基于can總線技術(shù)的電子控制系統(tǒng)單元在汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的應(yīng)用
[導(dǎo)讀]隨著電子控制系統(tǒng)單元（ecu）在汽車上廣泛應(yīng)用,汽車電子化程度越來越高。電控系統(tǒng)的增加雖然提高了汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性,但隨之增加的復(fù)雜電路,必然導(dǎo)致車身布線龐大而且復(fù)雜,安裝空間短缺。同時(shí),為
隨著電子控制系統(tǒng)單元（ecu）在汽車上廣泛應(yīng)用,汽車電子化程度越來越高。電控系統(tǒng)的增加雖然提高了汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性,但隨之增加的復(fù)雜電路,必然導(dǎo)致車身布線龐大而且復(fù)雜,安裝空間短缺。同時(shí),為了提高電控單元信息利用率,要求大批的數(shù)據(jù)信息能在不同的電子單元間共享,汽車綜合控制系統(tǒng)中大量的控制信號(hào)也需要實(shí)時(shí)交換,不同功能電子控制系統(tǒng)單元間的數(shù)據(jù)通信變得越來越重要。因此對(duì)電子控制系統(tǒng)單元的設(shè)計(jì)提出了越來越高的要求,不僅要求通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有通信速率高、準(zhǔn)確、可靠性高的特點(diǎn),同時(shí)要求控制模塊上應(yīng)具有控制實(shí)效性高、空間小等優(yōu)點(diǎn)。
本文采用了基于can總線技術(shù),設(shè)計(jì)開發(fā)了應(yīng)用于汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的電子控制系統(tǒng)單元。
1 電子控制系統(tǒng)單元can通信模塊的設(shè)計(jì)
根據(jù)can通信原理,電子控制系統(tǒng)單元can通信模塊硬件主要由can控制器、can驅(qū)動(dòng)器及中心微處理器構(gòu)成。傳統(tǒng)的can通信模塊采用51系列的單片機(jī)作為中心處理器,sja1000作為can控制器,pca82c250作為can驅(qū)動(dòng)器。這種方案所占空間大,外圍接口擴(kuò)展局限,同時(shí)功耗高。本設(shè)計(jì)中,我們采用內(nèi)嵌有can控制器的lpc2119和tja1050總線驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成電子控制系統(tǒng)單元的can通信模塊。can通信模塊硬件圖如圖1所示。
lpc2119內(nèi)帶有arm7內(nèi)核,具有封裝小、功耗低、多個(gè)32位定時(shí)器、4路10位adc、2路can以及多達(dá)9個(gè)外部中斷等優(yōu)點(diǎn)。tja1050是philips公司生產(chǎn)的,用以替代pca82c250的高速can總線驅(qū)動(dòng)器。該器件提供了can控制器與物理總線之間的接口以及對(duì)can總線的差動(dòng)發(fā)送和接收功能。對(duì)于由"弱"終端構(gòu)成的端節(jié)點(diǎn),tja1050外圍的電阻和電容能改善系統(tǒng)的emc性能。實(shí)踐證明,采用lpc2119和tja1050構(gòu)造can通信模塊,外圍擴(kuò)展能力強(qiáng),空間小,同時(shí)改進(jìn)電磁輻射（eme）性能和抗電磁干擾（emi）性能。
2 電子控制系統(tǒng)單元控制模塊的設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)的"蜘蛛網(wǎng)式"控制模塊,電路復(fù)雜,維修難度高。本設(shè)計(jì)中,我們采用功率模塊、人機(jī)通信模塊、狀態(tài)量輸入模塊的結(jié)合,構(gòu)造出電子控制系統(tǒng)單元控制模塊,提高了整個(gè)系統(tǒng)的可觀性和實(shí)效性?？刂颇K硬件圖如圖2所示。
2.1 功率模塊
考慮到汽車功率負(fù)載大及l(fā)pc2119的i/o口驅(qū)動(dòng)的局限,系統(tǒng)中采用功率模塊作為中心微處理器與功率負(fù)載之間的橋梁。
