發(fā)動機控制器工作原理

CAN總線(CAN．bus)是一種串行多主站控制器局域網(wǎng)總線，其主要原理是把車輛上相關(guān)控制器都聯(lián)系起來，實現(xiàn)發(fā)動機控制器，變速箱控制器，ABS控制器，車身控制器，儀表及其它控制器的通信。CAN—bus系統(tǒng)除了使整車線束更少、更井井有條，整車重量更輕外，更大的好處是做到了全車信息即時共享。

本文探討基于CAN總線的行車記錄儀設(shè)計和實現(xiàn)，詳細闡述了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)、硬件電路設(shè)計、軟件設(shè)計流程。所開發(fā)的行車記錄儀用于在車輛行駛過程中實時采集汽車CAN總線數(shù)據(jù)信息，并將數(shù)據(jù)存儲在u盤中，以u盤為載體傳輸給PC機，可運用PC機上的軟件對數(shù)據(jù)進行分析?？朔艘酝F(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)必須有一臺計算機的模式，可實時了解汽車運行期間各種數(shù)據(jù)信息變化，同步記錄行駛狀況，在車輛長時間測試或行駛以后，記錄的數(shù)據(jù)用于分析車輛行駛性能以及各部件的運行情況，方便了標(biāo)定和設(shè)計工作的進行。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于CAN串行通訊總線的良好特性，被廣泛地應(yīng)用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、汽車制造業(yè)和航空工業(yè)等領(lǐng)域。本文所設(shè)計的基于CAN總線數(shù)據(jù)記錄儀是應(yīng)用在奇瑞汽車A5車型上的，對整車CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點數(shù)據(jù)進行采集和存儲。A5是第一款應(yīng)用CAN bus總線系統(tǒng)的自主品牌國產(chǎn)轎車，其CAN—bus主要應(yīng)用在傳動部，在車身部、ITS部和信息部等也有少量的應(yīng)用。對A5這款首次使用CAN技術(shù)的車型進行實時數(shù)據(jù)采集，可了解汽車運行期問各種數(shù)據(jù)信息變化，對A5乃至后續(xù)所有車款的研發(fā)來說，都有著非常重要的意義。

CAN總線行車記錄儀的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

CAN總線行車記錄儀工作時應(yīng)掛接到汽車CAN總線上成為一個CAN節(jié)點，以便采集CAN數(shù)據(jù)信息。由圖1所示，該系統(tǒng)不僅采集車內(nèi)的CAN總線消息，還可根據(jù)需要實時采集模擬信號量。液晶屏用來顯示采集的各路信號值，具有掉電保護功能，重新通電后，即可恢復(fù)顯示原有數(shù)據(jù)。采集到的數(shù)據(jù)除了用液晶屏實時顯示給用戶外，還可通過USB接口芯片CH375將之存儲到u盤中，供實驗員拿回實驗室分析使用，如要實現(xiàn)存儲功能，按下存儲開關(guān)即可。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，硬件電路主要有如下幾個大模塊：主控制器模塊、液晶模塊、CAN驅(qū)動器模塊、電源模塊、CH375接口電路模塊。

2．1 主控制器模塊

系統(tǒng)CPU采用Freescale公司的MC9S12XD系列單片機。它是控制和通信部分的核心，不僅負責(zé)系統(tǒng)初始化設(shè)置及報文接收，而且實現(xiàn)有關(guān)的數(shù)據(jù)判斷處理和顯示。片內(nèi)集成了構(gòu)成單片機控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)所需的幾乎全部模擬和數(shù)字外設(shè)及其它功能部件，其主要特點如下：

(1)MC9S12XD系列帶有獨特的XGATE協(xié)處理器，本系統(tǒng)中CAN信號的接收是由中斷程序完成的，而中斷處理程序交給XGATE來處理，這樣將減輕CPU負荷，提高系統(tǒng)的反應(yīng)速度。

(2)帶有l(wèi)6個模數(shù)轉(zhuǎn)換通道，給采集模擬信號提供了硬件支持，并可編程選擇精確到10位精度。

(3)帶有5個MSCAN模塊，內(nèi)部集成有CAN控制器，對CAN 模塊的配置實質(zhì)上轉(zhuǎn)化為了對單片機相應(yīng)寄存器的配置，使用方便靈活。

