CN2638142Y - 基于usb接口的便携式can总线分析记录仪 - Google Patents
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Abstract
基于USB接口的便携式CAN总线分析记录仪涉及到基于CAN总线的网络系统的分析、诊断以及通信数据的存储技术领域。其特征是，它是可以独立于PC机工作的分析记录仪，它还含有与核心处理器连接的液晶显示仪、键盘、USB主机接口以及用于存储设置的非易失RAM；USB主机接口用于连接外部USB存储器，并将配制文件存储到USB存储器中。还设计了抗干扰电路，在核心处理器和总线收发器之间连接了光耦，在总线收发器和总线之间连接了共模抑制器。本实用新型将复杂的基于CAN总线的网络系统的分析、诊断和数据记录功能在单片机系统上完整实现，具有抗干扰能力强，携带方便等优点。
Description
技术领域：
基于USB接口的便携式CAN总线分析记录仪涉及到基于CAN总线的网络系统的分析、诊断以及通信数据的存储技术领域。
背景技术：
CAN(Controller Area Network)即控制器局域网。由于其高性能、高可靠性以及相对其它现场总线低廉的价格，已经受到广泛的重视。尤其是在汽车领域，国际汽车工程协会(SAE)为CAN在汽车上的推广应用制定了相关的标准。为了适应CAN总线网络的快速发展，其网络检测设备是必不可少的。
目前国内还没有成熟的CAN总线检测以及数据记录技术，所使用的CAN总线分析记录仪都源于国外，且都是基于PC机的，例如德国Vector公司的CANalyzer，美国国家仪器公司的NI PCMCIA-CAN等。虽然这些商业产品在性能上已比较完善，但是存在下面的一些不足。
1.必须依靠PC机才能工作，不能单独使用，便携性差；
2.抗干扰能力差，没有考虑在特别恶劣的工业现场使用；
3.不具备CAN总线波特率自动检测功能；
4.价格昂贵，一般用户很难承受。
实用新型内容：
本实用新型的目的就是设计一种不依赖PC机能够独立进行CAN总线分析记录的便携式分析记录仪，它具有总线状态检测与显示，通信数据显示和数据记录功能，并能自动侦测CAN总线的波特率。此外，它能根据用户协议，从通信数据中提取用户所需的信号参数，并通过液晶(联机模式时通过PC机显示器，后面有详细叙述)进行显示。在独立进行CAN总线分析记录的基础上，它还能通过串口与PC机联机工作，将网络信息通过串口实时发送给PC机，并通过PC机的界面进行总线状态和通信数据的显示。
本实用新型含有核心处理器和总线收发器，其特征在于，所述CAN总线分析记录仪是可以独立于PC机工作的分析记录仪，它还含有与所述核心处理器连接的液晶显示仪、键盘、USB主机接口以及用于存储设置的非易失RAM；所述USB主机接口用于连接外部USB存储器，并将配制文件存储到USB存储器中。
其特征还在于，还含有抗干扰电路，所述抗干扰电路是连接在所述核心处理器和所述总线收发器之间的收、发信号端的两个光电耦合器；以及连接在所述总线收发器和CAN总线之间的共模抑制器，所述总线收发器通过两个连接被隔离地的接滤波电容与所述共模抑制器相连，所述共模抑制器还通过另两个连接被隔离地的滤波电容和两个正端共同连接被隔离地的瞬变电压抑制二极管与CAN总线相连；所述被隔离地是与上述核心处理器相隔离的地。
其特征在还于，所述USB主机接口中的接口芯片的型号为SL811HS，该芯片的数据端与所述核心处理器相连。所述核心处理器的型号为C167CR。所述总线收发器的型号为82250。所述液晶显示仪的型号为MGLS1286T-HT。
在本实用新型设计中，分析仪采用了16位单片机Infineon C167CR作为核心处理器，利用其内部的CAN模块实现CAN通信，利用它的比较/捕捉模块实现波特率的自动侦测。外围设备包括USB主机接口，液晶显示仪，键盘，串口通信电路等，它们与核心处理器一起实现了本分析仪的所有功能。