設(shè)計(jì)中,我們采用摩托羅拉公司生產(chǎn)的mc33888功率器件控制遠(yuǎn)光燈、近光燈、倒車燈、剎車燈。mc33888內(nèi)部集成有四路高端燈驅(qū)動(dòng)器和8路繼電器或發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器,是一個(gè)可控制網(wǎng)絡(luò),具有在板診斷、與微控制器通信報(bào)錯(cuò)能力及故障軟化等優(yōu)點(diǎn)。考慮到車內(nèi)燈和示廊燈的功率相對(duì)比較大,我們采用mc33487功率器件進(jìn)行控制。mc33487內(nèi)部集成兩路帶有電流感應(yīng)的20毫歐姆高端驅(qū)動(dòng)器,電流輸出4.5a.感性負(fù)載以及大電流的短路保護(hù)是整個(gè)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。mc33887具有功耗低、等待模式下電流25微安、輸出電流超過8安的短路關(guān)斷等優(yōu)點(diǎn),所以系統(tǒng)采用mc33887功率器件對(duì)電機(jī)、鎖、天線、洗滌泵進(jìn)行控制。
2.2 人機(jī)通信模塊
為了提高駕駛員和乘客的舒適性、安全性,整個(gè)系統(tǒng)必須在人和機(jī)器之間建立良好的人機(jī)通信模塊。bc7281、鍵盤模塊及外圍的led之間的結(jié)合,構(gòu)造出人機(jī)通信模塊。bc7281是比高公司推出的16位數(shù)碼管顯示及鍵盤接口專用芯片。該芯片通過外接移位寄存器（74hc164、74ls595等）可控制16位數(shù)碼管或者128只獨(dú)立的led。bc7281的驅(qū)動(dòng)輸出極性及輸出時(shí)序均可通過軟件進(jìn)行控制,從而和各種驅(qū)動(dòng)電路配合,適合任何尺寸的數(shù)碼管。通過人機(jī)通信模塊,人的意識(shí)能夠?yàn)闄C(jī)器所識(shí)別,同時(shí)機(jī)器也可以將一些相應(yīng)的狀態(tài)信息反饋到led或者lcd上,達(dá)到人機(jī)通信的可視化效果。
2.3 狀態(tài)量輸入模塊
狀態(tài)量輸入模塊主要是將一些人為操作的效果（如大燈開關(guān)、轉(zhuǎn)向燈開關(guān)）、車身狀態(tài)（如車門、窗的開關(guān)）及內(nèi)部狀態(tài)信息（如油量、水溫）反饋給中心處理器。中心處理器對(duì)反饋信息進(jìn)行分析處理,就可以準(zhǔn)確判斷本車所處的狀況,并做出相應(yīng)的操作。
外部狀態(tài)信息可以分為開關(guān)量和模擬量。通過一系列外圍電路（如整形防顫電路）,我們將開關(guān)量轉(zhuǎn)換成cpu可識(shí)別的0v和+5v高低電平。在模擬量處理上,先經(jīng)過歸一化處理電路,將水溫、油量、氣壓、室溫的變化轉(zhuǎn)化為0v到5v之間電信號(hào),然后通過lpc2119內(nèi)嵌的4路10位ad轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量。利用現(xiàn)有的can通信模塊將這些數(shù)字量傳輸?shù)今{駛員附近的電子控制系統(tǒng)單元,再經(jīng)過d/a轉(zhuǎn)換器,反應(yīng)在儀器儀表上。
3 電子控制系統(tǒng)單元軟件設(shè)計(jì)
對(duì)于lpc2119微處理器來說,can控制器完全是基于事件觸發(fā)的,即在本身狀態(tài)發(fā)生改變時(shí),can控制器會(huì)將狀態(tài)變化的結(jié)果告訴微處理器。因此中心微處理器可以采用中斷的方式或者輪詢的方式對(duì)can控制器作出相應(yīng)的處理。完整的can固件編程層次結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
各電子控制系統(tǒng)單元按規(guī)定格式和周期發(fā)送數(shù)據(jù)到總線上,同時(shí)根據(jù)需要各取所需的報(bào)文。對(duì)于接收數(shù)據(jù),本系統(tǒng)采用中斷的方式實(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)利用屏蔽濾波寄存器對(duì)接收?qǐng)?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)文將被屏蔽于接收緩沖器外,從而減輕cpu處理報(bào)文的負(fù)擔(dān)。各電子控制系統(tǒng)單元的應(yīng)用層程序都不一樣,但是通信模塊的應(yīng)用程序基本上一致,可分為can初始化、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)。
