CAN總線技術(shù)在汽車ECU中的開發(fā)

目前，在國內(nèi)還沒有我們自己開發(fā)研制的基于CAN總線的ECU產(chǎn)品。本文是以一汽大眾為合作伙伴，共同開展的基于CAN總線汽車控制系統(tǒng)研究工作的一部分，主要攻克了工程化關(guān)鍵技術(shù)，所做的汽車分布式電子控制系統(tǒng)具有完全自主產(chǎn)權(quán)。文中對CAN總線的原理及性能進(jìn)行詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上，深入研究了CAN總線控制器SJA1000，并設(shè)計(jì)了一套由單片機(jī)89C52和SJA1000以及82C250等芯片組成的CAN總線系統(tǒng)，該系統(tǒng)模擬了汽車中的儀表盤以及照明系統(tǒng)，各個(gè)ECU之間通過CAN總線實(shí)現(xiàn)相互通訊，從而達(dá)到減少汽車中的線束的目的，證實(shí)了CAN總線作為一個(gè)局域網(wǎng)應(yīng)用在汽車中的極大優(yōu)勢。該項(xiàng)研究將對我國汽車工業(yè)技術(shù)水平的提高起到促進(jìn)作用。

CAN總線技術(shù)的優(yōu)越性

CAN總線與一般的通信總線相比，它的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。其具有以下主要特性：CAN是目前為止唯一有國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線；CAN為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動的向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活，且無需站地址等節(jié)點(diǎn)信息；CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實(shí)時(shí)要求，高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)最多可在134us內(nèi)得到傳輸；CAN采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級較低的節(jié)點(diǎn)會主動地退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節(jié)點(diǎn)不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間。尤其是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況(以太網(wǎng)則可能)；CAN只需通過報(bào)文濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)，無需專門的“調(diào)度”；CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km (速率5kbps以下)；通信速率最高可達(dá)1Mbps(此時(shí)通信距離最長為40m)；CAN上的節(jié)點(diǎn)數(shù)主要取決于總線驅(qū)動電路，目前可達(dá)成110個(gè)。采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，具有極好的檢錯(cuò)效果。CAN的每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低。CAN的通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。CAN總線具有較高的性能價(jià)格比。它結(jié)構(gòu)簡單，器件容易購置，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的價(jià)格較低，而且開發(fā)過程中，能充分利用現(xiàn)在的單片機(jī)開發(fā)工具。

CAN控制器與單片機(jī)的接口電路

SJA1000可以與不同類型的單片微型計(jì)算機(jī)接口，再加上收發(fā)器就組成了一個(gè)CAN應(yīng)用系統(tǒng)的核心。系統(tǒng)硬件連接，硬件電路的設(shè)計(jì)主要是CAN通信控制器與微處理器之間和CAN總線收發(fā)器與物理總線之間的接口電路的設(shè)計(jì)。CAN通信控制器是CAN總線接口電路的核心，主要完成CAN的通信協(xié)議，而CAN總線收發(fā)器的主要功能是增大通信距離，提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力，保護(hù)總線，降低射頻干擾(RFI)，實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)等。微控制器的時(shí)鐘采自SJA1000的振蕩器。通過SJA1000的時(shí)鐘分頻寄存器CDR，它決定了SJA1000的CLKOUT 腳的輸出和它的工作方式。SJA1000的AD0- AD7 連接到89C52的P0口，CS片選信號連接到89C51 的P2. 7。P2. 7 為0時(shí)CPU片外存儲器地址可選中SJA1000，CPU通過這些地址可對SJA1000執(zhí)行相應(yīng)的讀/寫操作。SJA1000的RD、WR、ALE分別與89C52的對應(yīng)引腳相連，INT接89C52的P3. 2(INTO)，89C52

