如何設(shè)計(jì)基于CAN/LIN總線的車身網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)？

1 前言

隨著汽車電子技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對汽車安全性、可靠性的要求也越來越高，為了解決由汽車電子元器件的增加而帶來的通信問題，這就要求采用一種高速、多路、共享的汽車通信網(wǎng)絡(luò)。

目前，已經(jīng)開發(fā)出多種總線，如CAN(Controller Area Network)控制器局域網(wǎng)[1]，LIN(Local Interconnect Network)局域互聯(lián)網(wǎng)[2]，F(xiàn)lexRay，Most等。但CAN和LIN構(gòu)成目前汽車上最廣泛的總線形式。

2 CAN總線介紹

20世紀(jì)80年代末，德國博世公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多控制單元、測試儀器之間的實(shí)時數(shù)據(jù)交換而開發(fā)了一種串行通信協(xié)議CAN[1]，并使其成為國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO11898)。到目前為止，世界上已擁有20多家CAN總線控制器芯片生產(chǎn)商，110多種CAN總線協(xié)議控制器芯片和集成CAN總線協(xié)議控制器的微控制器芯片。

CAN總線由于采用了獨(dú)特的設(shè)計(jì)和新的技術(shù)，與一般的通信總線相比，它具有突出的可靠性、實(shí)時性和靈活性。CAN采用多主工作方式，成本低，且具有極高的總線利用率;CAN總線具有可靠的錯誤處理和檢錯機(jī)制，采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，受干擾的概率低;采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，節(jié)點(diǎn)在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動退出功能。

3 LIN總線介紹

1998年，Audi、Motorola、BMW、DaimlerChrysler 、VCT、Volvo和Volkswagen七家公司聯(lián)合提出了新型A類總線[3-5]——LIN(Local Interconnect Network)。LIN是一種低成本短距離的低速網(wǎng)絡(luò)，它旨在傳送開關(guān)設(shè)置和傳感器輸入等狀態(tài)的變化，并對這種變化做出響應(yīng)，因此它只適用于對傳送時間要求不高的低速事件，并不適用于發(fā)動機(jī)控制等高速事件。

LIN總線有其獨(dú)特的特點(diǎn)，它成本低，基于通用的UART/SCI接口;LIN的傳輸速率可高達(dá)20Kb/s，總線長度最大可以達(dá)到40m;采用單主多從模式，不需要總線仲裁;在從節(jié)點(diǎn)中不需要晶體振蕩器和陶瓷振蕩器時鐘就能實(shí)現(xiàn)自同步：可預(yù)先計(jì)算確定性信號的傳播時間;無需改變LIN從節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件就可以在網(wǎng)絡(luò)上增加或刪除節(jié)點(diǎn)等。

3整車系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

整車系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)以CAN總線為主，LIN總線為輔，CAN和LIN在汽車通信網(wǎng)絡(luò)中相互結(jié)合應(yīng)用共同構(gòu)架汽車整車系統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)。汽車上各個控制系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)信息的傳輸延遲比較敏感，如發(fā)動機(jī)控制、變速箱控制、安全氣囊控制、ASR/ABS/ESP控制、牽引力控制等對網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)膶?shí)時性要求較高，需要采用高速CAN總線，其傳輸速率高達(dá)500kbps～1Mbps;空調(diào)控制、儀表控制、雨刷控制、照明控制、門窗控制等需要采用低速LIN總線，其傳輸速率為20kbps。低速LIN總線對信息傳輸?shù)膶?shí)時性要求不高，但子系統(tǒng)數(shù)量較多，將這些低速子系統(tǒng)與高速子系統(tǒng)分開，有利于保證高速子系統(tǒng)的實(shí)時性，同時還可以降低成本。基于上述考慮，汽車整車CAN/LIN總線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

CAN和LIN總線相互獨(dú)立，通過主控制器(CAN/LIN網(wǎng)關(guān))進(jìn)行數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)交換。主控制器也是整車管理系統(tǒng)的核心，它的主要功能就是分析處理各種信息并發(fā)出指令，還起到協(xié)調(diào)汽車各個控制單元及電器設(shè)備工作的作用。

4 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

4.1 CAN/LIN接口設(shè)計(jì)

CAN/LIN網(wǎng)絡(luò)中有很多的CAN節(jié)點(diǎn)和LIN節(jié)點(diǎn)，它們通過一個CAN/LIN接口網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)CAN/LIN網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通信。CAN/LIN總線接口設(shè)計(jì)如圖2所示，通過CAN/LIN總線的接口，CAN、LIN數(shù)據(jù)通過中央控制器可以相互轉(zhuǎn)換，當(dāng)LIN數(shù)據(jù)幀需要傳輸?shù)紺AN網(wǎng)絡(luò)時，控制器網(wǎng)關(guān)收到LIN總線數(shù)據(jù)幀后就會將LIN標(biāo)志符轉(zhuǎn)換成CAN標(biāo)志符，這樣數(shù)據(jù)就從LIN總線傳輸?shù)搅薈AN總線，反之?dāng)?shù)據(jù)也可以從CAN總線傳輸?shù)絃IN總線。

