傳統(tǒng)工程實(shí)現(xiàn)大多采取單一的點(diǎn)對點(diǎn)通信，相互之間少有聯(lián)系，導(dǎo)致復(fù)雜的布局布線。據(jù)統(tǒng)計，某型設(shè)備布局布線長度達(dá)2 000 m，電氣節(jié)點(diǎn)達(dá)1 500個。無論從工程成本還是工程實(shí)現(xiàn)看，傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法亟待改進(jìn)。

CAN（Controller Area Network）也稱控制器局域網(wǎng)，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。CAN總線是一種多主串行通信總線，支持分布式實(shí)時控制，其為多主工作方式，通信方式靈活，且無需站地址等節(jié)點(diǎn)信息。采用無損仲裁技術(shù)，當(dāng)多個節(jié)點(diǎn)同時向總線發(fā)送信息時，優(yōu)先級低的節(jié)點(diǎn)主動退出發(fā)送，最高優(yōu)先級的節(jié)點(diǎn)不受影響繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，節(jié)省了總線沖突的仲裁時間。

本文設(shè)計了一種基于CAN總線接口的健康管理方案，有效解決了傳統(tǒng)工程點(diǎn)對點(diǎn)通信的弊端。通過描述本系統(tǒng)總體架構(gòu)、硬件方案和軟件方案，最后給出了仿真與分析結(jié)果，證明了本系統(tǒng)的可行性、經(jīng)濟(jì)性和工程應(yīng)用性。

1總體架構(gòu)

本系統(tǒng)由某型CK520內(nèi)核主控處理器、兩顆單片機(jī)GD32VF103、高速光電耦合器、總線接口電路、溫度傳感器、SPI Flash芯片和PC機(jī)組成。主控處理器通過異步串口與測試計算機(jī)連接，同時主控處理器通過異步串口與主/備兩顆CAN總線協(xié)議處理器連接，測試計算機(jī)上可查看系統(tǒng)的狀態(tài)信息，也可通過其對單片機(jī)進(jìn)行軟件升級等。總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體架構(gòu)

2硬件方案

本系統(tǒng)采用兩顆芯片實(shí)現(xiàn)主/備健康管理方案。由主控芯片控制兩顆單片機(jī)的狀態(tài)，通過異步串口連接，對外健康管理接口為CAN接口。其中健康管理系統(tǒng)基于兩顆RISC-V芯片GD32VF103，實(shí)現(xiàn)主/備功能，確保主CAN接口總線功能異常后，備份CAN接口總線能夠正常工作。主要由主控單元、主健康管理單元、備健康管理單元、芯片間通信單元和軟件升級加載單元組成。硬件設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2 硬件設(shè)計框圖

2.1主控單元

主控單元負(fù)責(zé)主/備CAN總線處理器的信息同步、軟件加載的控制等。該部分實(shí)現(xiàn)Ymodem協(xié)議、與主CAN總線處理器的交互協(xié)議、與備CAN總線處理器的交互協(xié)議。Ymodem協(xié)議是一個文本傳輸協(xié)議，常用于在線軟件升級加載。

2.2主健康管理單元

主健康管理單元是用于本系統(tǒng)與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的主要通道。本設(shè)計選用兆易創(chuàng)新的GD32VF103實(shí)現(xiàn)健康管理功能，并且完成對系統(tǒng)的溫度值采樣。溫度傳感器選用國產(chǎn)的CT75MMR，這是一款精度在±0.5 ℃的溫度傳感器，溫度值可直接通過I2C接口讀取。測量的溫度范圍為-40~+125 ℃，靜態(tài)電流僅為1.5 μA，最大電流為10 μA。

本文選用低成本的GD32VF103RB芯片，該芯片基于RISC-V處理器的32位通用微控制器。RISC-V處理器包括3條AHB總線，分別稱為I-CODE總線、D-Code總線和系統(tǒng)總線。RISC-V處理器適用于低能耗、小面積的嵌入式應(yīng)用，具有簡單的動態(tài)分支預(yù)測、指令預(yù)取緩沖區(qū)和本地內(nèi)存等多種高效微架構(gòu)特點(diǎn)。

