CAN總線技術(shù)在汽車電子的應(yīng)用與實(shí)現(xiàn)研究

1 汽車電子與CAN總線

　　隨著汽車電子技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車上各種電子控制單元的數(shù)目不斷增加，連接導(dǎo)線顯著增加，因而提高控制單元間通訊可靠性和降低導(dǎo)線成本已成為迫切需要解決的問(wèn)題。為此以研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國(guó)BOSCH公司開發(fā)了CAN總線協(xié)議，并使其成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO11898）。1989年，Intel 公司率先開發(fā)出CAN總線協(xié)議控制器芯片，到目前為止，世界上已經(jīng)擁有20多家CAN總線控制器芯片生產(chǎn)商，110多種CAN總線協(xié)議控制器芯片和集成 CAN總線協(xié)議控制器的微處理器芯片。在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機(jī)械車輛設(shè)計(jì)的J1939協(xié)議。我國(guó)的汽車CAN總線技術(shù)起步較晚，但隨著現(xiàn)代汽車電子的不斷進(jìn)步發(fā)展，其研究和應(yīng)用正如火如荼的進(jìn)行中。CAN總線是一種串行多主站控制器局域網(wǎng)總線，是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串性通訊網(wǎng)絡(luò)。CAN總線的通信介質(zhì)可以是雙絞線，同軸電纜或光導(dǎo)纖維，通信速率可達(dá)1Mbps/40m，通信距離可達(dá)10km/40Kbps。由于其通信速率高，可靠性好以及價(jià)格低廉等特點(diǎn)，使其特別適合中小規(guī)模的工業(yè)過(guò)程監(jiān)控設(shè)備的互連和交通運(yùn)載工具電氣系統(tǒng)中。CAN總線有如下基本特點(diǎn)：

　　◎廢除傳統(tǒng)的站地址編碼，代之以對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼，可以多主方式工作；

　　◎采用非破壞性仲裁技術(shù)，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上傳送數(shù)據(jù)時(shí)，優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可不受影響繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，有效避免了總線沖突；

　　◎采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低，重新發(fā)送的時(shí)間短；

　　◎每幀數(shù)據(jù)都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃?，適于在高干擾環(huán)境下使用；

　　◎節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下，具有自動(dòng)關(guān)閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上其他操作不受影響；

　　◎可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一對(duì)多及廣播集中方式傳送和接受數(shù)據(jù)。

　　現(xiàn)代汽車典型的控制單元有電控燃油噴射系統(tǒng)，電控傳動(dòng)系統(tǒng)，防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS），防滑控制系統(tǒng)（ASR），廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，巡航系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)，車身電子控制系統(tǒng)（包括照明指示和車窗，刮雨器等）。完善的汽車CAN總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

　　2 CAN節(jié)點(diǎn)硬件構(gòu)架

　　核心芯片：

　　選用PHILIPS公司的高性能8位微處理器P89C668。

　　其突出特點(diǎn)如下：

　　◎80C51中央處理單元；

　　◎內(nèi)置可ISP（在系統(tǒng)編程）和IAP（在應(yīng)用編程）的Flash存儲(chǔ)器，BootROM可通過(guò)串口訪問(wèn)從而升級(jí)下載用戶程序；

　　◎每個(gè)機(jī)器周期6個(gè)時(shí)鐘周期操作標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)機(jī)器周期12個(gè)時(shí)鐘周期操作可選，周期12個(gè)時(shí)鐘周期下速度高達(dá)33MHz；

　　◎8K字節(jié)RAM和64K字節(jié)FLASH；

　　◎4個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，8個(gè)中斷源；

　　◎自帶串行接口序列；

　　◎5路可編程的計(jì)數(shù)器陣列PCA（PWM輸出，捕捉/比較，高速輸出三種工作方式）。

　　無(wú)論從處理能力，存儲(chǔ)容量，還是外圍資源以及網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性方面來(lái)評(píng)價(jià)，P89C668都是一款出色的微處理器，適用工控電子等各個(gè)領(lǐng)域。尤其是其8K字節(jié)RAM的海量?jī)?nèi)存，更是許多高速存儲(chǔ)應(yīng)用場(chǎng)合的首選。

　　CAN接口電路：

　　采用技術(shù)成熟應(yīng)用廣泛的SJA1000(CAN控制器)，6N137(光電隔離)，P82C250（CAN收發(fā)器）組成接口電路。需要指出的是，CAN總線(CANH,CANL)兩端務(wù)必跨接120歐的終端電阻。SJA1000中斷引腳接CPU的外中斷0引腳。

