基于CAN總線的車用智能傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引 言

　　隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展，對(duì)車輛駕駛性能和安全舒適性的要求大為提高，使得車輛上的電子控制單元數(shù)量逐步增加，但是，車輛上的電控單元(如，各種開(kāi)關(guān)、執(zhí)行器、傳感器等)的連接仍然以傳統(tǒng)的配線束來(lái)實(shí)現(xiàn)，使得車內(nèi)線束過(guò)多且布線復(fù)雜，從而造成了嚴(yán)重的電磁干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)的可靠性下降。在高級(jí)轎車上，電子元件及其系統(tǒng)占據(jù)了整車超過(guò)20％的價(jià)格，而且，有日漸增加的趨勢(shì)。在這種情況下，車內(nèi)電控線路就會(huì)更加復(fù)雜，如何使車內(nèi)的裝置網(wǎng)絡(luò)化，并降低配線束數(shù)量等成為改善車內(nèi)系統(tǒng)的一個(gè)重點(diǎn)研究方向。

　　在車輛的網(wǎng)絡(luò)化與通信系統(tǒng)中，局部網(wǎng)絡(luò)的方法越來(lái)越豐富，其中，CAN，Profibus，LON，ASI，EIB與eBus等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的相當(dāng)成熟，各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化也相繼出臺(tái)，而且，這些成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)完成集成化工作。CAN總線在穩(wěn)定性、即時(shí)性及其性價(jià)比等方面在汽車應(yīng)用中都顯示出較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，作為分布式控制中的局域網(wǎng)技術(shù)具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。目前，很多汽車采用CAN總線將整個(gè)汽車控制系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和相互之間協(xié)同工作，使車內(nèi)線束布線方便可靠，提高了汽車整體的安全性和性價(jià)比，增強(qiáng)了自身的競(jìng)爭(zhēng)力。

　　實(shí)現(xiàn)車輛系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化控制的前提是網(wǎng)絡(luò)接點(diǎn)的智能化設(shè)計(jì)，包括傳感器、控制器和執(zhí)行器的智能化。本文以線控電子節(jié)氣門(mén)為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了腳踏板位置傳感器、節(jié)氣門(mén)位置傳感器和節(jié)氣門(mén)位置控制執(zhí)行器的CAN總線智能化接點(diǎn)，以此為基礎(chǔ)組成CAN總線控制網(wǎng)絡(luò)，完成對(duì)節(jié)氣門(mén)位置的精確控制。

　　1 車輛CAN總線與分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　控制局域網(wǎng)(controller area network，CAN)屬于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線，是德國(guó)Bosch公司20世紀(jì)80年代初作為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)試儀器|儀表間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種通信協(xié)議。1993年11月，ISO正式頒布了高速通信CAN的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(ISO 11898)。CAN總線系統(tǒng)中現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集由傳感器完成，目前，帶有CAN總線接口的傳感器種類還不多，價(jià)格也較貴。

　　車輛控制系統(tǒng)中存在大量傳感器、電子控制單元、執(zhí)行機(jī)構(gòu)等，通常，多控制器共享同樣的傳感器信息，而且，實(shí)時(shí)性、快速性的要求較高，如何將它們連接起來(lái)組成分布式控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是現(xiàn)代控制系統(tǒng)的一個(gè)重要發(fā)展方向。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(field control system，F(xiàn)CS)就是其中的一種典型的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)。CAN屬于現(xiàn)場(chǎng)總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的多主串行總線，以其短報(bào)文幀和優(yōu)異的CSMA／BA逐位仲裁協(xié)議而被受現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互連的青睞。

　　基于CAN總線的車輛分布式控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖1所示，采用現(xiàn)場(chǎng)總線式集散系統(tǒng)(field distributed control system，F(xiàn)DCS)結(jié)構(gòu)，由傳感器、執(zhí)行器、控制器智能節(jié)點(diǎn)以及CAN現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)組成。多個(gè)智能節(jié)點(diǎn)各自獨(dú)立完成數(shù)據(jù)采集、系統(tǒng)設(shè)定、運(yùn)行控制等，通過(guò)CAN現(xiàn)場(chǎng)總線，各智能節(jié)點(diǎn)之間交換各種數(shù)據(jù)和管理控制信息。

2 線控電子節(jié)氣門(mén)系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)

