基于CAN总线的发动机测控系统的研究

2010年第9期农业装备与车辆工程NO.92010（总第230期）AGRICULLTURALEQUIPMENT&VENICLEENGINEERING(Totally230)1Doi:10.3969／jissn.1673－3142.2010.09.015基于CAN总线的发动机测控系统的研究孟兆辉，苏铁熊（中北大学机电工程学院，山西太原030051）摘要：CAN总线通信以其节省线束、系统可靠、便于诊断等特点，正成为发动机电控最重要的发展方向。介绍了一种基于CAN总线的柴油发动机测控系统的设计方法，详细给出了系统的硬件总体结构设计、软件设计流程以及CAN总线控制器结构。关键词：CAN总线；MC9S12DP256；测控系统中图分类号：TP273＋．4文献标识码：B文章编号：1673-3142(2010)09-0047-03StudyonEngineControlSystemBasedonCANBusMENGZhao－hui，SUTie－xiong（SChoolofMechano－electronicEngineering，NorthUniversityofChina，Taiyuan030051，China）Abstract：CANbusCommunicationhasbecomethemostimportantenginedevelopmentdirectionwithitsfeaturesofsavingwiring，reliablesystemandeasydiagnosisetc．Inthispaper，amethodbasedonCANbusdieselengineControlsystemisintroduced，thedesignmethodofthissystempresentsthehardwarestructureandsoftwaredesignprocessandtheCANbusControlstructure.Keywords：CANbus；MC9S12DP256；MeasurementandControlsystem引言随着微电子技术与测控技术的发展，我们对发动机测控系统的准确性、实时性以及多功能性都提出了更加严格的要求。发动机作为汽车的心脏，其测控系统用于检测发动机性能的专用设备，对发动机运行工况下各种参数的测量，包括转速、机油压力，进气温度、冷却水温度等，因此对于监控发动机工作，了解其是否正常，进一步发现问题、提高性能都是极其重要的。随着现场总线控制技术的逐步发展，特别是CAN（ControlAreaNet-work控制器局域网）总线技术的应用打破了传统发动机测控系统的瓶颈。CAN总线具有突出的可靠性、实时性、灵活性和高性能价格比，并且技术资源丰富、应用开发简便，非常适合在分布式控制系统中应用，它能使测控系统的准确性、可靠性、实时性以及测试效率得到很大的提高。因此，本文选择CAN作为发动机测控制系统的现场总线标准，以对柴油发动机的测控系统进行研究。1MC9S12DP256及其内部CAN模块的特点本系统采用Freescale公司的内部集成CAN模块的16位单片机MC9S12DP256为微处理器，MC9S12DP256是Freescale公司专为汽车应用而设计的控制芯片之一，具有性能高、运算速度快、指令丰富等优点。其内部资源包括2个异步串行通信口SCI，3个同步串行通信口SPI，2个8通道8／10位A／D转换模块，2个带有输入捕捉／输出比较功能的增强型计数器模块，1个8通道脉冲宽度调制模块，49个独立数字I／O口（其中20个具有外部中断及唤醒功能），以及256kB的Flash，12kBRAM，2kBEEPROM［3］。丰富的片上资源为设计高性能、高可靠性的发动机测控系统提供了便利条件，也保证了测控精度和系统运算处理速度的要求。MC9S12DP256的CAN模块在遵循国际CAN模块总线规范的同时，又同时具有自己的特点与功能如下［4］：（1）MSCAN12模块符合CAN2．0A／B协议标准；（2）支持标准和扩展数据帧格式；（3）数据长度为0－8字节；（4）最大可编程位速率为1Mb／S；2010年第9期农业装备与车辆工程NO.92010（总第230期）AGRICULLTURALEQUIPMENT&VENICLEENGINEERING(Totally230)2（5）拥有5个FIFO机制的接受缓冲区和3个具有局部优先级的发送缓冲区；（6）具有灵活的标识符验收模式，可配置成2个32位过滤码、4个16位过滤码和8个8位过滤码；（7）内置低通滤波的远程唤醒功能，可编程为方便调试的自环工作模式，也可编程仅作为CAN总线监听模式；（8）具有隔离和中断所有CAN发送和接收器错误状态的能力；（9）具有睡眠、掉电和MSCAN使能3种低功耗模式。由MSCAN12模块构建的典型CAN系统如图1所示。2发动机测控系统的硬件总体设计发动机工作时，系统通过传感器获取实时信息，经过系统微控制器处理与分析并判定发动机当前工况，输出控制信号驱动执行单元从而达到控制发动机的目的。系统主要由数据采集与处理模块、控制模块和通讯单元组成。其结构框图如图2所示。发动机测控系统主要采集和处理各种形式的非电量信号，包括脉冲频率信号、模拟信号和开关量信号。