基于車載CAN總線的倒車雷達單元設(shè)計

摘要：倒車雷達在汽車中得到廣泛應(yīng)用，但沒有與車載CAN總線網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)系，造成其功能不完善。用PIC18F258單片機設(shè)計一個倒車雷達單元，使倒車雷達能夠被車栽網(wǎng)絡(luò)識別，實現(xiàn)與CAN總線的數(shù)據(jù)通信與資源共享，完成倒車雷達的自動剎車功能。
關(guān)鍵詞：CAN總線；倒車雷達；PIC18F258；報文

0 引言
    目前的汽車電子領(lǐng)域中，倒車雷達普遍采用超聲波測距原理，通過單片機計算出障礙物與車的距離并顯示和報警。但大多數(shù)這類產(chǎn)品都是獨立的控制單元，無法與CAN總線接軌，所以只能作為一種倒車安全輔助裝置。用PIC18F258單片機設(shè)計一個倒車雷達單元使其與車載CAN網(wǎng)絡(luò)接軌，這樣可以將實測的車與障礙物的距離信息以報文形式發(fā)送給車載CAN總線上的其他控制單元，以實現(xiàn)其必要的功能。當車與障礙物距離小于某一值時，通過制動單元實現(xiàn)自動制動功能，保證車輛倒車安全；CAN總線上儀表控制單元接收到車與障礙物距離信息后，可將其距離顯示出來；CAN總線上語音設(shè)備接收到信息后，可根據(jù)距離大小實現(xiàn)不同頻率分級語音報警。這樣實現(xiàn)了倒車雷達單元在CAN總線上與其相關(guān)單元的數(shù)據(jù)共享，擴展了倒車雷達的功能，同時也提高了倒車的安全性。

1 CAN總線與車載CAN網(wǎng)絡(luò)通信
1．1 CAN總線
    CAN總線是一種保密性很高的現(xiàn)場總線，是德國Bosch公司在20世紀80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制和測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。它具有以下特點：
    (1)總線以多主方式工作，系統(tǒng)柔性好，通信方式靈活，且不用占地址等單元信息；
    (2)CAN總線網(wǎng)絡(luò)上的單元信息分不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實時要求，所有的信息發(fā)送都以固定格式發(fā)送；
    (3)采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)負載很重的情況下也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓狀況；
    (4)只通過報文濾波可以實現(xiàn)點對點、一對多點及全局廣播等幾種方式接收傳送數(shù)據(jù)；
    (5)通信速率與距離成反比，5 Kb／s以下速率直接通信可達10 km，40 m內(nèi)通信最高速率可達1 Mb／s；
    (6)具有錯誤檢測功能、錯誤通知功能、錯誤恢復(fù)功能；
    (7)CAN總線單元在出現(xiàn)嚴重錯誤情況下會自動關(guān)閉輸出功能，以便總路線上其他單元的操作不受影響；
    (8)CAN總線單元數(shù)理論上可以是無數(shù)個，但一般受通信速率限制，單元越多，通信速率越低，所以單元數(shù)還是有限的。
1．2 車載CAN網(wǎng)絡(luò)通信
    現(xiàn)代汽車內(nèi)部的主要控制單元有：發(fā)動機控制單元、ABS控制單元、安全氣囊控制單元、自動變速器控制單元、儀表管理單元、車窗控制單元、牽引力控制單元、故障診斷單元、中控門鎖單元、座椅調(diào)節(jié)單元、照明控制單元、空調(diào)控制單元、雨括控制單元、后視鏡控制單元等。這些控制單元通過CAN總線構(gòu)成一個實時通信控制網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

    網(wǎng)絡(luò)中各控制單元發(fā)出的控制指令必須迅速、可靠、及時地得到響應(yīng)，否則輕則就有可能使車輛局部控制失靈，重則就有可能發(fā)生車毀人亡的重大事故。若整輛汽車的所有控制單元都連接在一個CAN總線網(wǎng)絡(luò)上，所有的控制單元都通過一對CAN網(wǎng)絡(luò)線進行通信，很容易出現(xiàn)總線上工點過多，通信速率下降，系統(tǒng)實時響應(yīng)速度下降，將導(dǎo)致關(guān)鍵控制部位的實時響應(yīng)速度得不到保證。因此在對汽車上各控制單元的實時性分析之后，根據(jù)各控制單元對實時性的要求不同，設(shè)計了高、低兩個速率不同的CAN通信網(wǎng)絡(luò)。將實時性要求嚴格、可靠性要求高的發(fā)動機控制單元、倒車雷達控制單元(本課題設(shè)計部分)、ABS控制單元、自動變速器控制單元和安全氣囊控制單元組成高速CAN通信網(wǎng)絡(luò)，將實時性要求相對較低的中控門鎖控制單元、電動座椅調(diào)節(jié)單元、電動車窗控制單元、后視鏡控制單元、雨括控制單元和照明燈控制單元等組成低速CAN通信網(wǎng)絡(luò)，并配置中央控制器(網(wǎng)關(guān))將這兩個速率不同的CAN通信網(wǎng)絡(luò)連接起來，實現(xiàn)全部節(jié)點之間的數(shù)據(jù)共享。高速CAN網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率達到500 Kb／s，低速CAN網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率大約是10～125 Kb／s。圖1中總線兩端應(yīng)接抑制反射的120 Ω的終端匹配電阻，如果不接終端電阻，會使得數(shù)據(jù)通信的抗干擾性及可靠性大大降低，甚至無法通信。

