随着机动车保有量的增加，产生了交通堵塞、事故频发等一系列问题。车联网的研究引起各国政府和相关机构的高度重视。为了公路运输进行信息化的管理，提出了车联网关键技术的研究课题，主要涉及车联网终端的研究，课题中同时需要考虑到测试环境的搭建、以及进行车联网终端系统测试。SAE J1939协议基于Bosch公司开发的CAN(controller area network)，作为描述重型车辆现场总线的一种网络应用，被广泛应用于商用车辆，如大型客车和重型货车。现在大部分的测试环境大都是基于CANPro协议分析平台和CAN总线分析仪组合搭建^[1]，而其存在的主要问题是现有的CAN总线分析仪的价格较高。考虑到研究课题的现实需求，本系统通过MCU控制CAN收发器替代CAN总线分析仪，很好地降低了项目成本。

1 系统整体结构

该系统由主要由PC端上位机和CAN节点收发端2部分组成，系统的整体结构图如图 1所示。

图 1 系统总体结构框图

图选项

上位机方面，考虑到上位机的应用范围，该系统采用Qt这样一款跨平台C++图形化界面库开发。Qt良好的跨平台性、丰富的API以及对于第3方类的支持使得开发更为方便，同时Qt的良好封装机制，较好的可重用性，大量的开发文档，使其非常便于用户开发^[2]。由于在Qt库中没有具体的串口控制类，在系统中这里使用的是第3方的qextserialport类来实现串口通信，将上位机车辆仿真环境数据发送到MCU。下位机方面，系统采用MCU、MCP2515控制器及TJA1050高速CAN收发器组合的设计，进行与上位机的通信和CAN报文的发送^[3]。

2 系统硬件设计

系统采用STC89C52RC作为主控芯片,其作为一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8KB系统可编程Flash存储器，很好地满足系统编程的需求。主控芯片通过RS-232串口芯片接收串口数据并通过CAN模块进行报文发送，CAN总线模块采用Microchip的MCP2515独立CAN协议控制器芯片和Philips的CAN高速收发器TJA1050进行组合。MCP2515完全支持CAN V2.0B技术规范，并能进行标准帧和扩展帧的收发，其自带2个验收屏蔽寄存器和6个滤波寄存器，可以进行报文有效性过滤^[4]。MCU通过SPI接口与该器件进行连接，使用标准的SPI读/写指令以及专门的SPI命令来读/写所有的寄存器^[5]。TJA1050作为物理媒体连接子层连接于协议控制器和物理传输媒体之间，具有较好的电磁兼容性，电磁辐射极低，电磁抗干扰性极高，同时不上电的节点总线呈现无源特性。TJA1050可以为总线提供差动发送性能，为CAN控制器提供差动接收性能；同时TJA1050具有保护总线引脚，可防止汽车环境中的瞬态干扰，更好的应用于汽车CAN总线的环境中^[6]。具体硬件电路如图 2所示。

图 2 系统硬件电路图

图选项

3 系统软件设计

系统软件由上位机软件和下位机软件2部分组成。上位机主要包括基于Qt的串口通信程序和基于Qt的图像化界面设计。由于在Qt中并没有特定的串口控制类，所以基于Qt的串口通信程序使用第3方写的qextserialport类进行开发，通信分为手动发送和自动发送。Qt的图形化界面的设计主要是基于qwt控件进行仪表盘的设计，并完成发送数据的实时调整。下位机设计主要是以MCU作为控制芯片，完成串口数据的接收、解码，并提取发送到CAN总线上。

3.1 上位机程序设计

上位机程序主要包括串口通信程序和图形化界面设计2部分。

3.1.1 串口通信程序设计

为了实现Qt下串口通信的实现，这里基于第3方qextserialport类进行开发^[7]，下面将关键步骤介绍如下：

1)由于Qt库没有特定的串口控制类，所以首先要下载qextserialport-1.2win-alpha.zip，并进行解压。由于该上位机是运行在Windows下，这里需要将相应的文件拷贝到工程当中，在Windows下只需要使用其中的6个文件：qextserialbase.cpp和qextserialbase.h，qextserialport.cpp和qextserialport.h,win_qextserialport.cpp和win_qextserialport.h。

