基于CAN總線(xiàn)接口的健康管理系統設計

傳統工程實(shí)現大多采取單一的點(diǎn)對點(diǎn)通信，相互之間少有聯(lián)系，導致復雜的布局布線(xiàn)。據統計，某型設備布局布線(xiàn)長(cháng)度達2 000 m，電氣節點(diǎn)達1 500個(gè)。無(wú)論從工程成本還是工程實(shí)現看，傳統實(shí)現方法亟待改進(jìn)。

CAN（Controller Area Network）也稱(chēng)控制器局域網(wǎng)，是國際上應用最廣泛的現場(chǎng)總線(xiàn)之一。CAN總線(xiàn)是一種多主串行通信總線(xiàn)，支持分布式實(shí)時(shí)控制，其為多主工作方式，通信方式靈活，且無(wú)需站地址等節點(diǎn)信息。采用無(wú)損仲裁技術(shù)，當多個(gè)節點(diǎn)同時(shí)向總線(xiàn)發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級低的節點(diǎn)主動(dòng)退出發(fā)送，最高優(yōu)先級的節點(diǎn)不受影響繼續傳輸數據，節省了總線(xiàn)沖突的仲裁時(shí)間。

本文設計了一種基于CAN總線(xiàn)接口的健康管理方案，有效解決了傳統工程點(diǎn)對點(diǎn)通信的弊端。通過(guò)描述本系統總體架構、硬件方案和軟件方案，最后給出了仿真與分析結果，證明了本系統的可行性、經(jīng)濟性和工程應用性。

1總體架構

本系統由某型CK520內核主控處理器、兩顆單片機GD32VF103、高速光電耦合器、總線(xiàn)接口電路、溫度傳感器、SPI Flash芯片和PC機組成。主控處理器通過(guò)異步串口與測試計算機連接，同時(shí)主控處理器通過(guò)異步串口與主/備兩顆CAN總線(xiàn)協(xié)議處理器連接，測試計算機上可查看系統的狀態(tài)信息，也可通過(guò)其對單片機進(jìn)行軟件升級等?？傮w結構如圖1所示。

圖1 總體架構

2硬件方案

本系統采用兩顆芯片實(shí)現主/備健康管理方案。由主控芯片控制兩顆單片機的狀態(tài)，通過(guò)異步串口連接，對外健康管理接口為CAN接口。其中健康管理系統基于兩顆RISC-V芯片GD32VF103，實(shí)現主/備功能，確保主CAN接口總線(xiàn)功能異常后，備份CAN接口總線(xiàn)能夠正常工作。主要由主控單元、主健康管理單元、備健康管理單元、芯片間通信單元和軟件升級加載單元組成。硬件設計框圖如圖2所示。

圖2 硬件設計框圖

2.1主控單元

主控單元負責主/備CAN總線(xiàn)處理器的信息同步、軟件加載的控制等。該部分實(shí)現Ymodem協(xié)議、與主CAN總線(xiàn)處理器的交互協(xié)議、與備CAN總線(xiàn)處理器的交互協(xié)議。Ymodem協(xié)議是一個(gè)文本傳輸協(xié)議，常用于在線(xiàn)軟件升級加載。

2.2主健康管理單元

主健康管理單元是用于本系統與外部進(jìn)行數據交互的主要通道。本設計選用兆易創(chuàng )新的GD32VF103實(shí)現健康管理功能，并且完成對系統的溫度值采樣。溫度傳感器選用國產(chǎn)的CT75MMR，這是一款精度在±0.5 ℃的溫度傳感器，溫度值可直接通過(guò)I2C接口讀取。測量的溫度范圍為-40~+125 ℃，靜態(tài)電流僅為1.5 μA，最大電流為10 μA。

本文選用低成本的GD32VF103RB芯片，該芯片基于RISC-V處理器的32位通用微控制器。RISC-V處理器包括3條AHB總線(xiàn)，分別稱(chēng)為I-CODE總線(xiàn)、D-Code總線(xiàn)和系統總線(xiàn)。RISC-V處理器適用于低能耗、小面積的嵌入式應用，具有簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)分支預測、指令預取緩沖區和本地內存等多種高效微架構特點(diǎn)。

該芯片提供了108 MHz的運算主頻，以及高達128 KB的片上閃存和32 KB的SRAM緩存，采用2.6~3.6 V供電，I/O可承受5 V電壓，擁有多達4個(gè)16位通用定時(shí)器、2個(gè)16位基本定時(shí)器和2個(gè)多通道DMA控制器，包括3個(gè)USART、2個(gè)UART、3個(gè)SPI、2個(gè)I2C、2個(gè)I2S、2個(gè)CAN2.0B和1個(gè)USB2.0，以及外部總線(xiàn)擴展控制器，集成了2個(gè)采樣率高達2.6 Msps的12位高速ADC，提供了多達16個(gè)可復用通道，并支持16位硬件過(guò)采樣濾波功能和分辨率可配置功能，還擁有2個(gè)12位DAC，多達80%的GPIO具有多種可選功能，還支持端口重映射。

