CAN總線在汽車車身控制中的應(yīng)用

一、引言

    20世紀(jì)80年代以來，隨著集成電路和單片機(jī)在汽車上的廣泛應(yīng)用，汽車上的電子控制單元越來越多，例如電子燃油噴射裝置、防抱死制動(dòng)裝置（ABS）、安全氣囊裝置、電控門窗裝置和主動(dòng)懸架等等。在這種情況下，如果仍采用常規(guī)的布線方式，即電線一端與開關(guān)相接，另一端與用電設(shè)備相通，將導(dǎo)致車上電線數(shù)目的急劇增加，使得電線的質(zhì)量占整車質(zhì)量的4％左右。另外，電控系統(tǒng)的增加雖然提高了轎車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性，但隨之增加的復(fù)雜電路也降低了汽車的可靠性，增加了維修的難度。為此，改革汽車電氣技術(shù)的呼聲日益高漲。因此，一種新的概念——車用控制器局域網(wǎng)絡(luò)CAN應(yīng)運(yùn)而生。

    CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network）的簡稱，它是由德國Bosch公司及幾個(gè)半導(dǎo)體生產(chǎn)商開發(fā)出來的，CAN總線是一種串行多主站控制器局域網(wǎng)總線。它具有很高的網(wǎng)絡(luò)安全性、通訊可靠性和實(shí)時(shí)性，而且簡單實(shí)用，網(wǎng)絡(luò)成本低。特別適用于汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強(qiáng)和振動(dòng)大的工業(yè)環(huán)境。

    二、CAN總線的技術(shù)特點(diǎn)

    CAN總線可有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制。該總線的通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖，其主要特點(diǎn)如下：

• CAN總線為多主站總線，各節(jié)點(diǎn)可在任意時(shí)刻向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，且不分主從；
• CAN總線采用獨(dú)特的非破壞性總線仲裁技術(shù)，高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先傳送數(shù)據(jù)，故實(shí)時(shí)性好；
• 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總線采用短幀結(jié)構(gòu)，每幀有效字節(jié)數(shù)最多為8個(gè)，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間短，并有CRC及其它校驗(yàn)措施，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低；
• CAN總線上某一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，可自動(dòng)脫離總線，而總線上的其他操作不受影響；
• CAN總線系統(tǒng)擴(kuò)充時(shí)，可直接將新節(jié)點(diǎn)掛在總線上，因而走線少，系統(tǒng)擴(kuò)充容易，改型靈活；
• CAN總線的最大傳輸速率可達(dá)1Mb/s，直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)到10km（速率在5kbps以下）；
• CAN總線上的節(jié)點(diǎn)數(shù)取決于總線驅(qū)動(dòng)電路。在標(biāo)準(zhǔn)幀（11位報(bào)文標(biāo)識(shí)符）時(shí)可達(dá)到110個(gè)，而在擴(kuò)展幀（29位報(bào)文標(biāo)識(shí)符）時(shí)，個(gè)數(shù)不受限。

    三、車身系統(tǒng)的CAN控制設(shè)計(jì)

    1. CAN總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)

    現(xiàn)代汽車典刑的控制單元有發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊、變速器控制模塊、多媒體控制模塊、氣囊控制模塊、空調(diào)控制模塊、巡航控制模塊、車身控制模塊（包括照明指示和車窗、刮雨器等）、防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）防滑控制系統(tǒng)（ASR）等。完善的汽車CAN總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

 
圖1 汽車CAN總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)

    2. CAN節(jié)點(diǎn)的硬件架構(gòu)

    本系統(tǒng)中，CAN節(jié)點(diǎn)采用：

    ECU（AT89C51）＋CAN控制器（SJA1000）＋CAN收發(fā)器（PCA82C250）的電路結(jié)構(gòu)以下是其核心芯片簡介：

    （1）CAN控制器

    為了系統(tǒng)進(jìn)一步擴(kuò)展的需要，可選取支持CAN 2.0B通訊協(xié)議的芯片SJA1000。SJA1000是PHILIPS公司生產(chǎn)的既支持CAN 2.0B，又支持CAN 2.0A的CAN控制器，它與僅支持CAN 2.0A的CAN控制器PCA82C200在硬件和軟件上完全兼容。

    （2）CAN收發(fā)器

    PCA82C250是PHILIPS推出的CAN控制器和物理總線接口芯片，可提供對總線的差分發(fā)送和接收。它與ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)完全兼容，并有高速、斜率控制和待機(jī)3種不同的工作方式，可根據(jù)實(shí)際情況選擇。

    （3）單片機(jī)AT89C51

    AT89C51是ATMEL公司的單片機(jī)。它是一種低功耗、高性能、內(nèi)含4KB閃速存儲(chǔ)器的8位CMOS微控制器，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MCS－51指令系統(tǒng)和引腳完全兼容。AT89系列的優(yōu)越性在于其片內(nèi)閃速存儲(chǔ)器可進(jìn)行1000次的編程與擦除，且數(shù)據(jù)不易丟失，數(shù)據(jù)可保存10年。

