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    监控系统设计标准_基于S3C44BOX的汽车监控系统的设计

    时间：2020-03-03 08:05:18来源：百花范文网本文已影响人

    (内蒙古科技大学，内蒙古 包头 014000)
    摘 要：
    文章构建了监控系统体系，重点分析了状态监测与数据采集系统的实现，论证了系统 抗干扰措施，同时采用Samsung公司的ARM7系列芯片S3C44B0X为主控制器，以移植的μC/OS- II嵌 入式操作系统为开发平台，构建在汽车领域应用广泛的CAN总线监控通信网络，开发了具有 实时数据采集、实时显示、故障报警等功能的监控系统。
    关键词：CAN总线；
    微处理器；
    嵌入式系统
    中图分类号：U46  文献标识码：A  文章编号：1007—6921(2009)22—0078—02

    随着科学技术的飞速发展，汽车上的电子装置越来越多，从发动机控制到传动系控制，从行 驶、制动、转向系控制到安全保证系统及仪表系统。怎样保证众多汽车电器设备工作在正常 状态，实现电子控制系统动态共享信息资源、实时处理信息等问题，汽车状况监测和维修是 个重要的环节。针对国内汽车检修实行“定期检修”或“故障之后检修”机制，很难保障汽 车行驶安全的概念。本文采用性能优越的CAN总线建立的汽车监控通信网络，结合状态监测 与数据采集系统研制过程，开发了具有实时监控、及时数据处理、故障报警等功能的系统。


    1 系统原理分析

    本系统通过将汽车运行过程中主要设备的电参数如：车速、发动机转速、水温、油温、燃油 量、油耗、蓄电池电压等，进行实时采集，并与设定的极限值进行判断，如果参数超限，系 统就以报警的方式通知驾驶员发生的故障信息，同时以较高密度对该参数以及相关设备中相 关参数进行采样，并将故障的采样数据以无线通信的方式传输到汽车维修部门，汽车主要设 备的运行参数长期积累后，便可对其进行综合分析。

    根据功能分析，整个监控系统由状态监测与数据采集、无线数据通信系统、信息处理与故障 诊断专家系统三部分组成，状态监测与数据采集用于汽车设备运行参数的实时监测与采集、 数据处理与关键故障报警；
    信息处理与故障诊断专家系统用于将汽车各设备进行建模，并将 所采集的汽车上的各项参数在所建立的模型中进行综合分析，从而得出汽车发生的故障类型 或者潜在的故障隐患，进而给出合理有效的维修方法与程序；
    而无线数据通信系统的作用是 进行以上两个子系统的通信。系统的组成如图1所示。本文主要介绍了状态监测与数据采集 系统，它是整个监控系统的基础与核心，主要由微机控制子系统，人机交换子系统、信号采 集子系统组成。
    2 基于S3C44B0X微处理器的状态监测与数据采集系统实现方案

    状态监测与数据采集系统主要是根据汽车运行环境、汽车各主要设备布置情况、汽车现有自 动化设备安装情况，并考虑到系统实用性和日后扩展和改进的方便性，采用模块化的方式设 计而成的。
    2.1 CAN总线技术

    CAN总线最初是由德国BOSCH公司为解决汽车监控系统中的诸多复杂技术和难题而设计的数字 信号通信协议，它属于多主总线式串行通信网络。CAN上的节点数最多可达110个，由于其安 全性高、通讯可靠性和实时性好，简单实用，网络成本低，近年来CAN总线已经发展成为车 辆电子系统的主流总线，被公认为最有前途的几种网络联接方式之一。 

    在大部分的高档轿车中，控制电路采用两条CAN总线，即驱动系统CAN总线和车身系统CAN 总 线，这两总线能够完全满足ISO的定义。驱动系统CAN总线，其通信速率为500 kbps，被称为 高速CAN，其连接对象为汽车动力和传动机构的控制单元、汽车发动机控制单元、自动变速 器控制单元、防抱死制动控制（ABS）单元、安全气囊控制单元等。而车身系统CAN总线，其 通信速率为100 kbps，被称为低速CAN 或舒适系统CAN，低速总线的控制对象主要是低速电 机、电磁阀和开关量器件，它们对信息传输的实时性要求不高，但数量较多。
    2.2 ARM微处理器与CAN网络系统的接口 

