发展，这也就导致我国现如今该方面的发展与发达的国家之间的差距越来越大。1.3本文研究意义现如今使用的CAN总线技术一般都采用总线型拓扑结构，但是使用这种结构是具有很大的缺陷，当车辆在对安全性要求比较高的时候，如果其中的一个信息处理的节点发生了异常，就会使得整车的其他节点受到影响。甚至会导致整车网络故障。所以我们要提高其安全性，能使各个相互通讯的节点之间是独立进行通讯的。这样才能够满足汽车对于安全性的更高要求。因此，本文在设计过程之中，要求设计的模块有足够的便捷性和实用性，并且能够适应更高的安全性要求。第二章CAN总线的理论基础及技术设计2.1CAN总线的理论基础在一个汽车实际使用的电控单元之中，每一个电控单元都需要引出两条线来连接节点，通过这两条线来传输数据。其整个构成的线路网络则为CAN。CAN总线又被叫做CAN-BUS，因为其工作原理与我们在实际生活之中的公交汽车运行比较类似，公交车每一个停车的站牌就相当于控制单元，公交车在道路上行驶的路线就是CAN总线，在公交车会时不时的上下乘客，这就类似于其总线与各个电控单元之间传输数据。每一个电控单元将由节点上面接收来的数据进行一定的分析和处理，然后再返回CAN总线之上[4]。这样就会使得各个电控单元之间的信息相互的传递，每一个与CAN总线相互连接的控制单元，就会接收到此类的信息，判断是否要做出相应的反应。其形象如下图2.1。图2.1CAN-BUS总线形象图如果两个电控单元之间想要进行实际的通讯，就需要两根线来进行连接，使用这两根线来传输数据，将其连接到CAN总线之上，从而实现各个元器件之间的信息互通。当电控单元接收到对自己有用的信息，就会做出相应的反应，当接收到对此无用的信息则会忽略[4-6]。2.2CAN总线的技术设计CAN总线技术是采用的两根数据线来进行数据传输的，其中一根是黄线，一根是绿线。这样就可以通过颜色来更好的区分汽车上面的其他电控线路。其实在实际的使用过程之中，CAN总线技术只需要采用一根导线就能够实现信息的互换，采用第二根导线是为了使数据的传输更加的稳定，防止其他数据的干扰。在进行数据传输的时候，会使用两根数据线，分别是高位数据线和低位数据线。这两根数据线上面的定位是相反的，这样可以使得这种线免受外界电磁的干扰，也综合了CAN总线的辐射[7]。图2.2CAN双绞线高低电压图2.3CAN总线的优点1、由CAN总线替代了传统使用的继电器，这样就会使得整个汽车的电路元器件更少，减少发生故障的可能。2、当一个汽车内进行布线时，汽车内的线束越多、越长，就越容易发生故障，也会增加整车的成本。而采用该总线技术，可以大大的减少所需的数据线总量，不仅节约了成本，而且也大大方便了布线。3、当汽车之内的某一个电路元件发生故障的时候，是因为总线就能够找出故障的位置，并显示出来，以方便维修。4、这样可以使得各个电子元器件之间与与汽车ECU之间进行复杂的通讯，并且获得更高的效率。5、方便升级，方便新产品的改装和开发。第三章总体架构设计3.1CAN通信模型现如今使用的CAN通信网络是在OSI模型的基础上研究开发的，但由于其只是在汽车之中使用，不需要传输角糕的数据量，而要求能够迅速写实施的传递相应的信息，所以其对于网络连接方式相对比较容易。因此在实际的设计过程之中，CAN在构建网络的时候仅仅使用了OSI7层通信模型的最低两层，如下图3.2，图3.2整车控制单元原理图3.2基于CAN总线的汽车电子产品检验平台的功能分析在本次设计的过程之中，选取来自STM32系列的单片机来作为本次设计的主控。STM32系列单片机起初设计的目的就是为了追求更高的性能，以及更低的成本。可以通过STM32单片机来对CAN总线的通信数据进行相应的处理，以及进行各个元器件之间的系统数据交换。由于STM32单片机拥有着很多不同的窗口单元，因此可以在实际的使用过程之中满足汽车内各种元器件的实际控制需求。