如何設(shè)計與實現(xiàn)基于單片機(jī)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(luò)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(shù)，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(yán)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(dǎo)線，系統(tǒng)擴(kuò)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(kuò)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(dá)1 Mb/s。CAN總線的應(yīng)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(yīng)用是現(xiàn)代汽車技術(shù)的發(fā)展趨勢。

2 CAN總線在汽車中的應(yīng)用

目前，汽車中的網(wǎng)絡(luò)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(dá)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(jī)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(guān)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(jìn)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(dǎo)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(shù)正日趨成熟，應(yīng)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(shù)。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(yīng)用。但我國對車輛局域網(wǎng)絡(luò)總線技術(shù)的研究與開發(fā)非常重視，最近國家有關(guān)部門對CAN總線在豪華大客車上的應(yīng)用做出明確規(guī)定。相信這一政策的出臺必將大大促進(jìn)相關(guān)企業(yè)和科研單位對汽車CAN總線的研究與開發(fā)應(yīng)用。本文討論客車車身CAN總線系統(tǒng)中的車燈節(jié)點設(shè)計，它屬于低速CAN總線上的節(jié)點設(shè)計。

3 單片機(jī)及其CAN總線模塊

NEC是僅次于Freescale的世界第二大車用單片機(jī)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(jī)的一個外設(shè)，是一個完整的CAN控制器。可滿足車身CAN總線網(wǎng)絡(luò)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(guān)閉時發(fā)送底層復(fù)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(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)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(yīng)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(shè)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(biāo)識符與相應(yīng)緩沖器的標(biāo)識符進(jìn)行比較，只有標(biāo)識符相同的信息才能被接收。μPD780822型單片機(jī)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(dāng)標(biāo)志位和控制位沒有設(shè)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(luò)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(yuǎn)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(guān)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、燃油、機(jī)油、電壓、步進(jìn)電機(jī)等數(shù)值?？照{(diào)節(jié)點控制空調(diào)的開關(guān)和車內(nèi)溫度的設(shè)定等。車門和后視鏡節(jié)點控制車門電磁閥開關(guān)、后視鏡調(diào)整開關(guān)和后視鏡加熱開關(guān)。安全節(jié)點監(jiān)控ABS和ECAS的電源。

5 硬件電路設(shè)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(guān)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(guān)和開關(guān)反饋的信號與單片機(jī)連接起來。BTS442是Infineon公司生產(chǎn)的單路輸出智能開關(guān)(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(guān)，控制大燈和霧燈等6個大電流負(fù)載。BTS740是lnfineon公司生產(chǎn)的4路輸出智能開關(guān)，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(guān)用以控制其余的小電流負(fù)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(jī)，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(jī)帶有CAN總線模塊，所以不需專門的CAN控制器，單片機(jī)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(jī)、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(shè)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(dá)燈光節(jié)點時，單片機(jī)才可判斷控制的是哪一路燈光或哪幾路燈光，并通過開關(guān)的診斷反饋功能檢測相應(yīng)的開關(guān)是否正常。如果正常，則向相應(yīng)的高/低端開關(guān)發(fā)送相應(yīng)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(yīng)端點的不正常信息幀，繼續(xù)檢測相應(yīng)的端點。