无线CPU模块中C—CAN总线的车载应用解析

    鲍海森

    

    

    

    摘 要：文章以Q2686无线CPU为例，介绍了OpenAt嵌入式系统在Q2686无线CPU上的应用，以及基于Q2686模块的SPI扩展CAN总线设计应用，提出了基于Q2686模块的低成本车载远程GPRS诊断系统设计思路。

    关键词：OpenAt；C-CAN；SPI；车载；GPRS

    随着工业领域通信的发展，控制器局域网络（Controller Area Network，CAN）总线日益取代传统的小型网络通信模式，应用到越来越多的工业化产品中，尤其是汽车电子产品。但是CAN属于现场总线，需要有线连接，如何将有线连接的CAN总线数据和无线的GPRS网络连接起来，成为近来研究的热点。将CAN总线数据通过GPRS网络接入Internet，传输至远程服务器系统，实现汽车CAN总线数据的远程读取，可以为车载诊断产品提供一种新的发展思路。本文讨论基于GPRS无线CPU的C-CAN总线开发的广泛应用。

    1 OpenAt系统和Q2686模块硬件平台

    OpenAt嵌入式系统是为GPRS无线CPU开发的一款操作系统，集成了内存分配、Flash管理、数据流管理、GPIO管理、总线管理、定时器管理等多种功能。底层为嵌入式API应用层，包括程序初始化API，AT指令API，操作系统API，标准API，流控API，总线API等。包含了建立在OpenAt基础之上的应用开发层函数库。应用开发层函数库（Application Development Layer Library，ADL）为开发人员提供了上层应用接口，简化了嵌入式应用的开发；同时ADL还提供了嵌入式应用程序框架，包括消息解析器和服务声明机制。基于以上原因，OpenAt应用程序开发人员在开发应用程序时，更多的时间用于调用服务处理函数，使系统更专注于程序本身的优化[1]。

    Q2686模块是Sierra wireless公司为车载应用开发的汽车级GPRS无线CPU，支持嵌入式OpenAt系统，适用于汽车级的恶劣环境，具备抗强电磁干扰能力。内部集成了32位的ARM9芯片，最高频率为104 MHz，集成了32 M的Flash空间和8 M的RAM，拥有44个GPIO，两路SPI，两路UART口。内嵌嵌入式OpenAt操作系统，支持USB Slave和I2C总线[2]。

    Q2686支持4个频段的GSM网络，可以在世界上任何国家使用。内嵌TCP/IP，UDP，HTTP，FTP等多种网络协议，为GPRS网络开发应用提供了丰富的资源，尤其在车载应用方面，Q2686模块可以在﹣40～85 ℃恶劣环境下正常工作，作为独立CPU模块使用，可以为系统硬件节省掉一个外部CPU，大大降低硬件系统的BOM成本。

    在Q2686内部，OpenAt嵌入式系统与客户应用程序的关系如图1所示。

    2 SPI扩展C-CAN应用

    基于上面对于Q2686硬件平台的介绍，Q2686无线CPU本身不具备CAN总线硬件接口。由于Q2686无线CPU本身是为车载应用设计的，所以为了满足车载电子产品领域对于CAN总线应用的需求，OpenAt系统在Q2686模块的SPI总线上扩展CAN总线的应用，称之为C-CAN（全称Companion-CAN）总线，在应用层上完全等同于CAN总线。

    在Q2686模块中，SPI总线最高支持13 MHz的速率，扩展为C-CAN总线后，完全满足CAN总线的最高数据速率。基于SPI总线扩展的C-CAN总线支持CAN2.0A，CAN2.0B协议规范，最高支持1 Mbps的高速CAN总线数据传输。在硬件接口上，Q2686模块支持NEC78k0专用CAN控制器，外部CAN数据传输器选择TJA1041A高速CAN数据传输芯片[3]。硬件框如图2所示。

    3 C-CAN总线数据采集和传输

    OpenAt嵌入式系统为C-CAN总线提供了丰富的API函数库，通过对CAN总线数据的读取并分析，可以诊断出汽车内部状态和故障，并将系统状态数据和相关故障代码通过GPRS发送至服务器端[4]。

    C-CAN数据链路的建立：

    if （ can_ifInit（） == OK ） {//C-CAN总线API初始化完成

    canInitChannel（CAN_BUS_CHANNEL_1）；//初始化C-CAN通道

    }

    在canInitChannel（）函数中启动C-CAN声明函数：can_busCreateChannel （eBusChannel， CAN_BUS_BDRT_500K， CAN_BUS_HIGH_SPEED， （can_busEventHandler_f） busEventHandler）；其中，busEventHandler返回函數为C-CAN总线事件状态函数，其定义如下：

