摘  要： 基于Cortex-A8嵌入式開發(fā)平臺和SAE J1939協(xié)議，通過解析CAN總線報文、后臺數(shù)據(jù)處理和前端應(yīng)用程序開發(fā)，設(shè)計出了一套車載信息服務(wù)系統(tǒng)。經(jīng)過測試表明，該系統(tǒng)能穩(wěn)定顯示車輛實時運行狀況，并能分析和保存故障信息，方便車主的維護和保養(yǎng)；其易操控性和良好的人機交互體驗使本系統(tǒng)具有一定的實用價值。
關(guān)鍵詞： Cortex-A8；SAE J1939協(xié)議；車載信息；人機交互

    車載信息系統(tǒng)是現(xiàn)代汽車電子重要組成之一。目前市場上的乘用車車載信息系統(tǒng)智能化程度比較高，技術(shù)已趨向成熟，但是商用車卻相對滯后。這也意味著商用車車載信息服務(wù)系統(tǒng)市場亟待開發(fā)，主要有以下幾個方面的原因：一是行業(yè)的內(nèi)在需求。商用車作為運營車輛，如客運、旅游公交、物流公司對車輛的安全、運營、成本管理等的內(nèi)在需求愈發(fā)強烈。二是技術(shù)的日漸成熟。車載總線技術(shù)的推廣普及為車輛信息采集提供了基礎(chǔ)；大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展為車聯(lián)網(wǎng)硬件開發(fā)提供了基礎(chǔ)；通信技術(shù)中的3G技術(shù)已經(jīng)成熟，4G網(wǎng)絡(luò)在快速建設(shè)，很快將完成城市和公路范圍覆蓋。三是國家相關(guān)政策陸續(xù)出臺。商用車，尤其是客車作為運營車輛，事關(guān)人身安全、財產(chǎn)安全以及社會穩(wěn)定，國家對其管理要求也是格外重視，自2003年起便推出了道路運輸車輛衛(wèi)星定位動態(tài)監(jiān)管系統(tǒng)標準、強制安裝記錄儀標準、JT-T415-2006道路運輸電子政務(wù)平臺標準及汽車行駛記錄儀新國家標準，這為商用車的車載信息服務(wù)系統(tǒng)的快速普及提供了強大的政策推動。商用車車載信息服務(wù)系統(tǒng)及相關(guān)技術(shù)發(fā)展?jié)摿薮蟆?br/>     為此，本文借助Cortex-A8嵌入式開發(fā)平臺，基于SAE J1939協(xié)議，針對商用車設(shè)計了一套功能完善、整體性強且性價比高的車載信息系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案
    本系統(tǒng)主要功能為：實時監(jiān)控車輛運行參數(shù)，給駕駛?cè)藛T提供豐富的車輛實時運行狀況信息；建立車載數(shù)據(jù)庫，存儲采集到的車輛實時運行動態(tài)信息和故障信息，以備查詢使用；實現(xiàn)車輛故障自診斷功能，方便相關(guān)人員對車輛進行故障檢測。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示。
    圖1中，CAN控制器模塊采集車內(nèi)各CAN節(jié)點的報文信息，其通過SPI接口與主處理器進行通信；GPS模塊提供車輛的實時定位信息；通過GPRS模塊可將車輛的實時運行狀態(tài)與移動通信設(shè)備進行信息交換；存儲模塊主要儲存車輛的故障信息，方便車輛的維護和保養(yǎng)；人機交互模塊主要用來顯示針對本系統(tǒng)開發(fā)的應(yīng)用軟件，給用戶以人性化體驗。

