基于英飞凌XMC4500的高效CAN总线数据存储系统设计

孙彦超，徐宏宇

(沈阳航空航天大学电子信息工程学院，沈阳 110136)

嵌入式设备节点越来越多地被用在控制和数据测量方面。嵌入式设备节点的运行状态、运算的数据以及采集的数据等，通常需要被记录下来。而这些数据往往具有实时性，设备运行的时间长，产生的数据量庞大。利用传统的数据记录方法，不仅需要耗费大量的人力和时间，也极大地影响了生产效率。

CAN总线是汽车车身控制的标准总线，也被广泛用于工业控制中。借助CAN总线可以实现不同设备节点之间的实时通信，也可以通过CAN总线来对节点数据进行存储和分析［1］。在对节点数据进行存储分析方面，如果在没有性能较高的数据接收处理上位机设备，如PC机、平板电脑等时，可以有两种方案:(1)将数据通过运营商手机网络或者WIFI模块或以太网传递给云端主机，进行存储分析处理;(2)通过满足性能要求的下位机节点，如高性能的FPGA、MCU，通过一定的策略来实现CAN总线数据的实时接收和存储，以便于以后上位机处理。其中，方案1成本较高，并且可能满足不了高速的数据接收和发送需要;方案2中利用高性能的FPGA方案绝对是可以实现的，但是相对于MCU开发来说利用FPGA周期相对较长，并且外围硬件电路设计与PCB布线较复杂。在存储介质的选择方面，综合成本、读写速度两个方面SD卡是绝佳的选择［2］，并且SD卡可插拔，易于上位机进行数据提取［3］，且容易更换。

目前国外已经有著名的CAN总线工具开发公司——瑞典的Kvaser公司，推出了名为Kvaser Memorator Professional的CAN总线分析仪产品，支持将CAN总线上的数据存储到SD卡中，但价格较高。国内目前没有成熟稳定的可以将CAN总线上的数据记录到SD卡上的产品。国内对于CAN总线上的数据存储到SD卡的研究，大多使用的是通过SPI总线来读写SD卡，对于需要快速存储数据的场合，采用SPI总线来读写SD卡的方式是不可行的。

利用含有SD卡接口外设的微控制器的SD卡接口来读写SD卡，比通过SPI总线来读写SD卡的读写速度要快很多。本文提出采用含有SD卡接口的英飞凌的 XMC4500单片机(基于ARM－Cortex M4架构)来做为读写SD卡的控制器，设计了相应的硬件电路，详细描述了设计的软件算法、数次试验的研究发现和方案的实验结果。

英飞凌的XMC4500单片机有高效的4线SD卡接口和CAN总线接口的，主频120 MHz，数据处理能力强，并且支持当今常见的大容量的Class 6和Class 10 SDHC卡。由于小容量的SD卡以及Class 6以下的SD卡均已经停产，所以以往的只支持这种类型的SD卡的方案已经不实用。XMC4500的SDMMC接口时钟最高48 MHz，有两个512字节的缓冲区，最高对SD卡的写入速率可以达到24MB/s［5］。所以利用XMC4500可以构建一个稳定、高速、高实时性的CAN总线节点数据存储系统。

1.系统总体构成

系统总体构成如图1所示。由XMC4500接收CAN总线网络上的相应节点的数据，通过SDMMC接口将数据写入到SDHC卡中，然后通过特定的处理把得到的文本文件通过EXCEL或者MATLAB等数据分析软件对数据进行分析。

图1 系统的总体构成

2.系统硬件组成

2.1 电源电路

TI的LM5007是TI公司推出的低成本的、高效的Buck电压降压开关稳压器，可以接受9－75 V的电压输入，输出电压范围为2.5－73 V。如图2所示，本文采用TI的LM5007电源转换芯片，可以使得系统电源电压输入范围在12－40 V之间，并且转换得到的5 V电源具有低纹波的优点。如图3所示，系统通过英飞凌的IFX1117MEV33来将5 V转换为3.3 V，给XMC4500供电。

2.2 CAN总线收发电路

CAN总线收发电路部分，选取性能可靠的英飞凌TLE6250G作为XMC4500的CAN总线外接收发器。TLE6250G是英飞凌的高速CAN收发器，可以应用于苛刻的汽车电子领域，具有卓越的EMC性能，具有很宽的温度范围(－40℃至150℃)，并且有过温保护。具体电路结构如图4所示。

图2 LM5007稳压电路

图3 IFX1117稳压电路

2.3 SD卡接口电路

SDHC卡的访问需要时钟线、指令控制线和数据线［6］。时钟线和指令控制线分别为MMC_CLK和MMC_CMD。XMC4500通过其SDMMC接口连接SD卡，并且可以提供四条数据线为SD卡传送数据，其中四条数据线为MMC_DAT0～MMC_DAT3。为保证指令和数据传输的稳定性，数据线和指令线均上拉［7］，单片机相应的引脚采用Open－drain模式。具体电路如图5所示。

