基于單片機(jī)的客車CAN總線燈光節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
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(diǎn)是:CAN總線為多主站總線,各節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息,不分主從,通信靈活;CAN總線采用獨(dú)特的非破壞性總線仲裁技術(shù),優(yōu)先級高的節(jié)點(diǎn)先傳送數(shù)據(jù),能滿足實(shí)時(shí)性要求;CAN總線具有點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)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(gè),并有CRC及其他校驗(yàn)措施,數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低,某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)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(shí)可直接將新節(jié)點(diǎn)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(shí),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(shí)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(diǎn)設(shè)計(jì),它屬于低速CAN總線上的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。
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(gè)外設(shè),是一個(gè)完整的CAN控制器??蓾M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(shí)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(shí)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(gè)發(fā)送緩沖器,其中一個(gè)為16字節(jié),一個(gè)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(shí),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(gè)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(shí)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(gè)獨(dú)立的發(fā)送緩沖器,2個(gè)緩沖器共用1個(gè)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(shí),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(gè),接收信息幀時(shí)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(gè)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(diǎn)
客車車身CAN系統(tǒng)包括主控節(jié)點(diǎn)、燈光節(jié)點(diǎn)、空調(diào)節(jié)點(diǎn)、車門節(jié)點(diǎn)和儀表節(jié)點(diǎn)等,如圖2所示。其中,前車燈節(jié)點(diǎn)控制包括前左、右示廓燈,前左、右位燈,前左、右遇險(xiǎn)報(bào)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(gè)控制單位。后車燈節(jié)點(diǎn)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(gè)控制單位。主控節(jié)點(diǎn)主要接收來自駕駛員的一些開關(guān)輸入信號。儀表節(jié)點(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)監(jiān)控ABS和ECAS的電源。
5 硬件電路設(shè)計(jì)
燈光節(jié)點(diǎn)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(gè)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(diǎn),6個(gè)BTS442組成6路控制開關(guān),控制大燈和霧燈等6個(gè)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(shí)電流。5個(gè)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(cuò)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(gè)低電平信號,通過光電隔離器把該信號接入單片機(jī),實(shí)現(xiàn)端點(diǎn)檢測功能,并通過CAN信息幀反饋到儀表節(jié)點(diǎn)上。所有節(jié)點(diǎn)的硬件CAN接口模塊都相同,包括燈光節(jié)點(diǎn)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(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖5所示。程序采用查詢方式,節(jié)點(diǎn)初始化并報(bào)告正常工作后將一直處于查詢狀態(tài),直到主控節(jié)點(diǎn)發(fā)送的燈光控制命令到達(dá)燈光節(jié)點(diǎn)時(shí),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(diǎn)發(fā)送相應(yīng)端點(diǎn)的不正常信息幀,繼續(xù)檢測相應(yīng)的端點(diǎn)。
節(jié)點(diǎn)初始化主要是單片機(jī)初始化,包括端口初始化和CAN控制模塊的初始化。單片機(jī)端口初始化主要對用到的I/O口上電復(fù)位。CAN模塊的初始化主要是設(shè)置所用的特殊功能寄存器,主要包括協(xié)議模式、驗(yàn)收濾波方式、CAN通信速率和中斷寄存器的設(shè)置等。將驗(yàn)收代碼和驗(yàn)收屏蔽代碼寫入驗(yàn)收代碼寄存器和驗(yàn)收屏蔽寄存器。
CAN總線的軟件設(shè)計(jì)主要包括CAN節(jié)點(diǎn)的初始化、數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收程序,掌握了這3個(gè)模塊的設(shè)計(jì),基本上就完成了CAN通信的軟件設(shè)計(jì)。
7 結(jié)束語
雖然本節(jié)點(diǎn)是為控制客車車燈設(shè)計(jì)的,但對其他一些節(jié)點(diǎn)也有借鑒作用,尤其是CAN總線的硬件接口部分,可以通用到客車其他CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上,甚至可以用在其他非汽車領(lǐng)域的CAN網(wǎng)絡(luò)上,如工業(yè)自動化等領(lǐng)域。
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