基于CAN總線的EPS通信系統(tǒng)研究

引言

現(xiàn)代汽車電子技術(shù)的發(fā)展使汽車的電子化程度越來越高。電控系統(tǒng)雖然提高了汽車的動力性和經(jīng)濟性，但隨之增加的復(fù)雜電路必然導(dǎo)致車身布線龐大而復(fù)雜。因此提高控制單元間通信的可靠性、實時性、安全性已成為需要迫切解決的問題。以研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國Bosch公司為此開發(fā)了CAN總線協(xié)議，并使其成為國際標(biāo)準(zhǔn)。電動助力轉(zhuǎn)向(E1ectric Power Steering System，EPS)是根據(jù)駕駛員意圖和車輛的運行工況而進行助力的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。EPS的控制過程是動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)綜合控制的過程，所以EPS的電子控制單元與車內(nèi)其他電子控制單元的通信及協(xié)調(diào)控制便很重要。在EPS系統(tǒng)中引入CAN總線技術(shù)，使EPS電子控制單元與其他車載電子控制單元通信，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，并且協(xié)調(diào)EPS與其他系統(tǒng)控制。

1 CAN總線簡介

CAN即控制器局域網(wǎng)，是Bosch公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制和數(shù)據(jù)交換問題開發(fā)出的一種現(xiàn)場總線通信結(jié)構(gòu)，最高速率可達1 Mbps(40 m內(nèi))，以多主方式工作。與一般的通信總線相比，CAN總線數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性，是目前使用最廣泛的一種汽車網(wǎng)絡(luò)。CAN總線具有以下特點：

①硬件連接簡單，具有良好的性能價格比。

②具有快速響應(yīng)能力，非常適合對實時性要求較高的應(yīng)用場合。

③可靠性高。CAN總線的糾錯能力非常強，協(xié)議中每一幀數(shù)據(jù)都采用CRC及其他校驗措施，數(shù)據(jù)出錯率極低。若某一節(jié)點出現(xiàn)嚴(yán)重錯誤，可自動脫離總線，總線上其他節(jié)點的操作不受影響。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2．1 LPC2129介紹

LPC2129 微控制器是NXP公司32位單片機中的一種，其內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)包括：中央處理器單元(CPU)、2個16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART、高速I2C接口(400 kHz)、2個SPI接口、8通道輸入捕捉/輸出比較定時器，1個8通道脈寬調(diào)制模塊以及46個獨立數(shù)字I/O口，片內(nèi)還有256KB的Flash ROM、16 KB的RAM，CAN功能塊包括2個兼容CAN2．0B協(xié)議的CAN控制器。這些豐富的內(nèi)部資源和外部接口可以滿足ECU(電子控制單元)對各種數(shù)據(jù)的處理及CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的要求。芯片集成了2個CAN模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)高低速CAN網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點功能。

CAN模塊遵循CAN2．0B協(xié)議，集成了驗收濾波器的CAN總線控制器的所有功能。此外它還采用先進的緩沖器布置改善了實時性能，簡化了應(yīng)用軟件的設(shè)計。

2．2 CAN模塊設(shè)計

汽車的通信系統(tǒng)由EPS控制系統(tǒng)、ABS系統(tǒng)、發(fā)動機系統(tǒng)、電動車窗系統(tǒng)、車燈控制系統(tǒng)等組成。這些電控系統(tǒng)在整個控制系統(tǒng)中對響應(yīng)實時性的要求有所不同，另外汽車在實際運行過程中眾多節(jié)點之間需要進行大量的實時數(shù)據(jù)交換。若整個汽車的所有節(jié)點都掛在一個CAN網(wǎng)絡(luò)上，眾多節(jié)點通過一條CAN總線進行通信，一旦信息管理配置稍有不妥，就很容易出現(xiàn)總線負荷過大，導(dǎo)致系統(tǒng)實時響應(yīng)速度下降的情況。這在實時系統(tǒng)中是不允許的，因此根據(jù)不同的要求，可將汽車網(wǎng)絡(luò)分為高速CAN網(wǎng)絡(luò)和低速CAN網(wǎng)絡(luò)兩個速率等級。ABS、EPS等節(jié)點電控單元個數(shù)少，實時性和穩(wěn)定性要求高，組成傳輸速率為500 kbps的高速CAN網(wǎng)絡(luò)。眾多的車身電機和車燈節(jié)點電控單元數(shù)量多，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)紛繁復(fù)雜，對準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性的要求勝于實時性，組成傳輸速率為125 kbps的低速CAN網(wǎng)絡(luò)。對于不同速率網(wǎng)絡(luò)之間的通信，必須有相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)進行數(shù)據(jù)過濾和速率轉(zhuǎn)換，以實現(xiàn)不同速率網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信。高低速CAN 網(wǎng)關(guān)用LPC2129實現(xiàn)，其通信網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。



　　2．3 CAN節(jié)點硬件設(shè)計

CAN節(jié)點硬件電路主要包括帶有CAN控制器的微控制器和用于數(shù)據(jù)收發(fā)的CAN收發(fā)器。本設(shè)計使用的是NXP公司的32位微控制器LPC2129，它帶有 CAN控制器，主要負責(zé)CAN的初始化和數(shù)據(jù)處理。CAN收發(fā)器種類有很多，本設(shè)計使用Philips公司的CAN高速收發(fā)器TJAl050。CAN基本節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖2所示。



　　2．4 高低速CAN網(wǎng)關(guān)的硬件電路設(shè)計

網(wǎng)關(guān)的主要作用是協(xié)調(diào)各網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)的共享，負責(zé)各節(jié)點之間的通信。其硬件結(jié)構(gòu)與CAN節(jié)點非常相似，由于它負責(zé)高速與低速網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)共享，所以必須同時跨接兩個網(wǎng)絡(luò)。CAN總線網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。



3 高低速CAN網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計

網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計部分主要實現(xiàn)的功能是各節(jié)點的數(shù)據(jù)收發(fā)，特別是網(wǎng)關(guān)可以實現(xiàn)高低速網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。對實時性要求不高的車燈控制和車窗控制電路采用低速CAN 網(wǎng)絡(luò)，波特率為125 kbps；對實時性要求較高的ABS系統(tǒng)和EPS系統(tǒng)等采用高速CAN網(wǎng)絡(luò)，波特率為500 kbps。