高速光電耦合器采用GaAsAl紅外發(fā)光二極管與單片集成高速光探測器相耦合。光電耦合器輸入側電信號使發(fā)光源發(fā)光，光的強度取決于激勵電流的大小，當光照到受光器后，因光電效應產(chǎn)生光電流，由受光器輸出，這樣就實(shí)現了電-光-電的轉換。

總線(xiàn)接口電路是一款低電壓CAN總線(xiàn)收發(fā)器，其作為CAN總線(xiàn)的物理層芯片，滿(mǎn)足ISO 11898標準規定。該收發(fā)器提供差分發(fā)送和接收能力，其傳輸速率達到1 Mbps，3.3 V供電電壓，低功耗設計；高輸入阻抗，最多允許接入120個(gè)節點(diǎn)；兼容ISO11898 CAN總線(xiàn)標準；傳輸速率最高可達1 Mb/s；片內集成過(guò)溫保護，支持熱插拔。

2.3備健康管理單元

備健康管理單元用于本系統與外部進(jìn)行數據交互的備份通道，同時(shí)完成對系統的電壓值采樣，通過(guò)單片機自帶的ADC接口功能完成。

3軟件方案

本系統軟件設計采用典型嵌入式軟件設計層次，先實(shí)現各芯片內、外設驅動(dòng)，再實(shí)現上述協(xié)議規范，最后業(yè)務(wù)邏輯調度相關(guān)API實(shí)現完整功能。軟件設計遵循以下原則：層與層之間不能跨層調用；模塊與模塊之間各自獨立，無(wú)依賴(lài)關(guān)系；模塊提供統一的接口供上層調用，模塊的內、外接口分明。軟件架構如圖3所示。

圖3 軟件架構

3.1模塊分層

本系統軟件設計采用模塊化設計，盡量降低各個(gè)軟件模塊的專(zhuān)用性及模塊之間的耦合性，提高軟件模塊的獨立性和可繼承性。

3.1.1硬件驅動(dòng)層

硬件驅動(dòng)層主要與底層接口建立傳輸通道，在本系統中，包含CAN總線(xiàn)接口、UART接口、I2C接口和ADC接口。驅動(dòng)層函數功能如表1所列。溫度傳感器接口函數功能如表2所列。電壓值接口函數功能如表3所列。

表1 驅動(dòng)層函數簡(jiǎn)介

表2 溫度傳感器接口函數簡(jiǎn)介

表3 電壓值接口函數簡(jiǎn)介

3.1.2功能模塊層

功能模塊層主要完成各個(gè)接口數據幀的拆幀解析與組幀發(fā)送。函數簡(jiǎn)介如表4所列。

表4 模塊層函數簡(jiǎn)介

3.1.3業(yè)務(wù)邏輯層

業(yè)務(wù)邏輯層是本文系統的核心，完成各個(gè)功能任務(wù)。函數簡(jiǎn)簡(jiǎn)介如表5所列。

表5 邏輯層函數簡(jiǎn)介

3.2軟件設計

本系統通過(guò)Keil5軟件和CDS軟件對系統功能軟件進(jìn)行編譯調試，設計主要分為Ymodem功能軟件、CAN功能軟件和芯片管理功能軟件。

Ymodem功能軟件主要完成對本系統的軟件文件升級加載，包含傳輸數據收發(fā)、處理和傳輸協(xié)議解析；CAN功能軟件主要完成對外提供健康管理信息，包含CAN數據收發(fā)、處理和CAN協(xié)議解析，為軟件設計的關(guān)鍵和核心；芯片管理功能軟件主要完成各個(gè)芯片間狀態(tài)信息同步及軟件文件的傳輸控制，包含管理數據收發(fā)、解析和處理。

3.2.1Ymodem功能軟件設計

Ymodem功能軟件主要實(shí)現待升級HEX文件的傳輸，主控處理器根據文件名稱(chēng)將文件傳輸至對應的單片機，完成對其軟件文件的加載升級。其數據幀格式如表6所列。

表6 Ymodem數據幀格式

升級流程如下：

①先搜索起始幀，校驗正確后進(jìn)行文件名判斷，若文件名為0001，則表示本地升級文件處理；若文件名為0002，則表示單片機1升級文件處理；若文件名為0003，則表示單片機2升級文件處理。

