崑山科技大學機械系智慧車輛組

專題報告

指導老師：鄒忠全

控制區域網路技術應用於遠端監控

班 級：四機四 B

製作學生： 張文耀

陳志彬

楊信德

劉明山

1

目 錄

前言

第一章 緒論

1-1 研究目的與內容

1-2 研究方法與步驟

第二章 資料傳輸原理與 CAN通訊協定

2-1 通訊協定說明

2-2 汽車控制網路

2-3 CAN之優缺點

第三章 NI-LabVIEW 與 NI-CAN、NI-DAQ之介紹

3-1 NI-LabVIEW環境介紹

3-2 NI-CAN、NI-DAQ之應用

第 4章 系統整合過程與研究結果討論

4-1 LabVIEW控制

4-2 實車測試

第五章 電路的運用

5-1 類比轉數位電路

5-2 頻率轉電壓電路

5-3 IAC閥控制電路

第六章 結論

2

前言

汽車網路系統中，將每個感知器訊號以資訊共享方式流

通於各個節點，使 ECU與各作動器能迅速、方便得到所需

的資料。 本研究以機車噴射引擎模擬 CAN BUS在汽車上的

資訊傳輸及控制。

利用桌上型電腦透過資料擷取卡(DAQ)擷取作動訊號

後，經由 LabVIEW成 CAN封包型式，經由 CAN卡送出到

匯流排網路上，再由 PXI電腦之 PXI-CAN卡接收，經計算

處理設定可調整的怠速值，最後再透過 DAQ卡控制(IAC)怠

速旁通閥進行怠速控制。

3

第一章 緒論

1-1 研究目的與內容

由於現今車上電子裝置一直增加，電線及接頭數目龐

大，使得汽車不僅電線重量增加、成本也較高、製造困難，

接點故障率也提高，因而降低汽車可靠度。故世界各大車

廠、研究單位、零組件供應商、儀器製造商等不斷尋找相關

的因應對策，而汽車控制網路則為解決的方法之一。

所以本研究選擇以成本低、發展已成熟，已經在工業界

廣泛使用的 CAN(Controller Area Network)通訊協定，探討其

資料傳輸技術並控制機車怠速作為本研究之實驗，透過 CAN

BUS進行資料傳輸，由主控電腦透過 DAQ卡進行引擎怠速

之控制。未來將以單晶片代替本研究中 PC 部份的工作，開

發智慧型感測器即時監控網路，更可進一步運用於車身網路

監控系統中。

本研究首先探討 CAN技術原理與應用，並嘗試以 CAN

網路介面卡及桌上型電腦來模擬 CAN 網路架構，了解其通

訊協定及編碼/解碼方式等，並以桌上型電腦的 CAN卡接收

遠端送出的訊框，再透過自行制定的協定做計算並決定最佳

的引擎怠速值，經由 DAQ(資料擷取卡)送出訊號控制引擎怠

速的怠速旁通閥位置，完成以 CAN Bus 傳輸資訊的控制系

4

統。

1-2 研究方法與步驟

基於上述的研究動機與目的，本研究之方法與步驟如

下：

1. 探討 CAN 的通訊原理與協定內容

要瞭解 CAN 通訊協定之規範及功能，必須具有通訊方

面的知識。以此為基礎才能在程式撰寫與編碼/解碼等過程

中，了解其資料傳送時發生錯誤的原因。

2. NI-LabVIEW、CAN與 DAQ介面卡探討與應用

本研究使用 NI(National Instrument)公司的 CAN與 DAQ

介面卡進行 CAN 的模型架設與資料擷取，這二種介面卡皆

能在其自行發展的開發程式 LabVIEW環境下執行，亦能以

C++語言控制。本研究即撰寫 LabVIEW 進行整合與控制，

故須對此開發環境與介面卡有深入的瞭解與認識。

3. 解析引擎怠速控制原理

本研究以機車做為研究 CAN 技術的主體，以麵包板架

設電路，並以 NI-CAN卡建構一 CAN網路取代原廠 ECU控

制怠速旁通閥系統。

4. 系統整合

將上述各部份的技術整合，其步驟為：

5

(1) PXI電腦：使用外部電路，藉由 NI-DAQ卡擷取其狀態，

並透過 NI-CAN卡送出符合 CAN格式之封包。

(2)桌上型電腦：透過 NI-CAN卡接收 CAN Bus上相關的資

料，並計算、實驗獲得可調整的怠速範圍，透過 NI-CAN

卡去控制引擎怠速旁通閥使引擎做提速的動作。

6

第二章 資料傳輸原理與 CAN通訊協定

在架構控制網路前，必須先決定所使用的通訊協定方式

才能確保資訊傳輸上錯誤的產生。並且對於所監視、控制端

傳送的資訊形式做分析，才能在共享資源做良好的溝通，故

本節將介紹資料傳輸的原理。

2-1通訊協定說明

汽車控制網路能有效地將所有的節點做更有效率的整

合，使得車上主系統、子系統之 ECU 與其感知器、作動器

資料傳遞。

CAN 的傳輸只在於一條傳輸線就能共享相當多的資

訊，如同電腦網路設備般交換各種不同設備間資料。因為作

動器或感知器只有一個，而命令或需求之電子單元卻可以有

兩個以上，所以在單一傳輸線路上一定會有衝突發生。故依

其重要性須有優先順序之分。

使用 CAN傳輸方式有下列優點：

1. 線路簡化(降低成本，增加可靠性)

2. 各設備之間能夠互相溝通 (故障診斷更容易)

3. 降低感知器數目(因資料共享) 。

7

CAN 來傳輸資料，必須要精確地定義下列三點：

1. 傳輸通路線路(光纖或電纜線等)

2. 在感知器與作動器上代表之信號(電壓、電流、頻率、duty

cycle等)

