基于CAN總線的半掛車安全預警系統設計

1 引言
半掛車指“其設計和技術特性需汽車牽引，才能正常使用的一種無動力的道路車輛，用于載運人員和貨物”（GB/T3730.1-2001標準）。 半掛車的種類很多，包括廂式半掛車、罐式半掛車、平板半掛車、集裝箱半掛車、車輛運輸半掛車等等。隨著我國公路物流運輸業的發展，半掛車以其運輸效率高、運載量大、燃油經濟性好、運輸成本低等優勢使用越來越廣泛。隨之而來的是半掛車的安全問題。據2006年公安交通部門統計，全國半掛車的數量約占整個機動車保有量的5%左右，重大交通事故中，涉及到半掛車等大型貨運機動車輛的事故占到約４７％，造成的人員死亡率占總數的約３０％。半掛車的安全隱患主要來自兩個方面：一是超載現象。超載現象不僅對高速公路等交通設施造成破壞，而且使得汽車輪胎處在極大的負荷下，易引發爆胎事故；貨車超載也使得貨物更容易變得不平衡，導致車輛發生側翻傾覆的事故。二是輪胎安全，缺乏輪胎壓力溫度監測系統；因此建立半掛車的安全預警系統非常必要。
2 總體設計
半掛車車身長度一般在 6―14 米，車身長，電磁干擾大，汽車電子單元多而復雜，采用傳統的四輪轎車獨立的TPMS 方案信號傳輸易受干擾屏蔽，而且與其它汽車電子單元無法進行信息交換，系統的可靠性和擴展性不好。因此設計采用基于CAN 總線的方式，將各輪胎氣壓、溫度監測裝置和其它諸如ABS、發動機、儀表盤的汽車電子單元都作為一個個CAN 總線上的結點， 由一個中心預警模塊統一監測控制，可提高系統可靠性和監測效率，節省各模塊重復開發費用。如圖1 所示。

3 系統硬件設計
3.1 CAN 總線的特點
CAN 全稱為Controller Area Network，即控制器局域網，是國際上應用最廣泛的現場總線之一。
CAN與其它總線結構相比有較優越的特點[1]：（1）CAN總線為多主站總線，各結點均可在任意時刻主動向網絡上的其他結點發送信息，不分主從，通信靈活；（2）CAN總線上每幀有效字節數最多為8個，傳輸時間短，受干擾概率低，并有CRC及其他校驗措施，具有極好的檢錯效果，數據出錯率極低。（3）CAN總線只有兩根導線，系統擴充時，不需要應用層以及任何結點軟件和硬件的任何改變，可直接將新結點掛在總線上即可，因此走線少，系統擴充容易，改型靈活；網絡構建成本低，總線利用率極高；（4）數據傳輸距離可滿足5-15米的汽車系統，數據傳輸速率高達1Mbit/s，也可滿足長達10km工業應用。
3.2 CAN 總線地址分配
如何來區分總線上的各個結點呢？在 CAN 總線上發送的每一條報文都具有唯一的一個11 位（標準幀）或29 位（擴展幀）數字的ID，可采用靜態分配地址的方法，將ID 的前3―4 位定義為結點地址，其余各位自行定義，寫入各結點發送的幀消息中。中央結點接收到一個CAN 數據幀后通過檢查前3―4 為確定數據是從哪個結點發出的，從而做出響應的處理。CAN 總線狀態取決于二進制數“0”而不是“1”，所以ID 號越小，則該報文擁有越高的優先權。一般后輪輪胎的負荷大于前輪，因經常靠右行駛，右側的輪胎負荷可能大于左側[2]，因此在輪胎結點地址分配時，可以將負荷較大的輪胎分配為小地址，優先發送該結點數據。
3.3 中央預警模塊
中央控制模塊的硬件設計如圖 2 所示，分五個部分：一是處理器的選取和使用。處理器要求選取性能高，體積小，價格比較低，功耗小，安裝方便，安全可靠的產品。目前嵌入式系統中比較常用的32 位基于ARM7 框架的S3C44B0X 處理器比較符合要求。二是存儲部件的擴展，主要用于程序燒制和運行。三是要有輸入輸出部件，使用觸摸屏作為輸入設備，LCD和音頻播放器作為輸出設備，實現胎壓和溫度門限值的輸入和實際監測數據輸出預警。四是CAN 接口電路設計，如果選取的處理器自帶CAN 接口電路當然更好，如果選取的處理器本身不帶CAN 接口功能，可通過外接CAN 控制器的方式實現數據收發（圖2 采用S3C44B0X 處理器SPI 同步串行接口與MCP2510 控制器、TJA1050 收發器相連實現CAN 接口功能）。五是要有模塊調試電路，主要是串行口和JTAG 接口的設計。