②繼續搜索數據幀，校驗正確后，根據上一步流程中的處理分支將數據送到對應芯片進(jìn)行存儲處理。

③搜索到結束幀后即表示升級流程結束。

通過(guò)該軟件功能，可方便地對各個(gè)功能芯片進(jìn)行軟件升級，便于后期項目維護。

3.2.2CAN功能軟件設計

CAN功能軟件為本系統軟件設計的關(guān)鍵和核心。本設計參照CAN2.0B規范（即ISO 11898），該規范規定了CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )設計特殊需求，CAN總線(xiàn)接口劃分為應用層、數據鏈路層和物理層[4]。物理層主要實(shí)現bit流編解碼、bit位定時(shí)和同步，以及物理連接接口。數據鏈路層主要實(shí)現用戶(hù)數據分幀和組幀，數據幀編碼、總線(xiàn)仲裁和訪(fǎng)問(wèn)控制、錯誤檢測和通告、應答等。應用層主要處理用戶(hù)業(yè)務(wù)相關(guān)數據。應用層數據幀格式如表7所列。

表7 CAN接口數據幀格式

（1）發(fā)送流程

應用層軟件有數據需要發(fā)送時(shí)，調用數據鏈層發(fā)送接口函數，將數據寫(xiě)入發(fā)送緩沖區。鏈路層根據數據個(gè)數判斷是否需要分幀，若大于8，則按8字節進(jìn)行分幀，最后一幀為結束幀，其余幀為中間幀，然后按照幀格式組成鏈路層報文，驅動(dòng)總線(xiàn)控制器將數據發(fā)送到總線(xiàn)上。

（2）接收流程

在接收端，總線(xiàn)數據進(jìn)入總線(xiàn)控制器輸出鏈路層數據報文，鏈路層對數據幀進(jìn)行解析，完成以下操作：若收到的字節數小于待解析報文長(cháng)度，表示還有后續數據幀待接收，則根據DLC字段值提取相應個(gè)數的應用數據依次存入接收數據緩存區，等待接收下一幀；若收到的字節數等于待解析報文長(cháng)度，表示數據報文接收完畢，則根據DLC字段值提取相應個(gè)數的應用數據，存入接收數據緩存區，推送給應用層處理。

3.2.3芯片管理功能軟件設計

芯片與芯片間通信采用slip幀格式，數據幀格式如表8所示。

表8 SLIP數據幀格式

在組織slip幀時(shí)，在每一個(gè)基本數據幀的首尾各加上一個(gè)端字符（0xC0），封裝成slip幀。在發(fā)送的slip數據幀中，與端字符（0xC0）相同的數據用轉義字符加替代字符（0xDBDC）代替，與轉義字符（0xDB）相同的數據用轉義字符加轉義替代字符（0xDBDD）代替。在接收方，對slip數據幀中的數據作相反的替代處理，即將“0xDBDC”替換為“0xC0”，將“0xDBDD”替換為“0xDB”。

4系統仿真與分析

完成健康管理系統軟硬件設計后，需要對本系統進(jìn)行測試。系統測試前，首先對各部分硬件進(jìn)行檢查調試，確保硬件正確后，將編譯完成的軟件執行碼通過(guò)Keil5軟件和CDS軟件下載到系統。最后通過(guò)上位機軟件或者分析儀對相關(guān)接口數據進(jìn)行仿真和分析。

4.1Ymodem功能仿真

為了測試該功能，將測試計算機與主控處理器的異步串口連接，打開(kāi)計算機上安裝的SecureCRT軟件，然后操作該軟件使用Ymodem功能發(fā)送待升級文件，如圖4所示。

圖4 Ymodem發(fā)送界面

待軟件文件升級完成后，重啟設備可查看軟件文件升級成功。

4.2CAN功能仿真

為測試該功能，通過(guò)CAN總線(xiàn)分析儀測試其收發(fā)數據，將測試計算機與CAN總線(xiàn)分析儀連接，打開(kāi)計算機上安裝的分析儀CANTest軟件，然后將分析儀上的CAN總線(xiàn)接口與本系統對外CAN接口連接進(jìn)行測試。結合CAN接口數據幀格式分析，單片機CAN接口能夠正確收發(fā)協(xié)議幀數據。

4.3芯片管理功能仿真

為測試該功能，將測試計算機與主控處理器的異步串口連接，打開(kāi)計算機上安裝的SecureCRT軟件，每次本系統上電后查看打印信息，如圖5所示。

圖5 軟件信息界面

從圖5中可知，主控處理器可正確獲取各個(gè)芯片上的狀態(tài)信息，因而芯片管理功能正常。

5結 語(yǔ)

本文提出了一種低成本的基于CAN總線(xiàn)接口的健康管理系統設計，給出了總體架構設計，并且對該設計的軟硬件方案進(jìn)行了詳細描述，最后對整個(gè)系統進(jìn)行了仿真和分析。另外，主備CAN接口的設計有效地提升了系統的可靠性，從經(jīng)濟性和實(shí)用性方面考慮，均有明顯優(yōu)勢。

（本文由《單片機與嵌入式系統應用》雜志授權發(fā)表，原文刊發(fā)在2023年第11期）