数据采集处理模块主要由多种传感器、整形／放大电路、采样保持电路、多路开关、模数转换器A／D、输入输出接口电路I／O和微处理器组成。对于模拟信号，需要经过放大电路到适当的幅度后，送到采样／保持电路，采样／保持电路根据系统的要求相应完成信号采集及采样值保持两种功能，多路开关从采样／保持电路输出的数据中根据要求选择一路送到模数转换器进行A／D转换，转换后的数字信号经输入接口送到微处理器处理；对于脉冲数字信号，要经过放大、整形电路处理后，送入计数器电路计数，再由多路开关选择经输入接口送到微处理器处理。控制模块主要由微处理器单元、控制开关、输入输出接口电路、多路开关组成的控制模块和由放大驱动电路、执行元件组成的各种控制器组成［7］。发动机的各种控制执行器由放大驱动器和执行器组成。发动机测控系统通讯单元主要由微处理器、CAN控制器和CAN收发器组成。外围加一些简单的驱动电路就可以构成一个通讯节点，实现MCU与车载的其它CAN总线节点或者其它网络节点通讯，CAN收发器选择Philips公司的TJA1050［8］，为CAN控制器提供差动接收性能。本文的CAN通信电路设计如图3所示。3发动机测控系统的软件流程设计发动机测控系统主要是实时读取连接在发动机上的各种传感器，并对采集到的数据信息进行分析处理后，通过CAN报文的形式发送到CAN总线上，系统依据发动机的运行状态实时向驱动执行机构发出控制指令。在本系统的程序设计过程2010年第9期农业装备与车辆工程NO.92010（总第230期）AGRICULLTURALEQUIPMENT&VENICLEENGINEERING(Totally230)3中，采用了模块化的程序设计思想，对汽车发动机测控系统的软件进行功能模块划分。其主要包括数据采集模块的设计、控制模块的设计和通讯模块的设计。它将控制规律及其算法与整个系统资源紧密相连完成测控功能。数据采集模块主要任务：采集发动机的转速、冷却水温度、压力等模拟量以及多个开关量，MC9S12DP256单片机进行定时采样，对采集到的数据加以处理。控制输出模块的主要任务：是控制发动机的执行器进行点火、喷油和怠速控制。根据发动机的动力性、燃油经济性、排放净化性等综合性能要求，对控制的内容进行全面的优化，使发动机处于最佳运行状态。通讯模块设计有CAN收发器TJA1050初始化程序的模块化设计、CAN报文的发送和接收程序的模块化设计、中断程序的模块化设计。系统主程序如图4所示。4结论本文提出了一种基于CAN总线的发动机测控系统设计方案，给出了系统的硬件总体设计及其软件流程设计，并介绍了内置CAN控制器芯MC9S12DP256在发动机测控系统中的应用，由CAN控制器的集成，从而使外围电路大大缩小，抗干扰能力大大增强，充分发挥了CAN总线的优势，使得系统功能更加稳定，取得了良好的控制效果。参考文献［1］徐家龙．柴油机电控喷油技术［M］．北京：人民交通出版社，2004［2］饶运涛，邹继军，王进宏等．现场总线CAN原理与应用技术（第2版）［M］．北京：北京航空航天大学出版社，2007．［3］孙同景．Freescale9S12十六位单片机原理与嵌入式开发技术［M］．北京：机械工业出版社，2008．［4］王宜怀，刘晓升．嵌入式系统－－使用HCS12微控制器的设计与应用［M］．北京：北京航空航天大学出版社，2008．［5］梁春兰．基于虚拟仪器的发动机试验台架测试系统研究［D］．石家庄：河北工业大学；2008．［6］刘晓红，王孝，苏铁熊．基于CAN总线的电涡流测功机励磁电流控制系统的开发［J］．农业装备与车辆工程，2008，（2）．［7］张庆，王慕坤．CAN总线在发动机测试系统中的应用［J］．现场总线与网络，2004，23（12），39－41．［8］王致新，马修真．LR4105型柴油机数字式电子调速器的设计研究［D］．哈尔滨：哈尔滨工程大学；2008．（上接第46页）图3中下方直线为目标曲线，上方曲线为训练曲线。由图可知，训练曲线的误差在可控范围之内。说明通过训练数据样本，采用神经网络方法得到的故障结论是可信的。4结论本文通过建立神经网络模型，分析了自动变速器产生故障的原因，并将BP神经网络应用到自动变速器的故障诊断系统中，通过分析得出，BP神经网络能够解决某些实际的故障问题，这种方法是可行的。但是在计算过程中，由于数据存储量较大，因此会影响计算速度，这需要在诊断工作中进行进一步的研究和改进。但和传统的诊断方法相比还是有较大的优越性。参考文献[1]高国恒．汽车检测诊断方法[M]．北京：人民交通出版社，1999．[2]肖云魁．BP神经网络在汽车故障诊断中的应用[J]．汽车运输，2002（9）：24-27．[3]周志华，草存根.《神经网络及其应用》[M]。北京：清华大学出版社。2004。[4]Fu,Z.;Brown,D.J.;Haynes．B.P.Anewmethodofnon-stationarysignalanalysiscontrolmotorbearingFaultdiagnosis[J].IntelligentSignalProcessing，2003IEEEInternationalSymposiumson，2003，9：99-104。[5]黄飞，孔庆霞．基于改进的BP神经网络齿轮箱故障诊断方法的研究[J]。科学信息，2008（24）：43-46