重型卡車因其具有運輸量大、運輸成本低等特點，在工程建設、貨物運輸、城市垃圾清運等方面得到了越來越多的應用。但近年來重型卡車行車時引起的交通事故頻繁發生，給人民生命財產安全造成了巨大損失。隨著汽車電子技術的快速發展，基于CAN總線的重型卡車車載網絡技術已成為保證重型卡車可靠、安全運行的一種有效技術措施[1]。采用分布式網絡控制，不僅可以減少線束，而且能夠提高各電子控制系統的運行可靠性，實現各子系統之間的資源共享和在線故障診斷。
    目前，國外基于CAN總線技術和J1939協議標準的重型卡車網絡系統的研究己經進入商用化階段，取得了顯著的社會經濟效益[2]。在國內，一汽、上汽和中國重汽等集團公司相繼都在其不同型號的重卡上采用CAN總線技術。但目前國內還沒有自主知識產權的成熟產品，基本上還是采用直接引進國外著名汽車電子供應商的產品的方式，很難掌握其關鍵技術，嚴重阻礙了我國重型卡車車載網絡技術的發展[1]。
    本文設計了一個基于CAN總線的重型卡車車載儀表系統。該車載儀表系統是整個車載網絡系統的核心模塊，綜合應用了CAN總線技術、嵌入式技術和智能儀器等技術，主要實現車況信息的收集與處理、行駛數據記錄、通信和顯示等功能，不僅為駕駛員判斷是否發生故障以及發生故障的狀況提供了依據，而且為運輸公司的經營和事故處理提供依據。該研究工作對于我國汽車電子技術，特別是重型卡車設備的電子化、網絡化發展，參與國際競爭具有積極的促進作用。
1 重型卡車車載網絡系統總體設計
    重型卡車通常由牽引車和拖車組成。由于牽引車要掛接一個或多個拖車，并可能需要頻繁地卸載和加掛拖車，因而應在牽引車、拖車內各自采用單獨的網段，由多網段組成的網絡來支持系統工作。如圖1所示是本文設計的基于CAN總線的重型卡車車載網絡系統的拓撲結構，它由牽引車網段和拖車網段組成。當存在多個網段時，必須有相應的橋接設備提供從一個網段到另一個網段的消息傳遞功能。各網段的信息通過橋接設備進行報文的轉發、過濾、地址轉換和重新打包等，從而減少每個子網的數據信息流量，使每個子網工作更有效，也提高了整個網絡的效率。
    圖1中的網絡互連ECU即為實現牽引車網段和拖車網段互聯的橋接設備，牽引車端的是主橋接設備（Bridge Master），拖車端的是從橋接設備（Bridge Slave）。在牽引車網段和拖車網段內，各個電子控制單元ECU通過CAN總線與網絡互連ECU連接，構成主從式分布式系統，網橋設備作為主節點，各個電子控制單元ECU作為從節點。主節點向從節點發出命令幀，從節點接收到命令幀后向主節點發送響應幀，從而實現數據交換。網橋具有兩個CAN通信端口，一方面可以連接同一網段中各個電子控制單元ECU，另一方面可以實現牽引車和拖車之間的報文轉發。牽引車的網橋周期地輪詢拖車系統中的網橋，當拖車網橋接收到輪詢消息時，開始對其網段中的各個電子控制單元ECU進行監測，接收電子控制單元ECU發送的報文信息，并將拖車網段中生成的報文傳到牽引車網橋。如果拖車系統已經卸載，牽引車的網段仍然能正常工作，連接拖車網橋的CAN網絡處于等待狀態，一旦拖車系統被掛接上，便開始對其進行輪詢檢測。

2 嵌入式車載儀表硬件結構設計
     位于牽引車端的網絡互聯ECU，即主橋接設備是整個網絡系統的核心。它不僅是牽引車的主控設備，也是連接后面的拖車系統的關鍵設備，整個網絡系統的信息在此匯集、處理、存儲和顯示，據此可以判斷發動機的燃油液位是否過低、發動機冷卻液溫度是否過高、發動機機油壓力是否過低以及車燈是否發生故障，將這些故障信息以圖形的方式顯示出來，使駕駛員能夠隨時全面地監測卡車運行狀態。
    網絡互連ECU采用Samsung公司的S3C2410作為微處理器。S3C2410是一款低價格、低功耗、高性能的16/32 bit且具有ARM920T內核的微處理器。主頻203 MHz，處理能力完全滿足該系統的需要，并且能夠方便地移植Linux操作系統，為設計具有良好人機交互界面的車載儀表系統創造了條件。
    整個硬件電路主要包括電源電路、復位電路、時鐘電路、存儲器擴展電路、液晶顯示電路和兩路CAN通信接口電路，其基本結構如圖2所示。

    系統采用SJA1000 CAN控制器和PCA82C250總線收發器設計CAN通信接口。SJA1000是PHILIPS公司推出的一款CAN通信控制器，支持CAN2.0A、2.0B協議。由于其設計是基于早期的80C51單片機應用，內嵌鎖存器可以使80C51單片機無需任何外接器件就可以直接連接。但是，S3C2410A的地址總線和數據總線是分開的，不能直接連接SJA1000，所以需要模擬出類似80C51單片機的外部存儲器時序才能使用。圖3電路中，使用了一個“或”門74LS32和一個“或非”門74LS02的組合，配合地址總線，首先模擬出一個ALE(地址鎖存信號)，把SJA1000的內部寄存器地址寫入鎖存器，然后再向SJA1000內部寄存器寫入數據。這樣，使用ARM的兩條外部存儲器訪問指令，就可以模擬出SJA1000所需要的時序了。利用S3C2410A的片選信號nGCS4和地址總線LADDR2，經過“或非”門模擬出的SJA1000的物理端口地址為0x20000008，片選信號nGCS4和地址總線LADDR3，經過 “或”門，模擬出的SJA1000的數據端口地址為0x20000004。