3.1 can初始化程序
can初始化程序主要用來實(shí)現(xiàn)can工作時(shí)的參數(shù)設(shè)置,其初始化主要內(nèi)容包括：硬件使能can、設(shè)置can報(bào)警界限、設(shè)置總線波特率、設(shè)置中斷工作方式、設(shè)置can驗(yàn)收濾波器的工作方式、設(shè)置can控制器的工作模式等。初始化流程圖如圖4所示。
3. 2 發(fā)送數(shù)據(jù)程序
對(duì)can模塊初始化成功后,就可以用它來傳送報(bào)文。節(jié)點(diǎn)向總線上發(fā)送報(bào)文的過程是：
lpc2119將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按can格式組成一幀報(bào)文,寫入can模塊發(fā)送緩沖區(qū),然后啟動(dòng)發(fā)送命令,將報(bào)文發(fā)送到總線上。發(fā)送流程圖如圖5所示。
在使用發(fā)送函數(shù)時(shí)有一點(diǎn)必須注意,因?yàn)樵趩?dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)的命令后,can控制器要將緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后,才會(huì)將該幀數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功的狀態(tài)返回。這樣如果在函數(shù)里一直等待數(shù)據(jù)發(fā)送完畢,會(huì)使整個(gè)微處理器的性能下降。為了避免這種情況,該函數(shù)在啟動(dòng)發(fā)送后便立即返回,通過發(fā)送中斷或者利用查詢tcs狀態(tài)位判斷是否發(fā)送成功。
3.3 接收數(shù)據(jù)程序
本設(shè)計(jì)中,我們采用中斷的方式進(jìn)行can總線上的數(shù)據(jù)接收。當(dāng)lpc2119的can控制器出現(xiàn)內(nèi)部中斷時(shí),我們先識(shí)別中斷寄存器的ri位,判斷是否為接收中斷,然后讀取接收緩沖區(qū)的內(nèi)容。其接收流程圖如圖6所示。
4 結(jié)論
實(shí)踐證明,基于can總線技術(shù),帶arm7內(nèi)核的汽車電子控制系統(tǒng)單元空間小,實(shí)效性高。特別是它的數(shù)據(jù)通信具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性、更高的可靠性和更好的抗干擾能力,即使在重負(fù)荷下也不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況,但投入實(shí)用化仍需要進(jìn)一步的研究和改進(jìn),且程序的通信處理能力、糾錯(cuò)和容錯(cuò)能力有待進(jìn)一步的提高。
本文采用了基于can總線技術(shù),設(shè)計(jì)開發(fā)了應(yīng)用于汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的電子控制系統(tǒng)單元。
1 電子控制系統(tǒng)單元can通信模塊的設(shè)計(jì)
根據(jù)can通信原理,電子控制系統(tǒng)單元can通信模塊硬件主要由can控制器、can驅(qū)動(dòng)器及中心微處理器構(gòu)成。傳統(tǒng)的can通信模塊采用51系列的單片機(jī)作為中心處理器,sja1000作為can控制器,pca82c250作為can驅(qū)動(dòng)器。這種方案所占空間大,外圍接口擴(kuò)展局限,同時(shí)功耗高。本設(shè)計(jì)中,我們采用內(nèi)嵌有can控制器的lpc2119和tja1050總線驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成電子控制系統(tǒng)單元的can通信模塊。can通信模塊硬件圖如圖1所示。
