基于CAN总线的半挂车安全预警系统设计

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。