　　在應(yīng)用/系統(tǒng)編程電路：

　　IAP/ISP技術(shù)在許多款高性能單片機(jī)得到應(yīng)用，其突出特點(diǎn)是方便快捷的實(shí)現(xiàn)程序的下載和更新。P89C668的FLASH空間 0XFC00～0XFFFF燒寫入1K字節(jié)的BootRom程序，上電后可以通過(guò)軟件和硬件置位方法進(jìn)入BootRom程序，通過(guò)PHILIPS提供的編程軟件由串行口通訊就可以實(shí)現(xiàn)程序的在線升級(jí)（ISP）。當(dāng)然用戶還可以根據(jù)需要依據(jù)協(xié)議，自己編寫B(tài)ootRom程序（IAP）。通過(guò)撥碼開關(guān)硬件置位（ALE,,,P2.6,P2.7），上電后強(qiáng)制進(jìn)入BootRom程序，燒寫程序完畢后撥回原來(lái)狀態(tài)重新上電后就進(jìn)入用戶程序。串行口電平轉(zhuǎn)換芯片用 MAX202替代MAX232，其匹配電容只需103瓷片電容。串行數(shù)據(jù)通訊波特率可達(dá)38400bps。
　　晶振和復(fù)位電路：

　　外接一塊工業(yè)級(jí)的12M振蕩芯片作為時(shí)鐘信號(hào)。復(fù)位電路采用X25045芯片進(jìn)行智能控制。X25045芯片將看門狗定時(shí)器，電源監(jiān)控電路和E2PROM 功能合三為一。看門狗定時(shí)器功能在系統(tǒng)出錯(cuò)期間，經(jīng)過(guò)一個(gè)可設(shè) 置的時(shí)間間隔就置位RESET信號(hào)。電源監(jiān)控電路能檢測(cè)到欠電壓狀況，在VCC下降到限閥值以下，系統(tǒng)被復(fù)位。并且RESET信號(hào)在VCC恢復(fù)且穩(wěn)定之前一直有效。存儲(chǔ)器功能的X25405是CMOS的4096字的E2PROM.并且支持SPI 協(xié)議的三線（SO,SI,SCLK）存取。本節(jié)點(diǎn)用到X25405的前兩個(gè)功能構(gòu)成可靠的復(fù)位電路。

　　開關(guān)/數(shù)字量，模擬量檢測(cè)電路：

　　汽車節(jié)點(diǎn)的開關(guān)器件（信號(hào)燈，雨刮，面板，車窗玻璃，電動(dòng)后視鏡等等的開關(guān)）特別復(fù)雜和繁多，而電流檢測(cè)，水溫油位傳感器信號(hào)都是非線性的模擬信號(hào)，所以可靠實(shí)時(shí)地對(duì)這些開關(guān)/模擬量進(jìn)行檢測(cè)成為汽車電子硬件必須解決的問(wèn)題。

　　傳統(tǒng)的分立元件保持電路存在可靠性差，尤其是開關(guān)觸點(diǎn)氧化嚴(yán)重，浪費(fèi)大量的微處理器I/O口等問(wèn)題，推薦采用MOTOROLA公司的多路開關(guān)檢測(cè)芯片MC33993。其突出優(yōu)點(diǎn)如下：◎3.3/5.0V的SPI序列讀寫（SO,SI,SCLK）；

　　◎8路可編程開關(guān)輸入檢測(cè)（接地或接電源），14路接地開關(guān)輸入檢測(cè)，每路開關(guān)狀態(tài)改變均能夠產(chǎn)生中斷；

　　◎開關(guān)輸入電壓從-14V～Vpwr（工作電源），Vpwr最大可達(dá)40V；

　　◎開關(guān)狀態(tài)改變時(shí)的可選擇喚醒；

　　◎可選擇的濕性電流（16mA或2mA）；

　　◎22對(duì)1的模擬量輸出；

　　◎Vpwr的低功耗電流(standbycurrent)小于100uA,VDD的低功耗電流(standbycurrent)小于10uA。

　　可見(jiàn)只需要四個(gè)CPU口線（SPI序列線和片選），就能夠完成22路開關(guān)量（其中有8路可編程為對(duì)接電源開關(guān)）的檢測(cè)，還可以進(jìn)行串行和并行的多片 MC33993級(jí)連。所謂的濕性電流（wettingcurrent），指的是MC33993內(nèi)部提供的輸入口的上拉和下拉恒流源，可以編程選擇為 16mA或2mA，這對(duì)于保證開關(guān)的可靠閉合，去除金屬觸點(diǎn)的氧化物有著良好的作用。輸入口的恒流源，可以直接驅(qū)動(dòng)MOSFET以及LED。每一個(gè)輸入口都可以編程為模擬量輸出狀態(tài)，從而在AMUX引腳輸出所選輸入口的電壓。利用MC33993恒流源和模擬量輸出可以組成線性的傳感器檢測(cè)電路。ADC芯片選用AD公司生產(chǎn)的并行數(shù)據(jù)采樣集成芯片AD1674。它從引腳到功能都與AD574/674完全兼容，但內(nèi)部增加了采樣/保持電路，采樣頻率為 100kHZ，并且有全控模式和單一工作模式。其采樣精度可達(dá)0.05%，符合高速數(shù)據(jù)采集的要求。