(4)背景調(diào)試模式BDM 的支持，使得芯片的調(diào)試極為方便，加快了產(chǎn)品開發(fā)周期。

(5)豐富的中斷源，為系統(tǒng)在非操作系統(tǒng)支持下運行提供了充分的保障。

2．2 液晶顯示模塊

系統(tǒng)采用的是WYM19264液晶，分3屏顯示，每屏可顯示容量為64x64的點陣。該液晶外部接口采用20腳針式插座，與單片機的連接電路也比較簡單，其中片選信號CS1、CS2分別與單片機的PH6、PH5相連，控制信號RS、R／W、EN分別與PK4、PJ1、PJ0相連，8條數(shù)據(jù)線(DBO~DB7)則連接PB端口的8個引腳(PB0-PB7)，實行并口傳輸。

2．3 CAN驅(qū)動器模塊

CAN驅(qū)動器接口芯片選用PAC82C250，它是CAN協(xié)議控制器和物理總線的接口，主要是為汽車中高速通訊(高達1Mbps)應(yīng)用而設(shè)計的。此器件對總線提供差分發(fā)送能力，對CAN控制器提供差動接收能力，具有抗汽車環(huán)境中的瞬間干擾而保護總線功能。其管腳8(Rs)允許選擇不同的工作模式：高速、待機、斜率控制，本系統(tǒng)中將管腳8接地，選用其高速模式。而RX、TX則與單片機CAN模塊引腳相連，本系統(tǒng)中選用的是CAN0模塊，即分別與RXCAN0、TXCAN0連接。

2．4 電源模塊

記錄儀電源取自12V車載蓄電池電源，該電源除供系統(tǒng)工作外，還擔(dān)負點火、照明、信號等設(shè)備的供電，電源波動大，干擾嚴重，由于汽車在行駛過程中，可能遇到路面狀況比較惡劣的情況，會出現(xiàn)記錄儀電源接口由于劇烈震動所造成的松動或接觸不良，因此電源模塊必須精心設(shè)計才能滿足需求。

電源模塊電路簡圖如圖2所示，其中U1是由電池提供的6V備份電源，U2(主電源)是車載12V電源，該電源模塊被分成2路，經(jīng)7805穩(wěn)壓后的+5v電壓單獨給液晶供電，經(jīng)4275轉(zhuǎn)換后的VCC給整個單片機及輔助電路供電。系統(tǒng)正常工作時，D1處于截止?fàn)顟B(tài)，備份電池不起作用，一旦失去主電源供給，則D1迅速導(dǎo)通，備份電源自動啟動為系統(tǒng)供電。

圖2 電源模塊

電源模塊此種設(shè)計方案有2個原因，如下所示：

(1)備用電池的采用。記錄儀存儲采集數(shù)據(jù)，即將采集數(shù)據(jù)按順序?qū)戇M為記錄文件所分配的簇中，當(dāng)采集結(jié)束時實驗員斷開存儲開關(guān)或者因掉電而采集被迫終止，單片機都需要做關(guān)閉記錄文件這一重要處理。關(guān)閉文件就是將文件實際長度和采集數(shù)據(jù)記錄總數(shù)寫進文件相關(guān)頭中。假如不正確關(guān)閉文件，或者因為掉電來不及關(guān)閉文件，Windows將無法找到文件的末尾，PC機軟件也因找不到采集數(shù)據(jù)的末尾而無法打開文件，此時，所做的采集工作將因此失敗。為了防止因掉電而無法關(guān)閉文件，本系統(tǒng)采用了備用電池。

(2)單片機和液晶單獨供電。主電源正常工作時，整個系統(tǒng)的電源由主電源供給，一旦主電源掉電，備用電池只給單片機供電，供單片機完成關(guān)閉文件處理，而液晶因掉電而不工作。因液晶的功耗較大而備份電池電力有限，此種分開2路的供電方式不但能提供關(guān)閉文件的電源需要，而且還節(jié)約了電池電力。

當(dāng)然，備份電池不可能長時間使用，只能用于系統(tǒng)緊急關(guān)閉文件處理，為此設(shè)計了電源檢測信號，一旦檢測出主電源掉電，既啟用蜂鳴器和發(fā)光二極管來提醒用戶電源供電不正常，需工作人員檢查記錄儀電源接頭。

2．5 CI-I375接口電路模塊

本系統(tǒng)中的USB接口芯片選用的南京沁恒電子公司的CH375，該芯片支持主機方式和設(shè)備方式．它具有8位數(shù)據(jù)總線和讀、寫、片選控制線以及中斷輸出，可以方便地掛接到單片機的系統(tǒng)總線上。還內(nèi)置了處理Mass—Storage海量存儲設(shè)備的專用通訊協(xié)議的固件，外部單片機可以直接以扇區(qū)為基本單位讀寫u盤。

