基于CAN-USB的汽车制动力测试系统设计

荣获“2005年度工控及自动化领域优秀案例”有奖评选 　三等奖 Automobile Braking Force Detection System Based On CAN-USB 朱肖强[1], 陈三宝[1], 霍凤武[2] （[1]武汉理工大学市自动化学院，湖北 武汉 430063）（[2]漳泽电力股份有限公司河津发电分公司，山西 河津043300） ZHU Xiao-qiang[1] ,PEI Hua-Gang[1], HUO Feng-wu[2] [Abstract] Aiming to the need of improving detect technology in Automobile safety test field, this paper designed a suit of the testing system of new type system structure. The system realized a design target of more test variable、faster transmission speed、lower failure rate, by means of adding field-bus technology to Automobile braking test system. [Keywords] Braking Test;CAN；USB；Driver [中图分类号] TP274+.2 [文献标识码]B 0. 概述 汽车制动力检测是机动车安全检测的重要项目之一，是指汽车在行驶中能人为地强制降低行驶速度并根据需要停车的能力。制动性能的优良与否直接关系到汽车性能的安全性。随着电子技术和机械加工工业的发展，在传统检测方法的基础上，逐步发展成现代汽车诊断与检测技术。 利用先进的计算机测试技术，构建测试系统，并把CAN总线和USB总线引入汽车安全综合性能检测领域，具有十分重要的意义。本文是在相关项目的实施过程中，为了改善传统的基于RS232/485非总线结构系统通信速率低下，系统可靠性比较低的行业现状，把CAN总线用于汽车安全性能检测，特别是在制动力检测项目中，实现了采集点数多，传输速度快，故障率低的效果。 1．制动力检测系统总体设计 制动试验台分反力式制动试验台、平板式制动试验台及惯性式制动试验台 3 种，其中又以反力式制动试验台最为普遍。本测试系统正是基于带有第三滚筒的反力式制动试验台的基础上，进行的系统开发。系统整体结构如图1所示： 图1汽车制动力测试系统整体结构图 测试系统硬件部分主要由两部分组成，一个基于CAN总线的数据采集终端（包括单独的光电隔离板与放大电路）与一个USB-CAN转换器。另外，本系统为设计了独立的“频率阀”模块，可以设置当第三轴转速在一定的速率的时候，发出一定时延的高电平信号。 2．系统硬件设计 2．１主测试系统硬件设计 PIC18F458是一款低价格、高性能的8位单片机芯片，它处理能力强，指令同期短，运算能力高达10MIPS，具有SPI总线接口、CAN总线接口、异步串行接口、FLASH存储器等强大的功能。 PIC18F458的片内CAN总线控制器模块能支持CAN1.2、CAN2.0A、CAN2.0B协议的现行版本。片内CAN控制器与总线驱动器MCP2551之间加入6N137光耦合器不仅可以提高系统性能，还可以使本系统能连入DeviceNet 总线网络上，使本系统具有较大的系统移植扩展能力。 为了保证系统在单机的时候可以独立工作，系统留出了人机接口模块，在用于工业显示时，大尺寸数码管由于直观耐用，易于维修替换，所以，本系统采用大尺寸数码管作为系统的独立显示部分，这样改良了国外MAHA(德国)生产的指针式仪表的读数困难问题。主测试系统结构如图２．１所示： 图2.1 制动力测试系统硬件结构框图 一般来说检测系统要根据检测精度的要求和信号变化速率选择具有合适分辨率和转换时间的模数转换器件。滚筒反力式汽车制动检验台（GBT13564-2005）检测标准中关于制动力检测精度规定检测允许误差为 22.5N，本系统中制动台单边最大量程为 30000N 误差为 22.5N，而1/1334<22.5/30000<1/1333，所以从分辨率的角度选取 12 位 AD 芯片即可满足要求。在制动力的数据采集过程中，采集点的疏密（采样速率）也会影响制动力最大值的正确判定。采样点过密，不利于有效地滤除外界干扰信号，让干扰信号叠加在制动力信号上，在波形曲线上形成“毛刺”，会使所判断的最大制动力产生偏差。采集点过稀，又无法反映制动全过程的全貌，所判断的制动力将偏小。