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案例详细
标题基于CAN总线在汽车中的应用研究
技术领域
行业
简介随着现代汽车新技术的飞速发展，车辆安全系统和舒适系统的不断完善，用于车辆中的电气设备越来越多。针对国产轿车车身控制模块的多子系统分别工作、智能化程度低、功能可扩展性差的现状,提出了基于高层协议的分布式模块化控制器局域网 CAN 总线控制解决方案。本文阐述了CAN总线协议及其技术特点。结合应用实例，分析了CAN总线技术在汽车中的应用优势，并对系统的总体结构，数据传输方式以及控制过程进行了详细的描述，并完成节点电路设计，协议定义及软件实现,试验验证了其可行性。
内容
1：引言
        计算机控制系统的发展在经历了基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表控制系统、集中式数字控制系统以及集散控制系统(DCS )后，随着微处理器技术和集成电路技术的飞速发展，到了现在的现场总线控制系统。现场总线也被称为自动化领域的计算机网络，是当今自动化领域技术发展的热点之一，它标志着控制技术进入了一个新的时代。现场总线以总线为纽带，将现场设备连接起来成为一个能够相互交换信息的控制网络，是一种双向串行多节点数字通信的系统。CAN总线也是现场总线的一种，被广泛应用于汽车的控制系统、自动控制、楼宇自动化、医学设备等各个领域。
 
2：CAN总线简介
        CAN是控制器局域网络(Controller Area Network)的简称，它是由德国的Bosch公司及几个半导体生产商开发出来的，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。
CAN总线有如下基本特点：
◎ CAN总线为多主站总线，各节点可在任意时刻向网络上的其他节点发送信息，不分主从，通信灵活；
◎ CAN总线采用独特的非破坏性总线仲裁技术，优先级高的节点优先传送数据，可满足实时性要求；
◎ CAN总线具有点对点、一点对多点及全局广播传送数据的功能；
◎ CAN总线采用短帧结构，每帧有效字节数最多为8个，数据传输时间短，并有CRC及其他校验措施，数据出错率极低；
◎ CAN总线上某一节点出现严重错误时，可自动脱离总线，而总线上的其他操作不受影响；
◎ CAN总线系统扩充时，可直接将新节点挂在总线上，因而走线少，系统扩充容易，改型灵活；
◎ CAN总线最大传输速率可达1Mb/s（此时通信距离最长为40m），直接通信距离最远可达10km（速率5kbps以下）；
◎ CAN总线上的节点数主要取决于总线驱动电路。在标准帧（11位报文标识符）可达110个，而在扩展帧（29位报文标识符）其个数几乎不受限制。
 
3： CAN总线控制系统的网络构建原理
        CAN总线是一种串行总线式的通信网络。与其他串行式网络所不同的是，CAN总线采用了带优先级的CSMA/CD协议对总线进行仲裁，所以，CAN总线构建的网络允许网络上的节点同时发送信息，这样，CAN总线既可以构成多主结构的系统，保证了系统设计的可靠性，也能保证信息处理的实时性。此外，CAN总线采用短帧结构，且它的每帧信息都有CRC校验，这样就能够保证很低数据传输出错率。CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检测、优先级判别等工作.CAN总线控制系统的网络拓扑原理图如图1所示，网络通信介质采用双绞线。总线的每个末端接有终端电阻RT以抑制信号反射，采用双绞线为通信介质时，一般选取Rt＝ 100～120欧姆。在实际组建网络时，图中在参数D, S根据现场的情况来确定。节点分支的长度D应小于3米，而相邻节点的距离S则要取决于总线的通信速率，一般说速率越高，其允许值也就越小。根据CAN的国际标准IS011898的建议，在总线位速率为1 Mbps时，S的值应小于40m，而当总线速率在5Kbps以下时，则可达10Krn。设计CAN总线的串行网络主要是考虑其网络扩展容易，增删节点方便且成本较低等因素。系统的工作过程如下:系统上电复位后，CAN通信接口卡接收到PC机的数据后，便向总线上的各个节点传播。CAN总线上的节点与被控对象(图中未画出)相连，当它接收到PC机的数据后，则对被控对象作相应的操作。当CAN总线节点有数据向总线发送时，便通过收发器把数据发到物理总线，或传送到其它节点，或经CAN通信板卡传送到上位机。


图1  CAN控制系统的网络拓扑原理图

4：基于AT89S8252 的汽车计算机控制
4.1 AT89S8252芯片简介
        美国ATMEL公司的89系列单片机在内部功能和引脚上与MCS-51单片机兼容，而内部程序存储器采用FLASH存储器，因而也称FLASH单片机。这是一个十分有特色的单片机系列。它源于51而又优于51。因此对熟悉51系列的用户来说，用89系列单片机取代51系列是轻而易举的事。在89系列单片机中有一款非常优秀的单片机――AT89S8252,它几乎囊括了目前单片机的全部功能是ATMEL89系列中最高档的单片机。

AT89S8252的特点
AT89S8252除具有89系列所共有的特性,如与80C51插座兼容;静态时钟方式等,还增加了以下功能:
▲ 8KFLASH程序存储器有可下载功能,其下载功能是由PC通过AT89S8252的串行外围接口SPI执行的。
▲ 除了8KFLASH存储器之外,它还含有一个2K的EEPROM,从而提高了存储容量。
▲ 含有9个中断响应的能力。
▲ 含有SPI接口。
▲ 含有WATCHDOG定时器。

