榮獲“2005年度工控及自動(dòng)化領(lǐng)域優(yōu)秀案例”有獎(jiǎng)評選 　三等獎(jiǎng) Automobile Braking Force Detection System Based On CAN-USB 朱肖強(qiáng)[1], 陳三寶[1], 霍鳳武[2] （[1]武漢理工大學(xué)市自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢 430063）（[2]漳澤電力股份有限公司河津發(fā)電分公司，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 [中圖分類號] TP274+.2 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]B 0. 概述 汽車制動(dòng)力檢測是機(jī)動(dòng)車安全檢測的重要項(xiàng)目之一，是指汽車在行駛中能人為地強(qiáng)制降低行駛速度并根據(jù)需要停車的能力。制動(dòng)性能的優(yōu)良與否直接關(guān)系到汽車性能的安全性。隨著電子技術(shù)和機(jī)械加工工業(yè)的發(fā)展，在傳統(tǒng)檢測方法的基礎(chǔ)上，逐步發(fā)展成現(xiàn)代汽車診斷與檢測技術(shù)。 利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)測試技術(shù)，構(gòu)建測試系統(tǒng)，并把CAN總線和USB總線引入汽車安全綜合性能檢測領(lǐng)域，具有十分重要的意義。本文是在相關(guān)項(xiàng)目的實(shí)施過程中，為了改善傳統(tǒng)的基于RS232/485非總線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)通信速率低下，系統(tǒng)可靠性比較低的行業(yè)現(xiàn)狀，把CAN總線用于汽車安全性能檢測，特別是在制動(dòng)力檢測項(xiàng)目中，實(shí)現(xiàn)了采集點(diǎn)數(shù)多，傳輸速度快，故障率低的效果。 1．制動(dòng)力檢測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)分反力式制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)、平板式制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)及慣性式制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái) 3 種，其中又以反力式制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)最為普遍。本測試系統(tǒng)正是基于帶有第三滾筒的反力式制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行的系統(tǒng)開發(fā)。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示： 圖1汽車制動(dòng)力測試系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖 測試系統(tǒng)硬件部分主要由兩部分組成，一個(gè)基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集終端（包括單獨(dú)的光電隔離板與放大電路）與一個(gè)USB-CAN轉(zhuǎn)換器。另外，本系統(tǒng)為設(shè)計(jì)了獨(dú)立的“頻率閥”模塊，可以設(shè)置當(dāng)?shù)谌S轉(zhuǎn)速在一定的速率的時(shí)候，發(fā)出一定時(shí)延的高電平信號。 2．系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 2．１主測試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) PIC18F458是一款低價(jià)格、高性能的8位單片機(jī)芯片，它處理能力強(qiáng)，指令同期短，運(yùn)算能力高達(dá)10MIPS，具有SPI總線接口、CAN總線接口、異步串行接口、FLASH存儲(chǔ)器等強(qiáng)大的功能。 PIC18F458的片內(nèi)CAN總線控制器模塊能支持CAN1.2、CAN2.0A、CAN2.0B協(xié)議的現(xiàn)行版本。片內(nèi)CAN控制器與總線驅(qū)動(dòng)器MCP2551之間加入6N137光耦合器不僅可以提高系統(tǒng)性能，還可以使本系統(tǒng)能連入DeviceNet 總線網(wǎng)絡(luò)上，使本系統(tǒng)具有較大的系統(tǒng)移植擴(kuò)展能力。 