基于CAN總線的汽車開關電器盒設計

0 引 言

隨著現(xiàn)代汽車工業(yè)技術的不斷發(fā)展進步，車上安裝的電子設備在不斷增加，從而使汽車綜合控制系統(tǒng)中，有大量控制信號需要進行實時交換.CAN 總線作為一種可靠的汽車計算機網絡總線，已經被廣泛地推廣到汽車控制系統(tǒng)的各個應用領域.將CAN 總線技術應用到汽車開關電器盒中，可使得各汽車計算機控制單元能夠通過CAN 總線得到開關電器盒中的工作數據，又能對開關電器盒的各個繼電器進行精準的控制，從而達到減少汽車線束.提高通信可靠性.降低系統(tǒng)成本.避免系統(tǒng)功能重復.提高系統(tǒng)工作效率的目的.

1 汽車開關電器盒設計方案

本開關電器盒采用的是基于Microchip 公司生產的PIC18F45K80 芯片作為主芯片的設計方案.該芯片不僅具有一般單片機所具有的全部功能，還集成有硬件CAN 協(xié)議模塊，芯片內部即可完成CAN 總線通信.采用本方案具有以下幾點優(yōu)勢：其一是硬件集成了CAN 協(xié)議模塊，無需外接芯片，從而降低了產品制造成本;二是無需編寫SPI 接口驅動，縮短了開發(fā)周期，提高了產品競爭力;三是本系統(tǒng)使用主流PIC 芯片，具有強大的可擴展性，程序可移植性高.

PIC18F45K80 為主控制芯片，負責系統(tǒng)的綜合事務處理.

系統(tǒng)功能主要分為四大部分，分別是模擬信號采樣.數字信號采集.控制信號輸出和CAN 模塊通信.模擬信號的采集包括電源電壓采樣.溫度傳感器和電流傳感器采樣.數字信號采集各個熔斷保險絲的通斷.控制信號的輸出是對整車電源繼電器K1.啟動電源繼電器K2.啟動電機繼電器K3 的控制.CAN模塊通信是單片機通過CAN 接口芯片與車上的其他設備進行通信，也是本系統(tǒng)研究的重點.圖1 所示是本系統(tǒng)的整體框圖.

2 汽車開關電器盒的硬件設計

2.1 系統(tǒng)主處理器PIC18F45K880

PIC18F45K80 系列是Microchip 的PIC18F8680.PIC18F4680 和PIC18F4580 增強型CAN 系列產品的低成本擴展產品.該單片機工作電壓范圍寬，為1.8~5.5 V,且片上內置3.3 V 穩(wěn)壓器， 可作為電源基準電壓.工作溫度范圍大：-40~+125 ℃，適合汽車工作環(huán)境.工作速度最高達64 MHz,具有最大64 KB 的片內閃存程序存儲器，1 024 字節(jié)的數據EEPROM,3.6 KB 的通用寄存器(SRAM).設有2 個內部振蕩器：INTRC (31 kHz) 和INTOSC(16 MHz).帶擴展的看門狗定時器(WatchdogTimer, WDT)，可編程周期為4 ms~131 s.

PIC18F45K80 包含一個增強型控制器局域網(EnhancedController Area Network ,ECAN) 模塊. ECAN 總線模塊符合ISO 11898-1 規(guī)范.具有3 種工作模式：傳統(tǒng)模式( 與現(xiàn)有PIC18CXX8/FXX8 CAN 模塊完全向下兼容).增強模式.FIFO 模式或可編程發(fā)送/ 接收緩沖區(qū).報文比特率最高可達1 Mb/s,具有6 個緩沖區(qū)可用作接收和發(fā)送報文緩沖區(qū)，3 個帶有優(yōu)先級的發(fā)送報文緩沖區(qū)，2 個接收報文緩沖區(qū)和1 個接收報文組合緩沖區(qū).

2.2 CAN 接口電路模塊設計與實現(xiàn)

本開關電器盒采用的是恩智浦半導體公司CAN 總線收發(fā)器芯片TJA1050 作為CAN 協(xié)議控制器和物理總線之間的接口.

