汽車CAN節點測試儀(基于CAN總線和虛擬儀器)
2011-08-15
Controller Area Network(控制器局域網，縮寫為CAN)，是為解決汽車電子控制單元間的信息通信而由德國Bosch公司提出的一種總線標準，以其卓越的性能、極高的可靠性和低廉的價格，現在已經在汽車領域獲得廣泛應用。
為了保證汽車CAN總線節點安全、穩定運轉，同時為了提高大批量生產的效率，必須在生產過程中對CAN節點產品進行測試，開發基于CAN總線的汽車CAN節點測試儀顯得十分重要。本文通過選擇高速處理器和采用虛擬儀器技術保證測試儀的通用性，使其只需通過軟件更新便可測試多個CAN節點。
CAN協議簡介
CAN協議建立在ISO/OSI 7層開放互連參考模型基礎之上，為了方便應用，同時保證各節點間無差錯的數據傳輸，僅定義了ISO/OSI模型中最下面的兩層：數據鏈路層和物理層，應用層協議由用戶自行定義，也可采用一些國際組織制訂的標準協議。
CAN是一個典型的以半雙工方式通信的串行總線結構形式，一個節點發送信息，多個節點接收信息。不同于主從式總線，CAN采用一種稱作廣播式的存取工作方式，是一種對等式的總線網。在CAN總線的通信協議中，各節點地址沒有主/從的概念，也沒有任何與節點地址相關的信息存在。信息以報文的形式出現，其數據結構如圖1所示。
圖1中的仲裁域用來表明消息的類型和消息的優先級，CAN總線上的節點將根據標識符決定是否需要讀取信息包中的數據，從而避免了不必要的節點處理總線上信息的頻繁中斷，提高了數據傳輸速率，保證了數據出錯率極低。
系統硬件設計
測試儀的硬件設計主要包括三部分：處理器及其存儲器電路、CAN總線接口電路、RS232接口電路。結構圖如圖2所示：
處理器采用ATMEL公司基于ARM920T內核的AT91RM9200，該處理器運行頻率高達180MHz，可外擴32MB Flash和64MB RAM，使其可以滿足大多數汽車CAN節點的測試需求。片上集成了許多標準接口，如USB主/從接口、以太網、RS-232，使其可以簡單得與PC機相連，測試數據可以實時地上傳到PC機，借助PC機強大的處理性能和豐富的數據處理軟件，進行在線監測及數據處理。
AT91RM9200包括一個高速片上SRAM工作區及一個低等待時間的外部總線接口，以完成應用所要求的片外存儲器和內部存儲器映射外設配置的無縫連接。外擴存儲器包括1片S29GL256N Flash和2片K4S561632A-TC/L80 SDRAM，Flash容量為32MB，SDRAM容量為64MB。
CAN總線接口電路包括總線控制器和物理層接口兩個部分，實現測試儀與被測試CAN節點的CAN總線通信，這是實現測試的前提。CAN總線控制器采用PHILIPS公司的SJA1000，它有著更好的性能和穩定性，支持CAN2.0A/B協議，有兩種工作模式：Basic CAN和Peli CAN，可同時支持11位和29位標識碼，能掛載更多CAN節點。物理層接口選用TJA1054實現，它可以連接高達32個節點，內建斜率控制功能及CANL和CANH總線輸出的良好匹配使電磁輻射EME很低，具有優異的總線故障管理能力，總線故障時自動切換到單線模式，故障修復后自動復位到差分模式，同時提供對電源和地的短路保護功能，特別適合于汽車內部的CAN通訊。
RS232接口電路即測試儀與PC的通信接口，AT91RM9200內部帶有UART控制器，可以方便得與PC機連接，對測試信息進行在線監測，數據存儲。
軟件設計
軟件設計包括上位機程序和下位機程序兩個部分。上位機程序在NI公司專門針對虛擬儀器開發設計的的Labwindows/CVI平臺上開發，包括USB通訊程序和測試程序兩個部分。labwindows/CVI包括對眾多總線（包括PCI、PCI Express、PXI、PCMCIA、USB、以太網、GPIB、串口和IEEE 1394）的支持，可以方便得開發RS232通訊程序。測試程序包括人機交互界面（即儀器面板）和測試記錄兩個部分，Labwindows/CVI提供了豐富的控件，可以迅速開發儀器面板，省去了在下位機上開發人機交互界面（主要是指LCD和按鍵），所開發的儀器面板界面如下圖所示：