2 倒車雷達單元硬件設(shè)計
2．1 倒車雷達單元的整體設(shè)計
    倒車雷達單元的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，本設(shè)計中倒車雷達以PIC18F258單片機為控制核心，控制超聲波發(fā)射接收電路、溫度修正電路工作。PIC18F258單片機本身帶有CAN總線，這樣可以減小電路的復(fù)雜性。超聲波發(fā)射電路發(fā)出40 kHz的超聲波，經(jīng)障礙物反射后探頭接收到反射波，單片機根據(jù)發(fā)射和接收時間差計算出障礙物與車的距離，并通過CAN總線以報文形式發(fā)送到儀表單元并顯示，也可送到音響單元進行語音報警，當距離小于一定值時，相應(yīng)的制動單元自動剎車。溫度補償電路采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，利用聲速和溫度之間的關(guān)系對聲速進行校正，從而消除溫度變化對聲音的影響。

    PIC18F258單片機有著先進的精簡指令集構(gòu)架、增強型內(nèi)核，32級堆棧和多種內(nèi)部、外部中斷源，內(nèi)部帶有CAN總線控制器，并采用了程序和數(shù)據(jù)空間完全分開的“哈佛”結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)大大降低了總體成本，同時提高了運行效率和可靠性。
2．2 倒車雷達單元接口電路設(shè)計
    CAN單元的硬件構(gòu)成一般有兩種形式。一種形式是內(nèi)部集成CAN控制器的微控制器加上收發(fā)器；另外一種形式是通用微控制器加上獨立CAN控制器再加上收發(fā)器。本設(shè)計采用前一種形式，不占用微控制器的端口資源，可以簡化接口電路的設(shè)計?？紤]到汽車是在非常特殊的環(huán)境下工作，所以選擇了滿足汽車溫度變化范圍且性價比較高的Mierochip公司的PIC18F258單片機，該芯片內(nèi)部集成了CAN控制器，可以簡化系統(tǒng)的硬件設(shè)計、提高系統(tǒng)的可靠性。倒車雷達單元與CAN總線接口硬件電路如圖3所示，主要由PIC18F258單片機，6N137高速光電耦合器，PCA82 C250總線收發(fā)器三部分組成。

    為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力和傳輸信號的能力，采用6N137高速光電耦合電路可以很好地實現(xiàn)總線上單元之間的電氣隔離。高速光電耦合器的兩個電源Vcc和V'cc必須采用電源隔離電路進行完全隔離。

3 CAN總線通信軟件設(shè)計
    CAN總線上通信軟件設(shè)計主要包括CAN單元初始化，報文發(fā)送和報文接收三部分。CAN接口的初始化程序設(shè)計非常重要，如果設(shè)計的不好，系統(tǒng)將不能正常工作其初始化首先要在配置模式下將控制寄存器、狀態(tài)寄存器、波特率寄存器、I／O控制寄存器、接收掩碼寄存器和幾個濾波寄存器按照系統(tǒng)要求設(shè)置好，以保證CAN總線的暢通。
    CAN總線通信主程序和中斷服務(wù)程序框圖如圖4所示。

4 結(jié)語
    本文應(yīng)用PIC18F258單片機設(shè)計一種基于車載CAN總線倒車雷達單元，使其成為車載CAN網(wǎng)絡(luò)的一個電氣單元。給出了倒車雷達單元的總體結(jié)構(gòu)，CAN總線接口電路及軟件設(shè)計。倒車雷達單元主控芯片PIC18F258通過CAN總線能夠向其他單元發(fā)送報文數(shù)據(jù)，其他控制器經(jīng)過判別而實現(xiàn)相關(guān)的報警、顯示、自動剎車等功能，提高了汽車的安全性。