    为了完成监控系统对各个单元节点的数据采样，将两条高、低速CAN总线分别与微机控制系 统相连，实现不同传输速度的网络节点的接入；
    而对于汽车上传感器和仪表位置特点，采用 局部专线网通过总线接口接入骨干数字网，这部分的数据信息可通过数据采集卡、调整电路 转化成数字信号，作为一个节点连入CAN总线；
    同时对于主体的数字总线网络中结合少量专 线连接的模拟线路，如点火、油路控制、启动等离散的控制指令就可以由主控制器通过专线 向执行装置传输，以此分别实现了信号采集子系统与微机系统之间的通信。
    2.2.1 CAN网络中信号采集节点的设计
    2.2.11 CAN控制器的选取。为了系统进一步扩展的需要，选用支持CAN2.0B通信协议的 单片机作 为节点控制核心，以增加节点的控制功能，增强系统控制的灵活性以及提高系统的可靠性。

    选用内部集成了CAN控制器P87C591单片机。
    2.2.1.2 CAN收发器。CAN总线驱动器提供了CAN控制器与物理总线之间的接口，是影响 系统网络性 能的关键因素之一。只有通过CAN总线驱动器才可实现多节点网络在强干扰环境下的有效通 信。PCA82C250是PHILIPS公司的CAN控制器和物理总线间的接口，提供对总线的发送和接收 能力。
    2.2.1.3 光电隔离及多路选择、滤波电路。为了进一步提高系统的抗干扰能力，在控制 器P87C591 和收发器PCA82C250之间增加了由高速隔离器件6N137构成的隔离电路。针对不同信号类型及 信号数量，选用多路选择电路、滤波电路。
    节点与CAN总线的接口设计见图2。

    
    2.2.2 微机控制系统的设计与实现

    微机控制系统模块由32位ARM7系列S3C44B0X微处理器， SJA1000 CAN控制器， PCA82C250 C A N 驱动器等主要部分构成。用于实现与系统信号采集子系统与人机交互子系统通信。人机交 互子系统主要包括LCD显示模块、薄膜键盘模块两部分构成。显示模块由LCD显示驱动器、LC D显示屏、夜间照明电路、负压发生电路等组成，它主要完成微处理器S3C44B0X决定要显示 的数据，并在当司机进行操作时显示提示信息，薄膜键盘提供了一个系统与人之间的界面， 由微处理器直接管理。
    3 监控系统软件研究

    传统的系统软件设计中，通常采用前后台系统。由于存在处理信息及时性差等缺点，大型嵌 入式系统或应用程序复杂的情况下，一般采用移植嵌入操作系统并在此基础上开发应用软件 的方式。嵌入式操作系统是针对不同处理器优化设计的高效率实时多任务内核，本质上是一 段嵌入在目标代码中的程序，系统复位后首先执行，相当于用户的主程序；
    用户的其他应用 程序都建立在实时操作系统（RTOS）之上，由RTOS合理分配各自占用的CPU时间。本文采用 的是μC/OS-Ⅱ嵌入式操作系统。

    μC/OS-Ⅱ仅仅是一个基于优先级的多任务实时内核。要实现完整、实用的嵌入式实时多任 务操作系统，还要进行相应的扩展工作。
    3.1 CAN应用程序接口（API）函数的编写

    利用CAN总线进行通信的应用程序，首先建立API函数，包括：CAN节点初始化、报文发送和 报文接收，这都离不开对SJA1000的访问。在读写时，由于3C44B0处理器的地址和数据总线 是分开的，而SJA1000的地址与数据总线是8位分时复用的。所以只有采用先向SJA1000的8位 地址数据总线上送出地址，然后再送数据或者读数据的方式。SJA1000的写子程序为：

    void WriteData(unsigned int data，unsigned int ddr)

