汽車前照燈CAN總線多路傳輸系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

摘要：為代替?zhèn)鹘y(tǒng)繁雜的汽車線束，汽車CAN總線應(yīng)運(yùn)而生。以CAN總線為基礎(chǔ)，結(jié)合51系列單片機(jī)技術(shù)，研究開發(fā)了汽車前照燈的CAN總線多路傳輸系統(tǒng)。按照整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了CAN總線傳輸節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出并口CAN適配卡，通過編寫動態(tài)鏈接庫(DLL)，向上層應(yīng)用軟件提供讀／寫函數(shù)接口，實(shí)現(xiàn)了上位機(jī)與下位機(jī)的通信。該設(shè)計(jì)使得傳統(tǒng)線束大大簡化，可靠性得到了極大提高，有效節(jié)約了線束安裝空間。
關(guān)鍵詞：前照燈；CAN總線；多路傳輸系統(tǒng)；單片機(jī)

0 引言
    CAN(Controller Area Network)數(shù)據(jù)總線是一種適用于汽車環(huán)境的汽車局域網(wǎng)。它屬于多路傳輸系統(tǒng)中的一種，是由德國博世(Bosch)公司在20世紀(jì)80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制單元與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而應(yīng)用開發(fā)的一種串行通信協(xié)議。目前，在汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，CAN幾乎成了一種必須采用的技術(shù)手段，尤其是在歐洲，如奔馳、寶馬、保時(shí)捷等都采用CAN總線實(shí)現(xiàn)汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)與各檢測和執(zhí)行機(jī)構(gòu)間的數(shù)據(jù)通信。此外，美國汽車廠也將控制器聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)逐步由 Class2過渡到CAN。CAN國際標(biāo)準(zhǔn)只定義了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，實(shí)際應(yīng)用中，一些廠家和公司又定義了相應(yīng)的應(yīng)用層規(guī)范，使CAN的應(yīng)用更加廣泛和可靠。
    CAN信號傳輸介質(zhì)為普通雙絞線，通信速率最高可達(dá)1 Mbps／40 m，直接傳輸距離可達(dá)10 km／5 Kbps。CAN的信號傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)，因而傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低，由于其采用CRC-16的校驗(yàn)方式，誤碼率僅為 3×10-5。當(dāng)節(jié)點(diǎn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，具有自動關(guān)閉的功能，以切斷該節(jié)點(diǎn)與總線的聯(lián)系，使通信線上的其他節(jié)點(diǎn)機(jī)通信不受影響，具有較強(qiáng)的抗干擾能力?？刂破骶植烤W(wǎng)(CAN)屬于現(xiàn)場總線范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)。
    CAN作為汽車環(huán)境中的微控制器通訊，在車載各電子控制裝置ECU之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。比如：發(fā)動機(jī)管理系統(tǒng)、變速箱控制器、儀表裝備、電子主干系統(tǒng)中，均嵌入CAN控制裝置。但是CAN總線多路傳輸系統(tǒng)還沒有實(shí)際應(yīng)用到汽車前照燈。傳統(tǒng)的汽車系統(tǒng)布線工作量很大，一旦線路發(fā)現(xiàn)故障，診斷工作十分困難，同時(shí)由于數(shù)據(jù)傳輸線很長，導(dǎo)致傳輸速度下降，可靠性、實(shí)時(shí)性差等問題。CAN總線技術(shù)作為最有前途的現(xiàn)場總線之一，依靠其可靠性高，適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)，糾錯(cuò)能力突出，性價(jià)比高等特點(diǎn)成為解決這一問題的新選擇。正是基于這種研究背景，本文研究并開發(fā)出了基于CAN總線的汽車前照燈多路傳輸系統(tǒng)。