　　電子節(jié)氣門(mén)控制技術(shù)最早出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代初期，起初僅應(yīng)用于高檔轎車上。隨著電子技術(shù)的日益發(fā)展，能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題的日益突出以及對(duì)汽車性能要求的提高，電子節(jié)氣門(mén)成為全電控發(fā)動(dòng)機(jī)上最重要的控制裝置，并已開(kāi)始廣泛應(yīng)用到各種車輛上，其優(yōu)點(diǎn)在于可根據(jù)駕駛員愿望、排放、油耗和安全需求，使節(jié)氣門(mén)快速精確地控制在最佳開(kāi)度，并可設(shè)置多種控制功能來(lái)改善駕駛安全性和舒適性。目前，對(duì)這一技術(shù)進(jìn)行研究的有BMW，BOSCH，豐田等公司，而且，BMW，通用，豐田，AUDI等廠商在其部分車型上已經(jīng)成功應(yīng)用。

　　如圖2所示，系統(tǒng)由加速踏板位置傳感器和電子節(jié)氣門(mén)體組成，節(jié)氣門(mén)體包括執(zhí)行器、節(jié)氣門(mén)閥和節(jié)氣門(mén)位置傳感器3部分，它們被封裝為一體。執(zhí)行器由一個(gè)直流電機(jī)和相關(guān)的傳動(dòng)部件組成。加速踏板是一個(gè)高精度線性電位器，作為駕駛員期望的節(jié)氣門(mén)開(kāi)度的傳感器裝置，其輸出是一個(gè)與腳踏板行程成正比的模擬電壓信號(hào)；節(jié)氣門(mén)體由正向和反向2只位置傳感器作為控制中節(jié)氣門(mén)開(kāi)度反饋信號(hào)，它通過(guò)節(jié)氣門(mén)體內(nèi)部的一對(duì)高精度電位器獲取當(dāng)前開(kāi)度下相應(yīng)的電壓反饋值，該反饋值與節(jié)氣門(mén)打開(kāi)角度成線性變化。

　3 智能化傳感器CAN總線接口設(shè)計(jì)

　　智能傳感器接點(diǎn)的設(shè)計(jì)是基于Microchip公司的PIC16F877A單片機(jī)和獨(dú)立CAN總線控制器MCP2510和CAN收發(fā)器PCA82C250來(lái)完成的。

　　PIC16F877A采用RISC指令系統(tǒng)的高性能8為微處理器，哈佛總線結(jié)構(gòu)、低功耗、高速度。內(nèi)部集成了ADC、串行外圍接口(SPI)和Flash程序存儲(chǔ)器，具有PWM輸出等多種功能。PIC16F877A通過(guò)SPI接口可以實(shí)現(xiàn)與CAN控制器MCP2510的無(wú)縫連接。

　　基于PIC16F877A的CAN智能傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件原理圖如圖3所示。

智能傳感器CAN節(jié)點(diǎn)的通信模塊由獨(dú)立CAN控制器MCP2510和CAN收發(fā)器PCA82C250組成。MCP2510可以完成CAN總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能，支持高速SPI接口(最高數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到5MB／s)，支持CAN2.0A／CAN2.0B協(xié)議。CAN收發(fā)器PCA82C250是CAN控制器與物理總線之間的接口，對(duì)物理總線提供差動(dòng)發(fā)送能力，對(duì)CAN控制器提供差動(dòng)接收能力，同時(shí)，它可增大通信距離，提高嵌入式CAN智能節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力。

　　PIC16F877A通過(guò)SPI與CAN控制器MCP2510連接，其串行數(shù)據(jù)輸入(SDI)腳與MCP2510的SO腳相連，其串行數(shù)據(jù)輸出(SDO)腳與MCP2510的SI腳相連，其串行時(shí)鐘(SCK)腳與MCP2510的SCK腳相連。MCP2510的復(fù)位信號(hào)、片選信號(hào)由單片機(jī)提供。

　　通過(guò)設(shè)置PIC16F877A的SPI接口狀態(tài)寄存器和控制寄存器使SPI接口工作于主動(dòng)方式。PIC16F877A與MCP2510進(jìn)行通信時(shí)的時(shí)序是非常重要的。發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先發(fā)送寫(xiě)指令，再發(fā)送寄存器地址，最后發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)MCP2510接收到由總線傳來(lái)的數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生中斷，單片機(jī)響應(yīng)中斷，讀取數(shù)據(jù)時(shí)先發(fā)送讀指令，再發(fā)送寄存器地址，數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)寫(xiě)入單片機(jī)SPI接口的緩沖器中。

