基于ARM單片機和智能手機的CAN總線分析儀設計

針對CAN總線通信質(zhì)量、測試和驗證的需要，以及傳統(tǒng)CAN分析儀的復雜性，且必須選擇PC機作為顯示終端的不足，論證了一種基于ARM單片機和智能手機的CAN總線分析儀設計。該分析儀采用以ARM單片機為核心的硬件電路完成對CAN網(wǎng)絡的實時數(shù)據(jù)收集和監(jiān)控；采用藍牙通信方式實現(xiàn)分析儀與智能手機的通信并以智能手機為終端完成數(shù)據(jù)分析。文章對分析儀硬件、軟件和智能手機頁面進行了具體設計，提出了一種新的波特率自動檢測方法，最后給出了所設計的CAN總線分析儀的實際試驗結果，可實現(xiàn)CAN總線波特率自動檢測、正常監(jiān)測以及CAN總線狀態(tài)分析的功能。

CAN(controllerareanetwork)控制器局域網(wǎng)絡是一種實時性強、靈活性好、標準化程度高的串行數(shù)據(jù)總線，廣泛應用于汽車電子、工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設備、工業(yè)設備等領域。其測試設備CAN網(wǎng)絡分析儀成為開發(fā)者的必備設備。借助使用方便的CAN總線分析儀，能夠快速找到CAN總線系統(tǒng)在使用中出現(xiàn)的設計不周或異常干擾問題，并將故障和問題排除。

傳統(tǒng)CAN分析儀需要將電腦通過USB連接到CAN分析儀上，再通過DB9接口將被測總線連接到CAN分析儀上。由于CAN總線是一種流行于車輛行業(yè)的現(xiàn)場總線，這樣的調(diào)試方法對于需要路測的車輛就會顯得不太方便，很難保證能夠正常工作。同樣，在工業(yè)控制領域，傳統(tǒng)的CAN分析儀由于兩段都有連線，在線束較多的工業(yè)現(xiàn)場可能會造成一定的混亂。此外，當今使用CAN總線的設備為了保證安全性，有時不止1根總線，傳統(tǒng)的分析儀至多有2個接口，也就意味著想要同時測試2個以上CAN總線時就需要2個USB接口，如果這2條CAN總線相距較遠則需要較長的USB連接線。為此，這里介紹一種成本低、體積小、結構簡單、實現(xiàn)無線調(diào)試和對環(huán)境要求低的藍牙CAN總線分析儀。

1硬件設計

1．1總體設計

針對傳統(tǒng)CAN分析儀的各種缺點，本文提出了以智能手機代替PC機作為顯示終端，使用藍牙無線傳輸替代USB電纜傳輸，并且自帶鋰電池的新型CAN分析儀?？傮w設計結構如圖1所示。

圖1藍牙CAN分析儀總體設計框圖

由于CAN分析儀是一種波特率較高的通信協(xié)議，且對通信質(zhì)量分析和故障定位需要復雜的運算處理，所以本文提出的藍牙CAN分析儀在整體設計中包含3個部分：一部分是以ARM為處理核心的處理主板，負責CAN總線波特率檢測、數(shù)據(jù)采集以及藍牙通信信號發(fā)射；第二部分是鋰電池，負責給主板提供電源，鋰電池電壓為5V，容量為3000mAh，尺寸為11．6mmX42mm×69ram，可保證系統(tǒng)工作lOh以上；第三部分為智能手機，負責接收CAN總線數(shù)據(jù)以及對數(shù)據(jù)的處理。

1．2主板設計

主板上有4個模塊，分別為隔離CAN接口模塊、ARM處理器模塊、藍牙串口模塊、電源電路模塊。設計框圖如圖2所示，實物圖如圖3所示。

隔離CAN接口模塊負責將ARM的數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上，并將CAN總線上的數(shù)據(jù)發(fā)送給ARM處理器。

圖2主板系統(tǒng)設計框圖

圖3主板買物圖

ARM處理器模塊是本分析儀的核心，采用NXP公司的LPC2119處理器。LPC2119是基于一個支持實時仿真和跟蹤的16／32位ARM7TDMI-STMCPU，帶有128KB嵌入高速Flash存儲器，并內(nèi)部集成2個CAN控制器。其主要特點是：單個總線上的數(shù)據(jù)傳輸速率高達1MB／s；32位寄存器和RAM訪問；兼容CAN2．0B，IS011898．1規(guī)范；全局驗收濾波器可以識別所有的11位和29位標識符；驗收濾波器為選擇的標準標識符提供FullCAN-style自動接收。它主要負責將CAN總線上的數(shù)據(jù)進行處理，然后通過藍牙串口發(fā)送到手機，此外，ARM模塊還負責檢測未知CAN總線上的波特率，并發(fā)送給手機端。