图4 XMC4500外接CAN总线收发器电路

3 系统软件设计

3.1 软件执行流程

程序固件代码通过DAVE3.1.10和VIM编写，通过tasking烧写入XMC4500。程序主要包括相应的模块接口初始化、内存分配操作、中断的配置和数据存储几个部分，具体流程见图6。

图5 SD卡接口电路

图6 软件执行流程

3.2 SDMMC接口的初始化和FATFS文件系统的初始化

SDMMC接口的初始化主要包括SDMMC接口时钟的初始化和SDMMC接口引脚的初始化。

CAN总线初始化主要包括CAN总线接收和发送节点的配置，CAN总线接口的分配，CAN总线波特率的设置。CAN总线的接收中断要赋予较高的优先级，使其可以接收到所有CAN总线网络上的节点发出来的数据。

SD卡初始化主要是XMC4500检测SD卡是否插入SD卡接口及检测插入的SD卡是否支持。如果初始化SD卡失败，需要尝试再对其进行初始化。因为并不能完全确保SD卡可以一次初始化成功，也并不能确保使用的SD卡是可用的。

FATFS是一个小型的FAT文件系统，它不依赖于具体的硬件平台，只提供SD卡操作的抽象层的接口，是一个较为通用的文件系统［8］。

软件采用FATFS文件系统和XMC4500的SDMMC接口的I/O操作来完成数据写入到SD卡中，形成数据记录文件。

使用FATFS文件系统，需要首先为文件名的路径分配内存，以存储文件的路径。其次需要为打开文件分配内存。否则，写入文件的时候会导致写入数据失败。

使用f_mount()函数来挂载文件系统。使用f_open()函数来打开文件，如果文件不存在则可以创建文件。

3.3 数据处理

FATFS文件系统可以创建扩展名为.txt格式的文件。所有FATFS文件系统写入到SD卡的文件中的数据是字符，而CAN总线接收到的数据是数值数组。所以需要把CAN总线接收到的数据，在程序中通过类型转换变成字符数组。比如CAN总线某一时刻接收到的数据(不考虑 ID号)，为{0x01，0x20，0x33，0x45，0x67，0xaa，0xbc，0xfe}，为了尽量减小文件数据写入压力，将他们转换为{‘0’，‘1’，‘2’，‘0’，‘3’，‘3’，‘4’，‘5’，‘6’，‘7’，‘a’，‘a’，‘b’，‘c’，‘f’，‘e’}。

扩展名为".csv"格式的文件，以纯文本的形式存储表格数据。扩展名为".txt"的文件通过重命名为".csv"格式，可以利用excel表格打开。扩展名为".csv"的格式的文件中的数据以逗号进行分隔，如果数据是换行符，则接下来的数据换行显示。

通过对".csv"格式的文件进行研究，程序在对CAN总线节点接收到的数值数组转换成字符数组的过程中，在转换的数据之间加逗号，并且在一帧数据之后加换行符。例如假如CAN总线节点接收到的一帧数据为:{0x01，0x20，0x33，0x45，0x67，0xaa，0xbc，0xfe}，转换之后为{‘0’，‘1’，‘，’，‘2’，‘0’，‘，’，‘3’，‘3’，‘，’，‘4’，‘5’，‘，’，‘6’，‘7’，‘，’，‘a’，‘a’，‘，’，‘b’，‘c’，‘，’，‘f’，‘e’，‘ ’，‘ ’}。也就是说，如果CAN总线一帧数据是8字节，则写入到SD卡的数据记录文件中的数据是25字节，如果需要存储CAN总线数据的ID号，对于标准帧(ID号为11bit)和扩展帧(ID号为29bit)，一帧数据存储到数据记录文件中的大小分别为28字节和30字节。

3.4 数据写入

FAT 文件系统以“簇”作为数据单元［9－10］，SD 卡的一个扇区大小为512字节［11－12］。FATFS文件系统建议每次写入数据的量最好等于所使用的SD卡的簇的大小［13］。

经试验，SD的簇大小为4K的时候，写入速度最快。所以将SD卡格式化成簇大小为4K，并且每次向SD卡写入4K字节的数据。

数次实验证明，SD卡在连续写入若干字节(几十K以上)，会出现一个大的写入间隔(SD卡垃圾回收时间)，这一个间隔也许会持续数十毫秒至一百毫秒左右。如果在这个写入间隔期间，CAN总线节点有数据发出，需要一个软件上的数据缓冲区来存储数据。

通过对执行效率和代码数据结构的分析，采用循环缓冲队列(Circular Buffer)来存储处理后的CAN总线的数据帧，可以使系统持续接收CAN总线传来的数据，在缓冲队列中的数据多于4K时，再进行SD卡的写入操作。文献［14］采用的程序流程是不足以满足持续快速地处理CAN总线上传来的数据要求的。