▲ 含有双数据指针。
▲ 含有从电源下降的中断恢复。
如此这些使得89S8252成为目前以51为核心的单片机中功能较强,性价比较高的。
 
4．2 车身控制系统的介绍与拓扑结构

        车身控制模块的控制功能包括遥控中央门锁和防盗、电动车窗玻璃升降器、内外灯、雨刮、后窗和后视镜加热控制、电动座椅和空调等。为了达到舒适、安全和方便的目的，同时随着车上网络技术的发展，集成了上述功能的全部或部分的车身控制模块逐渐应用于高档轿车，提高了汽车的使用性能。本文的车身控制模块功能包括遥控中央门锁和防盗、电动车窗玻璃升降器、内外灯、雨刮、后窗和后视镜加热控制。其结构包括中央控制模块、主驾门模块和其他三个门模块。五个模块之间采用波特率小于125k的低速双线CAN总线通讯。可以通过独立的或集成在仪表模块中的网关，将车身控制模块系统连接到高速的动力传动总线，从而获得车速信号、发动机转速信号和安全气囊触发信号,或者自接从仪表模块获得车速信号、发动机转速信号，从碰撞传感器获得碰撞信号，从变速器获得档位信号。使用总线连接可实现一些智能化的控制:当空调打开后或遥控闭锁后，车身控制系统自动将所有车窗升到顶:车速超过30km/h时，自动将车门锁定:一旦发生碰撞事故，在气囊打开的同时解锁所有车门，便于车内驾乘人员逃生。车身控制模块CAN总线结构如图2所示。


图2 车身控制模块CAN总线结构

4．3电路框图

a: 主控单元硬件框图（图3）


图3  主控单元硬件框图

b: 受控单元硬件框图（图4）


图4  受控单元硬件框图

C: 门控单元硬件框图（图5)


图5  门控单元硬件框图

4．4 CAN总线系统智能节点设计

        网络中的节点是信息接收和发送站，根据接受的信息和本地采集的信息完成相应的控制。简化的CAN节点是一个单芯片，可以直接将采集到的管脚电平和AD信号并转化为CAN报文远程传送，在网络中充当一个沉默的网关。这种装置对于驱动远程感应器、执行器或采集数字和模拟数据都非常理想，它们能够被看作中央微控制器的远程附件。


图6 CAN总线系统智能节点硬件电路原理图

       本硬件电路设计中，采用ATMEL AT89S8252作为MCU, Philips SJA1000作为CAN控制器，Philips TJA1050作为总线驱动器。从图6可以看出，电路主要由上述三部分组成。微处理器AT89S8252负责SJA1000的初始化，通过SJA1000实现数据的接受和发送的等通信任务。SJA1000的AD0-AD7连接到AT89S8252的P0口，片选CS连接到AT89S8252 P2.l。P2.7为0时，CPU片外存贮器地址可选中SJA1000 。CPU通过这些地址可对SJA1000执行相应的读写操作。SJA1000的RD, WR, ALE分别与AT89S8252的对应引脚相连，INT接AT89S8252的INT0,  AT89S8252也可通过中断方式访问SJA1000。
        TJA1050是CAN协议控制器和物理总线之间的接口，应用在波特率范围在60k到1M的高速自动化应用中。TJA1050可以为总线提供不同的发送性能，为CAN控制器提供不同的接收性能，完全与ISO11898标准兼容。TJA1050有一个电流限制电路，保护发送器的输出级，使由正或负电源电压意外造成的短路不会对TJA1050造成损坏。TJA1050还有一个温度保护电路，当与发送器的连接点的温度超过大约165 摄氏度时，会断开与发送器的连接。当总线短路时，尤其需要这个温度保护电路。为了提高电磁兼容性，采用了终端分解结构。CAN总线系统智能节点硬件电路原理图如上图6所示。
        在实际应用中，CAN总线大都用在如汽车和工业现场控制等的环境中，环境对电路的影响很大，所以为减少这些干扰，在设计CAN总线的节点时，通常在电路中使用高速光祸，如6N137等，使SJA1000的TX0与RX0不直接与TJA1050的TXD和RXD相连，而是通过高速光藕与TJA1050相连，这样就能很好地实现总线上各CAN节点间的电气隔离。同时还必须指出的是，光祸部分所采用的两个电源VCC和VDD必须完全隔离，否则光祸也就失去了意义，即无法达到隔离的目的。
4．5 CPU电源设计

        CPU的5V电源采用LM2575进行DC/DC转换把12V的蓄电池电源转换为SV的MCU控制的电源。LM2575的ON /OFF用来和MC33993的WAKE引脚相连,当外部开关动作时WAKE引脚为低，使LM2575正常工作，当无开关动作时，LM2575停止工作，从而减少损耗。


图7  CPU电源设计原理图

4．6  软件设计

       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8和图9所示。其中图9 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及单元软件流程图与此类似,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。


图8 　总的系统软件流程图

5：结束语
       CAN总线以其高通信速率、高性价比以及网络构建的灵活性等诸多特点，成为目前最为流行的现场总线之一。随着集成CAN协议的各种器件的不断推出，CAN总线的应用范围已不再局限于汽车工业，它涉及的应用领域已扩展到医疗器件、传感器技术、数据采集系统以及楼宇自动化和工业控制中。由此可见，CAN总线的应用前景十分广阔。
 
参考文献
【1】饶运涛,邹继军 现场总线CAN原理与应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.6.
【2】刘梅    基于CAN总线的汽车车身控制系统的研究与设计  合肥工业大学  2005-07
【3】 周震   基于CAN总线的车身控制模块.   南京航空航天大学   2005-07
【4】 王箴.CAN总线在汽车中应用[N]. 中国汽车报，2004.9.20（28）.
【5】戴西槐 朱建新等  基于CAN总线的EV电控系统通信的设计与开发.  电子技术应用网
【6】马忠梅  籍顺心 单片机的C语言应用程序设计. 北京航空航人大学出版社1999