汽车局域网CAN总线详解

一、概述
        随着汽车工业以及自动化程度的发展，现代汽车中所使用的电子控制系统和通讯系统越来越多，如发动机电控系统、自动变速器控制系统、防抱死制动系统（ABS）、自动巡航系统（ACC）和车载多媒体系统等，这些系统之间。系统和汽车的显示仪表之间，系统和汽车故障诊断系统之间均需要进行数据交换，如此巨大的数据交换量，如仍然采用传统数据交换的方法，即用导线进行点对点的连接的传输方式将是难以想象的，因此，用串行数据传输系统取而代之就成为必然的选择。目前汽车上的电子部件越来越多，它们分别担负着不同的作用并挂在不同的总线－ CAN总线上。CAN 是控制局域网络（Control Area Network）的简称[/B]，最早由德国BOSCH 公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范已被ISO 国际标准组织制订为国际标准。CAN 的信号传输采用短帧结构，每一帧的效字节数为8 个，因而传输时间短，受干扰的概率低。当节点严重错误时，具有自动关闭的功能，以切断该节点与总线的联系，使总线上的其他节点及其通信不受影响，具有较强的抗干扰能力。CAN 总线开始被用于汽车的电子系统通讯上起源于欧洲，它具有极强的抗干扰能力及纠错能力。汽车在运行过程中，所属电子部件之间需要进行通讯以交换实时数据，但是由于这些电子部件可能分别挂在不同的CAN总线上，而不同的CAN总线具有不同的数据传输速率，所以不同的CAN总线之间不能直接进行数据通讯，这就需要一个CAN总线网关控制器来进行协调高速CAN总线和低速CAN总线之间的通信。示意图如下图所示。
 

二、硬件设计
1、 总体框图
        作为一个工业上应用的可靠CAN节点，看门狗、电源隔离和信号隔离是必要的，总体原理框图如下：
 
2、 硬件原理图
从以上可以看出，该硬件电路主要由三部分组成。
I、 处理器最小系统
   处理器采用带有两路CAN接口的ARM7系列单片机 － LPC2119，该单片机内部有两路CAN接口、32位处理器、内部总线结构为哈佛总线结构。如下图所示：
  
   复位电路主要采用采用专用复位芯片SP706以及数据缓冲芯片74HC125来构成，如下图所示：
   
    该电路具有按键复位、上电复位和低电压复位功能。按键复位主要用于系统调试功能，经74HC125可以输出两路复位信号－系统复位信号和JTAG复位信号。
    时钟电路采用常用的无源晶振与微调电容组成。如图所示。
 
程序烧写口采用JTAG方式，比较方便在线调试。如图所示。
 
II、 电源控制部分
    本系统共需要四组电源：5V、3.3V、1.8V，另外还有CAN隔离电源（5V）。电源主芯片采用开关电源AP1509，其中5V电源是主电源，为其他各组电源提供输入电源，由于汽车上只有DC12V电源，所以需要进行DC/DC转换，电路如下：   
 
    AP1509是一款宽输入电压范围的DC/DC转换器，输入电压可高达22V，输出负载电流可高达2A。并且有可控输入信号端SD，可以切断或开启该芯片的正常工作，以达到节电的目的。
    本系统的处理器LPC2119需要两组电源－ 3.3V和1.8V，其中1.8V为处理器的内核电源，3.3V为处理器的I/O电源，电路如下：
 
    由于CAN总线现场的电磁干扰非常强，所以需要对CAN电源进行单独隔离，避免干扰处理器的正常运行。主要就是采用一个隔离芯片，电路如下：
 
III、 CAN收发电路
    该部分是系统的核心部分。共有两路完全相同的电路分别挂在两路CAN总线上。
    电路如下：
 
    CAN电路部分与处理器部分需要通过光耦进行电气隔离。采用了高速光耦芯片
TLP113。CAN收发器芯片采用TJA1050，该芯片的主要特点有：
● 高速 (高达 1 Mbaud)
● 至少可以连接110个节点
● 总线保护及终端保护功能
● 符合ISO 11898 标准
        从上图可以看出，在结构上，CAN收发器TJA1050左侧连接系统处理器，右侧连接CAN总线。实现了单片机对CAN总线数据的操作。

三、软件设计
        CAN 是一种实时数据总线，它不需要给出信号接受者的地址，信号发送者将安全编码后的数据发给所有的接受者。高速的CAN 总线每毫秒内可传送32bytes 有效数据。每个信号接受者从总线上读取其所需的数据。CAN总线数据的收发遵循CAN-BUS 2.0协议，运用到汽车上即为J1939协议。CAN-BUS 技术减少了线束的数量和控制器接口的引脚数，与此同时可以更简单、迅速地实现在线编程、诊断，甚至多个控制器共同作用等新功能。当停车发动机熄火时，CAN-BUS 的舒适型系统将自动处于休眠状态，整个系统处于最低耗电状态，从而节省能源的消耗。一旦接受到车门开启等信号，无需发动机启动，系统立即被唤醒而激活，开始接受各处节点传递的信息。本装置主要负责两条CAN总线上数据的互相转发,并不对数据作任何改动或诊断,即全透明传输.设置高速CAN总线上的数据传送速率为500K,低速CAN总线上的数据传送速率为125K.汽车上的每个电子模块均有CAN接口,以连接到CAN总线上.汽车运行时,所有电子模块均通过各自的CAN接口向CAN总线发送系统实时数据,而需要CAN数据的模块则从CAN总线接收数据,然后再作处理或诊断.软件总体架构采用中断结构,数据帧采用8位标准帧格式.该车载网关控制器的软件流程图如下:
 
主程序流程图
 
中断服务程序流程图

                     目前CAN总线在汽车上已经得到广泛应用，包括雅阁、新天籁、迈腾、领域、奥迪、宝马、奔驰、凌志等！

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