试验证明，本实用新型能够独立于PC机工作，并且具有良好的抗干扰性，具备CAN总线波特率自动检测功能，携带方便，达到了预期的目的。
附图说明：
图1为分析记录仪总体结构示意图；
图2为分析记录仪核心处理器电路原理图；
图3为CAN通信电路原理图；
图4为USB主机接口电路原理图；
图5为非易失RAM存储模块电路原理图；
图6是液晶显示仪与单片机总线之间的接口电路图。
具体实施方式：
结合附图说明分析仪的实施方式。
图1所示，本实用新型所提出的分析纪录仪主要包括核心处理器、液晶显示仪、USB主机接口、键盘、非易失RAM存储模块、RS232转换电路、CAN收发电路和系统辅助电路。核心处理器是整个系统的枢纽，系统辅助电路包括电源电路，外扩SRAM和Flash电路。由于拥有键盘、液晶显示等输入输出界面，又具有存储处理和存储功能，因此用户可以脱离PC机独立对CAN总线进行检测。另外通过串口与PC机相连，用户也可以与PC机结合使用。下面介绍独立使用(单机模式)和与计算机结合使用(联机模式)的两种使用模式。
单机模式：
总线状态、通信数据和信号参数通过液晶进行显示，用户的意图由键盘输入。用户可以方便的对接收屏蔽码、接收报文ID、发送周期、发送报文ID等参数进行设置，可以根据用户协议定义信号参数，并可选择性地将感兴趣的信号参数显示在液晶屏上。由于本分析仪是基于USB接口的，可以通过该USB接口外接USB闪存，将配置文件存放在USB闪存中，配置文件可以在PC机上编辑，用户进行设置时，不用通过键盘设置，而是从存放在闪存中的配置文件中读取各项参数并进行设置，当用户协议比较复杂时，用这种方式更为有效。所有的设置都被保存到非易失RAM中，避免了再次使用时的重复设置。根据实际情况完成系统配置后就可以对总线状态进行检测，总线状态和通信数据均可在液晶屏上显示，同时，接收到的通信数据可以以标准的FAT16文件格式存放到USB闪存中，最快存储速度可以达到1Mbyte/s，由于CAN总线的最大波特率为1Mbit/s，所以这个存储速度完全能够满足要求。核心处理器C167CR还可以通过串口模块与PC机通讯，在PC机与串口之间需要连接一个RS232转换电路。这样存储在USB闪存上的数据文件可以方便的传入PC机，以便进行后续处理。
联机模式：
用户将分析仪通过串口与232转换电路与PC机联机工作时，除了具有单机模式下的所有功能外，还具有更好的人机交互界面。它通过串口接收PC机的控制命令，同时将自己检测到的总线状态，接收到的通信数据回传给PC机。此时，由PC机提供人机交互界面，用户通过PC机观察总线状态和数据，并通过PC机设置各种参数，这些参数也同步保存在非易失RAM中。在通信数据存储方面，分析仪可以用单机模式的技术直接将数据存储到USB闪存中，也可以通过串口由PC机将数据保存到计算机硬盘内。此种模式的优点是显示界面更为友好，用户操作更加灵活、方便。
见图2分析仪的核心处理器C167CR电路原理图。该处理器集成有CAN总线控制器模块，能够将检测到的CAN总线的位流转换为数字量，以便核心处理器进行下一步处理。
图3所示，由于CAN总线控制器模块集成在了核心处理器C167CR内部，所以CAN通信部分电路主要包括CAN总线收发器82C250(U503)，该收发器主要用于变换接收和发送数据两种传输方式。为了使CAN总线的波动不会对分析仪的电路产生影响，本实用新型还在CAN通信电路中设计了抗干扰电路，抗干扰功能是由光电耦合器6N137(U501、U502)和共模干扰抑制器ZJYS-2(U504)来实现的。见图2和图3，核心处理器C167CR的CAN输出引脚P4.6与光电耦合器U502的输入端相连，该光电耦合器的输出端与总线收发器U503的发送数据的输入端TD相连。总线收发器U503的接收数据输出端RD连接到光电耦合器U501的输入端，该光电耦合器的输出端连接到C167CR的CAN输入引脚P4.5上。