为了使得汽车在行驶过程中有足够的安全性和可靠性，需要每一个元器件进行连接的节点，在能够脱离CAN总线的情况下进行独立的运行，或者自动进入自我保护的状态。当CAN总线中某个元器件之间出现问题的时候，不会影响其他元器件的运行，这样才能够保证在遇到突发状况的时候，其也能保证足够的安全性和可靠性。综合以上内容对本次设计的基本功能做了相应的计划，并设计了如图3.1的基本功能图。在汽车的实际行程过程中，可以利用主控的存储单元来存储相关的信息，然后通过CAN总线来对各个元器件之间的信息重来进行处理，并发出相应的控制信号。而且在实际的使用过程之中，如果自身的存储控制单元内存不够，可以在外部增加RAM。为了使得整个控制线路能够在较合适的温度下进行，特地设立了温度传感器来对STM32核心和CAN总线进行的温度的监控，从而保证整体温度正常。当汽车内的各个电子元器件之间进行信息交流的时候，需要CAN具有良好的通信能力和运行的可靠能力。因为一个好的通信系统，能够保证整个汽车电子系统的正常运行，从而保证整车的安全行驶。一个好的汽车检测平台，要求拥有良好的操作性能，需要能够实时的显示汽车发生的故障，而且还要能够对CAN主线之中各个节点之间的故障进行分析和汇总从而上传到显示屏之上。这样才能够使检测人员更好的操纵该设备对汽车的实际情况进行检测，其检测平台的基本功能如下图3.1所示。图3.1基于CAN总线的汽车电子产品检验平台的基本功能图需要要求该检测平台拥有如下的功能：（1）该检测平台可以通过CAN总线来传输一定的信号，从而对总线上面存在着各个节点进行通讯的测试，以此来完成线路的自动检测。整个检测的过程之中不需要人为的干预，当该检测平台检测到某个节点发生故障时，就会将信息收集到终端，并发出警报，在屏幕之上能够显示故障发生的具体位置和发生的原因，这样就可以利于操作人员进行查看和分析。（2）当对该汽车的总线检测完成之后，如果检测该汽车的所有节点均工作正常，就会将程序烧录到该电路之中。（3）整个电子产品的检验平台可以将收集到的信息进行汇总和整理，从而通过WIFI或者4G模块将该结果上传到管理系统之中。（4）显示屏能够实时的显示收集到的故障信息，并且能够方便地对信息进行汇总和打印，更加方便检测人员进行操作。（5）在系统的设计之中，采用触摸屏的方式，使得操作人员能够直接在屏幕上面进行操作，极大的方便了用户。（6）该平台能够进行无线数据的传输，当初没有完善的系统设备时，可以通过远程传输数据来为车辆提供技术支持。（7）该平台应该设计为一个小巧易于携带的设备，这样可以方便设计人员将其携带到任何工作场所，也能够方便用户的使用，更小的设备也能够减少存放的空间，降低能源的消耗。（8）该平台不仅可以使用220V家用电压进行供电，也可以使用电池进行供电，这样就可以使得各平台具有更灵活的应用，当周围没有办法供电的时候，也能够使用该平台设备。（9）该平台应具有一定的存储能力，能够对收集到的故障信息进行存储，从而方便检测人员随时进行查阅和记录。3.3基于CAN总线的汽车电子产品检验平台组成为了使得该平台能够满足更多的功能要求，为此设计了如下图3.2的功能单元。图3.2基于CAN总线的汽车电子产品检验平台结构图（1）在设计中会设置多路CAN单元，这样可以使得当CAN总线中的某一个节点出现问题的时候，可以立刻将该节点接入另外一个平台。这样可以让检测人员更加方便的进行调试，你可以在一定情况下进行应急的处理。。（2）应该设置wifi通讯模块，这样就可以使用无线网络来对上位机收到的数据进行传输和发送，可以通过无线通讯来大大的减少调试的成本，而且通过无线通讯也大大的方便了我们进行调试。。（3）为了使得整个检测平台能够在更加恶劣的环境下进行使用，就需要该平台能够使用电池进行供电，而且在利用电池进行供电的时候，要求能够使用该设备达到三个小时以上。（4）需要能够对本身的电池电量进行管理，当电量不足时，能够及时进行充电。（5）具有串口调试的接口，当平台出现软件故障的时候，可以用该调试接口进行调试，以解决故障。