如何設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)基于單片機(jī)的客車(chē)CAN總線燈光節(jié)點(diǎn)？

引言

CAN(Controller Area Network)是德國(guó)Bosch公司最先提出的，是目前汽車(chē)控制器局域網(wǎng)中最流行、最常用的總線。它的主要特點(diǎn)是：CAN總線為多主站總線，各節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，不分主從，通信靈活;CAN總線采用獨(dú)特的非破壞性總線仲裁技術(shù)，優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)先傳送數(shù)據(jù)，能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求;CAN總線具有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播傳送數(shù)據(jù)的功能;CAN總線上每幀有效字節(jié)數(shù)最多為8個(gè)，并有CRC及其他校驗(yàn)措施，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低，某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤，可自動(dòng)脫離總線，總線上的其他操作不受影響;CAN總線只有2條導(dǎo)線，系統(tǒng)擴(kuò)充時(shí)可直接將新節(jié)點(diǎn)掛在總線上，因此走線少，系統(tǒng)容易擴(kuò)充，改型靈活;CAN總線傳輸速度快，在傳輸距離小于40 m時(shí)，最大傳輸速率可達(dá)1 Mb/s。CAN總線的應(yīng)用不僅能簡(jiǎn)化線束，實(shí)現(xiàn)傳感器共享，降低系統(tǒng)成本，而且能大大降低車(chē)輛的故障率。CAN總線在汽車(chē)上的應(yīng)用是現(xiàn)代汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

2 CAN總線在汽車(chē)中的應(yīng)用

目前，汽車(chē)中的網(wǎng)絡(luò)連接主要采用2條CAN總線，一條是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高速CAN總線，速率達(dá)500 kb/s，另一條是車(chē)身系統(tǒng)的低速CAN總線，速率是100 kb/s。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的CAN主要連接對(duì)象是發(fā)動(dòng)機(jī)控制器(ECU)、ASR及ABS控制器、安全氣囊控制器、組合儀表等，其基本特征相同，都是控制與汽車(chē)行駛直接相關(guān)的系統(tǒng)。車(chē)身系統(tǒng)的CAN主要連接對(duì)象是4門(mén)以上的中控門(mén)鎖、電動(dòng)車(chē)窗、后視鏡和車(chē)廂內(nèi)照明燈等。有些先進(jìn)的轎車(chē)除了上述2條CAN總線外，還會(huì)有第3條CAN總線，它的主要連接對(duì)象是衛(wèi)星導(dǎo)航及智能通信系統(tǒng)。

在國(guó)外尤其是在歐洲，CAN已成為現(xiàn)代汽車(chē)中必不可少的裝置，CAN總線技術(shù)正日趨成熟，應(yīng)用也越來(lái)越廣，奔馳、寶馬、大眾、沃爾沃、雷諾等汽車(chē)都采用CAN作為控制器聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)。國(guó)內(nèi)對(duì)CAN總線的研究剛剛起步，到目前為止還沒(méi)有較成功的應(yīng)用。但我國(guó)對(duì)車(chē)輛局域網(wǎng)絡(luò)總線技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)非常重視，最近國(guó)家有關(guān)部門(mén)對(duì)CAN總線在豪華大客車(chē)上的應(yīng)用做出明確規(guī)定。相信這一政策的出臺(tái)必將大大促進(jìn)相關(guān)企業(yè)和科研單位對(duì)汽車(chē)CAN總線的研究與開(kāi)發(fā)應(yīng)用。本文討論客車(chē)車(chē)身CAN總線系統(tǒng)中的車(chē)燈節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，它屬于低速CAN總線上的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。

3 單片機(jī)及其CAN總線模塊

NEC是僅次于Freescale的世界第二大車(chē)用單片機(jī)制造商，由于其在中國(guó)推廣的比較晚，國(guó)內(nèi)企業(yè)使用得并不多。CAN總線模塊是μPD780822型單片機(jī)的一個(gè)外設(shè)，是一個(gè)完整的CAN控制器?？蓾M(mǎn)足車(chē)身CAN總線網(wǎng)絡(luò)的要求。除了具有CAN的基本功能外，還包括一些特有功能，如時(shí)間同步功能、可編程的CAN總線喚醒和CPU喚醒功能、可編程的總線關(guān)閉時(shí)發(fā)送底層復(fù)位功能等。對(duì)CAN總線的訪問(wèn)分為控制/狀態(tài)寄存器的訪問(wèn)和發(fā)送/接收緩沖器的訪問(wèn)。

CAN控制器發(fā)送的信息幀分為二種：發(fā)送數(shù)據(jù)幀和發(fā)送遠(yuǎn)程幀。有二個(gè)發(fā)送緩沖器，其中一個(gè)為16字節(jié)，一個(gè)為8字節(jié)。16字節(jié)的緩沖器可以存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀二種格式的數(shù)據(jù)幀，8字節(jié)的緩沖器可以用來(lái)存儲(chǔ)要發(fā)送的數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)幀時(shí)，在數(shù)據(jù)寫(xiě)到發(fā)送緩沖器后，如果相應(yīng)的發(fā)送請(qǐng)求位使能，則數(shù)據(jù)被發(fā)送到CAN總線上，數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)可以用軟件設(shè)置成1～8個(gè)字節(jié)。數(shù)據(jù)幀的格式如圖1所示。

