基于CAN總線的車身電器控制系統(tǒng)網(wǎng)絡實驗臺設計

汽車上的電子裝置隨著汽車電子的發(fā)展日益增多，仍采用傳統(tǒng)的通信模式必然導致汽車電器布線復雜，維修檢測困難等問題。而CAN總線的提出為解決此問題提出了可能。CAN(C0ntmller Area Network)總線是20世紀80年代德國Bosch公司為實現(xiàn)現(xiàn)代汽車上眾多電子模塊相互間的通信而提出的一種串行通信協(xié)議，是目前唯一具有國際統(tǒng)一標準的總線。但由于國內(nèi)關(guān)于CAN總線的研究起步很晚，至今國產(chǎn)化的產(chǎn)品不多。因此文獻基于科研教學及產(chǎn)品開發(fā)的多重目的，研制開發(fā)了基于CAN總線的車身電器控制系統(tǒng)實驗臺。該實驗臺以CAN總線為基礎(chǔ)，以某汽車車身電器為對象簡化了汽車車身電器的控制網(wǎng)絡，減少了線束，實驗也證明了所開發(fā)系統(tǒng)的正確性和CAN總線取代傳統(tǒng)車身線束的可行性。該實驗臺的成功開發(fā)其現(xiàn)實意義很重要，但也存在以下不足之處應加以改進：1)試驗臺將車燈控制節(jié)點分為前燈、后燈 2個節(jié)點，這樣在通信中不僅沒有完全利用單片機的接口，還要考慮前后節(jié)點的優(yōu)先權(quán)，把軟件的設計復雜化。2)單片機引腳電流過小不足以驅(qū)動大功率的車燈和車門電機等功率器件，該試驗臺選用驅(qū)動芯片、繼電器和保險絲來實現(xiàn)功能，這樣設計接口電路使節(jié)點的總體體積偏大，不便車載。本文主要針對以上2個問題提出解決方案，先從總體上對節(jié)點重新分類設計，基于AT89S52微處理器和CAN控制器SJAl000重新構(gòu)建硬件環(huán)境，然后以AT89S52為核心，結(jié)合所選器件的運行環(huán)境改進程序。

1 車身電器控制系統(tǒng)節(jié)點分類及其功能

該控制系統(tǒng)將車身電器分為上位機轉(zhuǎn)換節(jié)點、開關(guān)控制節(jié)點、車燈控制節(jié)點、車門控制節(jié)點4類。各類節(jié)點所包含的電器設備及要傳輸?shù)男盘柸缦拢?) 上位機轉(zhuǎn)換節(jié)點：將CAN協(xié)議信號轉(zhuǎn)換為RS232協(xié)議信號輸出，由上位機的串口接收;2)開關(guān)控制節(jié)點：燈具開關(guān)節(jié)點需要的各開關(guān)輸入，通過單片機將物理的開關(guān)信號轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信號;3)車燈控制節(jié)點：接收總線上傳來的可控數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后控制車燈各燈具的狀態(tài)，控制的車身電器主要是遠光燈、近光燈、霧燈、轉(zhuǎn)向燈、倒車燈、剎車燈等燈具;4)車門控制節(jié)點：控制車門的開關(guān)輸入及玻璃升降電機的輸出。節(jié)點的分類及功能如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件電路設計

硬件通訊電路部分由單片機AT89S52、CAN控制器SJAl000、CAN收發(fā)器PCA82C250連接組成。任何類型的節(jié)點其硬件設計中都由該通訊電路和接口電路組成，CAN控制器及收發(fā)器與單片機連接電路如圖2所示。為使總線上有信號時，系統(tǒng)能夠快速響應，單片機與SJAl000采用獨立的晶振。SJAl000的晶振頻率為16 MHz，單片機的晶振頻率為12 MHz，這樣可使CAN控制器接收或發(fā)送數(shù)據(jù)速度快于單片機的處理速度，總線傳來的數(shù)據(jù)或待發(fā)送到總線的數(shù)據(jù)可暫存于SJA1000的緩沖器中，等待單片機處理或自動向總線發(fā)送。

2.1 上位機轉(zhuǎn)換節(jié)點接口電路

上位機轉(zhuǎn)換節(jié)點中，接口電路的功能主要是將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為符合RS232電平協(xié)議的數(shù)據(jù)，可供上位機串口接收。由于單片機輸出的數(shù)據(jù)中邏輯電平 “1”和“0” 分別用5 V和O V表示，而]RS232電平的邏輯“0”電平范圍為-5～15 V，邏輯“1”的電平范圍是+5～+15 V，因此這里選用MAX232進行電平轉(zhuǎn)換，完成上位機轉(zhuǎn)換節(jié)點接口電路的功能，圖3所示為上位機轉(zhuǎn)換節(jié)點接口電路。