藍牙串口模塊負責ARM與手機交換數(shù)據(jù)，其串口的通信速率達到1382400bps。電源模塊負責為各個模塊供電。

2軟件設計

軟件是藍牙CAN分析儀的關鍵。根據(jù)硬件系統(tǒng)結構，軟件包括兩個部分，即運行于ARM處理器的波特率檢測以及數(shù)據(jù)傳輸軟件；運行在智能手機上的CAN分析儀操作界面。對于運行在ARM處理中的軟件，本文著重介紹一種新型的波特率自動檢測方法。

2．1波特率自動檢測軟件設計

實現(xiàn)CAN總線和CAN分析儀之間的通信，需有相同的波特率，因而波特率的檢測十分重要。當下主流的波特率檢測方法是利用應答機制建立的波特率檢測方法。其開始時通過試聽一些推薦的CAN總線優(yōu)選波特率，即1Mbit／s，800kbit／s，500kbit／s，250kbit／s，125kbit／s，(100kbit／s)，50kbit／s，20kbit／s，10kbit／sHl：若能無故障地接受到完整的CAN消息，說明波特率檢測成功；如果CAN總線的波特率不是優(yōu)選波特率，則可以通過主機和CAN總線的應答來測定波特率。此種檢測方法速度慢，存在一定誤差且對被測網(wǎng)絡有一定影響。

針對采用應答機制設定的波特率檢測方法的缺點，本文提出了一種新的自動波特率檢測方法。本自動波特率檢測系統(tǒng)巧妙地利用了ARM處理器的中斷端口，將CAN總線上的波形記錄到ARM處理器內(nèi)，然后對獲得的波形進行分析，得出系統(tǒng)的波特率。其檢測速度快(小于200ms)，檢測準確(得出的波特率為一個精確值，而非范圍值)，不向被測網(wǎng)絡發(fā)送數(shù)據(jù)，并且成本很低，無須增加任何芯片。

具體實現(xiàn)方法是：硬件方面，將隔離CAN接口的RX引腳接到ARM的定時器捕獲端口。在軟件方面，首先將RX引腳相鄰兩個上跳變和下跳變的間隔周期都記錄下來；其次將周期數(shù)據(jù)排序，數(shù)據(jù)應呈階梯狀；然后將數(shù)據(jù)按階梯分段并求出每個階梯的中位數(shù)，第一個階梯為1位數(shù)據(jù)的持續(xù)時間，第二個階梯為2位數(shù)據(jù)的持續(xù)時間……以此類推。由于CAN總線不會連續(xù)6位出現(xiàn)相同電平，因此階梯只有5階，且第二個數(shù)據(jù)等于第一個數(shù)據(jù)的2倍，第三個數(shù)據(jù)等于第一個數(shù)據(jù)的3倍，以此類推。根據(jù)這個特性可以校驗數(shù)據(jù)并調(diào)整最終獲得的1位數(shù)據(jù)的持續(xù)時間。最終的波特率即為1位持續(xù)時間的倒數(shù)。流程圖如圖4所示。

圖4波特率檢測流程圖

2．2智能手機界面設計

智能手機界面的設計采用Eclipse。Eclipse是一個開放源代碼的、基于Java的可擴展開發(fā)平臺，它只是一個框架和一組服務，用于通過插件組件構建開發(fā)環(huán)境，并附帶了一個標準的插件集，包括Java開發(fā)工具。手機運行界面如圖5、圖6所示。

圖5軟件運行界面

3實驗驗證

為了驗證本藍牙CAN分析儀的設計效果，構建了1個包含以ARM為核心的主板、鋰電池、智能手機(安裝了安卓系統(tǒng))、模擬被測系統(tǒng)的USB-CAN的測試系統(tǒng)，然后進行實際測試。測試流程圖如圖7所示。

圖7實際測試流程圖

實際測試系統(tǒng)如圖8所示。實際測試顯示，在模擬CAN總線上只要有數(shù)據(jù)的流通，針對不同的CAN總線的波特率設置，本文設計的藍牙CAN分析儀能夠準確、快速地自動檢測波特率且能實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。

圖8實際測試系統(tǒng)圖

4結束語

通過構建以NXP公司LPC2119為核心的處理器、智能手機為基礎的硬件系統(tǒng)、藍牙作為信息傳遞方式以及相應軟件設計，能夠?qū)崿F(xiàn)CAN總線的波特率自動檢測以及數(shù)據(jù)接收與發(fā)送，驗證了藍牙CAN分析儀的正確性。藍牙CAN分析儀的實現(xiàn)，其操作簡單、攜帶容易、抗震性能好等特點將為CAN總線開發(fā)工程師提供極大的便利；同時可以發(fā)現(xiàn)，進一步加強軟件的設計與優(yōu)化，該分析儀還能提供對CAN總線更多更有價值的信息。