讀選通信號RD#、寫選通信號WR#、片選信號CS#均是輸入信號且低電平有效，CS#是中斷請求輸出信號，也是低電平有效。而A0信號用來區(qū)分命令和數(shù)據(jù)，當(dāng)A0=1時可以寫命令，當(dāng)A0=0時可以讀寫數(shù)據(jù)，8位雙向數(shù)據(jù)總線與單片機的PA端口(PA0-PA7)相連，并口傳輸。其硬件上支持自動檢測USB設(shè)備連接功能，在主機方式下正常連接時，其ACT#腳輸出低電平，因此使ACT# I腳外接上拉電阻并串聯(lián)一發(fā)光二極管，可用來標(biāo)示USB設(shè)備是否正常連接。

在布PCB時，盡量使7805芯片布在板子邊緣且散熱比較好的地方，并且遠離液晶屏幕。因為在實際過程中，經(jīng)過測試，7805芯片產(chǎn)生大量的熱量，如果長時間使用并且靠近液晶屏幕，將會影響液晶的顯示效果。另外，盡量使電源模塊的發(fā)光二極管靠近電源接口，USB模塊的發(fā)光二極管靠近USB模塊，并且以顏色區(qū)分開，方便用戶觀察。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在軟件設(shè)計方面采用模塊化設(shè)計思想和中斷調(diào)用方案，系統(tǒng)上電后首先進行初始化，對CAN總線上的信息采用中斷方式接收，由XGATE處理中斷程序，系統(tǒng)每接收一幀信息，便產(chǎn)生一次中斷來觸發(fā)微處理器進入中斷，在中斷服務(wù)程序中讀取該幀數(shù)據(jù)并暫存在緩存里。此緩存是XGATE和CPU共享的，由于通過CH375讀寫u盤的數(shù)據(jù)單位是一個扇區(qū)，所以本系統(tǒng)將緩存設(shè)置為一個扇區(qū)(512Byte)，當(dāng)緩存滿時，由主程序?qū)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到U盤中。

系統(tǒng)軟件部分主要功能模塊包括：主程序模塊，初始化模塊，中斷處理模塊。

3．1 主程序設(shè)計

主程序流程圖如圖3所示。

由流程圖3可看出，在整個程序運行期間，采用查詢的方式來檢測電源是否掉電。由于車內(nèi)CAN信號發(fā)包頻率均為幾十毫秒，如果液晶屏實時顯示數(shù)據(jù)的話，屏幕刷新太快，不易于觀察，因此本系統(tǒng)設(shè)置當(dāng)緩存接收滿時，刷新一次屏幕數(shù)據(jù)，這樣的刷新頻率足以滿足用戶的需要，無論存儲開關(guān)是否閉和，液晶屏均提供顯示服務(wù)。記錄過程中突然掉電或者用戶斷開存儲開關(guān)，都將導(dǎo)致當(dāng)前所記錄文件的關(guān)閉，即修改文件指針和文件長度等與文件系統(tǒng)相關(guān)的處理。

圖3 主程序流程

3．2 初始化模塊

(1)CAN模塊的初始化

對CAN控制器的初始化設(shè)計是重點，必須對寫入的每個寄存器進行仔細全面的考慮，如果初始化沒成功，系統(tǒng)將無法正常工作。本記錄儀實質(zhì)上是作為整個CAN網(wǎng)絡(luò)的一個增加節(jié)點參與通信，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有CAN節(jié)點必須同步。要進行CAN模塊的初始化，首先必須進入初始化模式，通過設(shè)置IN—ITRQ(CANCTLO)位發(fā)起請求，并得到INITAK(CANCTL1)的回應(yīng)后，MSCAN進入初始化模式。在此模式下，通常是對CAN一BTR0、CANBTR1、CANIDAR、CANIDMR等寄存器進行配置。CANBTR0決定波特率預(yù)分頻和同步跳轉(zhuǎn)寬度的數(shù)值，CAN—BTR1決定周期的寬度、采樣點的位置以及在每個采樣點進行采樣的次數(shù)，根據(jù)具體CAN總線通信速率設(shè)置適當(dāng)?shù)闹?。CANIDAR、CANIDMR共同決定哪些ID幀需要接收，在本系統(tǒng)中，CAN總線記錄儀的目的是接收CAN線數(shù)據(jù)全部報文，因而設(shè)置CANIDMR為0xFFh，即所有位都不屏蔽，所有的幀都接收。將需要配置的寄存器設(shè)置好后，需退出初始化模式，參與CAN總線通信。

