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一种基于ARM和智能手机的蓝牙CAN分析仪设计

作者:时间:2017-10-21来源:网络

  针对CAN总线通信质量、测试和验证的需要,以及传统CAN分析仪的复杂性,且必须选择PC机作为显示终端的不足,论证了一种基于单片机和的CAN总线分析仪设计。该分析仪采用以单片机为核心的硬件电路完成对CAN网络的实时数据收集和监控;采用蓝牙通信方式实现分析仪与的通信并以为终端完成数据分析。文章对分析仪硬件、软件和智能手机页面进行了具体设计,提出了一种新的波特率自动检测方法,最后给出了所设计的 CAN总线分析仪的实际试验结果,可实现CAN总线波特率自动检测、正常监测以及CAN总线状态分析的功能。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201710/367006.htm

  CAN(controller area network)控制器局域网络是一种实时性强、灵活性好、标准化程度高的串行数据总线,广泛应用于汽车电子、工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等领域。其测试设备CAN网络分析仪成为开发者的必备设备。借助使用方便的CAN总线分析仪,能够快速找到CAN总线系统在使用中出现的设计不周或异常干扰问题,并将故障和问题排除。

  传统CAN分析仪需要将电脑通过USB连接到CAN分析仪上,再通过DB9接口将被测总线连接到 CAN分析仪上。由于CAN总线是一种流行于车辆行业的现场总线,这样的调试方法对于需要路测的车辆就会显得不太方便,很难保证能够正常工作。同样,在工业控制领域,传统的CAN分析仪由于两段都有连线,在线束较多的工业现场可能会造成一定的混乱。此外,当今使用CAN总线的设备为了保证安全性,有时不止 1根总线,传统的分析仪至多有2个接口,也就意味着想要同时测试2个以上CAN总线时就需要2个USB接口,如果这2条CAN总线相距较远则需要较长的 USB连接线。为此,这里介绍一种成本低、体积小、结构简单、实现无线调试和对环境要求低的蓝牙CAN总线分析仪。

  1 硬件设计

  1.1 总体设计

  针对传统CAN分析仪的各种缺点,本文提出了以智能手机代替PC机作为显示终端,使用蓝牙无线传输替代USB电缆传输,并且自带锂电池的新型CAN分析仪。总体设计结构如图1所示。

  

  图1 蓝牙CAN分析仪总体设计框图

  由于CAN分析仪是一种波特率较高的通信协议,且对通信质量分析和故障定位需要复杂的运算处理,所以本文提出的蓝牙CAN分析仪在整体设计中包含3个部分:一部分是以为处理核心的处理主板,负责CAN总线波特率检测、数据采集以及蓝牙通信信号发射;第二部分是锂电池,负责给主板提供电源,锂电池电压为 5V,容量为3 000mAh,尺寸为11.6mm X42mm×69ram,可保证系统工作lOh以上;第三部分为智能手机,负责接收CAN总线数据以及对数据的处理。

  1.2 主板设计

  主板上有4个模块,分别为隔离CAN接口模块、ARM处理器模块、蓝牙串口模块、电源电路模块。设计框图如图2所示,实物图如图3所示。

  隔离CAN接口模块负责将ARM的数据发送到CAN总线上,并将CAN总线上的数据发送给ARM处理器。

  

  图2 主板系统设计框图

  

  图3 主板买物图

  ARM 处理器模块是本分析仪的核心,采用NXP公司的LPC2119处理器。LPC2119是基于一个支持实时仿真和跟踪的16/32位ARM7TDMI- STM CPU,带有128KB嵌入高速Flash存储器,并内部集成2个CAN控制器。其主要特点是:单个总线上的数据传输速率高达1MB/s;32位寄存器和 RAM访问;兼容CAN2.0B,IS011898.1规范;全局验收滤波器可以识别所有的11位和29位标识符;验收滤波器为选择的标准标识符提供 Full CAN-style自动接收。它主要负责将CAN总线上的数据进行处理,然后通过蓝牙串口发送到手机,此外,ARM模块还负责检测未知CAN总线上的波特率,并发送给手机端。

