基于CAN通信的卡車語音報警器的設計

汽車診斷技術是汽車安全技術中不可缺少的一部分，它能在汽車發(fā)生故障時及時地進行語音報警，避免事故的發(fā)生。CAN即控制器局域網(wǎng)，是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。由于CAN總線技術的優(yōu)良特性，在汽車電氣系統(tǒng)以及其他一些實時控制單元中得到廣泛應用。一種基于CAN總線的通信網(wǎng)絡具有速度高、抗噪性強及通用性好等優(yōu)點。

　　我們設計的基于CAN總線技術的卡車語音報警系統(tǒng)能給汽車乘員提供一個安全的駕乘環(huán)境。該語音報警系統(tǒng)采用了摩托羅拉公司的M68HC908GZ16微控制器，該微控制器尺寸小，資源齊全，具有很高的性價比。

　　CAN總線位定時

　　CAN總線采用同步串行通信方式，數(shù)據(jù)流中的字符與字符之間、字符內部的位與位之間都同步，這就要求收/發(fā)雙方必須以同步時鐘來控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。要在相當長的數(shù)據(jù)流中保持位同步，接收端必須能識別每個二進制位是從什么時刻開始的，這就是位定時。通常為保證接收器時鐘和發(fā)送器時鐘嚴格一致，采用接收器通過解調器從數(shù)據(jù)流中提取同步信號，或者接收器和發(fā)送器使用統(tǒng)一的時鐘的方法。但是即便這樣，仍然很難解決總線傳輸延時問題。針對以上問題，CAN總線的位定時改進了位編碼/解碼。

　　CAN總線位定時由4部分組成：同步段（SYNC_SEG）、傳播段（PROP_SEG）、相位段1（PHASE_SEG1）和相位段 2（PHASE_SEG2）。同步段用于同步總線上的各節(jié)點，在此段等待一個跳邊沿；傳播段用于補償網(wǎng)絡內的物理延遲時間；相位段1及相位段2用做補償相位誤差。在采樣點讀總線電平。

　　M68HC908GZ16微控制器（見圖1）中內置CAN控制器，提供了波特率控制寄存器；SJW（重同步跳轉寬度）決定了一次重同步期間一個位時間被延長或縮短的時間量子；BRP為波特率預分頻系數(shù)；Spl（采樣模式位）決定對有效位采樣的次數(shù)。

圖1 MC68HC908GZ16的內部結構

　　位定時主要用于定義CAN總線通信的速率，對同一總線上的各個節(jié)點應定義同一種通信速率，否則無法進行通信聯(lián)系。CAN控制器的總線工作頻率計算公式如下：

　　式中：BRP為系統(tǒng)預分頻因子，它在TSEG1域中的取值范圍為0～63；TSEG1、TSEG2的值由位定時寄存器編程決定，并滿足 1≤TSEG1≤7，2≤TSEG2≤15。報警器中位定時的設置，定義通信頻率為250KB/s。設定 DSC="BRP"=1，TSEG1+TSEG2=5，系統(tǒng)晶振頻率為8MHz，即XTAL=8MHz，CAN通信頻率由上式計算得到250KB/s。

　　最后位定時設置結果為：BRP=1，TSEG2=2，TSEG1=3。

圖2 語音報警系統(tǒng)結構

　　設計概述

　　該卡車語音報警系統(tǒng)的設計目標是：成本低；功能強大；適用于日常應用；能夠應用于各類車輛。該系統(tǒng)可實現(xiàn)如下功能：利用CAN網(wǎng)絡實現(xiàn)對卡車故障碼的接收；二，通過識別CAN系統(tǒng)傳過來的信號，并對信號進行處理得到相應的語音提示，通過與語音芯片的連接實現(xiàn)相應故障的語音播放報警。

　　該語音報警系統(tǒng)以摩托羅拉公司的MC68HC908GZ16處理器為核心，并利用其豐富的接口擴展使用了語音播放、CAN通信接口等外圍模塊，使產品設計更加人性化。MC68HC908GZ16處理器具有如下優(yōu)點：

　　1.豐富的硬件資源

　　MC68HC908GZ16為閃存型MCU，內部擁有16K的FLASH存儲空間和1K的RAM存儲空間。內部擁有鎖相環(huán)電路，能夠在使用低速晶振的情況下使總線頻率最高達到8MHz。同時擁有多達37個通用I/O口，可以方便地與其他外圍設備相連接。