也可以通過中斷方式訪問SJA1000。82C250與CAN總線的接口部分也采用了一定的安全和抗干擾措施。82C250的CANH和CANL引腳各自通過一個(gè)5Ω的電阻與CAN總線相連，電阻可起到一定的限流作用，保護(hù)82C250免受過流的沖擊。CANH和CANL與地之間并聯(lián)了兩個(gè)30pF的小電容，可以起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射的能力。另外，在兩根CAN總線輸入端與地之間分別接了一個(gè)防雷擊管，當(dāng)兩輸入端與地之間出現(xiàn)瞬變干擾時(shí)，通過防雷擊管的放電可起到一定的保護(hù)作用。瞬變干擾(Transient Interference)是電磁兼容領(lǐng)域中主要的一種干擾方式，特別是雷擊浪涌波，由于持續(xù)時(shí)間短，脈沖幅值高，能量大，給電子電氣設(shè)備的正常運(yùn)行帶來極大的威脅。82C250的Rs腳上接有一個(gè)斜率電阻，電阻大小可根據(jù)總線通信速度適當(dāng)調(diào)節(jié)，一般在16—140kΩ之間。

軟件設(shè)計(jì)

本文主要設(shè)計(jì)了汽車的舒適系統(tǒng)，其中包括了車門系統(tǒng)和車燈系統(tǒng)以及儀表盤之間通過CAN總線的通訊，用來實(shí)現(xiàn)各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的相互控制。，當(dāng)儀表盤上的鑰匙門啟動時(shí)，儀表盤上的點(diǎn)火指示燈會亮起來，同時(shí)車門系統(tǒng)和車燈系統(tǒng)的ECU分別在總線上接到這個(gè)信息，也分別讓各自的電源指示燈亮起來，這就表示各個(gè)系統(tǒng)在鑰匙門打開的同時(shí)已經(jīng)都準(zhǔn)備好了，等待總線發(fā)出命令，以便做出相應(yīng)的動作。當(dāng)車門要打開時(shí)，儀表盤上的車門指示燈亮；當(dāng)大燈打開時(shí)，儀表盤上的大燈指示亮；當(dāng)轉(zhuǎn)向燈開關(guān)打開時(shí)，轉(zhuǎn)向燈亮；當(dāng)雙閃開關(guān)打開時(shí)，左右轉(zhuǎn)向燈同時(shí)閃動。

模擬實(shí)驗(yàn)

本論文采用了VectoR公司生產(chǎn)的CANoe軟件對CAN總線進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)控。通過一個(gè)CAN卡--CANcardX (PCMCIA接口卡)以及一根CANcabs-CANcardX總線驅(qū)動電纜，可以把系統(tǒng)中的CAN總線數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)編程采集出來。下位機(jī)與上位機(jī)設(shè)定相同的通訊波特率(本論文中設(shè)定為100kbps)，通過建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫，就可以互相通訊了。

根據(jù)實(shí)際測量的結(jié)果，可以看出總線負(fù)載符合要求，沒有接收到出錯(cuò)幀，接受狀態(tài)處于激活中，接收到數(shù)據(jù)幀，總線工作狀態(tài)正常。從總線上測得的數(shù)據(jù)表明，對于每個(gè)ECU節(jié)點(diǎn)發(fā)送的ID碼以及數(shù)據(jù)與預(yù)定的ID碼及數(shù)據(jù)相同，總線接收和發(fā)送正常、準(zhǔn)確，完全符合預(yù)期研究的目標(biāo)。該模擬系統(tǒng)可以隨意向總線上正確的發(fā)送數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀，而且一旦某個(gè)ECU節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，總線會進(jìn)行自動處理(在單片機(jī)軟件中進(jìn)行處理)，如果該節(jié)點(diǎn)一直在向總線發(fā)送錯(cuò)誤標(biāo)志，總線就會自動中斷該節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)也會檢測到錯(cuò)誤條件，停止向給節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣就可以避免總線癱瘓。所以某個(gè)ECU節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)錯(cuò)誤，不會影響其他節(jié)點(diǎn)的正常工作，不會造成整個(gè)總線的癱瘓。

CAN總線技術(shù)，是工業(yè)控制與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)兩者邊緣的產(chǎn)物。無論是從網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、協(xié)議、實(shí)時(shí)性、還是適應(yīng)性、靈活性、可靠性乃至成本等，工業(yè)控制的底層都有它的特殊性，特別是汽車工業(yè)中，要傳輸?shù)男畔级绦?，要求?shí)時(shí)性很強(qiáng)、可靠性高。因此，CAN總線在汽車ECU中的研究具有進(jìn)一步推廣應(yīng)用的價(jià)值和良好的開發(fā)前景。