lpc2119內(nèi)帶有arm7內(nèi)核,具有封裝小、功耗低、多個(gè)32位定時(shí)器、4路10位adc、2路can以及多達(dá)9個(gè)外部中斷等優(yōu)點(diǎn)。tja1050是philips公司生產(chǎn)的,用以替代pca82c250的高速can總線驅(qū)動(dòng)器。該器件提供了can控制器與物理總線之間的接口以及對(duì)can總線的差動(dòng)發(fā)送和接收功能。對(duì)于由"弱"終端構(gòu)成的端節(jié)點(diǎn),tja1050外圍的電阻和電容能改善系統(tǒng)的emc性能。實(shí)踐證明,采用lpc2119和tja1050構(gòu)造can通信模塊,外圍擴(kuò)展能力強(qiáng),空間小,同時(shí)改進(jìn)電磁輻射（eme）性能和抗電磁干擾（emi）性能。
2 電子控制系統(tǒng)單元控制模塊的設(shè)計(jì)
傳統(tǒng)的"蜘蛛網(wǎng)式"控制模塊,電路復(fù)雜,維修難度高。本設(shè)計(jì)中,我們采用功率模塊、人機(jī)通信模塊、狀態(tài)量輸入模塊的結(jié)合,構(gòu)造出電子控制系統(tǒng)單元控制模塊,提高了整個(gè)系統(tǒng)的可觀性和實(shí)效性?？刂颇K硬件圖如圖2所示。
2.1 功率模塊
考慮到汽車功率負(fù)載大及l(fā)pc2119的i/o口驅(qū)動(dòng)的局限,系統(tǒng)中采用功率模塊作為中心微處理器與功率負(fù)載之間的橋梁。
設(shè)計(jì)中,我們采用摩托羅拉公司生產(chǎn)的mc33888功率器件控制遠(yuǎn)光燈、近光燈、倒車燈、剎車燈。mc33888內(nèi)部集成有四路高端燈驅(qū)動(dòng)器和8路繼電器或發(fā)光二極管驅(qū)動(dòng)器,是一個(gè)可控制網(wǎng)絡(luò),具有在板診斷、與微控制器通信報(bào)錯(cuò)能力及故障軟化等優(yōu)點(diǎn)。考慮到車內(nèi)燈和示廊燈的功率相對(duì)比較大,我們采用mc33487功率器件進(jìn)行控制。mc33487內(nèi)部集成兩路帶有電流感應(yīng)的20毫歐姆高端驅(qū)動(dòng)器,電流輸出4.5a.感性負(fù)載以及大電流的短路保護(hù)是整個(gè)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。mc33887具有功耗低、等待模式下電流25微安、輸出電流超過8安的短路關(guān)斷等優(yōu)點(diǎn),所以系統(tǒng)采用mc33887功率器件對(duì)電機(jī)、鎖、天線、洗滌泵進(jìn)行控制。
2.2 人機(jī)通信模塊
為了提高駕駛員和乘客的舒適性、安全性,整個(gè)系統(tǒng)必須在人和機(jī)器之間建立良好的人機(jī)通信模塊。bc7281、鍵盤模塊及外圍的led之間的結(jié)合,構(gòu)造出人機(jī)通信模塊。bc7281是比高公司推出的16位數(shù)碼管顯示及鍵盤接口專用芯片。該芯片通過外接移位寄存器（74hc164、74ls595等）可控制16位數(shù)碼管或者128只獨(dú)立的led。bc7281的驅(qū)動(dòng)輸出極性及輸出時(shí)序均可通過軟件進(jìn)行控制,從而和各種驅(qū)動(dòng)電路配合,適合任何尺寸的數(shù)碼管。通過人機(jī)通信模塊,人的意識(shí)能夠?yàn)闄C(jī)器所識(shí)別,同時(shí)機(jī)器也可以將一些相應(yīng)的狀態(tài)信息反饋到led或者lcd上,達(dá)到人機(jī)通信的可視化效果。
2.3 狀態(tài)量輸入模塊
狀態(tài)量輸入模塊主要是將一些人為操作的效果（如大燈開關(guān)、轉(zhuǎn)向燈開關(guān)）、車身狀態(tài)（如車門、窗的開關(guān)）及內(nèi)部狀態(tài)信息（如油量、水溫）反饋給中心處理器。中心處理器對(duì)反饋信息進(jìn)行分析處理,就可以準(zhǔn)確判斷本車所處的狀況,并做出相應(yīng)的操作。
外部狀態(tài)信息可以分為開關(guān)量和模擬量。通過一系列外圍電路（如整形防顫電路）,我們將開關(guān)量轉(zhuǎn)換成cpu可識(shí)別的0v和+5v高低電平。在模擬量處理上,先經(jīng)過歸一化處理電路,將水溫、油量、氣壓、室溫的變化轉(zhuǎn)化為0v到5v之間電信號(hào),然后通過lpc2119內(nèi)嵌的4路10位ad轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量。利用現(xiàn)有的can通信模塊將這些數(shù)字量傳輸?shù)今{駛員附近的電子控制系統(tǒng)單元,再經(jīng)過d/a轉(zhuǎn)換器,反應(yīng)在儀器儀表上。