2 系統(tǒng)主要硬件結(jié)構(gòu)
    主控芯片采用基于ARMv7架構(gòu)的Cortex-A8處理器，其主頻達1 GHz，是三星推出的一款適用于智能手機和平板電腦的應(yīng)用處理芯片。本系統(tǒng)采用的開發(fā)平臺具有豐富的板載資源：板載RS232串口、RS485串口、外擴I2C、SPI、PWM等接口，板載CAN總線接口、GPS模塊、工業(yè)級GSM/GPRS模塊等，大大方便了本系統(tǒng)的開發(fā)。
    其中，CAN總線模塊主要由CAN獨立控制器、CAN收發(fā)器和時鐘電路組成?？刂破鬟x用MCP2510，并以晶振電路作為時鐘源；收發(fā)器選用CTM1050T(內(nèi)部集成光電隔離電路)。電源部分：MCP2510采用3.3 V電源供電，CTM1050T采用5 V供電，與CAN總線電源電壓一致。由于CTM1050T內(nèi)部集成了光電隔離電路，因此GND和CANG兩個接地引腳，分別接系統(tǒng)地線和CAN總線地線。數(shù)據(jù)線接線部分：MCP2510通過標準SPI串行接口與Cortex-A8通信，通過收發(fā)器CTM1050T與車內(nèi)CAN總線網(wǎng)絡(luò)連接。信號線接線部分：MCP2510有8個中斷源，有中斷發(fā)生時，通過INT引腳向主處理器發(fā)送中斷請求，然后主處理器通過查詢中斷標志寄存器(CANINTF)確定中斷源。另外，接收緩沖器滿引腳(RX0BF和RX1BF)也可用來顯示有效報文是否分別成功載入RXB0或RXB1。本設(shè)計使用中斷引腳INT與Cortex-A8的外部中斷引腳EINT19相連，用于發(fā)送中斷信息，RX0BF和RX1BF外接LED，用于指示數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)。CAN總線模塊電路原理圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計
    本文所設(shè)計的車載信息服務(wù)系統(tǒng)是基于操作系統(tǒng)的嵌入式產(chǎn)品。傳統(tǒng)的基于操作系統(tǒng)的嵌入式產(chǎn)品可以分為應(yīng)用層、文件系統(tǒng)及驅(qū)動層和底層3個部分。借助于功能強大的Cortex-A8嵌入式開發(fā)平臺，本文主要工作集中在應(yīng)用層上面，其軟件設(shè)計流程圖如圖3所示。系統(tǒng)地看，CAN設(shè)備經(jīng)過驅(qū)動以后，從車載CAN總線網(wǎng)絡(luò)上接收報文，讀取設(shè)備文件函數(shù)后，數(shù)據(jù)流向后臺數(shù)據(jù)處理程序，經(jīng)過后臺數(shù)據(jù)處理，最后交由前端Qt頁面顯示。

    本系統(tǒng)所做工作的核心部分即為后臺數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計和前端人機交互程序設(shè)計。后臺數(shù)據(jù)處理程序接收CAN報文后，基于SAE J1939協(xié)議進行解析處理；人機交互是將處理后的數(shù)據(jù)顯示在用戶圖形界面上。
3.1 SAE J1939協(xié)議
    SAE J1939協(xié)議是美國汽車工程師協(xié)會（SAE）在CAN2.0B協(xié)議基礎(chǔ)上制定的針對客車和貨運車網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用層協(xié)議，目前在汽車電子網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛應(yīng)用。SAE J1939協(xié)議以CAN2.0B協(xié)議為基礎(chǔ)，所不同的是在很多方面做了更具體的規(guī)定。例如，在物理層，選用屏蔽雙絞線作為傳輸介質(zhì)，傳輸速率規(guī)定為250 kb/s；在數(shù)據(jù)鏈路層使用CAN擴展幀，并對CAN標識符重新定義，摒棄了CAN協(xié)議中對報文標識的方法，重新采用對節(jié)點地址編號。SAE J1939協(xié)議總體按照ISO/OSI模型制定相關(guān)標準，在CAN2.0B協(xié)議的基礎(chǔ)上又增加了應(yīng)用層定義、網(wǎng)絡(luò)層定義、網(wǎng)絡(luò)管理和故障診斷定義，傳輸層、會話層和表示層暫未定義。SAE J1939協(xié)議各層使用的是格式統(tǒng)一的協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU(Protocol Data Unit)，每個協(xié)議數(shù)據(jù)單元的功能由所攜帶的參數(shù)組編號PGN(Parameter Group Number)標識。SAE J1939作為一種控制局域網(wǎng)協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)中大部分數(shù)據(jù)都是以參數(shù)的形式在應(yīng)用層完成傳遞的。
    下面以動機瞬時油耗為例說明報文解析的具體過程：如接收到的PDU的幀ID為0x18FEF200，其數(shù)據(jù)區(qū)前兩個字節(jié)值為138（0x008A），則該報文部分域值如圖4所示。

