榮獲“2005年度工控及自動化領域優(yōu)秀案例”有獎評選 　三等獎 Automobile Braking Force Detection System Based On CAN-USB 朱肖強[1], 陳三寶[1], 霍鳳武[2] （[1]武漢理工大學市自動化學院，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 [文獻標識碼]B 0. 概述 汽車制動力檢測是機動車安全檢測的重要項目之一，是指汽車在行駛中能人為地強制降低行駛速度并根據(jù)需要停車的能力。制動性能的優(yōu)良與否直接關系到汽車性能的安全性。隨著電子技術和機械加工工業(yè)的發(fā)展，在傳統(tǒng)檢測方法的基礎上，逐步發(fā)展成現(xiàn)代汽車診斷與檢測技術。 利用先進的計算機測試技術，構建測試系統(tǒng)，并把CAN總線和USB總線引入汽車安全綜合性能檢測領域，具有十分重要的意義。本文是在相關項目的實施過程中，為了改善傳統(tǒng)的基于RS232/485非總線結構系統(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，特別是在制動力檢測項目中，實現(xiàn)了采集點數(shù)多，傳輸速度快，故障率低的效果。 1．制動力檢測系統(tǒng)總體設計 制動試驗臺分反力式制動試驗臺、平板式制動試驗臺及慣性式制動試驗臺 3 種，其中又以反力式制動試驗臺最為普遍。本測試系統(tǒng)正是基于帶有第三滾筒的反力式制動試驗臺的基礎上，進行的系統(tǒng)開發(fā)。系統(tǒng)整體結構如圖1所示： 圖1汽車制動力測試系統(tǒng)整體結構圖 測試系統(tǒng)硬件部分主要由兩部分組成，一個基于CAN總線的數(shù)據(jù)采集終端（包括單獨的光電隔離板與放大電路）與一個USB-CAN轉(zhuǎn)換器。另外，本系統(tǒng)為設計了獨立的“頻率閥”模塊，可以設置當?shù)谌S轉(zhuǎn)速在一定的速率的時候，發(fā)出一定時延的高電平信號。 2．系統(tǒng)硬件設計 2．１主測試系統(tǒng)硬件設計 PIC18F458是一款低價格、高性能的8位單片機芯片，它處理能力強，指令同期短，運算能力高達10MIPS，具有SPI總線接口、CAN總線接口、異步串行接口、FLASH存儲器等強大的功能。 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)絡上，使本系統(tǒng)具有較大的系統(tǒng)移植擴展能力。 為了保證系統(tǒng)在單機的時候可以獨立工作，系統(tǒng)留出了人機接口模塊，在用于工業(yè)顯示時，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)結構如圖２．１所示： 圖2.1 制動力測試系統(tǒng)硬件結構框圖 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)換時間的模數(shù)轉(zhuǎn)換器件。滾筒反力式汽車制動檢驗臺（GBT13564-2005）檢測標準中關于制動力檢測精度規(guī)定檢測允許誤差為 22.5N，本系統(tǒng)中制動臺單邊最大量程為 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。在制動力的數(shù)據(jù)采集過程中，采集點的疏密（采樣速率）也會影響制動力最大值的正確判定。采樣點過密，不利于有效地濾除外界干擾信號，讓干擾信號疊加在制動力信號上，在波形曲線上形成“毛刺”，會使所判斷的最大制動力產(chǎn)生偏差。采集點過稀，又無法反映制動全過程的全貌，所判斷的制動力將偏小。因此，制動力增長時間一般只有在一秒鐘之內(nèi)，而且要求準確的反映制動力曲線，這個區(qū)間至少應有幾百個數(shù)據(jù)采樣點，加之數(shù)字濾波的要求，則需要 1000個以上的采樣點，即要求轉(zhuǎn)換時間不得大于 0.5ms。所以從轉(zhuǎn)換時間的角度應選取快速 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)換時間 6.6μs。MAX1270 內(nèi)部設有三態(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立完成 A/D 轉(zhuǎn)換功能，應用非常方便。 2．２ CAN-USB總線橋硬件設計 為了在保證可靠性的前提下，最大限度的節(jié)約設計成本，CAN-USB總線橋的設計選擇使用PIC18F258和FTDI公司的FT245BM來實現(xiàn)USB和CAN總線間的信息轉(zhuǎn)換。與PIC18F458一樣，PIC18F258最高可運行于40MHz的系統(tǒng)時鐘下，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PID（Product ID）等參數(shù)的空間。本總線橋完全兼容USB1.1和USB2.0標準。FT245BM的模塊結構如圖２.２所示： 圖2.2 FT245BM的模塊結構圖 ３.系統(tǒng)軟件設計 汽車制動力測試系統(tǒng)軟件構成主要有四部分，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和上位機接口驅(qū)動程序；4、上位機管理程序。 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語言進行開發(fā)，大大的提高了系統(tǒng)的可移植性。在算法中設計了多種數(shù)字濾波算法，保證最大限度的制動力平滑度。而且由于制動采集時間比較短，所以，采用查詢的算法進行AD轉(zhuǎn)換。在工程中，經(jīng)常會出現(xiàn)系統(tǒng)需要升級維護的場合，在CAN-USB總線橋和CAN終端中，都植入了設計好的Bootloader程序，這樣，在系統(tǒng)易用性得到提高的同時，可以一定程度上增加系統(tǒng)的可升級性。 3.1 數(shù)據(jù)采集終端程序設計 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)，很大程序上增強了系統(tǒng)的可移植性，部分代碼可以不加修改的用于相關單片機項目的開發(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)動程序開發(fā) 開發(fā)驅(qū)動程序首先要進行開發(fā)工具的選擇,目前應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進行的驅(qū)動程序的開發(fā)。 3.3 上位數(shù)據(jù)處理軟件開發(fā) 上位機數(shù)據(jù)處理軟件應用程序是基于VC6.0++與SQL2000 進行開發(fā)的, 對USB設備的讀取使用開發(fā)的驅(qū)動程序, 實現(xiàn)USB 外設的底層操作, 從而實現(xiàn)IPC 機（工控機）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 本文設計的CAN-USB總線橋為了實現(xiàn)CAN 總線到PC機的數(shù)據(jù)傳輸而設計的, 使用該接口以后整個測試系統(tǒng)運行穩(wěn)定, 數(shù)據(jù)傳輸速度快, 系統(tǒng)的實時性好; 而且系統(tǒng)簡單實用, 擴展性好。為機動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終端到上位機檢測系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，在類似的工業(yè)狀況下，經(jīng)過簡單的修改，即可直接應用，大大提高了本系統(tǒng)的社會應用價值。 參考文獻： [1].Philips.Data Sheet Of CAN Controller SJA1000,1997 [2].趙祥模.分布式網(wǎng)絡化汽車綜合性能自動測控系統(tǒng)研究與實現(xiàn).長安大學，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)，《交通與計算機雜志》，2005 [4].史久根.CAN數(shù)據(jù)傳送的實時性研究及其應用.信息與控制,2004(3)