　　功率器件驅(qū)動(dòng)電路：

　　汽車車身控制系統(tǒng)需要驅(qū)動(dòng)大功率的用電器件，比如照明信號(hào)燈，前后雨刮器電機(jī)，電動(dòng)車窗，電動(dòng)后視鏡等等。功率驅(qū)動(dòng)器件考慮采用MOTOROLA公司的汽車專用功率器件。MC33286為汽車電氣專用智能的雙路控制驅(qū)動(dòng)芯片，與傳統(tǒng)的機(jī)械繼電器相比，自身提供過(guò)流和過(guò)熱保護(hù)，響應(yīng)時(shí)間更短，穩(wěn)定性更高。 MC33286設(shè)有兩路驅(qū)動(dòng)通道，每路最大工作電流可達(dá)15A，通過(guò)兩路輸入端口將CPU引腳電平信號(hào)引入，經(jīng)過(guò)內(nèi)部的邏輯處理模塊轉(zhuǎn)換成輸出通道的電平變化。特別適合信號(hào)燈以及阻性負(fù)載的驅(qū)動(dòng)。MC33887是帶反饋的H橋型驅(qū)動(dòng)芯片，專用來(lái)驅(qū)動(dòng)需要正反轉(zhuǎn)的電機(jī)負(fù)載。MC33486與MC33887類似，但內(nèi)部只有半橋須外加CMOS管以構(gòu)成全橋驅(qū)動(dòng)電路，穩(wěn)定輸出可達(dá)10A，尤其適用于電動(dòng)車窗電機(jī)之類的大功率并伴有沖擊電流的正反相控制要求。

　　3 軟件結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)分為四個(gè)部分：CAN通訊程序（包括應(yīng)用層協(xié)議的SJA1000通訊），外圍接口程序（所有檢測(cè)芯片和驅(qū)動(dòng)芯片的驅(qū)動(dòng)），中斷服務(wù)程序（處理開關(guān)信號(hào)以及故障報(bào)警等消息），主程序（完成系統(tǒng)初始化和任務(wù)調(diào)度，喂狗等）。限于篇幅，以下著重介紹CAN應(yīng)用層協(xié)議。

　　本系統(tǒng)CAN通訊選用CAN2.0B協(xié)議的PeliCAN模式，通信位速率為500Kbps，采用雙驗(yàn)收濾波器機(jī)制。為使用及修改方便，通訊協(xié)議中標(biāo)識(shí)碼設(shè)計(jì)兼容點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一對(duì)多及廣播通訊模式。開關(guān)量消息通訊時(shí)各節(jié)點(diǎn)間采用主從結(jié)構(gòu)，子節(jié)點(diǎn)的報(bào)文只有主節(jié)點(diǎn)接收（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式），主節(jié)點(diǎn)的報(bào)文所有子節(jié)點(diǎn)均接收（廣播模式）。模擬量消息通訊時(shí)各節(jié)點(diǎn)間采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式。標(biāo)識(shí)符定義：(如圖3所示)

　　◎類名：00000100--應(yīng)答類消息（自檢應(yīng)答、故障診斷）；00001000--命令類消息；00010000--調(diào)試類消息；00100000--下載類消息；01000000--工作類消息。

　　◎保留A：驗(yàn)收濾波器配置預(yù)留。
應(yīng)答類消息中：ID19：1--自檢應(yīng)答消息0--故障診斷出錯(cuò)消息

　　ID20：驗(yàn)收濾波器配置預(yù)留

　　工作類消息中：ID19：1--開關(guān)量消息0--模擬量消息

　　ID20：驗(yàn)收濾波器配置預(yù)留

　　◎目的地址：接收?qǐng)?bào)文節(jié)點(diǎn)的地址。

　　◎源地址：發(fā)送 報(bào)文節(jié)點(diǎn)的地址，用于系統(tǒng)自檢。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　CAN總線以其高性能，高可靠性及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，受到工業(yè)控制領(lǐng)域和汽車電子領(lǐng)域的廣泛重視，已被公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。我們深信不久的將來(lái)，國(guó)產(chǎn)的CAN總線汽車必將誕生。

　　【參考文獻(xiàn)】

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