如何設計與實現(xiàn)基于單片機的客車CAN總線燈光節(jié)點？

引言

CAN(Controller Area Network)是德國Bosch公司最先提出的，是目前汽車控制器局域網(wǎng)中最流行、最常用的總線。它的主要特點是：CAN總線為多主站總線，各節(jié)點均可在任意時刻主動向網(wǎng)絡上的其他節(jié)點發(fā)送信息，不分主從，通信靈活;CAN總線采用獨特的非破壞性總線仲裁技術，優(yōu)先級高的節(jié)點先傳送數(shù)據(jù)，能滿足實時性要求;CAN總線具有點對點、一點對多點及全局廣播傳送數(shù)據(jù)的功能;CAN總線上每幀有效字節(jié)數(shù)最多為8個，并有CRC及其他校驗措施，數(shù)據(jù)出錯率極低，某個節(jié)點出現(xiàn)嚴重錯誤，可自動脫離總線，總線上的其他操作不受影響;CAN總線只有2條導線，系統(tǒng)擴充時可直接將新節(jié)點掛在總線上，因此走線少，系統(tǒng)容易擴充，改型靈活;CAN總線傳輸速度快，在傳輸距離小于40 m時，最大傳輸速率可達1 Mb/s。CAN總線的應用不僅能簡化線束，實現(xiàn)傳感器共享，降低系統(tǒng)成本，而且能大大降低車輛的故障率。CAN總線在汽車上的應用是現(xiàn)代汽車技術的發(fā)展趨勢。

2 CAN總線在汽車中的應用

目前，汽車中的網(wǎng)絡連接主要采用2條CAN總線，一條是驅(qū)動系統(tǒng)的高速CAN總線，速率達500 kb/s，另一條是車身系統(tǒng)的低速CAN總線，速率是100 kb/s。驅(qū)動系統(tǒng)的CAN主要連接對象是發(fā)動機控制器(ECU)、ASR及ABS控制器、安全氣囊控制器、組合儀表等，其基本特征相同，都是控制與汽車行駛直接相關的系統(tǒng)。車身系統(tǒng)的CAN主要連接對象是4門以上的中控門鎖、電動車窗、后視鏡和車廂內(nèi)照明燈等。有些先進的轎車除了上述2條CAN總線外，還會有第3條CAN總線，它的主要連接對象是衛(wèi)星導航及智能通信系統(tǒng)。

在國外尤其是在歐洲，CAN已成為現(xiàn)代汽車中必不可少的裝置，CAN總線技術正日趨成熟，應用也越來越廣，奔馳、寶馬、大眾、沃爾沃、雷諾等汽車都采用CAN作為控制器聯(lián)網(wǎng)的技術。國內(nèi)對CAN總線的研究剛剛起步，到目前為止還沒有較成功的應用。但我國對車輛局域網(wǎng)絡總線技術的研究與開發(fā)非常重視，最近國家有關部門對CAN總線在豪華大客車上的應用做出明確規(guī)定。相信這一政策的出臺必將大大促進相關企業(yè)和科研單位對汽車CAN總線的研究與開發(fā)應用。本文討論客車車身CAN總線系統(tǒng)中的車燈節(jié)點設計，它屬于低速CAN總線上的節(jié)點設計。

3 單片機及其CAN總線模塊

NEC是僅次于Freescale的世界第二大車用單片機制造商，由于其在中國推廣的比較晚，國內(nèi)企業(yè)使用得并不多。CAN總線模塊是μPD780822型單片機的一個外設，是一個完整的CAN控制器?？蓾M足車身CAN總線網(wǎng)絡的要求。除了具有CAN的基本功能外，還包括一些特有功能，如時間同步功能、可編程的CAN總線喚醒和CPU喚醒功能、可編程的總線關閉時發(fā)送底層復位功能等。對CAN總線的訪問分為控制/狀態(tài)寄存器的訪問和發(fā)送/接收緩沖器的訪問。

CAN控制器發(fā)送的信息幀分為二種：發(fā)送數(shù)據(jù)幀和發(fā)送遠程幀。有二個發(fā)送緩沖器，其中一個為16字節(jié)，一個為8字節(jié)。16字節(jié)的緩沖器可以存儲標準幀和擴展幀二種格式的數(shù)據(jù)幀，8字節(jié)的緩沖器可以用來存儲要發(fā)送的數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)幀時，在數(shù)據(jù)寫到發(fā)送緩沖器后，如果相應的發(fā)送請求位使能，則數(shù)據(jù)被發(fā)送到CAN總線上，數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)可以用軟件設置成1～8個字節(jié)。數(shù)據(jù)幀的格式如圖1所示。