    由圖4可知，優(yōu)先級P為6，目標地址PS為0xF2，源地址SA為0x0。此時地址為0xF2的節(jié)點會接收該報文并交由上層應(yīng)用程序處理，而其他節(jié)點則不進行處理，直接丟棄。根據(jù)R(保留位)、DP(數(shù)據(jù)頁)、PF(PDU格式)、PS(特定PDU)的值的計算可得本報文的參數(shù)組編號PGN為0x00-
FEF2。SAE J1939對該參數(shù)組編號定義如表1所示。

    由表1可知，此報文數(shù)據(jù)區(qū)攜帶了4個參數(shù)，前兩個字節(jié)內(nèi)定義的參數(shù)是燃油使用率，可疑參數(shù)編號SPN為183。具體燃油使用率的值可以按照SAE J1939協(xié)議對SPN183的定義計算出來，協(xié)議對SPN183的定義如表2所示。
    由表2，根據(jù)計算公式：參數(shù)實際值=分辨率×總線傳輸數(shù)值+偏移量，代入數(shù)據(jù)便可以得到參數(shù)的實際物理值：瞬時油耗=0.05 L/h×138+0=6.9 L/h。
3.2 CAN總線底層配置
    CAN總線驅(qū)動程序的報文發(fā)送、接收任務(wù)都是圍繞控制器MCP2510展開的，因此驅(qū)動程序主要是對控制器MCP2510內(nèi)部寄存器進行操作。在Linux為所有設(shè)備都提供的統(tǒng)一函數(shù)接口file_operations中，其中can_ioctl()函數(shù)可以設(shè)置CAN總線通信波特率、通信幀ID、CAN總線接收濾波器以及MCP2510工作模式等參數(shù)。因此CAN總線驅(qū)動程序主要內(nèi)容就是對CAN總線控制器MCP2510的操作和file_operations結(jié)構(gòu)的設(shè)計。
3.2.1 CAN總線控制器MCP2510的設(shè)置
    首先對MCP2510進行初始化，具體步驟為：(1)軟件復(fù)位，進入配置模式；(2)設(shè)置CAN總線波特率；(3)關(guān)閉中斷，設(shè)置ID過濾器；(4)切換MCP2510至工作狀態(tài)；(5)清空接收和發(fā)送緩沖區(qū)；(6)開啟接收緩沖區(qū)，開中斷。
    由于MCP2510與Cortex-A8的SPI0直接相連，因此接下來需要編寫驅(qū)動SPI0控制器的接口函數(shù)，具體包括SPI_init()、SPI_putch()、SPI_getch()、SPI_mcp_select()、SPI_mcp_unselect()函數(shù)等。它們的作用分別是初始化SPI控制器；通過SPI發(fā)送一個字節(jié)；通過SPI接收一個字節(jié)；后兩個函數(shù)是MCP2510的片選的選擇和取消。
    MCP2510為微控制器提供讀指令、寫指令、請求發(fā)送指令、狀態(tài)讀指令、復(fù)位指令和位修改指令6種指令操作。編寫的相應(yīng)的SPI接口函數(shù)為：SPI_mcp_RD()讀操作；SPI_mcp_WR()寫操作；SPI_mcp_rts()請求發(fā)送操作；SPI_mcp_RD_status()狀態(tài)讀操作；SPI_mcp_reset()復(fù)位操作；SPI_mcp_write_bits()位修改操作。
3.2.2 CAN驅(qū)動程序的實現(xiàn)
    CAN設(shè)備屬于字符設(shè)備，根據(jù)Linux設(shè)備驅(qū)動程序的通用模式， CAN驅(qū)動程序軟件結(jié)構(gòu)如圖5所示。