TJA1050 可以為總線提供不同的發(fā)送性能，為CAN 控制器提供不同的接收性能.TJA1050 完全符合ISO11898 標準，傳送速度高( 最高可達1M 波特).具有良好的電磁兼容性和低電磁輻射(EME) 性能，并帶有寬輸入范圍的差動接收器，可抗電磁干擾(EMI).

圖2 所示是TJA1050 的接口應用電路.電路中的一個120 俚牡繾R9,對于匹配總線阻抗起著相當重要的作用，否則，數據通信的抗干擾性和可靠性將大大降低，甚至無法通信.

2.3 信號采集及輸出控制電路設計

汽車的各種電氣工作狀態(tài)檢測是開關電器盒的重要工作職能之一，主要是由保險絲狀態(tài)采集電路.電源電壓和溫度采集電路.啟動電動機電流檢測電路組成.

汽車保險絲的工作狀態(tài)檢測.為了可靠.準確地檢測各保險絲的通斷情況，本系統(tǒng)采用了光耦隔離的方式檢測保險絲的通斷.該電器盒共有充電保險絲.暖風1~2 保險絲.開關電源保險絲.常火電源保險絲.ON 檔1~10 號保險絲.?；?~8 號保險絲等共24 路保險絲.保險絲檢測采用了光耦隔離的檢測方式，避免車上其他用電設備對電器盒系統(tǒng)的干擾.

開關電器盒需對電源電壓進行實時監(jiān)測.通過電壓監(jiān)測來實現(xiàn)高壓.低壓和發(fā)電機充電異常等三種異常報警：電壓過高報警是當電壓超過32 V 時，通過CAN 總線向儀表發(fā)出系統(tǒng)電壓過高報警;低電壓報警則是在車輛未啟動時，當系統(tǒng)電壓低于設定值23.5 V 時，要發(fā)出低電壓報警，同時超過4 min切斷電源總開關;發(fā)電機充電異常報警是指車輛啟動后，如充電正常，則當前電源電壓應大于26 V,如充電異常( 電源電壓超過32 V 或低于26 V)，則通過CAN 總線向儀表發(fā)出報警.

由于電壓報警僅需檢測3 個電壓值，為降低系統(tǒng)成本，本設計采用電阻分壓的方式來進行檢測.

本開關電器盒需檢測電器盒內的溫度，并通過CAN 總線將溫度數據發(fā)給儀表.系統(tǒng)采用的是3899 200K 的NTC( 負溫度系數熱敏電阻) 來檢測溫度，通過與一標準電阻分壓后采樣AD 值，最后根據阻值- 溫度表格查得實際測量溫度值.

另外就是啟動電動機電流檢測.汽車啟動系統(tǒng)將蓄電池電能轉化為機械能，由啟動機帶動發(fā)動機旋轉并啟動發(fā)動機.汽車在啟動時，啟動電動機的工作電流非常大，一般可達300~600 A.為防止啟動電機的過電流對汽車電瓶及其他電路造成損壞，對啟動電動機加入了電流檢測電路.系統(tǒng)中選用了BYD BLY2-IOV2M電流傳感器，在開關電器盒中采用金屬銅片穿過電流傳感器腔體.該傳感器采用霍爾效應的測量原理，完全隔離式的測量方法，具有低功耗.寬測量范圍等特點.

3 汽車開關電器盒的軟件設計與實現(xiàn)

本開關盒電器軟件主要由兩大部分組成，包括用戶功能定義設計和CAN 驅動程序設計，其程序整體架構圖如圖3 所示.

圖3 中的用戶功能定義程序主要包括過壓監(jiān)測.欠壓監(jiān)測.保險絲斷路監(jiān)測.過流監(jiān)測.蓄電池充電監(jiān)測.模塊自檢等.

SAE_J1939 協(xié)議驅動程序主要作用是對CAN 模塊中的接收緩存的CAN 報文加以解析以及對發(fā)送緩存中的CAN 報文加以翻譯.