下位機程序采用linux作為測試儀的操作系統，采用較新的linux-2.6.13內核，使軟件設計模塊化，便于移植。軟件主要包括通訊程序和測試程序兩大部分。通訊程序包括CAN總線通訊程序和USB通訊程序兩個部分，本文主要介紹一下CAN通訊程序。
CAN通訊程序包括SJA1000芯片的初始化、接收數據和發送數據。測試儀上電后進行SJA1000的初始化，該操作必須正確可靠，這是接收數據和發送數據的前提。根據SJA1000的手冊，設計代碼如下：
writesja1000(MODADDR, 0x09);
//設置方式寄存器,進入復位操作以初始化
writesja1000(CDRADDR, 0x88);
//設置時鐘分頻寄存器,選PeliCAN模式
writesja1000(AMR0ADDR, AMR0 );
//設置接收屏蔽寄存器0
writesja1000(AMR1ADDR, AMR1);
//設置接收屏蔽寄存器1
writesja1000(AMR2ADDR, AMR2);
//設置接收屏蔽寄存器2
writesja1000(AMR3ADDR, AMR3);
//設置接收屏蔽寄存器3
writesja1000(ACR0ADDR, ACR0);
//設置接收驗收代碼寄存器0
writesja1000(ACR1ADDR, ACR1);
//設置接收驗收代碼寄存器1
writesja1000(ACR2ADDR, ACR2);
//設置接收驗收代碼寄存器2
writesja1000(ACR3ADDR, ACR3);
//設置接收驗收代碼寄存器3
writesja1000(BTR0ADDR, 0x03);
//設置總線定時器0
writesja1000(BTR1ADDR, 0xFF);
//設置總線定時器1
writesja1000(OCRADDR, 0xAA);
//設置輸出寄存器
writesja1000(RBSAADDR, 0x00);
//設置接收數據緩沖區首地址
writesja1000(TXERRADDR, 0x00);
//清除發送錯誤寄存器
writesja1000(RXERRADDR, 0x00);
//清除接收錯誤寄存器
readsja1000(ECCADDR);
//清除錯誤代碼捕捉寄存器
writesja1000(IERADDR, 0xFF);
//打開中斷使能寄存器
writesja1000(MODADDR, 0x08);
//設置方式寄存器,進入政黨操作模式以收發數據
writesja1000()和readsja1000()是封裝好的底層函數，其具體實現如下：
static void writesja1000(unsigned char addr, unsigned char data)
{
*SJAADDR = addr;
*SJADATA = data;
}
static unsigned char readsja1000(unsigned char addr)
{
*SJAADDR = addr;
return *SJADATA;
}
其中SJADATA、SJAADDR分別是為讀/寫SJA1000的數據或地址所分配的AT91RM9200地址。
接收數據和發送數據均采用中斷來實現，基于中斷的數據處理流程是CAN通訊程序的重點，其具體實現流程如圖4所示：
結束語
與傳統的8/16位單片機測試儀系統相比，本文介紹的測試儀基于32位ARM9處理器，運行速度可高達180MHz，擴展能力強；采用Linux操作系統，軟件更加模塊化，更新和移植更加方便，運行更穩定；采用虛擬儀器技術實現測試儀的操作面板，便于功能擴展，通用性強。在對汽車CAN節點現場測試時，該測試儀運行穩定快速，保證了該產品的順利生產。
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