該芯片提供了108 MHz的運(yùn)算主頻，以及高達(dá)128 KB的片上閃存和32 KB的SRAM緩存，采用2.6~3.6 V供電，I/O可承受5 V電壓，擁有多達(dá)4個16位通用定時器、2個16位基本定時器和2個多通道DMA控制器，包括3個USART、2個UART、3個SPI、2個I2C、2個I2S、2個CAN2.0B和1個USB2.0，以及外部總線擴(kuò)展控制器，集成了2個采樣率高達(dá)2.6 Msps的12位高速ADC，提供了多達(dá)16個可復(fù)用通道，并支持16位硬件過采樣濾波功能和分辨率可配置功能，還擁有2個12位DAC，多達(dá)80%的GPIO具有多種可選功能，還支持端口重映射。

高速光電耦合器采用GaAsAl紅外發(fā)光二極管與單片集成高速光探測器相耦合。光電耦合器輸入側(cè)電信號使發(fā)光源發(fā)光，光的強(qiáng)度取決于激勵電流的大小，當(dāng)光照到受光器后，因光電效應(yīng)產(chǎn)生光電流，由受光器輸出，這樣就實(shí)現(xiàn)了電-光-電的轉(zhuǎn)換。

總線接口電路是一款低電壓CAN總線收發(fā)器，其作為CAN總線的物理層芯片，滿足ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。該收發(fā)器提供差分發(fā)送和接收能力，其傳輸速率達(dá)到1 Mbps，3.3 V供電電壓，低功耗設(shè)計；高輸入阻抗，最多允許接入120個節(jié)點(diǎn)；兼容ISO11898 CAN總線標(biāo)準(zhǔn)；傳輸速率最高可達(dá)1 Mb/s；片內(nèi)集成過溫保護(hù)，支持熱插拔。

2.3備健康管理單元

備健康管理單元用于本系統(tǒng)與外部進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的備份通道，同時完成對系統(tǒng)的電壓值采樣，通過單片機(jī)自帶的ADC接口功能完成。

3軟件方案

本系統(tǒng)軟件設(shè)計采用典型嵌入式軟件設(shè)計層次，先實(shí)現(xiàn)各芯片內(nèi)、外設(shè)驅(qū)動，再實(shí)現(xiàn)上述協(xié)議規(guī)范，最后業(yè)務(wù)邏輯調(diào)度相關(guān)API實(shí)現(xiàn)完整功能。軟件設(shè)計遵循以下原則：層與層之間不能跨層調(diào)用；模塊與模塊之間各自獨(dú)立，無依賴關(guān)系；模塊提供統(tǒng)一的接口供上層調(diào)用，模塊的內(nèi)、外接口分明。軟件架構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟件架構(gòu)

3.1模塊分層

本系統(tǒng)軟件設(shè)計采用模塊化設(shè)計，盡量降低各個軟件模塊的專用性及模塊之間的耦合性，提高軟件模塊的獨(dú)立性和可繼承性。

3.1.1硬件驅(qū)動層

硬件驅(qū)動層主要與底層接口建立傳輸通道，在本系統(tǒng)中，包含CAN總線接口、UART接口、I2C接口和ADC接口。驅(qū)動層函數(shù)功能如表1所列。溫度傳感器接口函數(shù)功能如表2所列。電壓值接口函數(shù)功能如表3所列。

