CAN总线在汽车上的研究与应用

CAN总线在汽车上的研究与应用

     1 引言

    随着汽节计算机控制技术的不断发展，现代汽车上的计算机控制系统越来越多，而且有些控制单元之间的参数需要实刚共享。如发动机控制、变速控制、制动防抱死控制、安全气囊控制、照明控制、空调控制、仪表管理等。然而各控制单元对系统响应珏寸问的要求不一样，如制动防抱死控制、安全气囊控制等单元的响应时间就要快些，照明控制、空调控制等单元的响应要求较低。而控制器局域网CAN（Controlter Area Network）正是在上述要求下被应用到汽车控制系统上。笔者通过构建高速、低速CAN网络，对实时性要求高的控制单元采用高速CAN网络，其它采用低速CAN网络，并采用微控制器兼做网关，使得传输线束大大简化，可靠性得到提高。

    CAN（controller Area Network）总线是一种串行多主站控制器局域网总线。它具有很高的网络安全性、通讯可靠性和实时性，简单实用，网络成本低，特别适用于汽车计算机控制系统和环境恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。其通讯介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤，数据传输速率最高司达l Mbps（此时通讯距离最长为40 m）。CAN总线具有以下主要特性：无破坏性的基于优先权竞争的总线仲裁；可借助接收滤波的多地址帧传送；具有错误检测与出错帧自动重发功能；数据传送力式可分数掘广播式和远程数据请求式。

    自CAN总线问世以来，为满足CAN总线协议的多种应用需要，相继出现了几种高层协议。目前大多数基于CAN总线的网络都采用CAN总线的高层协议。CANOpen、devicenet和SDS是通常采用的高层协议，适用于任何类型的工业控制局域网应照场合，而CAL则应用于基于标准应用层通讯协议的优化控制场合，SAEJl939则应用于卡车和重型汽车计算机控制系统。

    2 CAN的应用及接口设计

    2.l汽车网络设计

    目前，汽车讨算机控制已涉及到动力性、经济性、安全性、司靠性、净化性和舒适性等诸多力蔺，具体包括发动机控制、变速器控制、转向控制、制动控制、照明控制、空调控制、雨刷控制、仪表管理系统等，而且各种控制系统的电控单元（ECU）相互联系紧密，需要随时进行实时数据通信。汽车计算机控制系统中的所有这些子系统通过CAN总线构成一个实打寸控制系统网络，各控制单元的指令发出去之后，必须保证在一定时间内得到响应，要不然就有司能发生重大事故，这就要求汽车上的CAN通信网络有较高的波特率设置和可靠性。而且，汽车在实际运行过程中，众多节点之间需要进行大量的实时数据交换。若整辆汽车的所有节点都挂在一个CAN网络上，这么多节点通过一条 CAN总线进行通信，信息管理配置稍有不当，就很容易出现总线负荷过大，将导致系统实时响应速度下降，这在实时系统中是不允许的。因此在对汽车上各节点的实时性进行了分析之后，根据各节点对实时性的要求，设计了高、低速两个速率不同的CAN网络，将实瞄性要求严格、可靠性要求高的节点组成高速CAN通信网络，将其它实时性要求相对较低的节点组成低速CAN通信网络，并架设网关将这两个速率不同的CAN通信网络连接起来，实现全部节点之间的数据共享。整辆汽车的通信网络拓扑结构如图l所示。

    图1中的发动机控制、变速器控制、安全控制、防抱死制动控制（ABS）等是现代汽车动作的核心部件，对时间响应要求严格，因而在本设计中采用传输速率为l000Kbps的高速CAN通信网络。空调控制、雨刷控制、照明控制和仪表管理控制等相对来说对实时性要求较低，采用传输速率小于125 Kbps的CAN通信网络，主控制器跨接高、低速两条总线，与各节点进行数据交换，兼起网关作用，实现网络互连。

2.2 CAN接口设计

    2.2.l节点硬件电路设计

    目前广泛流行的CAN总线器件主要有二大类：独立的CAN控制器如Philips公司的82C150、82C200、 SJAl000以及Intel公司的82526、82527等，这类器件在实际应用中往往需要与微控制器结合才能实现CAN通信功能；带有在片CAN功能的微控制器，如Philips公司的P8XC591、Motorola公司的MC68HC05X4、 Intel公司的87C196CA/CB等，这类器件的最大优点是器件本身集成有CAN控制器，这就使得实际应用中构成的智能节点小型化成为司能。

    本实验选用了Philips公司的P87C591，它具有片内CAN控制器，从80C51微控制器家族派生而来。它采用了强大的80C51指令集并成功地包括了Philips半导体SJAl000CAN控制器的PeliCAN功能。全静态内核提供了扩展的节电方式。振荡器司停止和恢复而不会丢失数据。改进的l：l内部时钟预分频器在12 MHz外部时钟速率时实现500 ns指令周期。P87C591还有如下特性：增强的CAN接收中断；扩展的验收滤波器；验收滤波器可在运行中改变（Change on the Fly）。

    CAN节点硬件系统框图如图2所示，其中 P87C591利用P2口作为16位地址的高8位，P0口依靠锁存器分时复用作为地址的低8位和数据总线，最大64 KB外部数据存储器（256字节位于内部辅助RAM）。传感器模拟量输入，对于输入范围在0～5V之间的，可直接与Pl口相连（Pl口为A/D转换接口），不在此范围的模拟量经过模拟量输入接口进行相应的电平转换再与P1口连接。DC-DC电源模块起到电源转换和隔离的双重作用，将外接电源电压转换成节点硬件电路所需电压值，同时将节点电源与外部电源进行有效的隔离，防止有电源引入的干扰，提高了系统的抗干扰能力。

    82C250是CAN控制器与物理总线之间的接口，提供了CAN控制器向总线的差动发送、接收能力。如图3所示，该芯片依靠引脚8（RS）的不同连接，司以选择三种不同的工作方式：高速、斜率控制和待机方式。通过RS引脚对地连接的电阻司对总线进行斜率控制，斜率正比于引脚RS上的电流输出。CAN控制器的发送和接收端口分别通过一个光电隔离芯片6N137与82C250连接，有效地抑制了有总线引入的干扰。

    2.2.2节点软件设计

    本系统软件由总的系统软件和高（低）速CAN总线网络单元软件组成，软件流程如图4所示。由于高速 CAN网络实日寸性要求较高，因此优先让高速CAN网络中的节点传输数据。低速CAN网络中的数据可以在高速CAN空闲时传输过去。数据的发送和接收有两种方式，一种是查询方式，即查询状态寄存器的发送缓冲区状态标志（TBS），以确定是否可以将一个新报文写入发送缓冲区，查询接收缓冲区状态标志（RBS），以确定是否接收到报文；另…种是中断方式，若发送中断位和接收中断位允许，则CPU产生触发中断。本实验用的是中断发送和中断接收。

    软件的编写主要包括列寄存器的配置、硬件初始化、中断调用、数据通信几大模块。中断调用包括数据中的中断接收、中断发送、以及错误处理、报警等模块。通信模块又分为数据的发送、接收、请求等州。程序流程见图5、图6。

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