3. 資料傳輸協定，定義所有設備間之資料規定，如傳輸形

式為類比或數位、代碼形式、位址、傳輸順序、錯誤偵測等

等。

CAN 上傳輸之訊息稱為封包(Packet)。封包是由一系列

的脈衝(0與 1位元)所構成，並組合成幾個區段，而資料傳輸

協定即用來定義封包之架構，例如規定資料該有幾個區段，

每區段有多少位元等。

各區段所代表的意義如下：

(2) 封包之起始：各種配備之封包訊號起始區段。

(3) 識別符號：用來指定信息之特殊位址。

8

(4) 控制區域：指示信息之內容(資料傳輸，指令或命令)。

(5) 傳輸資料：可以指示或傳輸資料。

(6) 檢查區域：使接收端可以檢查傳輸資料，確保未被變

更(信息正確性)。若信息不正確，傳輸端

會再傳輸同一封包。

(7) 收信之確認作業：由收訊端所執行，可以確保訊息已

正確地被接收器接收。

(8) 封包結束：最後封包的尾端可以使網路回復到原始的

狀態。

從上列圖示中可以看出部分封包內容僅用來確保資料

的傳輸正確無誤。

2-2 汽車控制網路

汽車控制網路的發展就是為了解決汽車中越來越複雜

的控制與測試的資料交換問題，簡單的說汽車控制網路就是

試圖使用非常小的成本使每個元件發揮最大的功能。

目前汽車界最為廣泛使用的控制網路為控制區域網路

(Controller Area Network CAN )，採用串列匯流排系統(如同

電腦網路上大家熟悉的系統設備一般，其傳遞媒介可以是最

常見的雙絞線、同軸電纜、或是高速的光纖、RF 電波。此

9

外 CAN符合 ISO制定的傳輸速度以應用在不同的需求上，

分別為 CAN High與 CAN Low，前者的傳輸速度為 1MBbps

而後者為 125Kbps。

而且 CAN 具有接線簡單、低成本、高可靠度、支持優

先權以及支持的控制晶片來源眾多等優點。所以廣泛的應用

在汽車、電力…等等工業產品上，CAN傳送者送出訊框給所

有的控制網路節點，每個節點的基本辨識模式下均會收到此

資料，不管它會不會進一步使用與處理此訊息。當整體網路

中有多個節點同時要送封包時，每個訊框的辨識區域具有訊

息編碼來決定資料傳的的優先順序。

故利用 CAN 協定以整合汽車各子系統(如引擎管理系

統、變速箱系統、防鎖死煞車系統等)之間感測器與制動器的

資訊，不僅簡單快速，價格又便宜可靠。

2-3 CAN之優缺點

以上介紹了 CAN之實體及資料鏈結層之相關原理，而

CAN之應用層技術則由使用者撰寫。

CAN的優點可歸類：

1.在輕負載下有極佳的傳輸能力。

2.訊息的編碼功能可有效降低判斷時間，因 CAN的辨識區

10

段尚有位元裁定能力。

3.資料長度可於 0至 8位元組間任意做變換。

4.標準容許之最大傳輸速度高達 1Mbps。

5.具有極低之資料傳輸錯誤率.故可靠性大為提高。

6.可偵測線路故障(短路、斷路)。

CAN的缺點則在於不公平的存取：節點之辨識碼優先權

較高者會霸占整個網路，較低優先權的節點有潛伏的弱勢，

因可能沒有權限去傳送資料。

11

第三章 NI-LabVIEW 與 NI-CAN、NI-DAQ之

介紹

我們所撰寫的程式皆使用 NI產品，包括 LabVIEW開發

環境、CAN控制網路卡及 DAQ資料擷取卡，故本章將介紹

相關的知識及本研究應用之設定與整合過程。

3-1 NI-LabVIEW環境介紹

LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering

Workbench)是一種虛擬儀表式的圖控軟體，除了快速開發程

式外更結合了通訊硬體功能，例如：GPIB、VXI、PXI、

RS-232、RS-485和資料擷取卡(DAQ)等，讓使用者能夠運用

硬體圖形符號使軟硬體結合更為方便。在撰寫程式前應先了

解程式方塊的使用方法，再按照資料流的邏輯去連線，既可

完成程式。換句話說，應先了解 LabVIEW 大量的函數庫，

進而才能快速的開發程式。此外，LabVIEW程式原始碼也可

以編譯成類似 Visual Basic/Visual C/BCB一樣的執行檔，差

別在於 Visual Basic 等的程式碼是由文字敘述所編寫的，需

要有豐富的程式設計經驗才能完成複雜的專案，而 LabVIEW

則利用方塊函數連線的方式來傳遞資料，以圖形及符號來勾

勒描述使用者的設計理念，故不需要有特定高階程式語言或

12

程式撰寫的基礎，只要有邏輯順序與判斷思考的能力即可。

而模組化的概念使 LabVIEW 的功能相當強大且具方便性，

軟體本身又附有豐富的範例可供使用，所以即使開發大型複

雜的系統，也只需把自行設計的程式包裝成子 VI(Virtual

Instrument)，與 LabVIEW所提供的程式逐一組合即可。程式

發展完成後要整合其他的開發工具或轉移到不同的平台使

用，可轉換成 DLL檔以提供程式呼叫做最大的彈性使用。另

外，顯示運算流程、程式除錯、探針監視、與線上說明等等

的功能，方便程式快速的追蹤、除錯及修改，可縮短產品的

開發時間，使得 LabVIEW廣為工業界所採用。

3-2 NI-CAN、NI-DAQ之應用

本研究所使用的介面卡(CAN、DAQ)為 NI 公司的一系

列產品，可與 IBM PC/XT/AT介面插槽相容的高性能的控制

網路、資料擷取的轉換介面卡；再加上原本就支援上述硬體

的 LabVIEW 環境，使得控制網路與外部電路控制更容易結

合操作。本研究使用到兩張 NI-CAN 與兩張 NI-DAQ 介面

卡，本節針對各介面卡做詳細的介紹。

13

NI-CAN PXI介面卡

NI-CAN 為一控制網路介面卡，符合工業控制網路的協

定，能夠發送接收 CAN的封包進而做編碼/解碼的動作，還

原原始資料。本研究分別採用 PXI 與 PCI 兩種介面卡連接

PXI 電腦與桌上型電腦，並透過 CAN 的通訊協定做資料的

傳送。PXI 電腦為中控端，其功能為將外部電路資料模擬成

CAN的封包後傳送給遠端 PCI電腦。如圖 3.1，為 PXI-CAN

的連接埠實體圖，將其中之 Jumper5與 6調為內部電腦電壓

供應，則不需要外部電源也無須接地線。

圖 3.1 High-Speed VBAT Jumper Settings

14

NI-CAN PCI介面卡

上小節提到此 PCI介面卡是裝在桌上型電腦，其功能為

監控引擎怠速，傳送到中控端的 PXI-CAN 介面卡將資料轉

換成DAQ介面卡的資料去做怠速控制。如圖3.2，為NI-CAN

PCI介面卡。

圖 3.2 High-Speed VBAT Jumper Settings

NI-DAQ PCI介面卡

本研究所採用的資料擷取介面卡為 NI DAQ 6024E

Multifunction I/O卡，分別為 PCI與 PXI介面卡。PCI卡裝在

桌上型電腦上，作為外部模擬電路之信號擷取用，而 PXI卡

則裝於 PXI電腦上，作為引擎怠速控制用。如圖 3.3，為

15

NI-DAQ PCI介面卡。

圖 3.3 NI-DAQ PCI卡片實體圖