表1 驅(qū)動層函數(shù)簡介

表2 溫度傳感器接口函數(shù)簡介

表3 電壓值接口函數(shù)簡介

3.1.2功能模塊層

功能模塊層主要完成各個接口數(shù)據(jù)幀的拆幀解析與組幀發(fā)送。函數(shù)簡介如表4所列。

表4 模塊層函數(shù)簡介

3.1.3業(yè)務(wù)邏輯層

業(yè)務(wù)邏輯層是本文系統(tǒng)的核心，完成各個功能任務(wù)。函數(shù)簡簡介如表5所列。

表5 邏輯層函數(shù)簡介

3.2軟件設(shè)計

本系統(tǒng)通過Keil5軟件和CDS軟件對系統(tǒng)功能軟件進(jìn)行編譯調(diào)試，設(shè)計主要分為Ymodem功能軟件、CAN功能軟件和芯片管理功能軟件。

Ymodem功能軟件主要完成對本系統(tǒng)的軟件文件升級加載，包含傳輸數(shù)據(jù)收發(fā)、處理和傳輸協(xié)議解析；CAN功能軟件主要完成對外提供健康管理信息，包含CAN數(shù)據(jù)收發(fā)、處理和CAN協(xié)議解析，為軟件設(shè)計的關(guān)鍵和核心；芯片管理功能軟件主要完成各個芯片間狀態(tài)信息同步及軟件文件的傳輸控制，包含管理數(shù)據(jù)收發(fā)、解析和處理。

3.2.1Ymodem功能軟件設(shè)計

Ymodem功能軟件主要實(shí)現(xiàn)待升級HEX文件的傳輸，主控處理器根據(jù)文件名稱將文件傳輸至對應(yīng)的單片機(jī)，完成對其軟件文件的加載升級。其數(shù)據(jù)幀格式如表6所列。

表6 Ymodem數(shù)據(jù)幀格式

升級流程如下：

①先搜索起始幀，校驗(yàn)正確后進(jìn)行文件名判斷，若文件名為0001，則表示本地升級文件處理；若文件名為0002，則表示單片機(jī)1升級文件處理；若文件名為0003，則表示單片機(jī)2升級文件處理。

②繼續(xù)搜索數(shù)據(jù)幀，校驗(yàn)正確后，根據(jù)上一步流程中的處理分支將數(shù)據(jù)送到對應(yīng)芯片進(jìn)行存儲處理。

③搜索到結(jié)束幀后即表示升級流程結(jié)束。

通過該軟件功能，可方便地對各個功能芯片進(jìn)行軟件升級，便于后期項目維護(hù)。

3.2.2CAN功能軟件設(shè)計

CAN功能軟件為本系統(tǒng)軟件設(shè)計的關(guān)鍵和核心。本設(shè)計參照CAN2.0B規(guī)范（即ISO 11898），該規(guī)范規(guī)定了CAN總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計特殊需求，CAN總線接口劃分為應(yīng)用層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層[4]。物理層主要實(shí)現(xiàn)bit流編解碼、bit位定時和同步，以及物理連接接口。數(shù)據(jù)鏈路層主要實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)據(jù)分幀和組幀，數(shù)據(jù)幀編碼、總線仲裁和訪問控制、錯誤檢測和通告、應(yīng)答等。應(yīng)用層主要處理用戶業(yè)務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)。應(yīng)用層數(shù)據(jù)幀格式如表7所列。

表7 CAN接口數(shù)據(jù)幀格式

（1）發(fā)送流程

應(yīng)用層軟件有數(shù)據(jù)需要發(fā)送時，調(diào)用數(shù)據(jù)鏈層發(fā)送接口函數(shù)，將數(shù)據(jù)寫入發(fā)送緩沖區(qū)。鏈路層根據(jù)數(shù)據(jù)個數(shù)判斷是否需要分幀，若大于8，則按8字節(jié)進(jìn)行分幀，最后一幀為結(jié)束幀，其余幀為中間幀，然后按照幀格式組成鏈路層報文，驅(qū)動總線控制器將數(shù)據(jù)發(fā)送到總線上。