因此，制动力增长时间一般只有在一秒钟之内，而且要求准确的反映制动力曲线，这个区间至少应有几百个数据采样点，加之数字滤波的要求，则需要 1000个以上的采样点，即要求转换时间不得大于 0.5ms。所以从转换时间的角度应选取快速 AD 芯片。 根据以上分析，本系统中采用 MAX1270可以达到上述要求。MAX1270是MAXIM公司生产的 12 位逐次逼近快速 A/D 转换器，其非线性误差小于±1/2LSB，最大转换时间 6.6μs。MAX1270 内部设有三态数据输出锁存器，因而可直接与各种典型的 8 位或 16 位微处理器相连，而无需外接元器件就可独立完成 A/D 转换功能，应用非常方便。 2．２ CAN-USB总线桥硬件设计 为了在保证可靠性的前提下，最大限度的节约设计成本，CAN-USB总线桥的设计选择使用PIC18F258和FTDI公司的FT245BM来实现USB和CAN总线间的信息转换。与PIC18F458一样，PIC18F258最高可运行于40MHz的系统时钟下，提供快速的信息传递。FTDI公司的FT245BM USB FIFO芯片提供 8M bits/sec USB 总线接口，并且有384 byte的 FIFO 发送缓冲和128 Byte FIFO 接收缓冲。使用Microchips 公司串行 EEPROM 93C46B 为FT245BM 提供用于存储PID（Product ID）等参数的空间。本总线桥完全兼容USB1.1和USB2.0标准。FT245BM的模块结构如图２.２所示： 图2.2 FT245BM的模块结构图 ３.系统软件设计 汽车制动力测试系统软件构成主要有四部分，包括：1、带CAN接口的数据采集终端软件部分；2、CAN-USB总线桥软件部分；3、USB和上位机接口驱动程序；4、上位机管理程序。 数据采集终端软件系统和总线桥的开发平台为美国的Microchip公司的ＭPIDE v7.30集成编译环境与日立公司的PICC18 v8.20PL4,使用Ｃ语言进行开发，大大的提高了系统的可移植性。在算法中设计了多种数字滤波算法，保证最大限度的制动力平滑度。而且由于制动采集时间比较短，所以，采用查询的算法进行AD转换。在工程中，经常会出现系统需要升级维护的场合，在CAN-USB总线桥和CAN终端中，都植入了设计好的Bootloader程序，这样，在系统易用性得到提高的同时，可以一定程度上增加系统的可升级性。 3.1 数据采集终端程序设计 系统程序由于采用C语言与部分汇编语言嵌套的方式编写，主程序各部分以模块化的方式开发，很大程序上增强了系统的可移植性，部分代码可以不加修改的用于相关单片机项目的开发。程序流程如图3.1所示. 图3.1 数据采集终端系统软件流程图 3.2 USB驱动程序开发 开发驱动程序首先要进行开发工具的选择,目前应用广泛的工具主要有微软公司提供的Windows DDK(Device Driver kit)和NuMega公司开发的VtoolsD及DriverWorks这两类。DriverStudio是一个大的开发工具包，由于使用它开发WDM比用DDK更加简单，易用，所以，本系统使用DriverStudio v3.2进行的驱动程序的开发。 3.3 上位数据处理软件开发 上位机数据处理软件应用程序是基于VC6.0++与SQL2000 进行开发的, 对USB设备的读取使用开发的驱动程序, 实现USB 外设的底层操作, 从而实现IPC 机（工控机）与测试系统的数据通信功能。值得注意的是:在工业现场测试的过程中，可以利用系统留有的ICD2接口方便的进行各种底层软件的调试，在极端情况下，可以通过USB接口，把修改后程序直接下载到本系统中。 4.总结 本文设计的CAN-USB总线桥为了实现CAN 总线到PC机的数据传输而设计的, 使用该接口以后整个测试系统运行稳定, 数据传输速度快, 系统的实时性好; 而且系统简单实用, 扩展性好。为机动辆检测线所用的智能仪表的开发提供一种新的思路; 另外，本系统提供一整套从CAN终端到上位机检测系统的实现方法，在类似的工业状况下，经过简单的修改，即可直接应用，大大提高了本系统的社会应用价值。 参考文献： [1].Philips.Data Sheet Of CAN Controller SJA1000,1997 [2].赵祥模.分布式网络化汽车综合性能自动测控系统研究与实现.长安大学，2003 [3].徐欢海、朱名铃、桓水兴，分布式汽车检测控制管理系统，《交通与计算机杂志》，2005 [4].史久根.CAN数据传送的实时性研究及其应用.信息与控制,2004(3)