（6）有相应的存储单元，能够对收发的数据进行存储和保存（7）具有触摸屏，可以在触摸屏上对汇总的数据进行显示，也可以直接在触摸屏上进行操作。（8）具有无线数据传输的功能，可以在周围没有完善的通讯设备时，建立远程的技术支持。（9）具有GPS定位模块，当携带平台外出工作时，可以随时随地的定位平台的具体位置，从而适应更加复杂的工作环境。第四章CAN总线测试平台硬件设计4.1CAN总线测试平台的组成该平台可以对不同的CAN节点进行测试，当发现CAN总线上的节点存在故障时，能够通过发出警报来使得检测人员了解到该节点发生故障。在进行本次设计的时候，主要进行了硬件和软件的设计。其中我们在进行硬件设计的时候，使用的软件是立创EDA，在进行软件的设计的时候使用的是keil软件。4.2CAN总线测试平台的硬件设计该平台主要由5个模块组成，分别是负责控制的MCU,以及对于各个元器件进行连接的接口模块，还有对于该平台进行控制的开关和按键控制模块，以及负责对平台进行调试和测试的串口通信模块和SWD模块。硬件设计如下图4.1.图4.1平台的硬件设计结构框图4.2.1MCU控制模块其MCU使用的是采用STM32系列下的RCT6芯片。该芯片拥有强大的存储功能，具有51个IO口。所以它在实际的使用过程之中，具有较低的功耗，而且其价格也比较合适，它在内部是直接自带了CAN控制器的。这样就可以简化整体的电路，从而降低整体的成本。4.2.2CAN总线接口模块在实现CAN的通信的时候，需要特定的收发芯片来进行通讯。对于该平台的接口硬件设计如下图4.2.图4.2CAN总线接口模块4.2.3按键及开关模块本平台的设计过程之中，为了满足实际的使用需求，需要拥有两种不同功能的按键和开关，主要是当平台发生错误的时候进行复位和进行数据的发送。本次使用采用了6×6×8的轻触开关，使用本开关可以实现精准的操控。而对于选择不同的功能和模式时，采用的是八位贴片开关。4.2.4一键下载/串口通信模块在进行串口通讯模块设计的时候，使用了两个三级管、4个电阻和一个二极管来对串口通讯模块进行搭建。该通讯模块不仅仅可以进行程序的下载，还能够实现该平台的测试和通信功能。该模块的硬件设计如下图4.3。图4.3一键下载/串口通信模块4.2.5SWD调试模块该CAN总线测试平台为了实现良好的便携性能，因此要尽量缩小整体的体积，所以没有使用JTAG接口，进而选择了体积更小的SWD接口，其设计如下图4.4.图4.4SWD调试模块4.3CAN总线测试平台的软件设计为了保证在软件编写的过程之中，能够更加有效和快速的编写，而且编写出来的软件能够移植到其他的类似系统之上。我们采用了C语言进行模块化的设计，利用keil软件来进行编译，然后利用上述设计的也是SWD模块来进行实时的仿真和调试。4.3.1KeiluVision5介绍KeiluVision5是可以对C语言进行编译和开发使用，在单片机上面的开发系统，，C语言的编译更加的简单，而且还能够更好的维护。由于keil软件有着良好的编译环境，因此，我们在使用该软件的时候，能够使我们的软件编译过程更加的方便，也能够更好的对该平台进行软件的仿真和测试。CAN总线设计平台主要是要与汽车的CAN总线进行通讯，中国在通信的过程之中，找出先组建中各个零部件存在的问题并进行输出。因此，首先就要使得我们设计的这个平台能够接入汽车的CAN总线之中，需要设置相对应的波特率来连接CAN总线。当平台开始工作的时候，就能够对新人发出的各种信号进行接收，从而通过串口在上位机可以直接观测到实时的数据，也可以通过串口模块对CAN总线发送数据以执行某种功能。当CAN主页设置平台发送一帧数据的时候，该测试平台模块的运行灯会被点亮。当CAN总线中那某个节点，或者其本身出现问题时，就会收到错误信号，并将此信号发送到测试平台之中，这样设置平台就会已经收到相应的数据来传输到显示屏之上，让检测人员查看。