3 電子控制系統(tǒng)單元軟件設(shè)計(jì)
對(duì)于lpc2119微處理器來說,can控制器完全是基于事件觸發(fā)的,即在本身狀態(tài)發(fā)生改變時(shí),can控制器會(huì)將狀態(tài)變化的結(jié)果告訴微處理器。因此中心微處理器可以采用中斷的方式或者輪詢的方式對(duì)can控制器作出相應(yīng)的處理。完整的can固件編程層次結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
各電子控制系統(tǒng)單元按規(guī)定格式和周期發(fā)送數(shù)據(jù)到總線上,同時(shí)根據(jù)需要各取所需的報(bào)文。對(duì)于接收數(shù)據(jù),本系統(tǒng)采用中斷的方式實(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)利用屏蔽濾波寄存器對(duì)接收?qǐng)?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)文將被屏蔽于接收緩沖器外,從而減輕cpu處理報(bào)文的負(fù)擔(dān)。各電子控制系統(tǒng)單元的應(yīng)用層程序都不一樣,但是通信模塊的應(yīng)用程序基本上一致,可分為can初始化、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)。
3.1 can初始化程序
can初始化程序主要用來實(shí)現(xiàn)can工作時(shí)的參數(shù)設(shè)置,其初始化主要內(nèi)容包括：硬件使能can、設(shè)置can報(bào)警界限、設(shè)置總線波特率、設(shè)置中斷工作方式、設(shè)置can驗(yàn)收濾波器的工作方式、設(shè)置can控制器的工作模式等。初始化流程圖如圖4所示。
3. 2 發(fā)送數(shù)據(jù)程序
對(duì)can模塊初始化成功后,就可以用它來傳送報(bào)文。節(jié)點(diǎn)向總線上發(fā)送報(bào)文的過程是：
lpc2119將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按can格式組成一幀報(bào)文,寫入can模塊發(fā)送緩沖區(qū),然后啟動(dòng)發(fā)送命令,將報(bào)文發(fā)送到總線上。發(fā)送流程圖如圖5所示。
在使用發(fā)送函數(shù)時(shí)有一點(diǎn)必須注意,因?yàn)樵趩?dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)的命令后,can控制器要將緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后,才會(huì)將該幀數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功的狀態(tài)返回。這樣如果在函數(shù)里一直等待數(shù)據(jù)發(fā)送完畢,會(huì)使整個(gè)微處理器的性能下降。為了避免這種情況,該函數(shù)在啟動(dòng)發(fā)送后便立即返回,通過發(fā)送中斷或者利用查詢tcs狀態(tài)位判斷是否發(fā)送成功。
3.3 接收數(shù)據(jù)程序
本設(shè)計(jì)中,我們采用中斷的方式進(jìn)行can總線上的數(shù)據(jù)接收。當(dāng)lpc2119的can控制器出現(xiàn)內(nèi)部中斷時(shí),我們先識(shí)別中斷寄存器的ri位,判斷是否為接收中斷,然后讀取接收緩沖區(qū)的內(nèi)容。其接收流程圖如圖6所示。
4 結(jié)論
實(shí)踐證明,基于can總線技術(shù),帶arm7內(nèi)核的汽車電子控制系統(tǒng)單元空間小,實(shí)效性高。特別是它的數(shù)據(jù)通信具有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性、更高的可靠性和更好的抗干擾能力,即使在重負(fù)荷下也不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓的情況,但投入實(shí)用化仍需要進(jìn)一步的研究和改進(jìn),且程序的通信處理能力、糾錯(cuò)和容錯(cuò)能力有待進(jìn)一步的提高。
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