    CAN總線控制器、總線驅(qū)動(dòng)器和單片機(jī)連接基本方法如圖2所示。

圖2 CAN總線控制器、總線驅(qū)動(dòng)器和單片機(jī)連接圖

    三、車身控制模塊中的CAN應(yīng)用層協(xié)議

    1. 協(xié)議原則

    本協(xié)議遵循CAN2.0B規(guī)范，根據(jù)車身控制模塊的特點(diǎn)，采用源→目的方法，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有自己固定的標(biāo)識(shí)地址，且節(jié)點(diǎn)數(shù)小于64，設(shè)計(jì)時(shí)可將中央控制模塊設(shè)為主節(jié)點(diǎn)，而將車門、電動(dòng)座椅子模塊及自檢子模塊設(shè)置為從節(jié)點(diǎn)。本協(xié)議可完成以下功能：

    （1）特定信息的廣播；
    （2）主從節(jié)點(diǎn)之間的連接；
    （3）主從節(jié)點(diǎn)之間的信息交換（包括故障信息）。

    本協(xié)議采用幀優(yōu)先原則分配標(biāo)識(shí)符，每一幀標(biāo)識(shí)符中的高四位表示幀類型，不同幀類型有不同的優(yōu)先權(quán)，優(yōu)先權(quán)決定了各種信息幀在同等情況下的發(fā)送順序，協(xié)議中的29位標(biāo)識(shí)符的分配如下：

    幀類型（4位）＋目的地址（6位）＋源地址（6位）＋命令（或狀態(tài)、報(bào)告）屬性（13位）[或數(shù)據(jù)屬性＋分段標(biāo)志＋分段號(hào)（共13位）]。

    對所有的命令或狀態(tài)、數(shù)據(jù)、報(bào)告屬性、除定時(shí)采集發(fā)送的數(shù)據(jù)外，原則上均需應(yīng)答（發(fā)送確認(rèn)幀以保證通訊正常）。

    2. 幀格式仲裁場和控制場定義

    仲裁場由29位標(biāo)識(shí)符ID28－ID0以及SRR、IDE和RTR組成，SJA1000中的寄存器17－21用來存放擴(kuò)展幀格式幀信息的標(biāo)識(shí)符。發(fā)送時(shí)，SRR＝1，IDE＝1，RTR＝1/0（遠(yuǎn)程幀/數(shù)據(jù)幀）。標(biāo)識(shí)符中的ID28－ID25為車身控制模塊交換報(bào)文的幀類型（共4位）。ID24－ID19為車身控制模塊中幀信息使用者的地址（或稱為目的地址，共6位）。ID18－ID13為車身控制模塊中幀信息發(fā)送者的地址或稱為源地址（共6位）。ID12－ID5為車身控制模塊中交換的命令、狀態(tài)、數(shù)據(jù)或報(bào)告屬性（共8位），ID4位需附加命令或狀態(tài)、數(shù)據(jù)、報(bào)告屬性時(shí)的分段標(biāo)志。ID3－ID0為附加命令或狀態(tài)、數(shù)據(jù)、報(bào)告屬性的分段號(hào)（共4位）。當(dāng)ID4＝0時(shí)，ID3－ID0控制場、數(shù)據(jù)寄存器0－7有效。對于遠(yuǎn)程幀，則可忽略ID4－ID0以及控制場的值。SJA1000的寄存器16低四位DLC3－DLC0可構(gòu)成控制場，以決定數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)長度。

    3. 車身控制模塊CAN2.0B通訊報(bào)文約定

    按車身控制模塊的節(jié)點(diǎn)要求，通訊的信息幀分為表1所列的6種，表1中的優(yōu)先級(jí)按序號(hào)從高到低排列。其目的地址和源地址的分配見表2所列。

表1 車身控制模塊幀模型

表2 車身控制模塊各節(jié)點(diǎn)地址分配

其工作方式如下：

    （1）開機(jī)后或喚醒時(shí)，從節(jié)點(diǎn)向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送狀態(tài)信息，主節(jié)點(diǎn)發(fā)送廣播信息遠(yuǎn)程幀（兩次），廣播信息為共用信息，包括車速信號(hào)，檔位信號(hào)，點(diǎn)火開關(guān)位置信號(hào)等。

    （2）正常情況下，從節(jié)點(diǎn)內(nèi)部巡查各端口狀態(tài)，如有故障則向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送故障代碼3次，主節(jié)點(diǎn)收到三次故障報(bào)警后開始響應(yīng)，從節(jié)點(diǎn)停止發(fā)送，一旦故障消失，再向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送正常信息。在主節(jié)點(diǎn)中應(yīng)有一故障表，以用于已診斷模塊的通訊。

    （3）主結(jié)點(diǎn)分別發(fā)送自檢信息后，如各從節(jié)點(diǎn)正常，則發(fā)送正常信息，狀態(tài)和數(shù)據(jù)幀。如有故障，則通過分段數(shù)據(jù)幀發(fā)送故障報(bào)警幀。