    void busEventHandler（can_busChannel_e eBusChannel， can_busEvent_e eBusEvent）{

    switch （eBusEvent）{

    case CAN_BEV_BUS_OFF：

    can_busRequest （eBusChannel， CAN_BUS_RESTART_FROM_BUSOFF）；//启动CAN总线链路

    break；

    case CAN_BEV_CTRL_READY：

    demo_canInitChannel（CAN_BUS_CHANNEL_1）；//重新初始化总线和信息

    break；

    }

    }

    can_busCreateChannel 函数返回状态如下：

    busEventHandler（can_busChannel_e eBusChannel， can_busEvent_e eBusEvent）{

    switch （eBusEvent） {

    case CAN_BEV_CHANNEL_DONE： break；

    case CAN_BEV_STARTED： break；

    case CAN_BEV_BUS_NORMAL： break；

    case CAN_BEV_BUS_WARNING_LEVEL： break；

    case CAN_BEV_BUS_ERROR_PASSIVE： break；

    case CAN_BEV_BUS_OFF：

    can_busRequest （eBusChannel， CAN_BUS_RESTART_FROM_BUSOFF）；//总线数据请求

    case CAN_BEV_TRCV_SLEEP： break；

    case CAN_BEV_TRCV_WAKE_UP： break；

    case CAN_BEV_FIFO_WARNING： break；

    case CAN_BEV_FIFO_FULL： break；

    case CAN_BEV_CTRL_RESET： break；

    case CAN_BEV_CTRL_READY：

    canInitChannel（CAN_BUS_CHANNEL_1）；//CAN总线重新初始化

    default： break； }}

    CAN总线数据的读取是通过can_msgRead（）函数完成，数据的写操作是通过can_msgWrite（）函数进行。CAN总线数据收发流程如图3所示[5]。

    4 GPRS数据链路的建立

    在OpenAt嵌入式系统中，启动GPRS的功能模块是WIP插件库，该插件库集成了TCP/IP，UDP，FTP，HTTP等多种网络协议栈，根据需要启动相应的协议栈函数库。我们建立TCP/IP客户端作为远程诊断终端的设备类型。

    OpenAt系统中，启动WIP登陆GPRS网络首先启动系统的Bearer，Bearer在OpenAt中作为一种数据通道，在一个Bearer下可以建立多条不同协议栈的数据链路。Bearer的建立示例代码如下[4]：

    void StartWipHandler（u8 ID）{

    s8 sReturn；

    if （ wip_netInit（）==0）{ //初始化网络协议栈

    sReturn=wip_bearerOpen（&br，"GPRS"，BearerHandler，NULL）；//打开Bearer的GPRS链路

    if （（sReturn==0）||（sReturn==WIP_BERR_ALREADY））{

    sReturn=wip_bearerSetOpts（br，WIP_BOPT_GPRS_APN，”CMNET”，

    WIP_BOPT_LOGIN，NULL，WIP_BOPT_PASSWORD，NULL， WIP_BOPT_END）；//设置GPS参数，APN接入点，PPP协议的认证用户名和密码

    if （sReturn==0） sReturn=wip_bearerStart（br）；//建立PPP连接

    }}}

    Bearer通道建立完成后，当BearerHandler返回函数返回WIP_BEV_IP_CONNECTED事件，表明当前的PPP连接建立成功。在本系统中，建立基于TCP协议栈的客户端SOCKET连接。启动函数为：

    Channel=wip_TCPClientCreate（“202.113.23.56”，9000，ClientEventHandler，NULL）；

    其中Channel值即在Bearer上建立的TCP链路返回句柄。ClientEventHandler返回函数定义如下：

    void ClientEventHandler（wip_event_t *event， void *ctx） {

    switch（event->kind）{

    case WIP_CEV_READ：break； //TCP数据包读操作

    case WIP_CEV_WRITE： break； //TCP数据包写操作

    case WIP_CEV_OPEN：break； //TCP链路建立完成

    }}

    在ClientEventHandler返回函数中，WIP_CEV_OPEN事件表明与指定服务器的端口TCP数据链路连接建立完成，系统已经搭建完成从远程诊断终端到Internet服务器的数据链路。在OpenAt嵌入式系统中，TCP/IP数据包通过wip_write（u8 *Data）函数发送，将数据直接送至wip_write（u8 *Data）函数，GPRS无线CPU立即将数据包以分组方式发送至服务器端。同样，系统采用wip_read（u8 *Data）函数接收，将来自服务器的数据依次分组接收下来，从而完成了数据包从发送到接收的全过程。

    5 C-CAN总线在汽车远程诊断系统中的应用

    Q2686模块本身是一款GSM/GPRS无线CPU，可以比较方便地建立GPRS数据链路连接，实现GPRS数据的稳定传输。由于CAN总线系统在汽车电子领域的广泛应用，以CAN总线为标准的C-CAN总线技术，可以将车载有线CAN数据传输，方便地扩展为GPRS远程数据传输。将汽车的CAN总线诊断数据通过GPRS实现远程传送至Internet上的诊断服务器，实现随车车载诊断；也可以对车辆实现远程的碰撞检测，气囊打开检测，紧急救援协助，车门开启报警等，结合GPS定位模块，还可以实时进行路线跟踪，保养提醒，防盗追踪等。

    6 结语

    基于Q2686模块和OpenAt嵌入式系统的车载应用，将GPRS无线数据传輸与CAN现场总线的有线数据实现了有机的结合，实现了Internet到CAN现场总线数据的交互，为车辆的远程诊断和控制提供了技术上的支持，为车主能提供更优质的服务，同时为车载电子产品的增值服务提供了技术手段，既扩展了车载电子产品的应用范围，也为Internet的扩展应用和物联网的发展奠定了一定基础。在国内，将CAN总线诊断以及汽车的发动机控制与GPRS技术的结合应用尚存在广阔的发展空间。

    [参考文献]

    [1]洪利，王敏，章扬.无线CPU与移动IP网络开发技术[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

    [2]Wavecom Corporation.WM Q2686 modules spec sheet[S].2007.

    [3]Wavecom Corporation.CAN1 product technical specification[S].2009.

    [4]Wavecom Corporation.CAN plug in API definition communication[S].2009.

    [5]金民锁，孙秀娟.基于CAN总线的矿井监控系统的设计[J].工业控制计算机，2009（10）：56-57.