2)打开QtCreator，新建工程，将上述6个文件复制到工程文件夹中，并在工程中添加这6个文件。此时，串口通信的开发环境搭建完成。

3)接下来进行串口的设置的界面设计，包括串口号、波特率、数据位、校验位和停止位。

4)通过信号/槽机制编写各个按钮函数，如打开串口按钮、关闭串口按钮，自动发送按钮对应的函数的编写。

5)串口读写数据函数的编写，为了方便并有效地发送数据，这里通过自定义报文进行发送并增加校验位，减少误码率。

串口通信图像化界面如图 3所示。

图 3 串口通信图形化界面

图选项

3.1.2 图形化界面设计

在图形化界面设计上，为了更直观地显示参数，这里采用基于qwt的仪表盘设计，下面将图形化界面设计关键步骤介绍如下^[8]。

1)下载最新的qwt，这里下的是qwt-6.1.0.zip，并解压后编译，配置。

2)注意在使用时，需要设置一下pro文件,在pro文件下加入如下语句：

include(C:/Qt/qwt-6.1.0/qwtfunctions.pri)

DEFINES *= QWT_DLL

CONFIG += qwt

INCLUDEPATH += C:/Qt/qwt-6.1.0/src

DEPENDPATH += C:/Qt/qwt-6.1.0/src

qwtAddLibrary(qwt)

3)这里通过对QwtDial控件参数的配置获取合适的仪表盘，如车速表、转速表、油量表和油压表等。并且通过QwtWheel控件进行数据的调整。

3.2下位机软件设计

下面主要针对下位机软件的设计流程进行分析^[9]。如图 4所示，当函数从主函数开始运行时首先进行初始化程序，其包括串口初始化init_serial()来完成串口工作方式、波特率、数据位的设置，CAN模块初始化Init_Can()来完成Mcp2515工作方式、通信速率、采用中断方式的设置，采用串口中断方式进行上位机发送数据的接收，主函数对接收的报文数据进行解析，并将解析后的CAN信息按相应节点发送到CAN总线上^[10]。

图 4 软件流程

图选项

4 系统测试

将所有硬件模块连接好，各CAN节点的CAN_H端接在一起，CAN_L端接在一起，将车联网系统连接本系统进行测试。

首先如图 5所示，发送的数据为车速60 km/h、转速3 988 r/min、油量60%、油温120 ℃、油压600 kPa。将这些数据处理成相应的格式进行串口发送，其格式为“$,油温,油压,油量,油量,转速,*”，对应的数据格式为“$,120,0600,060,060,3988,*”。

图 5 上位机发送数据显示界面

图选项

MCU通过串口接收到数据后进行解析，并以对应的SAE J1939节点进行发送，发送的相应节点信息如表 1所示。

这里用项目中车联网系统进行接收本系统发送的CAN数据进行测试，车联网系统基于嵌入式系统开发，用MCP2515模块接收数据，并显示在Qt界面上，显示结果如图 6所示。同时进行了自动发送测试，在上位机修改数据可以实时地显示在车辆网系统上，通过长时间车联网终端的显示，可以很直观地测试了系统的准确性、稳定性和可靠性。

图 6 车联网系统显示界面

图选项

5 结束语

本系统模拟了基于SAE J1939的车载CAN总线，充分利用Qt的图形化界面编程的良好封装机制，结合signals/slots机制和丰富的API，降低了用户开发难度，更简单快捷完成串口通信和图形化界面的开发。同时其丰富的可扩展性使得图形化界面更加直观。本系统的工作较为直观，并在充分满足功能的同时大大的降低了研发成本，经过测试该系统性能可靠稳定，很好地满足车联网系统对于测试环境的要求，另外对该系统软件进行包装，能够在window系统下良好运行。

本系统设计在满足项目需要的同时，还可以应用于简单汽车网络的模拟和CAN总线培训教学。在整个系统的开发过程中，可以很好地了解并熟悉车辆仪表盘的设计和基于J1939的车辆CAN通信。