    由圖5可知，CAN總線驅(qū)動程序設(shè)計具體步驟如下：
    （1）通過can_init()函數(shù)實現(xiàn)初始化，具體包括：初始化硬件、注冊字符設(shè)備驅(qū)動、注冊中斷和創(chuàng)建設(shè)備文件系統(tǒng)節(jié)點。硬件的初始化主要通過調(diào)用函數(shù)SPI_init()和mcp_init()實現(xiàn)。注冊字符設(shè)備驅(qū)動是通過register_
chrdev()函數(shù)實現(xiàn)的。向內(nèi)核注冊中斷使用了函數(shù)request_irq()。創(chuàng)建設(shè)備文件系統(tǒng)節(jié)點則是通過函數(shù)devfs_register()實現(xiàn)的，它將為CAN總線設(shè)備創(chuàng)建文件節(jié)點/dev/can。
    （2）CAN驅(qū)動程序的編寫選擇適用的文件操作接口file_operations結(jié)構(gòu)，具體如下所示：
Static struct file_operations can_fops={
owner:THIS_MODULE；
open:can_open；
release:can_release；
ioctl:can_ioctl；
write:can_write；
read:can_read；
};
    在該結(jié)構(gòu)中，應(yīng)用程序可以通過can_ioctl()函數(shù)改變CAN總線通信中諸如CAN總線通信波特率、通信幀ID、CAN總線接收濾波器以及MCP2510工作模式等參數(shù)的設(shè)置。
    （3）通過函數(shù)can_exit()用來卸載和取消設(shè)備。在模塊被卸載時，可以通過調(diào)用unregister_chrdev()和free_irq()函數(shù)注銷字符型設(shè)備驅(qū)動和已經(jīng)申請的中斷。
3.3 應(yīng)用程序設(shè)計
    應(yīng)用軟件是車載信息系統(tǒng)的重要組成部分。本系統(tǒng)使用Qt/Enbedded 應(yīng)用程序架構(gòu)開發(fā)應(yīng)用程序。根據(jù)車載信息系統(tǒng)的功能需求，系統(tǒng)應(yīng)用程序的設(shè)計分為人機交互界面、CAN總線數(shù)據(jù)處理、GPS、GPRS信息處理和數(shù)據(jù)存儲等部分。由于需要執(zhí)行多個任務(wù)，若在單一線程里實現(xiàn)，可能會導(dǎo)致阻塞、降低系統(tǒng)整體性能。因此，本系統(tǒng)采取多線程技術(shù)，可以提高處理器效率，還能避免程序阻塞、交互界面卡頓等現(xiàn)象。本文著重介紹車輛實時狀態(tài)監(jiān)控程序設(shè)計部分。
    車輛狀態(tài)監(jiān)控主要包括實時監(jiān)控車輛各項實時運行參數(shù)和故障信息。結(jié)合前面的報文解析過程，其流程圖如圖6所示。

    根據(jù)SAE J1939協(xié)議的規(guī)定，車輛各項參數(shù)會以規(guī)定周期在網(wǎng)絡(luò)上廣播，如果有故障發(fā)生，就會廣播相應(yīng)的故障碼。本程序只需監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，提取攜帶這些有用信息的報文進行相應(yīng)的解析即可。該部分功能在車輛狀態(tài)監(jiān)控子線程中實現(xiàn)，該線程啟動后循環(huán)讀取來自MCP2510從總線上接收的報文。如果報文中攜帶的是車輛狀態(tài)參數(shù)，則根據(jù)相應(yīng)的PGN查表確定該報文數(shù)據(jù)域的參數(shù)和它們的SPN，再根據(jù)SPN查表獲得這些參數(shù)在數(shù)據(jù)域中的位置、數(shù)據(jù)分辨率、數(shù)據(jù)長度和偏移量等信息，最后通過計算獲得該參數(shù)具體的物理值；如果是故障報文，則需要根據(jù)報文中的診斷故障代碼（DTC）來確定故障參數(shù)和故障類型。獲得以上這些信息后把它們存入到相應(yīng)的全局變量以供其他線程使用，同時刷新LCD顯示值。
    本文設(shè)計的車載信息系統(tǒng)實時監(jiān)控畫面如圖7所示。在實際測試中，本系統(tǒng)能穩(wěn)定地顯示車輛的實時運行數(shù)據(jù)，方便車主對車輛進行維護和保養(yǎng)，滿足用戶的基本需求；人性化的操控界面和快捷靈敏的反應(yīng)速度使本系統(tǒng)具有一定的應(yīng)用價值。

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