基于CAN总线的半挂车安全预警系统设计

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摘要：针对目前半挂车存在因超载造成轮胎压力过大，易磨损脱层甚至爆胎等问题，提出在传统TPMS 方案上进行改进，采用CAN 总线结构实现各轮胎结点与其它汽车电子单元一起构建CAN 网络，实现安全预警检测。新系统可扩展性好，通信快捷可靠，是半挂车安全预警装置的发展方向。文中给出了系统设计方案和中央预警模块的软硬件具体实施办法。
关键词：CAN 总线，半挂车，ARM，μC-OS/II

1 引言
        半挂车指“其设计和技术特性需汽车牵引，才能正常使用的一种无动力的道路车辆，用于载运人员和货物”（GB/T3730.1-2001标准）。 半挂车的种类很多，包括厢式半挂车、罐式半挂车、平板半挂车、集装箱半挂车、车辆运输半挂车等等。随着我国公路物流运输业的发展，半挂车以其运输效率高、运载量大、燃油经济性好、运输成本低等优势使用越来越广泛。随之而来的是半挂车的安全问题。据2006年公安交通部门统计，全国半挂车的数量约占整个机动车保有量的5%左右，重大交通事故中，涉及到半挂车等大型货运机动车辆的事故占到约４７％，造成的人员死亡率占总数的约３０％。半挂车的安全隐患主要来自两个方面：一是超载现象。超载现象不仅对高速公路等交通设施造成破坏，而且使得汽车轮胎处在极大的负荷下，易引发爆胎事故；货车超载也使得货物更容易变得不平衡，导致车辆发生侧翻倾覆的事故。二是轮胎安全，缺乏轮胎压力温度监测系统；因此建立半挂车的安全预警系统非常必要。
2 总体设计
       半挂车车身长度一般在 6—14 米，车身长，电磁干扰大，汽车电子单元多而复杂，采用传统的四轮轿车独立的TPMS 方案信号传输易受干扰屏蔽，而且与其它汽车电子单元无法进行信息交换，系统的可靠性和扩展性不好。因此设计采用基于CAN 总线的方式，将各轮胎气压、温度监测装置和其它诸如ABS、发动机、仪表盘的汽车电子单元都作为一个个CAN 总线上的结点， 由一个中心预警模块统一监测控制，可提高系统可靠性和监测效率，节省各模块重复开发费用。如图1 所示。



3 系统硬件设计
3.1 CAN 总线的特点
         CAN 全称为Controller Area Network，即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一。
         CAN与其它总线结构相比有较优越的特点[1]：（1）CAN总线为多主站总线，各结点均可在任意时刻主动向网络上的其他结点发送信息，不分主从，通信灵活；（2）CAN总线上每帧有效字节数最多为8个，传输时间短，受干扰概率低，并有CRC及其他校验措施，具有极好的检错效果，数据出错率极低。（3）CAN总线只有两根导线，系统扩充时，不需要应用层以及任何结点软件和硬件的任何改变，可直接将新结点挂在总线上即可，因此走线少，系统扩充容易，改型灵活；网络构建成本低，总线利用率极高；（4）数据传输距离可满足5-15米的汽车系统，数据传输速率高达1Mbit/s，也可满足长达10km工业应用。
3.2 CAN 总线地址分配
       如何来区分总线上的各个结点呢？在 CAN 总线上发送的每一条报文都具有唯一的一个11 位（标准帧）或29 位（扩展帧）数字的ID，可采用静态分配地址的方法，将ID 的前3—4 位定义为结点地址，其余各位自行定义，写入各结点发送的帧消息中。中央结点接收到一个CAN 数据帧后通过检查前3—4 为确定数据是从哪个结点发出的，从而做出响应的处理。CAN 总线状态取决于二进制数“0”而不是“1”，所以ID 号越小，则该报文拥有越高的优先权。一般后轮轮胎的负荷大于前轮，因经常靠右行驶，右侧的轮胎负荷可能大于左侧[2]，因此在轮胎结点地址分配时，可以将负荷较大的轮胎分配为小地址，优先发送该结点数据。
3.3 中央预警模块
       中央控制模块的硬件设计如图 2 所示，分五个部分：一是处理器的选取和使用。处理器要求选取性能高，体积小，价格比较低，功耗小，安装方便，安全可靠的产品。目前嵌入式系统中比较常用的32 位基于ARM7 框架的S3C44B0X 处理器比较符合要求。二是存储部件的扩展，主要用于程序烧制和运行。三是要有输入输出部件，使用触摸屏作为输入设备，LCD和音频播放器作为输出设备，实现胎压和温度门限值的输入和实际监测数据输出预警。四是CAN 接口电路设计，如果选取的处理器自带CAN 接口电路当然更好，如果选取的处理器本身不带CAN 接口功能，可通过外接CAN 控制器的方式实现数据收发（图2 采用S3C44B0X 处理器SPI 同步串行接口与MCP2510 控制器、TJA1050 收发器相连实现CAN 接口功能）。五是要有模块调试电路，主要是串行口和JTAG 接口的设计。





