汽車車身電子網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)

CAN（Controller Area Network）總線是一種有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)。目前已經(jīng)在國(guó)外汽車的電器網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛的應(yīng)用。為了滿足國(guó)產(chǎn)汽車車身控制總線的迫切需求，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于CAN總線的整車管理系統(tǒng)的硬件方案。本方案重點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、車身控制系統(tǒng)CAN總線的節(jié)點(diǎn)設(shè)置、節(jié)點(diǎn)及中央控制與CAN總線的接口電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展及汽車性能的不斷提高，汽車上的電子裝置越來越多。傳統(tǒng)的電器系統(tǒng)大多采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單一通信方式，相互之間很少有聯(lián)系，這樣必然造成龐大的布線系統(tǒng)。目前，國(guó)外許多整車制造廠和汽車電器制造廠家在整車管理系統(tǒng)中采用了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，如CAN和LIN、SAEJ1850等。其中，CAN的使用較為廣泛。CAN總線是德國(guó)BOSCH公司于20世紀(jì)80年代初提出的，它將汽車上各種信號(hào)的接線只用2根簡(jiǎn)潔的電纜線取代塑料工業(yè)網(wǎng)，汽車上的各種電子裝置通過CAN控制器掛到這2根電纜上，設(shè)備之間利用電纜進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊和數(shù)據(jù)共享，從而大大減少了汽車上的線束。CAN總線結(jié)構(gòu)獨(dú)特，性能可靠，被公認(rèn)為是最有前途的現(xiàn)場(chǎng)控制總線之一。

由于客觀條件的限制，目前我國(guó)的整車制造廠和汽車電子電器廠幾乎沒有涉及到汽車電器網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)的領(lǐng)域。但隨著我國(guó)汽車工業(yè)和電子工業(yè)的發(fā)展，進(jìn)行汽車電器的網(wǎng)絡(luò)化研究與開發(fā)已經(jīng)成為十分重要的課題。

1、整車管理系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
汽車上各種電器對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息傳輸延遲的敏感性差別很大，發(fā)動(dòng)機(jī)控制器、自動(dòng)變速器控制器、ABS控制器、安全氣囊控制器等之間的協(xié)調(diào)關(guān)系所要求的實(shí)時(shí)性很強(qiáng)，而前后車燈的開關(guān)、車門開閉、座位調(diào)節(jié)等簡(jiǎn)單事件對(duì)信息傳輸延遲的要求要寬松得多（傳輸延遲允10ms-100ms），如果將這些功能簡(jiǎn)單的節(jié)點(diǎn)都掛在高速總線上，勢(shì)必會(huì)提高對(duì)節(jié)點(diǎn)的技術(shù)要求和成本，故有必要進(jìn)行多路總線設(shè)計(jì)。考慮到與國(guó)際上標(biāo)準(zhǔn)的一致性這里采用2條CAN總線。

汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中采用高速CAN，信息傳輸速度達(dá)500K－1M bps，其主要連接對(duì)象是：發(fā)動(dòng)機(jī)、自動(dòng)變速器、ABS/ASR、安全氣囊、主動(dòng)懸架、巡航系統(tǒng)、電動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及組合儀表信號(hào)的采集系統(tǒng)等。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)CAN的控制對(duì)象都是與汽車行駛控制直接相關(guān)的系統(tǒng)工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)，對(duì)信號(hào)的傳輸要求有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，它們之間存在著較多的信息交流，而且很多都是連續(xù)的和高速的。

車身系統(tǒng)中采用低速CAN，信息傳輸速率為100Kpbs，主要連接對(duì)象是：前后車燈控制開關(guān)、電動(dòng)坐椅控制開關(guān)、中央門鎖與防盜控制開關(guān)、電動(dòng)后視鏡控制開關(guān)、電動(dòng)車窗升降開關(guān)、氣候（空調(diào)）控制開關(guān)、故障診斷系統(tǒng)、組合開關(guān)及駕駛員操縱信號(hào)采集系統(tǒng)、儀表顯示器等。車身系統(tǒng)CAN的控制對(duì)象主要是低速電機(jī)、電磁閥和開關(guān)器件，它們對(duì)信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求不高，但數(shù)量較多，將這些電控單元與汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分開有利于保證驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性；采用低速CAN總線還能增加總線的傳輸距離，提高抗干擾能力，降低硬件成本。