NI-DAQ PXI介面卡

上小節提到此 PXI介面卡是裝在 PXI電腦上使用，其功

能除了上述之外，它不需要像 PCI電腦要跨接一條線才可與

CAN的介面做同步控制。如圖 3.4，為 NI-DAQ PXI介面卡。

16

圖 3.4，為 NI-DAQ PXI卡片實體圖

Channel介面

本研究中使用 CAN Channel，在 PC介面與 PXI介面程

式上設定相同的 Channel即可進行同步資訊傳輸。然而 CAN

Channel需要在 NI-MAX中創造，因汽車上電子元件與感知

器眾多，在設定 Channel 時需要取得廠家設定資訊，才能確

實無誤的進行感知器或作動器的資訊傳輸。本研究中使用的

機車做為實驗車體，所用到的曲軸位置感知器及怠速旁通閥

都與 NI-MAX 中範例 Channel 吻合故使用內部預設 Channel

即可進行資訊傳輸。圖 3.5 ， 為 Channel 介面。

17

圖 3.5 CAN Channel in MAX

CAN與 CAN之間連接線。如圖 3.6。

圖 3.6 Pinout for 9-Pin D-SUB Connector

18

在CAN與CAN之間的連接線中需要在CAN_H(7號PIN

腳)及 CAN_L(2號 PIN腳)並聯 120歐姆的電阻，在頭尾端的

CAN接收器上。圖 3.7。

圖 3.7 Termination Resister Placement

19

第 4章 系統整合過程與研究結果討論

4-1 LabVIEW控制

本節介紹我們使用波形產生器產生一個頻率訊號來當

做機車引擎怠速來做測試，以及使用實車來做測試，分別對

這兩種測試做解說，隨後對研究結果進行討論。

首先，我們使用波形產生器去產生一個頻率訊號，我們

將DAQ接收頻率與 CAN傳送的程式做整合（如圖），用DAQ

去接收波形產生器所產出的頻率訊號，經過換算成轉速顯示

在介面上，然後把資料轉變成 CAN所需要的資訊，再由 CAN

把資料傳到遠端控制的電腦。如圖 4.1(a)、4.1(b)。

圖 4.1(a) CAN接收端的程式圖

20

圖 4.1(b) CAN接收端的控制介面圖

而我們在遠端控制的程式中，要控制一個電壓訊號，所以我

們必須在接收端的電腦上做一個電壓回饋程式，表示有接收

到電壓訊號。如圖 4.2(a)、4.2(b)。

圖 4.2(a) 接收端電壓回饋程式

21

圖 4.2(b) 接收端電壓回饋介面圖

我們在遠控端中，以 CAN的通訊協定去讀取接收端寫出的

資料，並且在介面上顯示出接收端所收到的轉速。如圖 4.3。

圖 4.3 遠控端轉速介面圖和程式圖

22

最後，我們在遠控端處，用 CAN寫出一個可變電壓訊

號，依照我們所需要的轉速做電壓調整，並且在接收端的電

腦上以及示波器(在此當機車 IAC閥)上都會顯示目前的電壓

值。如圖 4.4。

圖 4.4 遠控端電壓控制介面和程式圖

4-2 實車測試

本節我們是以實車來做量測，分別量測：IAC閥的輸出

電流、電壓、頻率、以及 Duty cycle….等等。

23

IAC閥的作動：

Key on時，IAC閥打開，節氣門關閉。如圖 4.5(a)、4.5(b)。

圖 4.5(a)怠速旁通閥 圖 4.5(b)怠速旁通閥接頭

首先以示波器量測機車各轉速時，IAC閥作動情況，分

別對起動中(如圖 4.6)、1800RPM(如圖 4.7)、2500RPM(如

圖 4.8)、以及 3000RPM(如圖 4.9)做量測。實車 IAC閥經過