　　由于單片機(jī)本身帶有10位A／D轉(zhuǎn)換器，因此，腳踏板位置傳感器和節(jié)氣門(mén)位置傳感器輸出的模擬信號(hào)直接接入單片機(jī)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，不需要增加新的A／D轉(zhuǎn)換裝置，在圖3中，傳感器經(jīng)由RA0／AN0輸入，為了濾掉高頻噪聲，在模數(shù)輸入口接了一個(gè)RC濾波電路。同時(shí)，電子節(jié)氣門(mén)裝置執(zhí)行器直流電機(jī)的控制中，PIC16F877A有PWM口，通過(guò)連接驅(qū)動(dòng)電路可以對(duì)直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，本裝置驅(qū)動(dòng)器采用L298。

　　整套CAN總線控制網(wǎng)絡(luò)由腳踏板智能位置傳感器節(jié)點(diǎn)、節(jié)氣門(mén)體位置傳感器和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)以及控制器節(jié)點(diǎn)組成，其中，腳踏板智能位置傳感器節(jié)點(diǎn)、節(jié)氣門(mén)體位置傳感器和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)由單片機(jī)CAN總線機(jī)構(gòu)完成，其主要功能是向控制器傳遞腳踏板位置和反饋信號(hào)節(jié)氣門(mén)位置信號(hào)，同時(shí)，接收控制器向執(zhí)行器發(fā)出的驅(qū)動(dòng)指令信號(hào)?？刂破鞑捎梦C(jī)通過(guò)研華公司PCL-841卡實(shí)現(xiàn)CAN總線通信和相應(yīng)的控制算法完成對(duì)線控電子節(jié)氣門(mén)的控制。

　　4 系統(tǒng)控制原理與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　系統(tǒng)控制流程如圖4所示。

控制系統(tǒng)是一個(gè)閉環(huán)控制的過(guò)程，腳踏板位置傳感器作為系統(tǒng)的輸入，A／D轉(zhuǎn)換后通過(guò)CAN總線發(fā)送到控制器。同樣，節(jié)氣門(mén)位置傳感器作為反饋信號(hào)，A／D轉(zhuǎn)換后通過(guò)CAN總線發(fā)送到控制器，兩信號(hào)在控制器中進(jìn)行比較，并由控制器采用相應(yīng)的控制算法(如PID等)進(jìn)行決策，決策結(jié)果由CAN總線發(fā)送到節(jié)氣門(mén)體位置傳感器和執(zhí)行器節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)微處理器產(chǎn)生相應(yīng)的PWM信號(hào)經(jīng)由驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行。

　　為了驗(yàn)證控制系統(tǒng)的性能，采用自適應(yīng)PID控制算法進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和實(shí)車實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5。其中，PPS表示腳踏板位置，TPS1表示實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下節(jié)氣門(mén)位置實(shí)驗(yàn)結(jié)果，TPS2表示實(shí)車情況下節(jié)氣門(mén)位置實(shí)驗(yàn)結(jié)果。從控制結(jié)果來(lái)看，能夠滿足電子節(jié)氣門(mén)控制的實(shí)時(shí)性和精度要求，同時(shí)，經(jīng)過(guò)實(shí)車環(huán)境的測(cè)試，系統(tǒng)具有一定的抗噪能力。

5 結(jié)論

　　CAN總線作為一種可靠的汽車計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)總線已在許多先進(jìn)汽車上得到應(yīng)用，將CAN總線應(yīng)用于智能傳感器中，使傳感器獲得的信號(hào)能通過(guò)總線實(shí)時(shí)地、可靠地、高速而準(zhǔn)確地進(jìn)行傳輸，使得各汽車計(jì)算機(jī)控制單元能夠通過(guò)CAN總線共享所有信息和資源，達(dá)到簡(jiǎn)化布線、減少傳感器數(shù)量、避免控制功能重復(fù)、提高系統(tǒng)可靠性、降低成本、更好地匹配和協(xié)調(diào)各個(gè)控制系統(tǒng)的目的。同時(shí)，由于整個(gè)智能傳感器網(wǎng)絡(luò)采用全數(shù)字化的通信，因此，總線也具有很好的抗干擾能力，是未來(lái)智能化傳感器和智能化控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)。