為了保證系統(tǒng)在單機(jī)的時(shí)候可以獨(dú)立工作，系統(tǒng)留出了人機(jī)接口模塊，在用于工業(yè)顯示時(shí)，大尺寸數(shù)碼管由于直觀耐用，易于維修替換，所以，本系統(tǒng)采用大尺寸數(shù)碼管作為系統(tǒng)的獨(dú)立顯示部分，這樣改良了國外MAHA(德國)生產(chǎn)的指針式儀表的讀數(shù)困難問題。主測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖２．１所示： 圖2.1 制動(dòng)力測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖 一般來說檢測系統(tǒng)要根據(jù)檢測精度的要求和信號變化速率選擇具有合適分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間的模數(shù)轉(zhuǎn)換器件。滾筒反力式汽車制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)（GBT13564-2005）檢測標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于制動(dòng)力檢測精度規(guī)定檢測允許誤差為 22.5N，本系統(tǒng)中制動(dòng)臺(tái)單邊最大量程為 30000N 誤差為 22.5N，而1/1334<22.5/30000<1/1333，所以從分辨率的角度選取 12 位 AD 芯片即可滿足要求。在制動(dòng)力的數(shù)據(jù)采集過程中，采集點(diǎn)的疏密（采樣速率）也會(huì)影響制動(dòng)力最大值的正確判定。采樣點(diǎn)過密，不利于有效地濾除外界干擾信號，讓干擾信號疊加在制動(dòng)力信號上，在波形曲線上形成“毛刺”，會(huì)使所判斷的最大制動(dòng)力產(chǎn)生偏差。采集點(diǎn)過稀，又無法反映制動(dòng)全過程的全貌，所判斷的制動(dòng)力將偏小。因此，制動(dòng)力增長時(shí)間一般只有在一秒鐘之內(nèi)，而且要求準(zhǔn)確的反映制動(dòng)力曲線，這個(gè)區(qū)間至少應(yīng)有幾百個(gè)數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)，加之?dāng)?shù)字濾波的要求，則需要 1000個(gè)以上的采樣點(diǎn)，即要求轉(zhuǎn)換時(shí)間不得大于 0.5ms。所以從轉(zhuǎn)換時(shí)間的角度應(yīng)選取快速 AD 芯片。 根據(jù)以上分析，本系統(tǒng)中采用 MAX1270可以達(dá)到上述要求。MAX1270是MAXIM公司生產(chǎn)的 12 位逐次逼近快速 A/D 轉(zhuǎn)換器，其非線性誤差小于±1/2LSB，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間 6.6μs。MAX1270 內(nèi)部設(shè)有三態(tài)數(shù)據(jù)輸出鎖存器，因而可直接與各種典型的 8 位或 16 位微處理器相連，而無需外接元器件就可獨(dú)立完成 A/D 轉(zhuǎn)換功能，應(yīng)用非常方便。 2．２ CAN-USB總線橋硬件設(shè)計(jì) 為了在保證可靠性的前提下，最大限度的節(jié)約設(shè)計(jì)成本，CAN-USB總線橋的設(shè)計(jì)選擇使用PIC18F258和FTDI公司的FT245BM來實(shí)現(xiàn)USB和CAN總線間的信息轉(zhuǎn)換。與PIC18F458一樣，PIC18F258最高可運(yùn)行于40MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘下，提供快速的信息傳遞。FTDI公司的FT245BM USB FIFO芯片提供 8M bits/sec USB 總線接口，并且有384 byte的 FIFO 發(fā)送緩沖和128 Byte FIFO 接收緩沖。使用Microchips 公司串行 EEPROM 93C46B 為FT245BM 提供用于存儲(chǔ)PID（Product ID）等參數(shù)的空間。本總線橋完全兼容USB1.1和USB2.0標(biāo)準(zhǔn)。FT245BM的模塊結(jié)構(gòu)如圖２.２所示： 圖2.2 FT245BM的模塊結(jié)構(gòu)圖 ３.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 汽車制動(dòng)力測試系統(tǒng)軟件構(gòu)成主要有四部分，包括：1、帶CAN接口的數(shù)據(jù)采集終端軟件部分；2、CAN-USB總線橋軟件部分；3、USB和上位機(jī)接口驅(qū)動(dòng)程序；4、上位機(jī)管理程序。 