4.2 CAN通信網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)

為CAN總線通信接口卡電路原理圖，系統(tǒng)采用P87C591芯片作為主控制器。電控單元的微控制器(P87C591)通過數(shù)據(jù)總線經(jīng)過光電隔離器(6N137)與CAN總線控制器(SJA1000)直接相連。CAN總線控制器帶有一個接收緩沖器和一個發(fā)送緩沖器，CAN總線控制器的發(fā)送端口Tx0，接受端口Rx0、Rx1分別與CAN總線發(fā)送接收器的TxD、RxD、Vref端口直接相連，CAN總線的兩條差分接收發(fā)送線CAN_L和CAN_H各接一個120 的總線匹配電阻。當(dāng)CAN總線被某個節(jié)點(diǎn)占用的時候，該節(jié)點(diǎn)的發(fā)送端接CAN_H，電平為3.5V，接收端接CAN_L，電平為1.5V，當(dāng)CAN總線空閑時，CAN_H和CAN_L上的電平均為2.5V。

系統(tǒng)采用PCA82C250作為CAN控制器P87C591和物理層總線間的接口，提供對總線發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。使用PCA82C250還可以提高系統(tǒng)得抗干擾能力，保護(hù)總線，降低射頻干擾，實(shí)現(xiàn)熱防護(hù)等。

為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，選用高速光電隔離芯片6N137構(gòu)成隔離電路，將微控制器P87C591的I/O信號與SJA1000隔離，以提高系統(tǒng)的可靠性。

4.3 LIN通信網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計(jì)

LIN節(jié)點(diǎn)的硬件接口電路主要包括微控制器P87LPC76X，LIN收發(fā)器MC33399和電源調(diào)整電路。P87LPC76X采用80C51加速處理器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行速度是標(biāo)準(zhǔn)80C51MCU的2倍。微控制器由TX0向MC33399的TXD發(fā)送數(shù)據(jù)，MC33399的RXD向微控制器的RX0發(fā)送數(shù)據(jù)。該電路采用Wake引腳輸入開關(guān)喚醒方式，其中5V外部穩(wěn)壓器是可控的。由于該電路內(nèi)部在LIN引腳與電源引腳集成了電阻和串聯(lián)二極管，所以總線從節(jié)點(diǎn)不需要其它外置元件。但對于主節(jié)點(diǎn)，則必須在外部增加 的電阻，并且要串聯(lián)一個二極管以防止電池?cái)嚯姇rMC33399通過總線供電。

4.3 CAN/LIN總線軟件設(shè)計(jì)

CAN通信接口模塊程序主要包括三部分：初始化子程序、發(fā)送子程序(包括中斷服務(wù)程序)和接收子程序。程序開始時即進(jìn)入程序初始化，進(jìn)入初始化程序有三種方式：一是硬件復(fù)位;二是軟件復(fù)位;三是上電復(fù)位。初始化程序會對所有的報(bào)文對象進(jìn)行初始化操作(所有值設(shè)置為0)。初始化結(jié)束之后，程序開始讀取開關(guān)狀態(tài)，進(jìn)入CAN發(fā)送子程序，在CAN發(fā)送子程序中，只有當(dāng)發(fā)送緩沖器為空時才可以發(fā)送數(shù)據(jù)，否則將會等待直到發(fā)送緩沖器為空。接收子程序從接收緩沖器中讀取接收數(shù)據(jù)，經(jīng)程序處理后即可接收。

LIN通信接口模塊程序也主要包括三部分：LIN初始化子程序、發(fā)送子程序(包括中斷服務(wù)程序)和接收子程序。在初始化階段，對LIN收發(fā)器進(jìn)行配置并將協(xié)議處理其變量賦初值。同CAN主節(jié)點(diǎn)軟件發(fā)送子程序一樣，只有在發(fā)送緩沖器為空時才可以發(fā)送數(shù)據(jù)。中央控制器節(jié)點(diǎn)是LIN總線的主節(jié)點(diǎn)，其他的都為從節(jié)點(diǎn)，所有的LIN幀都由主節(jié)點(diǎn)發(fā)送，且主節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)LIN節(jié)點(diǎn)的監(jiān)控和管理。