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)?？紤]到與國際上標(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
該整車管理系統(tǒng)是針對(duì)國產(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，使國產(chǎn)汽車跟上國際技術(shù)潮流，在未來市場(chǎng)角逐中具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。