基于CAN總線的GPS傳感器應用開發(fā)研究

羅發(fā)貴，張 杰，隋良紅

（1.中國測試技術(shù)研究院，四川 成都 610021；2.四川大學制造科學與工程學院，四川 成都 610065）

0 引 言

在汽車運行過程中，經(jīng)常需要知道汽車運行的基本情況，需要測量汽車的運行速度、運行距離、經(jīng)緯度位置以及所在地的海拔等，這些信息對于人車安全具有重要意義。將GPS技術(shù)用于這些參數(shù)的測量，可以達到期望的效果。但由于其測量數(shù)據(jù)量大，而且具有高速變化、不易采集、不易存儲數(shù)據(jù)等缺點，必須要配以高性能的傳輸總線[1]。在這種情況下，基于CAN總線的GPS汽車參數(shù)采集測量方案應運而生。

在本項目中，將CAN總線技術(shù)應用于GPS汽車參數(shù)測量中，并用C8051F500作為主控芯片，把TJA1050作為其外加物理接口。同時輔以按鍵、顯示、存儲等功能，實現(xiàn)汽車行駛參數(shù)的高速采集測量。

1 CAN總線及特點

CAN是一種多主方式的串行通信總線，基本設計規(guī)范要求有高的位速率、高抗電磁干擾性，而且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯誤[2]。當信號傳輸距離達到10km時，CAN總線仍可提供高達50kb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。CAN通信協(xié)議主要描述設備之間的信息傳遞方式，CAN層的定義與開放系統(tǒng)互連模型一致。每一層與另一設備上相同的那一層通信，實際的通信發(fā)生在每一設備上相鄰的兩層，而設備只通過模型物理層的物理介質(zhì)互連[3]。

CAN能夠使用多種物理介質(zhì)，例如雙絞線、光纖等，其中最常用的就是雙絞線。信號使用差分電壓傳送，2條信號線被稱為CAN_H和CAN_L，靜態(tài)時均為2.5V左右，此時狀態(tài)表示為邏輯“1”，也可以叫做“隱性”。用CAN_H比CAN_L高表示邏輯“0”，稱為“顯形”；此時，通常電壓值為：CAN_H=3.5 V，CAN_L=1.5V。CAN總線成本低，具有極高的總線利用率、很遠的數(shù)據(jù)傳輸距離（長達10km）、高速的數(shù)據(jù)傳輸速率（高達1 Mb/s）、可靠的錯誤處理和檢錯機制，發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動重發(fā)，節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動退出總線的功能。

2 GPS系統(tǒng)

GPS系統(tǒng)包括3部分：空間部分（GPS衛(wèi)星星座）；地面控制部分（地面監(jiān)控系統(tǒng)）；用戶設備部分（GPS信號接收機）[4]。GPS衛(wèi)星星座和地面控制部分屬于整個系統(tǒng)的運行維持部分，由美國專門的機構(gòu)維護。通常普通用戶直接使用的僅僅是GPS信號接收機[5]。

GPS信號接收機的任務是：能夠捕獲到按一定衛(wèi)星高度截止角所選擇的待測衛(wèi)星的信號，并跟蹤這些衛(wèi)星的運行，對所接收到的GPS信號進行變換、放大和處理，以便測量出GPS信號從衛(wèi)星到接收機天線的傳播時間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導航電文，實時地計算出測站的三維位置，甚至三維速度和時間[6]。接收機硬件和機內(nèi)軟件以及GPS數(shù)據(jù)的后處理軟件包，構(gòu)成完整的GPS用戶設備[7]。GPS接收機的結(jié)構(gòu)分為天線單元和接收單元2個模塊。

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 系統(tǒng)硬件總體

系統(tǒng)硬件主要是由C8051F500單片機、TJA1050、GPS傳感器、按鍵、顯示、打印、存儲等組成，硬件組成如圖1所示。

圖1中，單片機C8051F500是沒有CAN接口的MCU，需要通過外加TJA1050作為物理通信接口，單片機負責數(shù)據(jù)的處理計算工作，是整個系統(tǒng)的主要部分。TJA1050是控制器區(qū)域網(wǎng)絡（CAN）協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，可以為總線提供不同的發(fā)送性能，為CAN控制器提供不同的接收性能。GPS傳感器是系統(tǒng)的主要傳感器單元，負責對被測量的測量。

3.2 基于C8051F500的CAN實現(xiàn)

Silicon Lab公司的C8051F500單片機內(nèi)部集成了CAN控制器，符合Bosch規(guī)范2.0A（基本CAN）和2.0B（全功能CAN），方便了CAN網(wǎng)絡通信系統(tǒng)的設計。由于C8051F500的高集成度，只需少量外圍測量電路便可組成集數(shù)據(jù)采集、控制和通信功能于一體的單片機系統(tǒng)，同時還可提高系統(tǒng)的整體可靠性。另外，C8051F500內(nèi)核與普通51系列兼容，且指令簡單易學，可縮短系統(tǒng)研發(fā)周期[8]。圖2是基于C8051F500的CAN硬件電路實現(xiàn)原理圖。

圖1 系統(tǒng)硬件組成框圖

圖2 CAN功能節(jié)點組成原理圖

3.2.1 C8051F500單片機

單片機內(nèi)部集成了CAN控制器，其與收發(fā)模塊（CTM1050）共同構(gòu)成CAN節(jié)點模塊。其中CAN控制器包括CAN核、消息存儲器、消息處理器和控制寄存器。由于其MCU無法直接訪問消息RAM，因此有兩組位于控制寄存器的接口寄存器被用來控制CPU對消息RAM的訪問。接口寄存器通過緩存?zhèn)鬏攲⒁獋鬏數(shù)臄?shù)據(jù)，避免了CPU訪問消息RAM時同CAN消息的發(fā)送和接收之間的沖突[9]。在單個傳輸時，一個完整的消息對象或者消息對象的一部分在消息RAM和IFx消息緩沖寄存器之間進行可靠傳輸。