  蓝牙串口模块负责ARM与手机交换数据,其串口的通信速率达到1 382 400bps。电源模块负责为各个模块供电。

  2 软件设计

  软件是蓝牙CAN分析仪的关键。根据硬件系统结构,软件包括两个部分,即运行于ARM处理器的波特率检测以及数据传输软件;运行在智能手机上的CAN分析仪操作界面。对于运行在ARM处理中的软件,本文着重介绍一种新型的波特率自动检测方法。

  2.1 波特率自动检测软件设计

  实现CAN总线和CAN分析仪之间的通信,需有相同的波特率,因而波特率的检测十分重要。当下主流的波特率检测方法是利用应答机制建立的波特率检测方法。其开始时通过试听一些推荐的CAN总线优选波特率,即1Mbit/s,800kbit/s,500kbit/s,250kbit/s,125kbit/s, (100kbit/s),50kbit/s,20kbit/s,10kbit/sHl:若能无故障地接受到完整的CAN消息,说明波特率检测成功;如果 CAN总线的波特率不是优选波特率,则可以通过主机和CAN总线的应答来测定波特率。此种检测方法速度慢,存在一定误差且对被测网络有一定影响。

  针对采用应答机制设定的波特率检测方法的缺点,本文提出了一种新的自动波特率检测方法。本自动波特率检测系统巧妙地利用了ARM处理器的中断端口,将CAN 总线上的波形记录到ARM处理器内,然后对获得的波形进行分析,得出系统的波特率。其检测速度快(小于200ms),检测准确(得出的波特率为一个精确值,而非范围值),不向被测网络发送数据,并且成本很低,无须增加任何芯片。

  具体实现方法是:硬件方面,将隔离CAN接口的 RX引脚接到ARM的定时器捕获端口。在软件方面,首先将RX引脚相邻两个上跳变和下跳变的间隔周期都记录下来;其次将周期数据排序,数据应呈阶梯状;然后将数据按阶梯分段并求出每个阶梯的中位数,第一个阶梯为1位数据的持续时间,第二个阶梯为2位数据的持续时间……以此类推。由于CAN总线不会连续6位出现相同电平,因此阶梯只有5阶,且第二个数据等于第一个数据的2倍,第三个数据等于第一个数据的3倍,以此类推。根据这个特性可以校验数据并调整最终获得的1位数据的持续时间。最终的波特率即为1位持续时间的倒数。流程图如图4所示。

  

  图4 波特率检测流程图

  2.2 智能手机界面设计

  智能手机界面的设计采用Eclipse。Eclipse是一个开放源代码的、基于Java的可扩展开发平台,它只是一个框架和一组服务,用于通过插件组件构建开发环境,并附带了一个标准的插件集,包括Java开发工具。手机运行界面如图5、图6所示。

  

  图5 软件运行界面

  

  3 实验验证

  为了验证本蓝牙CAN分析仪的设计效果,构建了1个包含以ARM为核心的主板、锂电池、智能手机(安装了安卓系统)、模拟被测系统的USB-CAN的测试系统,然后进行实际测试。测试流程图如图7所示。

  

  图7 实际测试流程图

  实际测试系统如图8所示。实际测试显示,在模拟CAN总线上只要有数据的流通,针对不同的CAN总线的波特率设置,本文设计的蓝牙CAN分析仪能够准确、快速地自动检测波特率且能实现数据的接收和发送。

  

  图8 实际测试系统图

  4 结束语

  通过构建以NXP公司LPC2119为核心的处理器、智能手机为基础的硬件系统、蓝牙作为信息传递方式以及相应软件设计,能够实现CAN总线的波特率自动检测以及数据接收与发送,验证了蓝牙CAN分析仪的正确性。蓝牙CAN分析仪的实现,其操作简单、携带容易、抗震性能好等特点将为CAN总线开发工程师提供极大的便利;同时可以发现,进一步加强软件的设计与优化,该分析仪还能提供对CAN总线更多更有价值的信息。



关键词: 智能手机 ARM

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