3 嵌入式車載儀表軟件設計
3.1 嵌入式Linux下CAN設備驅動程序開發
    網絡互連ECU在Linux系統下使用CAN通信技術，因此需設計基于Linux的CAN設備驅動程序。
　 設備驅動程序是操作系統內核和機器硬件之間的接口。Linux內核有三種類型的設備驅動程序：字符設備驅動程序、塊設備驅動程序和網絡設備驅動程序[4]。SJA1000控制器屬于字符型設備，CAN設備驅動程序實際上是Linux內核直接對SJA1000器件的初始化與讀寫操作。而這些操作方式其實就是一些標準的系統調用，如open()、read()、write()、close()等。定義把系統調用和驅動程序關聯起來的關鍵數據結構file_operations，結構體中的每一個成員都是一個函數指針，實現了對于不同操作的函數跳轉功能。具體的聲明如下：
    struct file_operations sja1000_can_fops =
    {
        owner: THIS_MODULE,
　        ioctl: can_ioctl,                  //設置通信參數
　        open: can_open, //完成SJA1000初始化,中斷申請，
                                      增加次數計數器的使用次數
　        write: can_write,                       //發送數據
        read:  can_read,                       //接收數據
　        release : can_release,   //關閉CAN設備，關閉中斷,
                                            減少次數計數器的使用次數
    };
    驅動程序加載到內核中時，首先運行驅動程序的初始化函數，然后等待系統調用在file_operations結構中定義的相關函數，實現對設備的操作。CAN設備的初始化函數負責創建CAN設備文件，注冊CAN設備驅動程序。
    對于字符設備，Linux通過調用register_chrdev()向系統注冊；卸載驅動時，注銷設備函數為unregister_chrdev()。設備驅動程序一般以模塊形式加入內核，使用module_init和module_exit宏對模塊初始化函數can_init()和模塊清除函數can_cleanup()進行標記（通常在文件末尾）。程序如下：
　 module_init(can_init)；
　 module_exit(can_cleanup)；
    驅動程序編寫完成并編譯通過后，可使用命令：#insmod can_sja1000_dev.ko進行動態加載。加載后，用戶程序就可以通過文件直接操作CAN控制器，實現CAN總線通信。使用驅動程序完成CAN總線數據收發的原理如圖4所示。在系統初始化完畢后，發送命令幀給監測系統的電子控制單元ECU，通過系統調用將命令幀從用戶空間拷貝到內核空間，發送數據處理函數將內核層的命令幀寫入SJA1000控制器；當電子控制單元ECU采集的卡車運行狀態數據到來時，中斷被觸發，喚醒處于睡眠狀態的進程，接收數據處理函數將從SJA1000控制器讀取數據到接收緩沖區，用戶通過系統調用讀取到完整的數據。

3.2 基于MiniGUI的車載儀表顯示程序設計
    MiniGUI是嵌入式圖形用戶界面系統，它通過窗口系統來管理應用程序在屏幕上的顯示[5]。本系統的人機界面包含的窗口類型有：對話框、按鈕、靜態框、位圖和填充條，使用對話框作為主窗口，基于MiniGUI人機界面的程序流程圖如圖5所示。

    本系統的圖形用戶界面主要顯示車速、轉速、水溫、油壓、燃油量、車內溫度，冷卻水溫度過低、油壓過低、燃油過低報警信號和大燈、尾燈、左右轉向燈、制動燈等燈光信號。使用MiniGUI的按鈕通知消息MSG_COMMOND，該消息是在狀態監測按鈕按下后發送到窗口過程函數，執行CAN通信子程序，接收各電子控制單元ECU上傳的卡車運行狀態信息，實時地顯示在液晶屏上，并以不同的顏色表示報警信號和車燈信號，使駕駛員能夠隨時全面地監測卡車的運行狀態，提高卡車運行的安全性。
    本文針對我國重型卡車的發展現狀，在完成重型卡車車載網絡系統總體結構設計的基礎上，對基于CAN總線的嵌入式車載儀表系統的軟硬件設計方法進行了詳細闡述。該系統能對重型卡車的車速、發動機轉速、水溫、油溫、油壓、燃油量以及車燈開關量等狀態信息進行實時監測，及時有效地發現和識別卡車運行過程中發生的各種故障，對于保證卡車安全運行起到了重要作用。測試表明，本文所設計的重型卡車車載儀表系統工作性能穩定、可靠，具有較好的人機界面。
參考文獻
[1] 位堂杰，劉金朝.HOWO重型載貨汽車的車載網絡系統[J]. 汽車電器，2009(1):1-3.
[2] FELLMETH P, L?魻FFLER T.Networking heavy-duty vehicles based on SAE J1939[J]. Vector Corporation,2008.
[3] 陽憲惠. 現場總線技術及其應用（第2版）[M].北京：清華大學出版社，2008.
[4] 李俊.嵌入式Linux設備驅動開發詳解[M].北京：人民郵電出版社，2008.
[5] 周立功.ARM嵌入式MiniGUI初步與應用開發范例[M]. 北京：北京航空航天大學出版社，2005.