北京和利时系统工程有限公司

1  引言

    随着汽车计算机控制技术的不断发展，现代汽车上的计算机控制系统越来越多，联系也越来越紧密。如发动机控制、变速控制、制动防抱死控制、安全气囊控制、照明控制、空调控制、仪表管理等。以前的汽车上这些计算机控制单元之间往往没有通过总线构成网络，而是独立进行控制，或者相关控制单元通过串行口进行联系。现在很多汽车采用CAN（Controller Area Network）总线将它们联系起来，但是现代汽车计算机控制单元多，各控制单元对系统响应时间的要求不一样。有些系统（如制动防抱死控制单元、安全气囊等）对实时性要求很高，系统指令发出以后如果得不到执行器的及时响应，就可能造成严重后果甚至车毁人亡；而有些系统（如照明控制、空调控制等）对系统的响应时间要求就相对较低。
    由于计算机控制单元越来越多，采用单网络CAN总线负荷很重，笔者通过分别构造高、低速CAN网络，对实时性要求高的计算机控制单元采用高速CAN网络传输；其它采用低速CAN网络传输，并采用DSP作为微控制器兼作网关。使得传输线束大大简化，可靠性大大提高。CAN总线是一种串行多主站控制器局域网总线。它具有很高的网络安全性、通讯可靠性和实时性，简单实用，网络成本低，特别适用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。通讯媒体可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，数据传输速率可达 1Mbps（此时通信距离最长为40m）。CAN总线还广泛应用于汽车、船舶、机器人、楼宇自动化等场合。
    自CAN总线问世以来，为满足CAN 总线协议的多种应用需要，相继出现了几种高层协议。目前大多数基于CAN 总线的网络都采用CAN 总线的高层协议。CANopen，DeviceNet 和SDS是通常采用的高层协议，适用于任何类型的工业控制局域网应用场合，而CAL则应用于基于标准应用层通讯协议的优化控制场合，SAEJ1939则应用于卡车和重型汽车计算机控制系统。

2  基于TMS320LF2402A的汽车计算机控制

2.1  TMS320LF2402A
    数字信号处理器（DSP）是一种适合于实现各种数字信号处理运算的微处理器，是专门为快速实现各种数字信号处理算法而设计的、具有特殊结构的微处理器。它们一般具备以下特点：
    (1) 内部采用程序和数据分开的哈佛总线结构；
    (2) 具有专门的硬件乘法器；
    (3) 广泛采用流水线操作；
    (4) 提供特殊的DSP指令集。它相对普通单片机具有运算速度快、集成度高、抗电磁干扰能力强等优点。

    根据汽车计算机控制系统要求高实时性、高可靠性、高抗电磁干扰能力等要求，特采用德州仪器公司（TI公司）开发的TMS320LF2402A芯片作为主微控制器兼做网关，TMS320LF2402A是一种16位定点的DSP，它的时钟频率为40MHz，运算速度为40MIPS，自带 1K字节的RAM，8K字节的闪速存储器（具备安全保护电路），21通用输入输出口（GPIO），分辨率为10位的8路输入A/D转换器，还自带有看门狗定时器。它相对于普通单片机运算速度快，特别适合于像汽车计算机控制等实时性要求很高、电磁干扰严重的场合，而且可以采用高级语言编程（C语言编程），可移植性好。

2.2  系统实现
    目前，汽车计算机控制已经涉及到动力性、经济性、安全性、可靠性、净化性和舒适性等诸多方面，具体包括发动机控制、变速器控制、巡行控制、制动控制、照明控制、空调控制、雨刷控制、仪表管理系统等，而且各种控制系统的电控单元（ECU）相互联系紧密，需要随时进行实时数据通信，CAN总线作为一种极具应用潜力的控制器局域网总线，近年来在汽车计算机控制系统中得到越来越广泛的应用。
    汽车计算机控制系统中的所有这些子控制系统通过CAN总线构成一个实时控制系统网络，各控制单元的指令发出去之后，必须保证在一定时间内得到响应，要不然就有可能发生重大事故，这就要求汽车上的CAN通信网络有较高的波特率设置和可靠性。而且，汽车在实际运行过程中，众多节点之间需要进行大量的实时数据交换。若整辆汽车的所有节点都挂在一个CAN 网络上，这么多节点通过一条CAN总线进行通信，信息管理配置稍有不当，就很容易出现总线负荷过大，将导致系统实时响应速度下降，这在实时系统中是不允许的。因此笔者在对汽车上各节点的实时性进行了分析之后，根据各节点对实时性的要求，设计了高、低速两个速率不同的 CAN 通信网络。将实时性要求严格、可靠性要求高的节点组成高速CAN通信网络，将其它实时性要求相对较低的节点组成低速CAN通信网络，并架设网关将这两个速率不同的CAN通信网络连接起来，实现全部节点之间的数据共享。整辆汽车的通信网络拓扑结构如图1 所示。

    本系统软件由总的系统软件和高（低）速CAN总线网络单元软件组成，软件流程图如图4和图5所示。其中图5高速CAN总线网络单元负责对实时性要求高的发动机控制、变速控制、安全控制和制动防抱死控制（ABS）单元的控制动作的采集和传送，一旦有这些控制单元动作信号，经过微控制器对它们进行处理后将以最快的速度通过高速CAN网络传给相应控制单元的ECU，由控制单元ECU对控制对象进行控制；低速CAN总线网络的控制方法与此类似，但是由于它们的实时性要求相对前者不高，因此它们的传输优先级相对较低。
    在这里只介绍了高速CAN总线网络单元软件流程图，低速CAN总线网络单元软件流程图与此类似。

2.4  抗干扰措施
    考虑到汽车计算机控制的工作条件比较恶劣，电磁干扰严重，在本设计中笔者还加强了防干扰措施：
    (1) 考虑汽车工作环境电磁干扰严重在选用微控制器时特选用自带看门狗定时器的数字信号处理器TMS320LF2402A作为微控制器，并选用4片高速光电隔离芯片6N137，将I/O信号与SJA1000隔离，有效防止了噪声信号通过SJA1000传入微控制器，提高了系统可靠性；
    (2) 本设计还对整个系统进行了金属屏蔽，传输线采用屏蔽双绞线，以减少电磁干扰。试验结果表明，效果明显。

3  结语

    CAN 总线作为一种可靠的汽车计算机网络总线已在许多先进汽车上得到应用，各汽车计算机控制单元能够通过 CAN 总线共享所有信息和资源，达到简化布线、减少传感器数量、避免控制功能重复、提高系统可靠性和维护性、降低成本、更好地匹配和协调各个控制系统的目的。在本设计中采用了数字信号处理器（DSP）TMS320LF2402A作主控制器，它相对于一般普通单片机，具有运算速度快、系统集成度高、电磁兼容性强等优点，用它作微控制器兼作网关，比较大的提高了系统的实时性和可靠性，另外还采用了一些抗干扰措施。
    目前，国外有关这方面研究越来越多也越来越成熟，而国内在这方面的应用研究起步较晚，但是市场潜力很大，相信在不久的将来，随着汽车计算机控制系统数目的不断增加，CAN 总线必定会在国内汽车计算机控制系统网络中得到更广泛应用。