4 系统软件设计
4.1 操作系统引导
       本系统软件设计采用目前比较流行的嵌入式实时多任务开放式操作系统μC-OS/II 。该操作系统要在S3C44B0X处理器上运行必须先对其进行移植[3]，然后由Bootloader中由BOOT()、Loadfile()两个函数来完成操作系统的引导和控制权的转移。系统将LCD、音频、CAN接口控制器等全部硬件驱动程序，图形API，控件函数，以及系统的基本任务生成专门的库（在STD2.5的开发环境下生成的库为ucos_lib.alf），使基于库的应用程序开发变的异常
简单，不用考虑底层的细节。应用程序开发后与专门库、头文件以及μC/OS-II操作系统会绑定在一起编译，生成唯一执行文件system.bin，存放在16M FLASH中，在系统启动时由BootLoader依靠文件系统从FLASH 中读到SDRAM 中，然后移植到该代码上，完成操作系统的引导任务。
4.2设置TPMS的胎压与温度报警门限
        汽车轮胎的压力与温度是密切相关的，当轮胎气压低于标准值时，变形增大，受力发生变化，若胎压长期低于正常气压的80%，在高速行驶时，轮胎会因急剧升温而脱层，甚至导致爆胎[4]。当轮胎气压高于标准值时，因轮胎与地面接触的面积减少，单位压力增高，使轮胎胎面的中部磨损增加。通过室内试验证明：气压提高25%，轮胎寿命将会降低15～20%；气压降低25%，寿命大约降低30%。此外，汽车轮胎温度越高，轮胎的强度越低，变形越大(一般不能超过80℃，当温度达到95℃时，轮胎的情况非常危险)，每升高1℃，轮胎磨损就增加2%，行驶速度每增加一倍，轮胎行驶里程将降低50%[5]。因此，最好不要超温、超速行使。由于不同载重、不同型号的半挂车轮胎标准胎压、温度不同，系统设置为可由触摸屏面板自行输入参考标准胎压和温度值。实际胎压值在标准胎压值的-10到+10%之间波动认为正常；在-25%到-10%之间或+25%到+10%之间波动视为一般性异常，发出二级预警信号，提示司机做出相应处理；低于25%或高于25%视为严重异常，发出一级预警信息。在不考虑外部温度、路面等因素影响，默认轮胎最大温度值为８０ oC，超过８０ oC视为一般异常，发出二级预警，超过１００oC视为严重异常，发出一级预警信号。系统中通过触摸屏参数选取任务TouchOption_Task()可获得用户指定轮胎标准压力和最大温度，存放于变量Press和Temp中。
4.3 胎压显示、声音预警
       为保证系统的实时性，采取中断方式接收CAN 总线数据，由Main_Task()任务完成。对于接收到的压力、温度采样数据，首先调用CANData_deal()函数根据ID 码区分各个轮胎的数据，由Display_Task()任务执行在LCD 上以直方图的形式显示轮胎压力信息；其次切换到任务Sound_Task()将数据与用户设置的压力（温度）标准值进行比较，若上下偏离标准值在25%（20%温度标准值）范围内，采取一级报警策略，连续播放急促的警报声，提请司
机立即停车；再次将数据与标准压力（温度）值进行比较，若偏离标准值10%，发出二级报警信息，断断续续的滴答声，提请司机注意轮胎压力不够或过大，影响轮胎使用寿命和经济运行，需要对轮胎进行检修。各任务间的信息传递和任务唤醒采用邮箱机制。
void Mian_Task(Void *id) //接收处理CAN 总线数据任务
{……// MCP2510 初始化，准备以中断方式接收数据
for(;;)