1 CAN控制器SJAl000
1．1 SJAl000的硬件結(jié)構(gòu)和功能
    CAN的通信協(xié)議主要由CAN控制器完成。CAN控制器主要由實(shí)現(xiàn)CAN總線協(xié)議部分和微控制器接口部分組成。不同型號的CAN總線通信控制器，實(shí)現(xiàn) CAN協(xié)議部分電路的結(jié)構(gòu)和功能大都相同，而與微控制器接口部分的結(jié)構(gòu)及方式存在一些差異。SJAl000是一種獨(dú)立CAN控制器，是PHILIPS公司首推新一代控制器。支持CAN 2．0B協(xié)議。
    SJAl000的主要特性如下：
    器件管腳和電器特性均和PCA82C200兼容；時(shí)鐘頻率24 MHz；支持CAN協(xié)議2．O標(biāo)準(zhǔn)位速率可達(dá)l Mb／s；同時(shí)支持11位標(biāo)識符和29位標(biāo)識符；擴(kuò)展的接收緩沖器(增至64 B，PCA82C200只有20個(gè)字節(jié))；對不同微處理器的接口；可編程的CAN驅(qū)動器輸出。
    SJAl000具有兩種工作模式：基本模式和Peli模式。其中基本模式符合CAN協(xié)議2．0A標(biāo)準(zhǔn)，和PCA82C200兼容。設(shè)置時(shí)鐘分頻器(CDR：Clock divider Register)的最高位模式選擇位(CDR．7)，可在基本模式和Peli模式之間切換。
1．2 CAN收發(fā)器82C250的硬件結(jié)構(gòu)和功能
    82C250是CAN控制器與物理總線間的接口，最初主要應(yīng)用于汽車高速控制場合。它向總線提供了差動的發(fā)送能力，向CAN控制器提供了差動的接收能力。
    82C250主要特性如下：與ISO／DISll898標(biāo)準(zhǔn)兼容；高速(最高可達(dá)1 Mb／s)；具有抗汽車環(huán)境下的瞬間干擾，保護(hù)總線能力；降低射頻干擾(Radio Frequency Interference，RFI)的斜率(slope)控制；熱防護(hù)；防護(hù)電池與地之間發(fā)生短路；低電流待機(jī)方式；某一個(gè)節(jié)點(diǎn)掉電不會影響總線；可有 110個(gè)節(jié)點(diǎn)相連接。
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2 系統(tǒng)硬件電路圖設(shè)計(jì)
2．1 汽車前照燈線路示意圖
    汽車前照燈傳統(tǒng)供電線路示意圖和汽車前照燈多路總線傳輸系統(tǒng)示意圖如圖1，圖2所示。

2．2 系統(tǒng)硬件電路原理圖
    CAN智能節(jié)點(diǎn)電路圖的設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)的核心，下面給出詳細(xì)的CAN節(jié)點(diǎn)硬件電路設(shè)計(jì)。
    圖3是汽車汽車前照燈的CAN總線多路傳輸系統(tǒng)的硬件電路原理圖。從圖中可以看出，電路主要由三大塊組成。第一塊是前照燈的開關(guān)電路部分，主要包括微控制器89C51單片機(jī)、獨(dú)立CAN通信控制器SJAl000，CAN總線收發(fā)器82C250；第二塊是上位機(jī)，包括CAN總線適配卡以及數(shù)據(jù)顯示部分；第三塊是前照燈的用電器電路部分，主要包括的也是微控制器89C51單片機(jī)、獨(dú)立CAN通信控制器SJAl000，CAN總線收發(fā)器82C2 50。需要說明一點(diǎn)的是，本系統(tǒng)用4個(gè)發(fā)光二極管來代替具體的汽車前照燈中的近光燈，遠(yuǎn)光燈，示寬燈，霧燈。