兩條CAN總線相互獨(dú)立,通過網(wǎng)關(guān)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和資源共享。中央控制器是整車管理系統(tǒng)的控制核心，也是整車綜合控制的基礎(chǔ)，主要功能是對(duì)各種信息進(jìn)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。同時(shí)MMSonline.com.cn，中央控制器也是高速CAN總線和低速CAN總線的網(wǎng)關(guān)服務(wù)器。

2、節(jié)點(diǎn)的設(shè)置
本設(shè)計(jì)以低速CAN總線為基礎(chǔ)的車身控制系統(tǒng)為重點(diǎn)，為了將汽車上各類原始信號(hào)轉(zhuǎn)換為可在CAN總線上進(jìn)行傳輸?shù)臄?shù)字量信號(hào)，同時(shí)也為了提高系統(tǒng)的可靠性，在低速總線上設(shè)置了節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)的功能是：接收傳感器輸出的模擬信號(hào)、數(shù)字信號(hào)或開關(guān)信號(hào)，經(jīng)ECU進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換為可在CAN總線上通訊的數(shù)據(jù)報(bào)文格式，經(jīng)ECU內(nèi)的CAN控制器發(fā)送到CAN總線上,同時(shí)將從CAN總線上接收到的數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成能夠驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器或照明燈的模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào).節(jié)點(diǎn)的設(shè)置原則僅僅考慮各電器元件在汽車上的物理位置。

節(jié)點(diǎn)1： 主要控制前部車燈和汽車?yán)?，位于駕駛室前部。

節(jié)點(diǎn)2： 采集組合開關(guān)及其他位于儀表板附近的操縱開關(guān)的信號(hào)，位于儀表板附近。

節(jié)點(diǎn)3： 將需要在儀表上顯示的內(nèi)容處理后，輸出并顯示，位于儀表板內(nèi)部。

節(jié)點(diǎn)4：采集空調(diào)、中央門鎖、駕駛室翻轉(zhuǎn)等開關(guān)的狀態(tài)信號(hào)，控制空調(diào)、防盜與遙控門鎖、刮雨器等的動(dòng)作，位于駕駛室內(nèi)手套箱附近。

節(jié)點(diǎn)5： 駕駛員車門控制節(jié)點(diǎn)，采集各開關(guān)信號(hào)金屬加工網(wǎng)，控制駕駛員一側(cè)的門鎖、車窗和電動(dòng)后視鏡的動(dòng)作，位于駕駛員車門上。

節(jié)點(diǎn)6： 乘客側(cè)車門控制節(jié)點(diǎn)，位于乘客側(cè)車門上。[!--empirenews.page--]

節(jié)點(diǎn)7：采集儀表顯示信號(hào)及駕駛員操縱信號(hào)，包括燃油量、冷卻液溫度、機(jī)油壓力、電源電壓、空擋開關(guān)、倒車開關(guān)等，位于儀表板附近。

節(jié)點(diǎn)8： 整車管理系統(tǒng)的中央控制器，協(xié)調(diào)和管理整車各系統(tǒng)的工作，并起網(wǎng)關(guān)的作用，連接高速和低速總線，位于儀表板附近。

節(jié)點(diǎn)9： 采集驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中與儀表顯示有關(guān)的信號(hào)，如車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、冷卻液溫度等，位于駕駛室內(nèi)手套箱附近。

節(jié)點(diǎn)10：電動(dòng)坐椅節(jié)點(diǎn)，采集坐椅開關(guān)信號(hào)并控制坐椅動(dòng)作，位于駕駛員坐椅上。

節(jié)點(diǎn)11：控制汽車后部車燈，倒車?yán)群头雷怖走_(dá)監(jiān)視器nc.qoos.ipi，位于汽車后部。

3、節(jié)點(diǎn)與CAN總線的接口設(shè)計(jì)
整車管理系統(tǒng)是由許多節(jié)點(diǎn)通過CAN總線相連而組成的一個(gè)局域網(wǎng),因此CAN總線的設(shè)計(jì)就顯得極為重要。其中CAN控制器、CAN收發(fā)器的選取以及抗干擾措施將成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