{rxmsg=(char)*=OSMboxPend(ISRTaskMbox,0,&err);//接收邮箱消息
if(*rxmsg=’0’
{rINTMSK&-(~BIT_TIME0);禁止外部中断，但不禁止节拍中断
rINTMSK|=BIT_EINT4567;
canRead(n, &id, data, &length, &rxRTR, &isExt);
CANData_deal(id,data);
rINTMSK&=~(BIT_EINT4567);//开启中断
······}}}
void CANData_deal(id,data) //CANData_deal()对数据进行处理
{······//定义相关信息
if ydata[1]> Pressure*110%* || data[1]< Pressure*90% ||data[2]> Temperature
{ isrtxmsg=‘2’;//向邮箱发送二级声音预警信息
OSMboxPost(soundMbox,(void*)&isrtxmsg)
}else
{if ydata[1]>ya*125* || data[1]<ya*75% ||data[2]> Temperature*120%
{ isrtxmsg=‘1’;// 向邮箱发送一级声音预警信息
OSMboxPost(soundMbox,(void*)&isrtxmsg)}}
canid=id&0x700//对id 第8—10 位进行判断
switch(canid)
{ case 0: //结点1 数据处理和显示
ya1=data[1]
······
case 0x100: //结点2 数据处理和显示
ya2=data[1];
······}}
void Display_Task(Void *id) //预警信息显示任务
{······
TextOut(pdc,20,20,ch1,true,2)//输出提示文字：“轮胎压力信息显示”
LineTo(pdc, 0, ya*110%/2+200);//压力最高预警线
LineTo(pdc, 0, ya*90%/2+200);// 压力最低预警线
DrawRectfram(pdc,40,200+ya1/2,90,200);//轮胎1 对应的直方图
······
DrawRectfram(pdc,235,200+ya4/2,285,200);//轮胎n 对应的直方图
······}
参考文献：
[1] 饶运涛等.现场总线 CAN 原理与应用技术[M]. 北京：北京航空航天大学出版社，2003 5
[2] 姚明.轮胎使用注意事项[J].汽车应用.2006,No.2:41-42.
[3] 黄元峰,李育清,姜生元.基于&mu;C/OS 的嵌入式系统应用开发研究[J].微计算机信息.2006.5-1:100-102
[3] 韩建保,陈厉兵.汽车轮胎气压电子实时监测系统[J].汽车系统.2002,7:40-41.
[4] http://www.tirechina.net/news/2006/8-12/15342244644.html [2007-4-6],中国轮胎商务网.


本文作者创新点：创造性地提出利用CAN 总线进行半挂车各汽车电子单元连接，实现轮胎温度、压力、载重监测，解决在半挂车应用存在的传输距离远、干扰大、能量消耗大及通信不可靠等问题。

作者信息：
郭晓俐，女，1974 年生，现在盐城师范学院信息科学与技术学院从事计算机教学，讲师，主要研究多媒体、嵌入式网络方向。
通信地址：盐城师范学院信息科学与技术学院， 江苏盐城 224001