數(shù)據(jù)采集終端軟件系統(tǒng)和總線橋的開發(fā)平臺(tái)為美國的Microchip公司的ＭPIDE v7.30集成編譯環(huán)境與日立公司的PICC18 v8.20PL4,使用Ｃ語言進(jìn)行開發(fā)，大大的提高了系統(tǒng)的可移植性。在算法中設(shè)計(jì)了多種數(shù)字濾波算法，保證最大限度的制動(dòng)力平滑度。而且由于制動(dòng)采集時(shí)間比較短，所以，采用查詢的算法進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換。在工程中，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)系統(tǒng)需要升級維護(hù)的場合，在CAN-USB總線橋和CAN終端中，都植入了設(shè)計(jì)好的Bootloader程序，這樣，在系統(tǒng)易用性得到提高的同時(shí)，可以一定程度上增加系統(tǒng)的可升級性。 3.1 數(shù)據(jù)采集終端程序設(shè)計(jì) 系統(tǒng)程序由于采用C語言與部分匯編語言嵌套的方式編寫，主程序各部分以模塊化的方式開發(fā)，很大程序上增強(qiáng)了系統(tǒng)的可移植性，部分代碼可以不加修改的用于相關(guān)單片機(jī)項(xiàng)目的開發(fā)。程序流程如圖3.1所示. 圖3.1 數(shù)據(jù)采集終端系統(tǒng)軟件流程圖 3.2 USB驅(qū)動(dòng)程序開發(fā) 開發(fā)驅(qū)動(dòng)程序首先要進(jìn)行開發(fā)工具的選擇,目前應(yīng)用廣泛的工具主要有微軟公司提供的Windows DDK(Device Driver kit)和NuMega公司開發(fā)的VtoolsD及DriverWorks這兩類。DriverStudio是一個(gè)大的開發(fā)工具包，由于使用它開發(fā)WDM比用DDK更加簡單，易用，所以，本系統(tǒng)使用DriverStudio v3.2進(jìn)行的驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)。 3.3 上位數(shù)據(jù)處理軟件開發(fā) 上位機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件應(yīng)用程序是基于VC6.0++與SQL2000 進(jìn)行開發(fā)的, 對USB設(shè)備的讀取使用開發(fā)的驅(qū)動(dòng)程序, 實(shí)現(xiàn)USB 外設(shè)的底層操作, 從而實(shí)現(xiàn)IPC 機(jī)（工控機(jī)）與測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信功能。值得注意的是:在工業(yè)現(xiàn)場測試的過程中，可以利用系統(tǒng)留有的ICD2接口方便的進(jìn)行各種底層軟件的調(diào)試，在極端情況下，可以通過USB接口，把修改后程序直接下載到本系統(tǒng)中。 4.總結(jié) 本文設(shè)計(jì)的CAN-USB總線橋?yàn)榱藢?shí)現(xiàn)CAN 總線到PC機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸而設(shè)計(jì)的, 使用該接口以后整個(gè)測試系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定, 數(shù)據(jù)傳輸速度快, 系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性好; 而且系統(tǒng)簡單實(shí)用, 擴(kuò)展性好。為機(jī)動(dòng)輛檢測線所用的智能儀表的開發(fā)提供一種新的思路; 另外，本系統(tǒng)提供一整套從CAN終端到上位機(jī)檢測系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法，在類似的工業(yè)狀況下，經(jīng)過簡單的修改，即可直接應(yīng)用，大大提高了本系統(tǒng)的社會(huì)應(yīng)用價(jià)值。 參考文獻(xiàn)： [1].Philips.Data Sheet Of CAN Controller SJA1000,1997 [2].趙祥模.分布式網(wǎng)絡(luò)化汽車綜合性能自動(dòng)測控系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn).長安大學(xué)，2003 [3].徐歡海、朱名鈴、桓水興，分布式汽車檢測控制管理系統(tǒng)，《交通與計(jì)算機(jī)雜志》，2005 [4].史久根.CAN數(shù)據(jù)傳送的實(shí)時(shí)性研究及其應(yīng)用.信息與控制,2004(3)