基于CAN总线的重型卡车嵌入式车载仪表系统设计

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       设计了基于CAN总线的重型卡车车载网络系统。该网络系统由牵引车网段和拖车网段组成,中间通过桥接设备相互连接。主桥接设备是整个网络系统的核心,以嵌入式微处理器S3C2410A为核心,完成了该主桥接设备的硬件结构设计和基于Linux的监测、显示软件设计。

  重型卡车因其具有运输量大、运输成本低等特点,在工程建设、货物运输、城市垃圾清运等方面得到了越来越多的应用。但近年来重型卡车行车时引起的交通事故频繁发生,给人民生命财产安全造成了巨大损失。随着汽车电子技术的快速发展,基于CAN总线的重型卡车车载网络技术已成为保证重型卡车可靠、安全运行的一种有效技术措施[1]。采用分布式网络控制,不仅可以减少线束,而且能够提高各电子控制系统的运行可靠性,实现各子系统之间的资源共享和在线故障诊断。

  目前,国外基于CAN总线技术和J1939协议标准的重型卡车网络系统的研究己经进入商用化阶段,取得了显著的社会经济效益[2]。在国内,一汽、上汽和中国重汽等集团公司相继都在其不同型号的重卡上采用CAN总线技术。但目前国内还没有自主知识产权的成熟产品,基本上还是采用直接引进国外著名汽车电子供应商的产品的方式,很难掌握其关键技术,严重阻碍了我国重型卡车车载网络技术的发展[1]。

  本文设计了一个基于CAN总线的重型卡车车载仪表系统。该车载仪表系统是整个车载网络系统的核心模块,综合应用了CAN总线技术、嵌入式技术和智能仪器等技术,主要实现车况信息的收集与处理、行驶数据记录、通信和显示等功能,不仅为驾驶员判断是否发生故障以及发生故障的状况提供了依据,而且为运输公司的经营和事故处理提供依据。该研究工作对于我国汽车电子技术,特别是重型卡车设备的电子化、网络化发展,参与国际竞争具有积极的促进作用。

1 重型卡车车载网络系统总体设计

  重型卡车通常由牵引车和拖车组成。由于牵引车要挂接一个或多个拖车,并可能需要频繁地卸载和加挂拖车,因而应在牵引车、拖车内各自采用单独的网段,由多网段组成的网络来支持系统工作。如图1所示是本文设计的基于CAN总线的重型卡车车载网络系统的拓扑结构,它由牵引车网段和拖车网段组成。当存在多个网段时,必须有相应的桥接设备提供从一个网段到另一个网段的消息传递功能。各网段的信息通过桥接设备进行报文的转发、过滤、地址转换和重新打包等,从而减少每个子网的数据信息流量,使每个子网工作更有效,也提高了整个网络的效率。

  图1中的网络互连ECU即为实现牵引车网段和拖车网段互联的桥接设备,牵引车端的是主桥接设备(Bridge Master),拖车端的是从桥接设备(Bridge Slave)。在牵引车网段和拖车网段内,各个电子控制单元ECU通过CAN总线与网络互连ECU连接,构成主从式分布式系统,网桥设备作为主节点,各个电子控制单元ECU作为从节点。主节点向从节点发出命令帧,从节点接收到命令帧后向主节点发送响应帧,从而实现数据交换。网桥具有两个CAN通信端口,一方面可以连接同一网段中各个电子控制单元ECU,另一方面可以实现牵引车和拖车之间的报文转发。牵引车的网桥周期地轮询拖车系统中的网桥,当拖车网桥接收到轮询消息时,开始对其网段中的各个电子控制单元ECU进行监测,接收电子控制单元ECU发送的报文信息,并将拖车网段中生成的报文传到牵引车网桥。如果拖车系统已经卸载,牵引车的网段仍然能正常工作,连接拖车网桥的CAN网络处于等待状态,一旦拖车系统被挂接上,便开始对其进行轮询检测。


2 嵌入式车载仪表硬件结构设计

  位于牵引车端的网络互联ECU,即主桥接设备是整个网络系统的核心。它不仅是牵引车的主控设备,也是连接后面的拖车系统的关键设备,整个网络系统的信息在此汇集、处理、存储和显示,据此可以判断发动机的燃油液位是否过低、发动机冷却液温度是否过高、发动机机油压力是否过低以及车灯是否发生故障,将这些故障信息以图形的方式显示出来,使驾驶员能够随时全面地监测卡车运行状态。

  网络互连ECU采用Samsung公司的S3C2410作为微处理器。S3C2410是一款低价格、低功耗、高性能的16/32 bit且具有ARM920T内核的微处理器。主频203 MHz,处理能力完全满足该系统的需要,并且能够方便地移植Linux操作系统,为设计具有良好人机交互界面的车载仪表系统创造了条件。

  整个硬件电路主要包括电源电路、复位电路、时钟电路、存储器扩展电路、液晶显示电路和两路CAN通信接口电路,其基本结构如图2所示。

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