4 实验验证

4.1 实验平台的搭建

为了测试存储系统的实时性、通用性和稳定性，特使用两个XMC4500硬件平台，如图7所示。其中，硬件平台(一)(XMC4500(一))用于产生随机数，通过CAN总线发送数据帧(均为扩展帧)给硬件平台(二)(XMC4500(二))，同时硬件平台(一)通过XMC4500的USB接口与PC机相连［15］，PC机上的上位机程序实时将收到的数据存储为文本，用于在实验停止后和硬件平台(二)通过SD卡接口写入到SD卡中的文本文件的内容进行比对。

图7 测试所用的硬件平台

4.2 系统性能测试

4.2.1 系统实时性存储压力测试

在测试系统实时性时，硬件平台(一)每200 μs发送一帧数据给硬件平台(二)，测试系统在若干万CAN总线扩展帧数据存储至SD卡(每次写4K数据至SD卡)之后，是否存在丢失数据的情况。通过比对硬件平台(一)和硬件平台(二)所产生的文本文件是否内容一致来进行评判。测试情况如表1所示，由表1可知，系统具有较高的实时性存储能力。

4.2.2 系统通用性测试

在测试系统通用性时，硬件平台(一)通过CAN总线分别以不同的波特率向硬件平台(二)发送扩展帧，测试硬件平台(二)存在SD卡中的数据文件与PC机上得到的硬件平台(一)所发送的数据文件是否一致。测试情况如表2所示。由表2可知，系统对不同CAN总线波特率的节点具有通用性，而不是只适用于CAN总线波特率为1 000 Kb/s的节点。

表1 系统实时性测试

表2 系统通用性测试

4.2.3 系统稳定性测试

在测试系统稳定性时，测试系统在若干小时的持续写入的情况下的表现。测试时使用的CAN总线的波特率为1 000 Kb/s，硬件平台(一)每200 μs发送一帧数据。评判标准同上。测试结果如表3所示。由表3可知，系统在总线高负荷的情况下，仍然具有长时间内的高稳定性。

表3 系统的稳定性能测试

4.3 数据记录文件的后续处理

如图8所示，将一个用硬件平台(二)存储了6个小时的单个文本文件，分割成了单个大小为1 600 kB的小文件。因为考虑到经过若干小时的数据写入，若用excel软件来分析硬件平台(二)在SD卡上存储的单个记录文件，文件的行数会远远超过excel表格的单个文件的行数限制;若用MATLAB来分析数据，则一次读入整个文件，即使在PC机内存够用的情况下，也会严重影响MATLAB运行效率。故系统采用在PC机上将文件进行按行分割，然后再进行数据分析。其中按行分割文本文件的软件来自于互联网。

图8 文件按行分割结果

单个文件用excel表格解析后的结果如图9所示，第1列为CAN总线的帧的ID号，第2列到第9列为提取的8字节的CAN总线帧的数据段的内容。记录的数据均为16进制，可以通过excel的HEX2DEC函数把数据转换成10进制，以便于数据的处理。

图9 单个文件用excel表格解析

5 结论

分析可得，系统对SD卡平均写入速率至少可以达到1.2 Mbps。使用XMC4500可以构建出一个简单、稳定、可靠、高效率的CAN总线数据记录设备。可以大大减轻测试记录人员的负担，也可为系统数据的准确实时记录方面提供良好的技术支持。

［1］农建毅.基于CAN的车辆行驶记录仪［J］.工业控制计算机，2008，21(2):76 －79.

［2］肖楚海，梁杰申.SD卡在记录汽车CAN总线数据中的应用［J］.信息化纵横，2009(18):14－16.

［3］苏义鑫，程敏，何力.基于AT89C52单片机的SD卡读写设计［J］.世界电子元器件，2008(5):65－68.

［4］刘慧丰，李远哲，单建兵，等.基于SD卡的CAN总线数据存储设备的设计［J］.计算机测量与控制，2014，22(04):1236 －1239.

［5］XMC4500 microcontroller series for industrial application reference manual［Z］.V1.3 Infineon Technolo-gies AG，2013.

［6］魏来，周穗华，刘旭东.基于SD卡的水声信号采集系统设计［J］.海洋技术，2010，29(2):51－55.

［7］邓剑，杨晓非，廖俊卿.FAT文件系统原理及实现［J］.计算机与数字工程，2005，33(9):105 －108.

［8］ Fatfs module application note r0.11［Z］.ChaN，2015.

［9］付秀全，陈杭，叶树明.基于MSP430F1611和SD卡的心电数据存储系统的低功耗设计［J］.电子技术应用，2009，(4):45 －51.

［10］ SD specifications part a2，SD host controller standard specification，Version 2.00［Z］.2007.

［11］ SD memory card security specification，Version 1.01［Z］.2001.

［12］ The multimediacard system specification，Version 4.0［Z］.2004.

［13］ SD specifications part 1，physical layer specification，Version 2.00［Z］.2006.

［14］卢铁军，童亮，贾银良.基于XMC4500的汽车CAN网络检测卡设计［J］.计算机测量与控制，2014，22(6):1905－1907.

［15］ Installation and test GUI of infineon USB driver［Z］.Infineon Technologies AG，2014.