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    微處理器89C51負(fù)責(zé)SJAl000的初始化，通過控制SJAl000實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務(wù)。SJAl000的ADO～AD7連接到89C51的P0口，SJAl000的連接到89C51的P2．O，P2．O為0時(shí)，CPU片外存儲器地址可選中SJAl000，CPU通過這些地址可對SJAl000執(zhí)行相應(yīng)的讀／寫操作。SJAl000的，ALE分別與89C51的引腳相連，接89C51的，89C51也可以通過中斷方式訪問SJAl000。
    82C250與CAN總線的接口部分采用了一定的安全和抗干擾措施。82C250的CANH和CANL引腳各自通過一個(gè)5 Ω的電阻與CAN總線相連，電阻可起到一定的限流作用，保護(hù)82C250免受過流的沖擊。CANH和CANL與地之間并聯(lián)了2個(gè)30 pF的小電容，可以起到濾除總線上的干擾和一定的防電磁輻射的能力。82C250的Rs腳上接有一個(gè)斜率電阻，電阻大小可以根據(jù)總線通信速度適當(dāng)調(diào)整，一般在16～140 kΩ。
2．3 微處理器的選擇
    汽車電子控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性是建立在微處理器的高速運(yùn)算功能上的，因此微處理器的選擇是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，與一般的電子設(shè)備相比較，汽車電子控制系統(tǒng)的微處理器特點(diǎn)在于經(jīng)常處理大量的輸入和輸出信號，而且要實(shí)現(xiàn)高精度和實(shí)時(shí)控制，因此必須能夠同時(shí)進(jìn)行多種獨(dú)立的操作。為了滿足這些要求，微處理器必須具有高速計(jì)算、高速實(shí)時(shí)輸入和輸出以及多種中斷響應(yīng)等特性。由于通用電子計(jì)算機(jī)電子控制系統(tǒng)的控制功能較為簡單，所以大多數(shù)電子控制單元(ECU)中主要使用8 位微處理器。在選擇微．處理器上，不僅要注重滿足技術(shù)要求，還要綜合考慮成本和實(shí)用因素，不應(yīng)片面追求微處理器的高速和高位數(shù)。
    本研究是對按鈕開關(guān)的邏輯信號進(jìn)行處理，對微處理器的控制核心CPU的要求不高，選用AT89C51即可滿足要求。
3 汽車前照燈CAN總線多路傳輸系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
    多路傳輸系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括CAN節(jié)點(diǎn)的初始化、CAN報(bào)文的發(fā)送和接收、PC機(jī)與CAN適配卡的通信。
3．1 初始化
    系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)初始化包括：自檢、CAN通訊初始化、A／D初始化、各種系統(tǒng)標(biāo)志初始化以及看門狗初始化等。其中89C51的CAN控制器初始化流程如圖4所示。

 
3．2 CAN子節(jié)點(diǎn)收發(fā)軟件設(shè)計(jì)
    子節(jié)點(diǎn)主要功能是實(shí)現(xiàn)對按鍵信號進(jìn)行采集，并響應(yīng)主控節(jié)點(diǎn)命令，通過CAN總線向主控節(jié)點(diǎn)發(fā)送檢測點(diǎn)信息。在軟件設(shè)計(jì)上，子節(jié)點(diǎn)采取命令一應(yīng)答方式，即等待命令→分析命令類型→發(fā)回相應(yīng)數(shù)據(jù)。
    系統(tǒng)中子節(jié)點(diǎn)在上電復(fù)位后主要工作為：
    (1)對系統(tǒng)進(jìn)行初始化；
    (2)向主控節(jié)點(diǎn)發(fā)出加入請求；
    (3)主控節(jié)點(diǎn)接受請求，并給該子節(jié)點(diǎn)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)編號；
    (4)等待主控節(jié)點(diǎn)命令；
    (5)根據(jù)命令將監(jiān)測點(diǎn)的相關(guān)數(shù)據(jù)通過CAN總線發(fā)送給主控節(jié)點(diǎn)。
    因此，子節(jié)點(diǎn)的主要流程如圖5所示。
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3．3 主控節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
    主控節(jié)點(diǎn)軟件采用事件驅(qū)動方式，事件信號由各種中斷信號產(chǎn)生；CPU在進(jìn)入中斷處理程序后，僅僅判斷事件類型，設(shè)置相應(yīng)的事件標(biāo)志位，并不對事件做任何處理；主控節(jié)點(diǎn)主程序?qū)⒀h(huán)讀取事件標(biāo)志，并轉(zhuǎn)入相應(yīng)的事件處理程序。
    主控節(jié)點(diǎn)具有兩種工作模式。一種是系統(tǒng)中存在上位機(jī)，上位機(jī)作為命令發(fā)出點(diǎn)，主控節(jié)點(diǎn)處于被動控制模式。此時(shí)，主控節(jié)點(diǎn)的工作是通過RS 232接收上位機(jī)的命令，分析命令的目的節(jié)點(diǎn)，并將命令通過CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給目的節(jié)點(diǎn)；同時(shí)，主控節(jié)點(diǎn)檢測CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，將節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)通過RS 232發(fā)送給上位機(jī)；重復(fù)以上流程直到工作方式發(fā)生改變。在這種方式下主控節(jié)點(diǎn)的主要工作流程如圖6所示。