CAN控制器接收信息時首先要將接收信息的標識符與相應緩沖器的標識符進行比較，只有標識符相同的信息才能被接收。μPD780822型單片機的CAN模塊有2個獨立的發(fā)送緩沖器，2個緩沖器共用1個16字節(jié)的數(shù)據(jù)區(qū)來存儲最多8字節(jié)數(shù)據(jù)的CAN幀。發(fā)送區(qū)和接收區(qū)的結(jié)構(gòu)相似，當標志位和控制位沒有設置為CAN專用時，CPU可以把其作為普通的數(shù)據(jù)存儲區(qū)使用。

控制器接收緩沖器有16個，接收信息幀時用的緩沖器區(qū)由信息數(shù)量寄存器(MCNT)決定。從總線上接收的信息被直接存儲在發(fā)送緩沖區(qū)中。工作中沒有使用的接收緩沖區(qū)可以被CPU作為普通的RAM使用。每個接收緩沖器都有其可編程的中斷使能位。

4 網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)和節(jié)點

客車車身CAN系統(tǒng)包括主控節(jié)點、燈光節(jié)點、空調(diào)節(jié)點、車門節(jié)點和儀表節(jié)點等，如圖2所示。其中，前車燈節(jié)點控制包括前左、右示廓燈，前左、右位燈，前左、右遇險報警燈，前左、右駐車燈，左、右前照燈遠光，左、右前照燈近光，前左、右霧燈和前左、右轉(zhuǎn)向燈等16個控制單位。后車燈節(jié)點控制包括后左、右示廓燈，后左、右轉(zhuǎn)向燈，后左、右制動燈，后左、右位燈，后左、右霧燈和后左、右倒車燈等12個控制單位。主控節(jié)點主要接收來自駕駛員的一些開關輸入信號。儀表節(jié)點主要通過接收總線上的數(shù)據(jù)來控制方向、水溫、機油壓力、制動、車門、車燈、ABS/ARS和除霜等指示燈和控制儀表，以顯示車速、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、水溫、燃油、機油、電壓、步進電機等數(shù)值?？照{(diào)節(jié)點控制空調(diào)的開關和車內(nèi)溫度的設定等。車門和后視鏡節(jié)點控制車門電磁閥開關、后視鏡調(diào)整開關和后視鏡加熱開關。安全節(jié)點監(jiān)控ABS和ECAS的電源。

5 硬件電路設計

燈光節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，它包括燈光控制模塊和CAN接口模塊。燈光控制模塊由TLP521-4型光電隔離器和BTS442、BTS740型智能開關組成。

TLP521-4是4路光電隔離器，8個TLP521-4組成32路光電隔離，把傳遞到開關和開關反饋的信號與單片機連接起來。BTS442是Infineon公司生產(chǎn)的單路輸出智能開關(PROFET)，具有允許較大瞬態(tài)電流(140 A以上)和較寬泛的溫度范圍(-55℃～+150℃)等優(yōu)點，6個BTS442組成6路控制開關，控制大燈和霧燈等6個大電流負載。BTS740是lnfineon公司生產(chǎn)的4路輸出智能開關，把輸出的2路并作1路用，使其通過較大的瞬時電流。5個BTS740組成10路控制開關用以控制其余的小電流負載。BTS442和BTS740都有診斷反饋功能，如果出現(xiàn)錯誤，BTS442的第4引腳和BTS740的第4引腳與第8引腳上會出現(xiàn)一個低電平信號，通過光電隔離器把該信號接入單片機，實現(xiàn)端點檢測功能，并通過CAN信息幀反饋到儀表節(jié)點上。所有節(jié)點的硬件CAN接口模塊都相同，包括燈光節(jié)點在內(nèi)。由于這種單片機帶有CAN總線模塊，所以不需專門的CAN控制器，單片機沒有CAN收發(fā)器，需要外接82C250型收發(fā)器，中間是6N137型光電隔離器。單片機、光電隔離器和CAN收發(fā)器硬件接口電路如圖4所示。

6 節(jié)點軟件設計

節(jié)點軟件流程如圖5所示。程序采用查詢方式，節(jié)點初始化并報告正常工作后將一直處于查詢狀態(tài)，直到主控節(jié)點發(fā)送的燈光控制命令到達燈光節(jié)點時，單片機才可判斷控制的是哪一路燈光或哪幾路燈光，并通過開關的診斷反饋功能檢測相應的開關是否正常。如果正常，則向相應的高/低端開關發(fā)送相應的控制命令，然后回到查詢狀態(tài)。如果不正常，則向儀表節(jié)點發(fā)送相應端點的不正常信息幀，繼續(xù)檢測相應的端點。