光电耦合器U501、U502和CAN总线收发器与核心处理器C167CR之间的电源需要隔离，这里通过一个DCP0105型DC/DC转换器来实现。通过使用光电耦合器U501、U502和DC/DC转换器DCP0105，核心处理器C167CR接收和发送的信号与CAN总线上传输的信号实现了光电隔离，提高了整个电路抗干扰的能力。在此基础上基于电磁干扰理论和实际实验，我们还增加了更为有效的抗干扰电路，在CAN总线收发器U503的CANH(CAN电压高)和CANL(CAN电压低)两个端口之间连接共模抑制器U504，并分别通过滤波电容C503和C504接到隔离后的电源地GNDA。共模抑制器U504另一侧两个端口OUT1和OUT2也分别通过滤波电容C505和C506与隔离后的电源地相连，并各自连接到一个瞬变电压抑制二极管(TVS)(其型号为P6KE6.8CE)的负极，这两个瞬变电压抑制二极管(TVS)D500和D501的正极与隔离后的电源地相连。终端并联两个电阻R503和R504，并由跳线块决定是否接入电路中。两个电阻的连接处经过一个的电容C507与隔离后的电源地相连。分析仪与CAN总线采用DB9九针连接器相连。当CAN总线使用带有屏蔽层的双绞线时，屏蔽层经过九针连接器通过电阻R505和电容C513与隔离后的电源地相接。采用如前所述的抗干扰电路设计后，系统抗干扰能力明显增强，经过电磁兼容实验证明，数据出错率从千分之几降到百万分之几。
另外，本实用新型还针对核心处理器具有的比较/捕捉功能，配合相应的软件处理，使其能够自动侦测CAN总线的波特率。图2和图3所示，核心处理器C167CR的CAN接收引脚P4.5与C167CR的IO端口P7.6和P7.7相连。P7.6和P7.7分别是核心处理器C167CR比较捕捉模块的输入引脚。当接收引脚P4.5上的信号发生负跳变时，触发比较捕捉模块的捕获中断，计数器PT0(PWM模块计数器的精度最高，所以选用它作为计数器)开始计数，当接收引脚P4.5上的信号发生正跳变时，触发比较捕捉模块31单元的捕获中断，计数器PT0停止计数。计数器PT0的值乘以处理器机器周期就得到CAN信号显性位的持续时间，多次测量(测量次数大于100)，其最小值就是一个显性位的持续时间(可以通过对CAN协议ISO11898的分析得到，这里不再详述)，从而得到当前CAN网络采用的波特率，实现了CAN总线波特率的自动侦测。
图4所示，本实用新型采用了Cypress公司的SL811HS芯片作为USB接口中的主机(Host)设备。由于SL811HS是双角色主机/外围设备的嵌入式USB控制器，只要采用USB2.0规范的补充协议USB On-The-Go，SL811HS就能够以主机的身份和单一USB外设直接通信，而不需要依赖计算机主机进行通信。
SL811HS芯片的接口电路包括了8位数据线，1位地址线(用来区别地址和数据，当A0为低时表示对地址操作，当A0为高时表示对数据操作)。SL811HS芯片接了48M的外部晶振，因此CM引脚应该接地使得4倍内部时钟乘法器无效。为了让SL811HS芯片工作在主机(Host)设备模式，SL811HS芯片的M.S引脚应该接地，且DATA+和DATA-引脚均要连接下拉电阻(R404和R405)到地。SL811HS芯片的复位引脚nRST与C167CR的P2.7相连，这样可以利用P2.7口对SL811HS芯片进行复位，中断请求引脚INTRQ与C167CR的P2.10(C167CR的外部中断输入引脚)相连。另外值得注意的是SL811HS芯片的工作电压是3.3V，因此需要一个电平转换器件LT1086CM把5V电压转换成3.3V。
基于上述的硬件电路，为了实现与通用的USB移动存储器(一般是USB接口的闪速存储器)进行数据交换(读写、存储、管理数据等)，相应的软件系统还应该包括闪速存储器(以下简称闪存)驱动程序和FAT12/FAT16文件系统。为了适应不同制造商的闪存有不同的编程算法等等，本实用新型在建立软件系统时将不同品牌USB闪存的驱动程序建立在驱动程序库中，这样分析仪就可以面向不同的闪存。FAT12/FAT16文件系统则是在闪存驱动库的基础上把要记录或者管理的数据组织成文件，从而实现对信息存储空间的组织和分配，信息的保护和检索等功能。
