基于CAN總線的客車信息集成系統(tǒng)的設(shè)計

1 引言

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車電子技術(shù)也迅速的發(fā)展了起來，汽車上各種電子控制單元的數(shù)目也不斷地增加，連接導線顯著增多，因而提高控制單元間通信的可靠性和降低導線成本已成為迫切需要解決的問題。在20世紀80年代，以研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國bosch 公司針對此問題開發(fā)了can總線協(xié)議，這種多主網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，它的基礎(chǔ)是無破壞性仲裁機制，使得總線能以最高優(yōu)先權(quán)訪問報文而沒有任何延時。can作為標準車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，其在汽車網(wǎng)絡(luò)化應用的進程中起著橋梁和紐帶的作用，將城市客車信息集成采集提高到一個新的層次。

2 城市客車信息集成控制系統(tǒng)概述

城市客車信息集成控制系統(tǒng)是建立在汽車網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)的基礎(chǔ)上，從控制對象分，可以將城市客車信息集成控制系統(tǒng)分成動力傳動電子系統(tǒng)、安全與底盤電子系統(tǒng)和車身電子系統(tǒng)。控制系統(tǒng)框圖用圖1表示。

圖1 城市客車信息集成控制框圖

動力傳動電子系統(tǒng)由eec(engine electronic control發(fā)動機電子控制)、ect(electronic control transmission電子控制變速器)、電子控制動力轉(zhuǎn)向等組成;儀表顯示的信息來源于動力傳動電子系統(tǒng)，將駕駛信息集中顯示于儀表盤，顯示駕駛過程中與客車行駛有關(guān)的信息量，如車速、轉(zhuǎn)速、里程、油量、水溫、故障報警等;安全與底盤電子系統(tǒng)包括abs(anti-lock brake system 防抱死制動控制)、asr(anti-slide retractor驅(qū)動防滑控制)、sab(safety air bag安全氣囊控制)、ccs(cruise control system巡航控制)、緩速器、懸架系統(tǒng)控制等;信號控制與車身電子系統(tǒng)組成單元有關(guān)，控制著自動門窗、車燈、空調(diào)、刮水器、音像設(shè)備、電子監(jiān)視器、電動后視鏡、車頂窗。

3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 信息集成控制系統(tǒng)

信息集成控制系統(tǒng)是整個城市客車信息集成控制系統(tǒng)的核心，其任務是綜合應用汽車電子控制技術(shù)、車載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和智能控制技術(shù)，實現(xiàn)城市客車各ecu的信息共享和關(guān)聯(lián)實時控制，以達到整體提高城市客車安全性、舒適性的目的，減少對駕駛員技能的依賴度。

從信息交流角度看，城市客車信息集成控制系統(tǒng)分成動力總成控制子系統(tǒng)和車身控制子系統(tǒng)。動力總成控制子系統(tǒng)包括發(fā)動機控制系統(tǒng)、底盤控制系統(tǒng)。車身控制子系統(tǒng)包括車身電子系統(tǒng)和儀表盤控制系統(tǒng)。動力總成控制子系統(tǒng)內(nèi)部信息交流頻繁，對控制信息的實時性要求極高;而車身控制子系統(tǒng)信息的交流相對于動力總成控制子系統(tǒng)，實時性要求相對較低。動力總成控制子系統(tǒng)和車身控制子系統(tǒng)之間也存在信息交流。如果采用單總線結(jié)構(gòu)，即所有ecu都連接在同一can總線上，兩個子系統(tǒng)的信息傳輸疊加，必然會增加網(wǎng)絡(luò)的負載，降低了控制信息的實時性。我們采用雙總線結(jié)構(gòu)，動力總成控制子系統(tǒng)采用高速can，信息傳輸速率達500kb/s，車身控制子系統(tǒng)采用低速can，信息傳輸速率達100kb/s，兩者之間少量的信息交流通過網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)。網(wǎng)關(guān)是城市客車信息集成控制系統(tǒng)的核心，也是綜合控制的基礎(chǔ)，主要功能是對各種信息進行分析處理，并發(fā)出指令，協(xié)調(diào)汽車各控制單元及電器設(shè)備的工作。城市客車信息集成控制系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 城市客車信息集成控制系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

3.2 網(wǎng)關(guān)與總線接口

網(wǎng)關(guān)選用philips公司lpc2101微控制器，它是一款基于支持實時仿真的arm7tdmi-s cpu，并帶有8kb和32kb嵌入的高速flash存儲器。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。這可以使得中斷服務程序和dsp算法中重要功能的性能較thumb模式提高30%。對代碼規(guī)模有嚴格控制的應用可使用16位thumb模式將代碼規(guī)模降低超過 30%，而性能的損失卻很小。它內(nèi)部集成2個can控制器，主要特性有：單個總線上的數(shù)據(jù)傳輸率高達1mb/s;32位寄存器和ram訪問;兼容 can2.0b;全局驗收濾波器可以識別所有的11位和9位rx標志符;驗收濾波器為選擇的標準標志符提供full can style自動接收。

can收發(fā)器選用philips公司的tja1050接口芯片，tja1050可以為總線提供差動發(fā)送性能，為can控制器提供差動接收性能。

lpc2101微控制器分別通過光電耦合電路和高速can總線收發(fā)器tja1050于兩路can總線相連。兩路 can的連接方式基本相同，can總線驅(qū)動器都采用帶隔離的dc/dc模塊單獨供電。這樣不僅實現(xiàn)了兩路can接口之間的電氣隔離，也實現(xiàn)了網(wǎng)關(guān)與can 總線的隔離。網(wǎng)關(guān)與總線結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 網(wǎng)關(guān)與can總線接口結(jié)構(gòu)

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

can/can網(wǎng)關(guān)的主要功能是實現(xiàn)兩路can網(wǎng)段之間的數(shù)據(jù)過濾及轉(zhuǎn)發(fā)，由于城市客車信息集成控制系統(tǒng)中對通訊實時性的要求，在進行軟件設(shè)計時要做到數(shù)據(jù)存儲和轉(zhuǎn)發(fā)的時間盡可能短。為了達到這一要求，數(shù)據(jù)的接收采用irq方式，而且由于動力總成控制子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信量明顯高于車身控制子系統(tǒng)，因此將連接動力控制總成子系統(tǒng)的can1接受優(yōu)先級設(shè)置最高，而連接車身控制子系統(tǒng)can2優(yōu)先級次之，同時盡量精簡中斷服務程序，使系統(tǒng)的響應時間盡量的短。

由于傳輸速率不同，高低速can網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸是不同的。當高速can網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)向低速can傳輸時，需要加入軟緩存進行暫時的存儲;當?shù)退賑an網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)向高速can網(wǎng)絡(luò)傳輸時，可直接傳輸。整體流程如圖4所示。

圖4 高低速can網(wǎng)關(guān)通信流程

5 結(jié)束語

can總線以其高性能、高可靠性及其獨特的設(shè)計越來越受到人們的重視，并被公認為是汽車控制網(wǎng)絡(luò)中最有前途的總線之一。本文給出了一個具有高低速can網(wǎng)絡(luò)的城市客車信息集成控制網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方案，介紹了lpc2101微控制器在該can網(wǎng)絡(luò)中作為高低速網(wǎng)關(guān)的軟硬件設(shè)計。汽車計算機控制單元能夠通過can總線共享所有信息和資源，達到簡化布線、減少傳感器數(shù)量、避免控制功能重復、提高系統(tǒng)可靠性和維護性、降低成本、更好地匹配和協(xié)調(diào)各個控制系統(tǒng)的目的。