2.2 開關(guān)控制節(jié)點接口電路

開關(guān)控制節(jié)點中，接口電路的功能主要是將節(jié)點電器中的多路開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并且實現(xiàn)由車載電源12 V到單片機使用的5 V電源的轉(zhuǎn)換。該接口電路選用的74HC244是一款CMOS型8位總線收發(fā)器，主要用在開關(guān)的輸入時，開關(guān)和SJA1000共用單片機P0端口時的切換;電源轉(zhuǎn)換主要通過穩(wěn)壓管LM7805實現(xiàn)。圖4為開關(guān)控制節(jié)點接口電路。

2.3 車燈控制節(jié)點接口電路

車燈控制節(jié)點中，接口電路的功能主要是實現(xiàn)通過CAN總線的傳輸數(shù)據(jù)控制車燈功率電器。從單片機引腳流出的電流很小，無法直接驅(qū)動車燈，若采用驅(qū)動電路和繼電器來完成車燈的驅(qū)動作用，必然會導致車燈控制節(jié)點偏大，不夠?qū)嵱煤兔烙^。該接口電路選用MC33888器件。該器件內(nèi)部集成有4路高端驅(qū)動器和8路繼電器或發(fā)光二極管驅(qū)動器，是一個可控制網(wǎng)絡，具有在線診斷、與微控制器通信報錯能力及故障軟化等優(yōu)點。圖5所示為車燈控制節(jié)點接口電路。

2.4 車門控制節(jié)點接口電路

車門控制節(jié)點接口電路的功能和車燈控制節(jié)點接口電路的功能類似，也是將單片機輸出的小電流信號轉(zhuǎn)換成可驅(qū)動大功率電器的電信號，完成相應工作。該電路采用 MC33887器件。該器件功耗低，在等待模式下電流為25 mA，輸出電流超過8 A自動短路關(guān)斷。圖6為車門控制節(jié)點接口電路。

3 系統(tǒng)軟件設計

任何CAN總線系統(tǒng)的通信協(xié)議都由物理層協(xié)議、數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議和應用層協(xié)議組成。SJAl000和PCA82C250的硬件結(jié)構(gòu)保證了協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。對于應用層，在不同的應用領(lǐng)域，人們制定了不同的協(xié)議，包括CANopen、DeviceNet及SAE J1939等。應用層協(xié)議決定了CAN總線系統(tǒng)的可擴展性。將CAN應用層合理分配后應用于軟件結(jié)構(gòu)中可提高軟件的兼容性。[!--empirenews.page--]

本設計各類節(jié)點可將程序分為主程序和子程序。主程序的目的是監(jiān)控本節(jié)點中各電器的狀態(tài)，采用查詢方式編程：子程序分為接收子程序和發(fā)送子程序，采用模塊化編程，將節(jié)點的功能分成各種模塊并形成文件，在編寫各節(jié)點程序時直接調(diào)用各個模塊程序函數(shù)即可。這里參考SAE J1939的編碼規(guī)則對CAN系統(tǒng)的應用層進行分配，并介紹各節(jié)點的軟件結(jié)構(gòu)。

3.1節(jié)點主程序

上位機轉(zhuǎn)換節(jié)點主程序的作用是：查詢總線上的數(shù)據(jù)，并將依據(jù)CAN協(xié)議的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為依據(jù)RS232電平標準的數(shù)據(jù)。圖7為上位機轉(zhuǎn)換節(jié)點流程：開關(guān)控制節(jié)點主程序用于查詢開關(guān)的閉合或斷開狀態(tài)并將開關(guān)狀態(tài)存儲到單片機的寄存器中。圖8所示為開關(guān)控制節(jié)點的程序流程，其車燈控制節(jié)點主程序用于查詢 CAN總線上的數(shù)據(jù)以控制相應的電器。圖9所示為車燈控制節(jié)點的程序流程，其車門控制節(jié)點既要查詢開關(guān)的狀態(tài)存人單片機，又要查詢CAN總線的數(shù)據(jù)控制相應的電機，其主程序包含開關(guān)控制節(jié)點和車燈控制節(jié)點主程序的功能。

3.2 節(jié)點子程序

接收子程序的作用是將CAN總線上傳來的數(shù)據(jù)存儲到單片機中合適的位置，需要用時，CPU直接從該位置查詢即可。在運行接收函數(shù)前，需先檢查 CAN控制器 SJAl000的寄存器中是否有傳來的數(shù)據(jù)，如果有則運行此程序;如果無，則放棄或繼續(xù)查詢。發(fā)送子程序的作用是將所要發(fā)送的數(shù)據(jù)包裝并發(fā)送到CAN控制器。在主程序中，系統(tǒng)不斷查詢SJAl000的狀態(tài)，一旦空閑，CPU將待發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN控制器。

4 結(jié)束語

通過對基于CAN總線的車身電器控制系統(tǒng)的整體優(yōu)化設計，得出結(jié)論：對車身節(jié)點進行優(yōu)化后，資源得到合理使用，并增強了節(jié)點的實用和美觀性，使節(jié)點的接口電路設計更加靈活。本方案側(cè)重于對實驗臺實用性的改進。通信過程中存在的干擾、基于時間觸發(fā)的CAN(即TTCAN)的應用問題尚待進一步的研究。