3.2.2 TJA1050高速CAN收發(fā)器

TJA1050是CAN控制器與CAN物理總線之間的接口芯片，是CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，它最初應用于波特率范圍在60 K波特到1 M波特的高速自動化應用中。TJA1050可以為總線提供不同的發(fā)送性能，為CAN控制器提供不同的接收性能。

TJA1050有一個電流限制電路，保護發(fā)送器的輸出級，使由正或負電源電壓意外造成的短路不會對TJA1050造成損壞（此時的功率消耗增加）。TJA1050還有一個溫度保護電路，當與發(fā)送器連接點的溫度超過165℃時，會斷開與發(fā)送器的連接。因為發(fā)送器消耗了大部分的功率，所以這個集成電路的功率消耗和溫度會較低[10]，但是此時IC的其他功能仍繼續(xù)工作。當引腳TXD變高電平，發(fā)送器由關(guān)閉狀態(tài)復位。當總線短路時，尤其需要這個溫度保護電路。

在汽車通電的瞬間，引腳 CAN_H和CAN_L也受到保護，如圖3所示。

圖3 自動的暫態(tài)過程測試電路圖

當引腳 TXD由于硬件和／或軟件程序的錯誤而持久為低電平時，“TXD控制超時”定時器電路可以防止總線進入這種持久的支配狀態(tài)（阻塞所有網(wǎng)絡通信），這個定時器是由引腳TXD的負跳變邊沿觸發(fā)。如果引腳TXD的低電平持續(xù)時間超過內(nèi)部定時器的值，發(fā)送器會被禁能，使總線進入隱性狀態(tài)，定時器由引腳TXD的正跳變邊沿復位。

4 項目軟件設計

在CAN初始化時會打開CAN中斷，即CAN總線上有數(shù)據(jù)要發(fā)送時會產(chǎn)生一個中斷，此時由單片機的MCU來判斷其優(yōu)先級是否為最優(yōu)，若是，則響應其中斷。此時單片機內(nèi)的CAN處理器會控制消息緩存寄存器寫入數(shù)據(jù)，并按照協(xié)議對消息進行處理；等發(fā)送請求中斷產(chǎn)生，響應中斷并發(fā)送處理好的數(shù)據(jù)，此為一次數(shù)據(jù)收發(fā)過程[11]。CAN總線數(shù)據(jù)收發(fā)流程如圖4所示。

4.1 系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)初始化主要包括端口、時鐘和CAN控制器的初始化。其一般步驟如下：

（1）將SFRPAGE寄存器設置為CAN0_PAGE；

（2）將CAN0CN寄存器中的INIT和CCE位設置為‘1’；

（3）設置位定時寄存器和BRP擴展寄存器中的時序參數(shù)；

（4）初始化每個消息對象或?qū)⑵銶sgVal位設置為 NOTVALID（無效）；

（5）將 INIT 位清零。

其初始化部分程序如下：

4.2 收發(fā)程序

系統(tǒng)初始化完成后，在主程序中調(diào)用接收子程序，由接收子程序來響應總線上的消息接收請求命令。接收子程序要比發(fā)送子程序復雜一些，因為在處理接收報文的過程中，還要對諸如總線關(guān)閉、錯誤報警、接收溢出等情況進行處理。下面給出部分接收子程序：

發(fā)送子程序負責節(jié)點報文的發(fā)送，發(fā)送時用戶只需將處理好的待發(fā)送數(shù)據(jù)按特定的格式組合成一幀報文，送入發(fā)送緩存區(qū)中，然后啟動發(fā)送即可。

5 測試實驗與數(shù)據(jù)分析

本項目是基于CAN總線的GPS傳感器應用，用來實時測量汽車運行中的相關(guān)動態(tài)參數(shù)。試驗前，將傳感器天線置于汽車外部（吸附于車頂），通過RF傳輸線與車內(nèi)儀器主機連接。儀器開機啟動后，當汽車運行時，儀器可以測試出汽車實時的行駛速度、里程、所在位置的經(jīng)緯度值、大地坐標以及海拔高度等參數(shù)。經(jīng)過實車道路測試，隨機列舉了4組等精度重復測量數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 實車路試數(shù)據(jù)

由多次重復測量數(shù)據(jù)經(jīng)計算分析，通過標準偏差公式：

式中：Σ——總和；

可知表1中緯度、經(jīng)度、海拔、大地坐標X、Y的穩(wěn)定性分別為：5.776 2×10-10，6.691 67×10-11，0.870 92，0.87093，0.083833。通過該組數(shù)據(jù)，并與更高精度已知數(shù)據(jù)相比較分析后，可以看出系統(tǒng)的測量結(jié)果達到了既定的精度和穩(wěn)定性要求。

6 結(jié)束語

本項目研究成果的實際使用與測試實驗數(shù)據(jù)證明，系統(tǒng)可以達到對汽車經(jīng)緯度、海拔、速度、里程及大地坐標X/Y的準確測量，實現(xiàn)了對汽車動態(tài)運行參數(shù)測量的實時性和靈活性。同時，拓展了基于CAN總線的傳感器在汽車領(lǐng)域中的應用，數(shù)據(jù)傳輸準確靈活，具有較好的實用意義。相比于傳統(tǒng)的傳輸方式，CAN總線減少了數(shù)據(jù)沖突和丟失，提高了信息的準確性和精確度；因此，項目具有較好的工程背景和實際應用價值。

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