達靈頓電路輸出的電壓、電流訊號(如圖 4.10)：

24

圖 4.6 IAC 閥電壓電流訊號-起動中

圖 4.7 IAC 閥電壓電流訊號-1800RPM

25

圖 4.8 IAC 閥電壓電流訊號-2500RPM

圖 4.9 IAC 閥電壓電流訊號-3000RPM

26

圖 4.10 達靈頓電路輸出的電壓、電流圖

中控端

經過量測之後，知道 IAC閥是用 Duty cycle去控制的，

所以我們將原本控制電壓的 DAQ成程式改成用 PWM控制

器去控制，然後結合 CAN的資料傳送及接收就即可。如圖

4.6。

27

圖 4.11 CAN傳送和接收的程式介面圖

28

遠控端

這方面將 channel的重新設定即可，而設定必須要到

MAX 裡面去建立一個新通道，建立新的通道須注意到，控

制或是接收的最大值、單位、通道名稱等等。如圖 4.12、

4.13。

圖 4.12 CAN Channel Properties

29

圖 4.13 CAN 的監控介面程式圖

30

第五章 電路的運用

5-1 類比轉數位電路

此電路是將機車上曲軸位置感知器的類比訊號轉成數

位訊號，由於曲軸位置感知器輸出之訊號電壓可由 0.8~100V

的範圍，此電壓很大，因電腦的接收電壓-10V~10V，所以經

由此電路就可以降低機車的輸出電壓 0V~5V，以保護電腦接

收端，防止電腦損壞。如圖 5.1、5.2。

圖 5.1類比轉數位電路圖

31

圖 5.2類比轉數位實體電路板

5-2 頻率轉電壓電路

使用此電路是由於在接收頻率訊號時，因為機車所輸入

的頻率訊號有很多干擾，以導於電腦接收訊號時不穩定，甚

至會發生突波，這電路可以使接收的訊號更穩定，輸出的電

壓會因為頻率的變化而有不同的電壓產生，電壓可由

0~10V，當頻率超過一定值後電壓也不會持續上升，而會停

在最大的電壓值 10V。如圖 5.3、5.4。

32

圖 5.3 頻率轉電壓電路圖

圖 5.4 頻率轉電壓實體電路

33

5-3 IAC閥控制電路

此電路是將電腦的控制訊號，經由達靈頓電路來控制，

因電腦的輸出電流太小，無法使 IAC閥作動，所以由達靈頓

電路來放大電流，再與 IAC並聯一個積納二極體讓控制電流

成線性關係以達到控制的目的。如圖 5.5、5.6。

圖 5.5 IAC 閥控制電路圖

34

圖 5.6 IAC 閥控制實體電路

35

第六章 結論

本專題利用 CAN BUS去做機車的怠速控制，因為機車

的發展比汽車發展慢幾年的時間，而汽車使用 CAN 來做維

護已經越來越廣泛了。美國也制定相關法規，規定在美國使

用的車子都必須配備 CAN BUS，所以 CAN BUS是未來的趨

勢。我們在撰寫控制程式方面，無法馬上將怠速提升到我們

所要的轉速，而這方面必須要再修改程式，這樣才能做

到”Real-time”。IAC 閥控制方面，突波方面，利用並聯一個

二極體讓突波消除，使得平均電流和 Duty cycle呈線性關係。

36

參考文獻

1. 李旺軒，民 91，控制區域網路技術應用於車上電瓶電量

與引擎怠速控制之研究，國立彰化師範大學碩士論文。

2. 盧明智、黃敏祥，民 93，"OP Amp應用+實習模擬"，全

華科技圖書股份有限公司。

3. 孫中瀛、黃金定，民 94，"常用線性 IC資料手冊"，全華

科技圖書股份有限公司。

4. 蔡朝洋，民 90，"電子學實驗(修訂版)"，全華科技圖書股

份有限公司。

5. NI-DAQ操作使用手冊

6. NI-CAN操作使用手冊