圖3 卡車報警器電路原理圖

　　2.極強的抗擾能力

　　內部集成了CAN控制器，利用CAN通信具有很強的抗干擾這一特點，保證了產品能夠在惡劣環(huán)境條件下高效而穩(wěn)定地運行。

　　本設計采用CAN通信的方式完成卡車語音報警系統(tǒng)的設計，系統(tǒng)結構如圖2所示。

　　通過MC68HC908GZ16上集成的MSCAN08模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。利用C68HC908GZ16的I/O口，我們在設計中使用了市場上常見的ISD公司的ISD4002-120數(shù)碼語音芯片。該芯片采用3V直流供電，可以錄制并保存2min的語音信息。其采樣頻率為8kHz，信息分辨率可達200ms，能夠非常真實地再現(xiàn)語音、音樂、聲調和效果音。

　　硬件設計

　　從圖3可以看出，卡車報警器電路主要由三部分構成：微控制器MC68HC908GZ16（內部集成的MSCAN08模塊）、語音芯片 ISD4002和CAN總線收發(fā)器TLE6250、ZJYS。微控制器負責MSCAN08模塊的初始化，通過CAN模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務。 CAN通信控制模塊主要完成CAN的通信協(xié)議。CAN控制模塊可完成物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能，適用于汽車及一般的工業(yè)環(huán)境。利用CAN通信不但可以減少導線連接，而且能增強診斷和監(jiān)控能力。

　　CAN收發(fā)器TLE6250用于提供對總線差動發(fā)送和接收的驅動能力，具有輸出信號CANH和CANL的最佳匹配、電磁輻射更低、無待機模式等優(yōu)點。CANH和CANL與地之間并聯(lián)兩個25PF的小電容，可以起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射作用。

　　軟件描述

　　軟件編程主要實現(xiàn)兩大功能：利用總線進行故障碼接收；通過轉換故障碼實現(xiàn)相應的語音故障報警。語音播放根據(jù)其功能設計，整個程序大部分操作在主程序中完成，而CAN接收是在中斷中完成。

　　主程序中的操作是初始化各寄存器、I/O端口，然后在死循環(huán)中根據(jù)標志位進行相應的處理，具體流程如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

　　1.語音模塊軟件設計

　　語音模塊使用了ISD4002芯片。單片機通過I/O接口與ISD4002建立連接，并通過命令字的方式控制語音播放的地址，實現(xiàn)語音播放的控制。

　　2.CAN通信模塊軟件設計

　　在CAN總線編程時，需要定義一系列的控制字配置，并要在裝置上進行配置。其具體步驟包括：定義CAN控制寄存器、定義位定時、定義信息體屏蔽方式、信息體的初始化、信息體發(fā)送數(shù)據(jù)和信息體接收數(shù)據(jù)。

　?。?）MSCAN08模塊的初始化

　　MSCAN08模塊的初始化主要是定義通信速率。配置位定時寄存器以確定CAN的通信速率、配置全域屏蔽寄存器以確定濾波策略、初始化每個信息體。初始化信息體需要確定信息體類型（發(fā)送還是接收），設定符合CAN協(xié)議的ID、SRR、IDE和RTR。CAN通信首先要進行初始化。在完成 MSCAN08模塊的初始化以后，MSCAN08模塊就可以回到工作狀態(tài)，進行正常的通信任務。

　?。?）數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送

　　報文的發(fā)送由CAN控制器獨立完成，微控制器只要將發(fā)送的數(shù)據(jù)傳送到發(fā)送MSCAN08模塊相應的發(fā)送信息體中，然后將命令寄存器中的“發(fā)送請求 ”標志置位即可。報文發(fā)送流程圖如圖5所示，在發(fā)送之前先做判斷。發(fā)送程序分為發(fā)送遠程幀和數(shù)據(jù)幀兩種。遠程幀無數(shù)據(jù)場，其程序流程圖如圖5（左）所示。

圖5 CAN發(fā)送和接收流程圖（左為發(fā)送流程，右為接收流程）

　　MSCAN08模塊的接收非常靈活。如果根據(jù)CAN總線應用層協(xié)議規(guī)定好ID的含義，就可以通過設定3個屏蔽寄存器（1個全局的，2個特殊的）將需要的數(shù)據(jù)接收到消息緩沖區(qū)，將不需要的過濾掉，再通過讀當前消息緩沖區(qū)的ID確定數(shù)據(jù)所代表的含義。AN82527報文接收主要有兩種方式：中斷方式和查詢方式，在該系統(tǒng)中采用了中斷方式。報文接收流程圖如圖5（右）所示。

　　小結

　　該卡車語音報警系統(tǒng)已經在臺架上進行了實驗，并在與其他控制器的臺架實驗中取得了良好的通信效果，能實現(xiàn)良好的語音報警功能。此外，該設計還需進行進一步的實車驗證，其基本設計思路也可應用于轎車中。