    {

    unsigned char temp；

    temp=addr〉〉2；
    ／／将32位地址右移2位，temp的低8位即为SJA1000实际地址

    outport(temp，addr)；
    ／／将地址信息作为数据送往SJA1000数据总线
    IO_PData=0x32；

    ／／ALE=0，让SJA1000将该地址锁存

    outport(data，addr)；

    ／／将数据信息送往SJA1000数据总线
    IO_PData=0x33；
    ／／将ALE置高电平
    }

    SJA1000寄存器读子程序与之相似，由此可以完成对CAN节点初始化、CAN发送、CAN接收 函数的编写。均可通过调用SJA1000读、写子程序完成。

    CAN节点初始化主要对SJA1000的初始化，包括工作方式的设置、接收滤波方式的设置、波特 率参数设置等。

    boolCANInit( int portadd， unsigned char *portID， unsigned char  *IDMask， unsigned char time0， unsigned char time1)
    CAN发送、CAN接收函数这里不再说明。
    3.2 实时任务的处理

    根据本系统需要实现的功能可以划分成四个任务：
    “数据接收”任务接收来自信号采集系 统和人机交互系统子的数据；
    “数据处理”任务完成将接收到数据进行格式转换、报文填充 等处理，并根据部件状况决定是否向无线通信系统传输所采集的数据；
    “数据发送”任务的 功能为将需要传输的数据传送至无线通讯模块的任务；
    “操作显示”是对人机交互子系统进 行操作的任务。要使各任务能够协同工作，之间能够完成通信任务，采用了μC/OS-Ⅱ提供 的信号量机制。在数据接收与数据处理任务间设置了信号量1，在数据处理与数据发送任务 间设置了信号量2，在数据处理与操作显示任务间设置了信号量3。数据处理任务的流程图如 图3所示。其他任务实现这里不再赘述。
    4 抗干扰技术在系统中的应用

    由于汽车实际工作环境中存在的电磁干扰，从两方面来采取措施。首先在软件设计考虑以下 几个问题：①软件设计的过程中使功能模块尽量设计短小，以使其运行时间尽可能短；

    ②采取了适当算法抑制加在模拟输入信号上噪声的影响，如数字滤波技术；
    ③对由干扰而 使程序发生混乱，导致程序乱飞或陷入死循环的情况，采取措施使程序进入正常的轨道而避 免系统死机，如软件冗余、“看门狗”技术等。其次对于系统中的硬件部分，选用高速光电 隔离芯片6N137，将I/O信号与SJA1000隔离，有效防止了噪声信号通过SJA1000传入微控制器 ，提高了系统可靠性；
    本设计还对整个系统进行了金属屏蔽，传输线采用屏蔽双绞线，以减 少电磁干扰，以上这些试验结果表明，监控系统的抗干扰性能显著加强。
    5 结束语

    由于汽车状态监测系统处理的数据量大，关系复杂，所以在微机控制系统中探索性地应用了 基于ARM架构的32位CPU S3C44B0X以及嵌入式操作系统μC/OS-Ⅱ。研究与试验均表明，这种 组合不但可以满足对速度与精度的要求，且可大大简化程序设计，系统稳定性高，系统可扩 展性强。本论文所述的汽车状态监测系统可以在不影响汽车上原有设备正常工作的条件下， 将汽车上各种关键设备的运行参数进行采集，并将其按“设备是否正常”向无线通信系统传 输。在测量精度、传输速度、控制实时性等方面均有良好性能。

    
    ［参考文献］
    ［1］ 阳宪惠工业数据通信与控制网络［M］．北京：清华大学出版社，2003.
    ［2］ 饶运涛，邹继军，郑勇芸．现场总线CAN原理与应用技术［M］．北京：北京航 空航天大学出版社，200314～16.
    ［3］ 邬宽明CAN总线原理和应用系统设计［M］．北京：北京航空航天大学出版社 ，1996.
    ［4］ Jean. J. Labrosse著，邵贝贝译嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ［M］ .北 京:北京航空航天大学出版社，2003.

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