（1） CAN控制器的選取
為了滿足系統(tǒng)功能和進(jìn)一步擴(kuò)展的需要，CAN控制器采用MICROCHIP公司內(nèi)部帶CAN引擎的微控制器（單片機(jī)）PIC18F248，其片上帶5路10bit A/D轉(zhuǎn)換器、1個(gè)8bit,兩個(gè)16bit 定時(shí)/計(jì)數(shù)器、1-4路PWM輸出控制器以及22個(gè)I/O端口，它除了可以進(jìn)行模擬、數(shù)字量的采集、控制外，還可以通過脈沖寬度調(diào)制（PWM）方式控制各種執(zhí)行電機(jī)的速度。

（2） CAN收發(fā)器的選取
CAN收發(fā)器選用MICROCHIP公司的MCP2551，這是一種應(yīng)用廣泛的CAN控制器與物理總線間的接口芯片，能夠?qū)偩€的信息進(jìn)行差動(dòng)發(fā)送和接收。它能增大通信距離、提高系統(tǒng)的瞬間抗干擾能力、保護(hù)總線、降低射頻干擾等。

（3）光電隔離
汽車上電磁干擾較厲害，對(duì)系統(tǒng)的抗干擾能力要求較高，為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在CAN控制器（單片機(jī)）和驅(qū)動(dòng)總線的CAN收發(fā)器MCP2551之間增加了由高速隔離器件6N137構(gòu)成的光電隔離電路，電源也采用微型DC/DC模塊來進(jìn)行隔離。

4、中央控制器（網(wǎng)關(guān)服務(wù)器）與CAN總線的接口設(shè)計(jì)

中央控制器選用:

選用帶兩路CAN控制器、支持CAN2.0B通信協(xié)議的數(shù)字信號(hào)處理（DSP）芯片作為節(jié)點(diǎn)控制核心。這樣可以增加系統(tǒng)的控制速度，增強(qiáng)系統(tǒng)控制的靈活性以及提高系統(tǒng)的可靠性。這里選用MICROCHIP公司的dsPIC30F系列的16位定點(diǎn)DSP芯片：dsPIC30F6010,其最高處理能力可達(dá)30MIPS,工作溫度范圍可達(dá)(-40--+125)的汽車級(jí)別,具有16通道的10bit高速A/D轉(zhuǎn)換器、5個(gè)16bit定時(shí)/計(jì)數(shù)器、8個(gè)通用的PMW控制器和8個(gè)專用的馬達(dá)控制PWM控制器。此外該芯片還具有MCU＋DSP雙CPU內(nèi)核以及多達(dá)68個(gè)I/O端口。
由于dsPIC30F6010內(nèi)部具有雙CAN引擎，所以可以很好地在高速CAN通道和低速CAN通道之間擔(dān)當(dāng)起網(wǎng)關(guān)的功能，同時(shí)其DSP的處理速度和豐富的外圍接口資源，使得它足以應(yīng)付汽車電控單元不斷升級(jí)的需求。

5、結(jié)束語(yǔ)
該整車管理系統(tǒng)是針對(duì)國(guó)產(chǎn)轎車、越野車以及輕型貨車而設(shè)計(jì)的。重點(diǎn)設(shè)計(jì)了基于CAN總線的整車管理系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、車身控制系統(tǒng)、CAN總線的節(jié)點(diǎn)布置、節(jié)點(diǎn)與CAN總線的接口及中央控制器與CAN總線的接口電路。將該系統(tǒng)應(yīng)用于汽車控制系，可明顯減少汽車上的線束，更好地控制和協(xié)調(diào)汽車的各個(gè)系統(tǒng)，以減少對(duì)駕駛者本身素質(zhì)的依賴性，使國(guó)產(chǎn)汽車跟上國(guó)際技術(shù)潮流，在未來市場(chǎng)角逐中具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。