    （4）從節(jié)點(diǎn)監(jiān)測到正常輸入信號(hào)的變化（包括開關(guān)量和模擬量采樣級(jí)數(shù)的變化）后，便通過報(bào)告幀發(fā)送信息給主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)則發(fā)送命令幀以示響應(yīng)。

    4. 通訊報(bào)文定義

    表3所列是中央控制模塊與診斷模塊的通訊報(bào)文定義。表中，aaaa為分段號(hào)，可在故障代碼多于8個(gè)時(shí)設(shè)置，最多可達(dá)傳送16×8個(gè)字節(jié)代碼；bbbbbb為各傳感器代號(hào)，其響應(yīng)幀采用不分段的數(shù)據(jù)幀，cccccccc為執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作的代碼，如車窗上升為00000001，下降為00000010，該響應(yīng)最多可以執(zhí)行256個(gè)動(dòng)作。響應(yīng)幀采用遠(yuǎn)程幀，請求幀為遠(yuǎn)程幀。

表3 中央控制模塊與診斷模塊通訊

表4 正常工作時(shí)各節(jié)點(diǎn)通訊協(xié)議約定

    在系統(tǒng)正常工作時(shí)，各節(jié)點(diǎn)的通訊協(xié)議約定如表4所列。表中的dddd為分段起始命令中包含的總段數(shù)；eeee為廣播信息的某一段號(hào)，控制場中的數(shù)據(jù)長度為該段內(nèi)的數(shù)據(jù)長度，數(shù)據(jù)場中的數(shù)據(jù)廣播的某段實(shí)際數(shù)據(jù)，按順序定義數(shù)據(jù)有：

• 數(shù)據(jù)寄存器1＝車速信息高8位；
• 數(shù)據(jù)寄存器2＝車速信號(hào)低8位；
• 數(shù)據(jù)寄存器3＝發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)高8位；
• 數(shù)據(jù)寄存器4＝發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)低8位；
• 數(shù)據(jù)寄存器5＝點(diǎn)火開關(guān)位置，其中，0表示鑰匙拔出；1表示鑰匙位于OFF；2表示鑰匙位于ACC；3表示鑰匙位于RUN；4表示鑰匙位于START；
• 數(shù)據(jù)寄存器6＝檔位信號(hào)，0表示空檔；1表示驅(qū)動(dòng)檔；2表示驅(qū)動(dòng)檔；3表示倒檔；4表示駐車檔；
• 數(shù)據(jù)寄存器7＝遙控信號(hào)，0表示遙控解鎖主駕車門；1表示遙控鎖定主駕車門；2表示遙控解鎖所有車門；3表示遙控鎖定所有車門；4表示遙控解鎖行禮箱；
• 數(shù)據(jù)寄存器8用于防盜模式；0表示進(jìn)入防盜模式，1表示解除防盜模式；
• 數(shù)據(jù)寄存器9－16：保留。

    四、軟件流程

    各控制器應(yīng)按規(guī)定格式和周期發(fā)送數(shù)據(jù)到總線上，同時(shí)也要接受其他控制器的信息?？偩€上的其他控制器則根據(jù)需要各取所需的報(bào)文。對于接收數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用中斷方式實(shí)現(xiàn)。一旦中斷發(fā)生，即將接收的數(shù)據(jù)自動(dòng)裝載到相應(yīng)的報(bào)文寄存器中，此時(shí)還可采用屏蔽濾波方式，利用屏蔽濾波寄存器對接收報(bào)文的標(biāo)識(shí)符和預(yù)先在接收緩沖器初始化時(shí)設(shè)定的標(biāo)識(shí)符進(jìn)行有選擇地逐位比較，只有標(biāo)識(shí)符匹配的報(bào)文才能進(jìn)入接收緩沖器，那些不符合要求的報(bào)文則將被屏蔽于接收緩沖器之外，從而減輕CPU處理報(bào)文的負(fù)擔(dān)。此外，不同數(shù)據(jù)應(yīng)放入不同的報(bào)文寄存器中，因此在接收中斷服務(wù)程序中，就可以容易地判斷出中斷是由哪個(gè)接收報(bào)文引起的，其程序流程圖如圖3所示。

圖3 程序流程框圖

    五、結(jié)束語

    CAN總線作為一種可靠的汽車計(jì)算器網(wǎng)絡(luò)總線，現(xiàn)已開始在先進(jìn)的汽車上得到應(yīng)用，從而使得各汽車計(jì)算機(jī)控制單元能夠通過CAN總線共享所有的信息和資源，以達(dá)到簡化布線、減少傳感器數(shù)量、避免控制功能重復(fù)、提高系統(tǒng)可靠性和可維護(hù)性、降低成本、更好地匹配和協(xié)調(diào)各個(gè)控制系統(tǒng)之目的，進(jìn)而使得汽車的動(dòng)力性、操作穩(wěn)定性、完全性都上升到新的高度、隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，具有高度靈活性、簡單的擴(kuò)展性、優(yōu)良的抗干擾性和糾錯(cuò)能力的CAN總線通信協(xié)議必將在汽車電容系統(tǒng)中得到更廣泛的應(yīng)用。