4.3.2波特率设置模块在对STM32单片机的波动率进行设置的时候，其主要由四个不同的参数影响。在实际的使用过程之中，每个操作人员都希望能够直接通过该检测平台进行操作，以避免那些繁琐的设计。所以就需要该平台能够脱离计算机，直接对波特率进行控制，所以在本次设计过程之中，采用了一个八位的贴片拨码开关来对波特率进行设置，当改变该平台的波动率时，可以直接按照说明书来波动特定位置的拨码开关，从而调整到相应对应的波特率来进行连接。4.3.3CAN数据封装模块在对于库函数进行研究的时候，STM32单片机提供了两种不同的结构来对CAN总线的消息进行接收和发送。这两种结构体是CanTxMsg和CanRxMsg，下文列出了CanTxMsg结构体的程序。typedefstruct{uint32_tStdId;uint32_tExtId;uint8_tIDE;uint8_tRTR;uint8_tDLC;uint8_tData[8];}CanTxMsg;4.3.4串口/CAN转发模块该平台下接入CAN之后，串口模块会将数据发送至CAN程序，CAN也会将程序传送到串口。下面主要说明以下CAN将程序转发到串口。当CAN将程序转发到串口之后，该程序段主要由三个不同的部分组成，第一个部分就是转发帧的信息，这个部分详细的说明了该信息是标准数据帧扩展数据帧，这二者之间的哪一个格式。第二个部分就是将该ID的四个字节的进行了描述，第三个部分就是将该数据进行转发。4.3.5数据反射模块本次设计的数据反射模块可以将已经收到的数据按照原来的形式发回到CAN总线之上。我们通过判断imode参数的值进行选择转发的方式，当该参数的值为零时，数据反射模块不会进行开启，当参数为1时，就会转化为串口转发模式。if(imode==1){TxMessage_J.DLC=cankey;TxMessage_J.IDE=RxMessage_J.IDE;TxMessage_J.RTR=RxMessage_J.RTR;TxMessage_J.StdId=RxMessage_J.StdId;TxMessage_J.ExtId=RxMessage_J.ExtId;crun=Can_Send_Msg(canbuf,&TxMessage_J);Cankey;}4.3.6灯光信号处理模块该测试平台的灯光信号处理模块可以实现报警的功能，也可以表示该模块正在运行。当有数据从CAN总线发出时，运行显示灯将会被点亮，当检测到CAN线路中存在着一定问题时，报警灯就会被点亮。总结与展望本次设计是以STM32系列的单片机作为主控来进行设计的，通过该主控设计了一个便于携带的，且具有多种功能的CAN总线检测平台。STM32系列单片机功耗比较低，而且价格合适，可以完全满足本次设计的具体需求。本次设计完成之后，极大的降低了CAN总线测试的成本，对汽车的实际电路进行了相应的简化，能够使得该平台在实际中使用过程之中具有更强的通信能力，也使用了更加简洁方便的程序来进行编写，这样就会使得整个程序代码看起来更加的简洁。由于为了节省本次设计的成本，并没有涉及相应的电磁隔离。这样就会使得本平台不能够在一些电磁干扰较大的场所上进行使用，如果在电磁干扰强度比较大时，就会使得本平台无法进行通讯。经过实际的测试，本次设计基本达到了预期的效果。由于本次设计耗时不长，所以本论文只对CAN总线下的汽车个电子元件间做了一些基础性的研究，该研究也存在着一些需要改进的方面。（1）由于在汽车之内实际的使用环境是比较复杂的，所以我们在对PCB进行绘制的时候，需要对布线进行合理的优化，需要能够抵抗一定的电磁干扰，这需要在后续的研究之中进行重新的设计和改进。（2）需要完善相对应的通信协议，完善通信协议，可以提高该平台运行的整体稳定性，从而提升汽车在实际行驶中的安全性和可靠性。（3）在以后的设计之中，希望能够兼容现如今厂商生产的安全控制单元，例如ABS等等，这样可以使得整个汽车在行驶过程中更加的