(2)CH375的初始化

主要是設(shè)置USB的工作模式，通過CH375提供的SETUSBMODE命令，設(shè)置其工作模式代碼為06H，即USB主機方式下，自動檢測USB設(shè)備是否連接，當(dāng)USB設(shè)備連接或者斷開時都會產(chǎn)生中斷通知外部單片機，并自動定時產(chǎn)生USB幀周期開始包SOF發(fā)送給已經(jīng)連接的USB設(shè)備。通常情況下，設(shè)置USB工作模式在20微秒時間內(nèi)完成，完成后輸出操作狀態(tài)。通過讀PA端口得到操作狀態(tài)，查看是否設(shè)置成功。如不成功，表明CH375出錯，例如芯片型號錯或者處于串口方式或者不支持，則無法進行u盤的讀寫。

3.3 中斷處理模塊

中斷模塊即接受中斷，由于本系統(tǒng)設(shè)置所有的幀都被接收，因而必須在中斷處理函數(shù)里對接收到的幀進行判斷，并進行“解碼”?，F(xiàn)就實例來詳細說明“解碼”的過程，如表1所示，列舉了A5車內(nèi)2個重要的CAN消息，其ID均是采用標(biāo)準格式(11位)，數(shù)據(jù)單元占64位(8字節(jié))。中斷接收到數(shù)據(jù)幀后，首先取其ID號，對于標(biāo)準幀格式來說，IDRO存放的是IDIO~ID3，IDR1的高3位存放的是ID2～ID0，因此ID號=(IDR0>5)，其中ID號設(shè)置為int型變量。得到ID號后，將根據(jù)消息列表進行消息解碼，例如，假設(shè)取得的ID號是0xFA，這是來自發(fā)動機控制單元EMS(enginemanagementsystem)的消息幀，我們將從它的64位數(shù)據(jù)單元中取出所關(guān)心的數(shù)據(jù)，其中64位數(shù)據(jù)在結(jié)果寄存器DSR0-DSR7中的存放順序如表2所示。假設(shè)我們從此幀中取出如下3個數(shù)據(jù)：Engine speedRPM，M eanEfectiveTorque，DriveRequest。

表3列出了它們在64位數(shù)據(jù)單元中的起始位和所占位數(shù)。在此對數(shù)據(jù)位數(shù)為16的Engine speed RPM 稍作解釋，由于選用的單片機采用的是Motorola大端模式，因此其最低位是DSR1中的第8位，而不是DSR0中的第0位，而我們的上層PC機數(shù)據(jù)分析軟件是Intel格式的，于是需要對多字節(jié)數(shù)據(jù)進行大小端轉(zhuǎn)換。下面給出函數(shù)語句示例：

Engine speed RPM DSR1；

Engine speed RPM =(Engine speed RPM<<8)IDSR0；

M eanEfectiveTorque=DSR2；

DriverRequest=DSR3；

對多字節(jié)數(shù)據(jù)需進行大小端轉(zhuǎn)換，而單字節(jié)數(shù)據(jù)則是直接拷貝。將采集的數(shù)據(jù)存儲在緩存里，然后結(jié)束本次中斷。

3．4 其它模塊

液晶模塊，對于需要固定顯示的部分，利用“預(yù)制畫面”以減少工作中通訊傳輸?shù)呢摀?dān)和重復(fù)性工作。讀寫u盤模塊，u盤中的數(shù)據(jù)都是以文件格式存儲的，單片機讀寫u盤則主要是根據(jù)FAT文件系統(tǒng)進行文件和目錄的各種操作，CH375提供了u盤文件級子程序庫，此庫支持FAT16和FAT32文件系統(tǒng)，用戶只需調(diào)用此庫的各種API函數(shù)就可實現(xiàn)數(shù)據(jù)塊的讀寫。A／D轉(zhuǎn)換模塊，對控制寄存器5(ATDCTL5)的配置要慎重，因為對此寄存器的寫操作將中斷當(dāng)前模數(shù)轉(zhuǎn)換序列并且開始一個新的轉(zhuǎn)換序列，建議將此寄存器放在前4個控制寄存器之后配置。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)所開發(fā)的行車記錄儀已成功的運用于A5車的3萬公里、5萬公里等各種路試，準確記錄了行車過程中的重要數(shù)據(jù)，對于研究人員進行性能分析、故障分析、以及標(biāo)定工作提供了重要的數(shù)據(jù)依據(jù)。在已具備CAN總線的車輛上使用基于CAN的行車記錄儀，可大幅度降低系統(tǒng)復(fù)雜度，并降低成本。對于不同的車型，只需軟件的少許修改而不需要更改硬件，使得記錄儀具有極高的靈活性和可移植性，從而廣泛應(yīng)用于各種車型。