    當(dāng)系統(tǒng)中不存在上位機(jī)或上位機(jī)發(fā)出脫離系統(tǒng)命令后，主控節(jié)點(diǎn)進(jìn)入主動控制工作模式。在這種狀態(tài)中，命令發(fā)送者為主控節(jié)點(diǎn)，主控節(jié)點(diǎn)可通過定時(shí)器事件輪循查詢各節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)；響應(yīng)鍵盤事件，并根據(jù)用戶輸入的命令向目標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)出命令或響應(yīng)相應(yīng)子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)；通過LED燈顯示子節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)。
    兩種工作模式間可以通過上位機(jī)發(fā)出命令、用戶通過鍵盤輸入命令以及主控節(jié)點(diǎn)查詢上位機(jī)工作狀態(tài)異常(如在被動狀態(tài)中，上位機(jī)長時(shí)間沒有命令)等幾種方式切換。
3．4 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)基于C++設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)對多路數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲，并設(shè)計(jì)了圖形化的監(jiān)控顯示。監(jiān)控系統(tǒng)功能包括：
    (1)向主控節(jié)點(diǎn)發(fā)出聯(lián)機(jī)或脫機(jī)命令，切換節(jié)點(diǎn)工作狀態(tài)；
    (2)定時(shí)發(fā)送節(jié)點(diǎn)查詢命令，查詢子節(jié)點(diǎn)工作狀況，更新系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)表；
    (3)根據(jù)用戶需要，定時(shí)向監(jiān)控節(jié)點(diǎn)發(fā)送讀取命令，取得節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并保存數(shù)據(jù)，形成監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)文件；
    (4)以圖形化的方式顯示監(jiān)控曲線。
    上位機(jī)系統(tǒng)中還包含了數(shù)據(jù)分析功能，其中設(shè)計(jì)了算法接口；系統(tǒng)用戶可編寫自己的算法庫，系統(tǒng)可調(diào)用用戶算法庫對采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

4 結(jié)語
    由于CAN總線具有極強(qiáng)的抗干擾能力，系統(tǒng)在使用現(xiàn)場數(shù)據(jù)通訊非常可靠，并且通過CAN中繼器可以進(jìn)一步提高通訊質(zhì)量和距離。隨著CAN總線芯片性能的提高、價(jià)格的降低，逐漸應(yīng)用到普通轎車上，也為其在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的應(yīng)用提供了條件。研究CAN總線在拖拉機(jī)等農(nóng)業(yè)機(jī)械上的應(yīng)用，對于提高農(nóng)機(jī)性能和經(jīng)濟(jì)性，促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)機(jī)械化發(fā)展，具有重要意義。