图5所示，非易失RAM存储模块包括非易失RAM FM1608(U8)和138译码器74LS138(U15)。U15的选择输入端A、B、C分别与C167CR的地址线A17、A18、A19相连，输入使能端的E1和E2与C167CR的片选信号线CS2相连，E3直接连接到VCC。U15的输出端Y1与U8的使能端CE相连，其余输出端悬空，可另做他用。U8的数据总线D0～D7，地址总线A0～A12，读写信号线OE，WE分别与C167CR的数据总线D0～D7，地址总线A0～A12，读写信号线RD、WR相连。在U8的写信号线上还连接着一个上拉电阻R20。
本分析仪选用的是128×64的图形式液晶显示仪，其型号为MGLS12864T-HT，内部控制芯片是T6963。它与核心处理器采用直接方式连接，见图6，R19用于调节液晶的背光电压。P2.12为液晶的复位端，通过对P2.12的编程，可以实现对液晶的软件复位等操作。FS为液晶字符大小选择，FS接VCC高电平时，表示液晶采用8×6的点阵，FS接GND低电平时，表示液晶采用8×8的点阵。U93(74LS245)为总线驱动器件，用来提高总线的驱动能力。LCDFOR是与液晶显示仪的接口。
本分析仪使用的是16键贴膜键盘，它的8个引脚通过10k欧姆的电阻上拉到VCC上，与核心处理器C167CR的I/O引脚P8.0～P8.7相连。
本分析仪的系统辅助电路包括电源电路，外扩RAM和Flash电路。电源为电源电路，外扩RAM容量为128K字节，型号为IS61C12816。外扩Flash容量为512k字节，型号为AM29F400BB70SI。
本实用新型将复杂的基于CAN总线的网络系统的分析、诊断和数据记录功能在单片机系统上完整实现，为CAN总线网络系统的开发提供了有力的工具。本实用新型还具有具有成本低，性能稳定，适用性广，携带方便的优点，非常适用于车用CAN总线网络系统的分析和故障诊断。
Claims (6)
1、基于USB接口的便携式CAN总线分析记录仪，含有核心处理器和总线收发器，其特征在于，所述CAN总线分析记录仪是可以独立于PC机工作的分析记录仪，它还含有与所述核心处理器连接的液晶显示仪、键盘、USB主机接口以及用于存储设置的非易失RAM；所述USB主机接口用于连接外部USB存储器，并将配制文件存储到USB存储器中。
2、如权利要求1所述的基于USB接口的便携式CAN总线分析记录仪，其特征在于，还含有抗干扰电路，所述抗干扰电路是连接在所述核心处理器和所述总线收发器之间的收、发信号端的两个光电耦合器；以及连接在所述总线收发器和CAN总线之间的共模抑制器，所述总线收发器通过两个连接被隔离地的接滤波电容与所述共模抑制器相连，所述共模抑制器还通过另两个连接被隔离地的滤波电容和两个正端共同连接被隔离地的瞬变电压抑制二极管与CAN总线相连；所述被隔离地是与上述核心处理器相隔离的地。
3、如权利要求1所述的基于USB接口的便携式CAN总线分析记录仪，其特征在于，所述USB主机接口中的接口芯片的型号为SL811HS，该芯片的数据端与所述核心处理器相连。
4、如权利要求1所述的基于USB接口的便携式CAN总线分析记录仪，其特征在于，所述核心处理器的型号为C167CR。
5、如权利要求1所述的基于USB接口的便携式CAN总线分析记录仪，其特征在于，所述总线收发器的型号为82250。
6、如权利要求1所述的基于USB接口的便携式CAN总线分析记录仪，其特征在于，所述液晶显示仪的型号为MGLS1286T-HT。
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