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，但隨之增加的復雜電路必然導致車身布線龐大而復雜。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，并使其成為國際標準。電動助力轉向(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向系統(tǒng)。EPS的控制過程是動力轉向系統(tǒng)綜合控制的過程，所以EPS的電子控制單元與車內其他電子控制單元的通信及協(xié)調控制便很重要。在EPS系統(tǒng)中引入CAN總線技術，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)場總線通信結構，最高速率可達1 Mbps(40 m內)，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。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具有快速響應能力，非常適合對實時性要求較高的應用場合。

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，其內部基本結構包括：中央處理器單元(CPU)、2個16C550工業(yè)標準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通道脈寬調制模塊以及46個獨立數(shù)字I/O口，片內還有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，能夠實現(xiàn)高低速CAN網(wǎng)絡的網(wǎng)關節(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，簡化了應用軟件的設計。

2．2 CAN模塊設計

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，導致系統(tǒng)實時響應速度下降的情況。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)絡分為高速CAN網(wǎng)絡和低速CAN網(wǎng)絡兩個速率等級。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。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)紛繁復雜，對準確性、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。對于不同速率網(wǎng)絡之間的通信，必須有相應的網(wǎng)關進行數(shù)據(jù)過濾和速率轉換，以實現(xiàn)不同速率網(wǎng)絡節(jié)點之間的數(shù)據(jù)通信。高低速CAN 網(wǎng)關用LPC2129實現(xiàn)，其通信網(wǎng)絡如圖1所示。



　　2．3 CAN節(jié)點硬件設計

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CAN的初始化和數(shù)據(jù)處理。CAN收發(fā)器種類有很多，本設計使用Philips公司的CAN高速收發(fā)器TJAl050。CAN基本節(jié)點結構如圖2所示。



　　2．4 高低速CAN網(wǎng)關的硬件電路設計

網(wǎng)關的主要作用是協(xié)調各網(wǎng)絡之間數(shù)據(jù)的共享，負責各節(jié)點之間的通信。其硬件結構與CAN節(jié)點非常相似，由于它負責高速與低速網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)共享，所以必須同時跨接兩個網(wǎng)絡。CAN總線網(wǎng)關硬件結構如圖3所示。



3 高低速CAN網(wǎng)關的軟件設計

網(wǎng)關軟件設計部分主要實現(xiàn)的功能是各節(jié)點的數(shù)據(jù)收發(fā)，特別是網(wǎng)關可以實現(xiàn)高低速網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的轉換。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，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，波特率為500 kbps。