（2）接收流程

在接收端，總線數(shù)據(jù)進(jìn)入總線控制器輸出鏈路層數(shù)據(jù)報文，鏈路層對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析，完成以下操作：若收到的字節(jié)數(shù)小于待解析報文長度，表示還有后續(xù)數(shù)據(jù)幀待接收，則根據(jù)DLC字段值提取相應(yīng)個數(shù)的應(yīng)用數(shù)據(jù)依次存入接收數(shù)據(jù)緩存區(qū)，等待接收下一幀；若收到的字節(jié)數(shù)等于待解析報文長度，表示數(shù)據(jù)報文接收完畢，則根據(jù)DLC字段值提取相應(yīng)個數(shù)的應(yīng)用數(shù)據(jù)，存入接收數(shù)據(jù)緩存區(qū)，推送給應(yīng)用層處理。

3.2.3芯片管理功能軟件設(shè)計

芯片與芯片間通信采用slip幀格式，數(shù)據(jù)幀格式如表8所示。

表8 SLIP數(shù)據(jù)幀格式

在組織slip幀時，在每一個基本數(shù)據(jù)幀的首尾各加上一個端字符（0xC0），封裝成slip幀。在發(fā)送的slip數(shù)據(jù)幀中，與端字符（0xC0）相同的數(shù)據(jù)用轉(zhuǎn)義字符加替代字符（0xDBDC）代替，與轉(zhuǎn)義字符（0xDB）相同的數(shù)據(jù)用轉(zhuǎn)義字符加轉(zhuǎn)義替代字符（0xDBDD）代替。在接收方，對slip數(shù)據(jù)幀中的數(shù)據(jù)作相反的替代處理，即將“0xDBDC”替換為“0xC0”，將“0xDBDD”替換為“0xDB”。

4系統(tǒng)仿真與分析

完成健康管理系統(tǒng)軟硬件設(shè)計后，需要對本系統(tǒng)進(jìn)行測試。系統(tǒng)測試前，首先對各部分硬件進(jìn)行檢查調(diào)試，確保硬件正確后，將編譯完成的軟件執(zhí)行碼通過Keil5軟件和CDS軟件下載到系統(tǒng)。最后通過上位機(jī)軟件或者分析儀對相關(guān)接口數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真和分析。

4.1Ymodem功能仿真

為了測試該功能，將測試計算機(jī)與主控處理器的異步串口連接，打開計算機(jī)上安裝的SecureCRT軟件，然后操作該軟件使用Ymodem功能發(fā)送待升級文件，如圖4所示。

圖4 Ymodem發(fā)送界面

待軟件文件升級完成后，重啟設(shè)備可查看軟件文件升級成功。

4.2CAN功能仿真

為測試該功能，通過CAN總線分析儀測試其收發(fā)數(shù)據(jù)，將測試計算機(jī)與CAN總線分析儀連接，打開計算機(jī)上安裝的分析儀CANTest軟件，然后將分析儀上的CAN總線接口與本系統(tǒng)對外CAN接口連接進(jìn)行測試。結(jié)合CAN接口數(shù)據(jù)幀格式分析，單片機(jī)CAN接口能夠正確收發(fā)協(xié)議幀數(shù)據(jù)。

4.3芯片管理功能仿真

為測試該功能，將測試計算機(jī)與主控處理器的異步串口連接，打開計算機(jī)上安裝的SecureCRT軟件，每次本系統(tǒng)上電后查看打印信息，如圖5所示。

圖5 軟件信息界面

從圖5中可知，主控處理器可正確獲取各個芯片上的狀態(tài)信息，因而芯片管理功能正常。

5結(jié) 語

本文提出了一種低成本的基于CAN總線接口的健康管理系統(tǒng)設(shè)計，給出了總體架構(gòu)設(shè)計，并且對該設(shè)計的軟硬件方案進(jìn)行了詳細(xì)描述，最后對整個系統(tǒng)進(jìn)行了仿真和分析。另外，主備CAN接口的設(shè)計有效地提升了系統(tǒng)的可靠性，從經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性方面考慮，均有明顯優(yōu)勢。

（本文由《單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用》雜志授權(quán)發(fā)表，原文刊發(fā)在2023年第11期）