CAN控制器接收信息時(shí)首先要將接收信息的標(biāo)識(shí)符與相應(yīng)緩沖器的標(biāo)識(shí)符進(jìn)行比較，只有標(biāo)識(shí)符相同的信息才能被接收。μPD780822型單片機(jī)的CAN模塊有2個(gè)獨(dú)立的發(fā)送緩沖器，2個(gè)緩沖器共用1個(gè)16字節(jié)的數(shù)據(jù)區(qū)來(lái)存儲(chǔ)最多8字節(jié)數(shù)據(jù)的CAN幀。發(fā)送區(qū)和接收區(qū)的結(jié)構(gòu)相似，當(dāng)標(biāo)志位和控制位沒(méi)有設(shè)置為CAN專(zhuān)用時(shí)，CPU可以把其作為普通的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)使用。

控制器接收緩沖器有16個(gè)，接收信息幀時(shí)用的緩沖器區(qū)由信息數(shù)量寄存器(MCNT)決定。從總線上接收的信息被直接存儲(chǔ)在發(fā)送緩沖區(qū)中。工作中沒(méi)有使用的接收緩沖區(qū)可以被CPU作為普通的RAM使用。每個(gè)接收緩沖器都有其可編程的中斷使能位。

4 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)

客車(chē)車(chē)身CAN系統(tǒng)包括主控節(jié)點(diǎn)、燈光節(jié)點(diǎn)、空調(diào)節(jié)點(diǎn)、車(chē)門(mén)節(jié)點(diǎn)和儀表節(jié)點(diǎn)等，如圖2所示。其中，前車(chē)燈節(jié)點(diǎn)控制包括前左、右示廓燈，前左、右位燈，前左、右遇險(xiǎn)報(bào)警燈，前左、右駐車(chē)燈，左、右前照燈遠(yuǎn)光，左、右前照燈近光，前左、右霧燈和前左、右轉(zhuǎn)向燈等16個(gè)控制單位。后車(chē)燈節(jié)點(diǎn)控制包括后左、右示廓燈，后左、右轉(zhuǎn)向燈，后左、右制動(dòng)燈，后左、右位燈，后左、右霧燈和后左、右倒車(chē)燈等12個(gè)控制單位。主控節(jié)點(diǎn)主要接收來(lái)自駕駛員的一些開(kāi)關(guān)輸入信號(hào)。儀表節(jié)點(diǎn)主要通過(guò)接收總線上的數(shù)據(jù)來(lái)控制方向、水溫、機(jī)油壓力、制動(dòng)、車(chē)門(mén)、車(chē)燈、ABS/ARS和除霜等指示燈和控制儀表，以顯示車(chē)速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫、燃油、機(jī)油、電壓、步進(jìn)電機(jī)等數(shù)值?？照{(diào)節(jié)點(diǎn)控制空調(diào)的開(kāi)關(guān)和車(chē)內(nèi)溫度的設(shè)定等。車(chē)門(mén)和后視鏡節(jié)點(diǎn)控制車(chē)門(mén)電磁閥開(kāi)關(guān)、后視鏡調(diào)整開(kāi)關(guān)和后視鏡加熱開(kāi)關(guān)。安全節(jié)點(diǎn)監(jiān)控ABS和ECAS的電源。

5 硬件電路設(shè)計(jì)

燈光節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示，它包括燈光控制模塊和CAN接口模塊。燈光控制模塊由TLP521-4型光電隔離器和BTS442、BTS740型智能開(kāi)關(guān)組成。

TLP521-4是4路光電隔離器，8個(gè)TLP521-4組成32路光電隔離，把傳遞到開(kāi)關(guān)和開(kāi)關(guān)反饋的信號(hào)與單片機(jī)連接起來(lái)。BTS442是Infineon公司生產(chǎn)的單路輸出智能開(kāi)關(guān)(PROFET)，具有允許較大瞬態(tài)電流(140 A以上)和較寬泛的溫度范圍(-55℃～+150℃)等優(yōu)點(diǎn)，6個(gè)BTS442組成6路控制開(kāi)關(guān)，控制大燈和霧燈等6個(gè)大電流負(fù)載。BTS740是lnfineon公司生產(chǎn)的4路輸出智能開(kāi)關(guān)，把輸出的2路并作1路用，使其通過(guò)較大的瞬時(shí)電流。5個(gè)BTS740組成10路控制開(kāi)關(guān)用以控制其余的小電流負(fù)載。BTS442和BTS740都有診斷反饋功能，如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，BTS442的第4引腳和BTS740的第4引腳與第8引腳上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)低電平信號(hào)，通過(guò)光電隔離器把該信號(hào)接入單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)端點(diǎn)檢測(cè)功能，并通過(guò)CAN信息幀反饋到儀表節(jié)點(diǎn)上。所有節(jié)點(diǎn)的硬件CAN接口模塊都相同，包括燈光節(jié)點(diǎn)在內(nèi)。由于這種單片機(jī)帶有CAN總線模塊，所以不需專(zhuān)門(mén)的CAN控制器，單片機(jī)沒(méi)有CAN收發(fā)器，需要外接82C250型收發(fā)器，中間是6N137型光電隔離器。單片機(jī)、光電隔離器和CAN收發(fā)器硬件接口電路如圖4所示。

6 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖5所示。程序采用查詢(xún)方式，節(jié)點(diǎn)初始化并報(bào)告正常工作后將一直處于查詢(xún)狀態(tài)，直到主控節(jié)點(diǎn)發(fā)送的燈光控制命令到達(dá)燈光節(jié)點(diǎn)時(shí)，單片機(jī)才可判斷控制的是哪一路燈光或哪幾路燈光，并通過(guò)開(kāi)關(guān)的診斷反饋功能檢測(cè)相應(yīng)的開(kāi)關(guān)是否正常。如果正常，則向相應(yīng)的高/低端開(kāi)關(guān)發(fā)送相應(yīng)的控制命令，然后回到查詢(xún)狀態(tài)。如果不正常，則向儀表節(jié)點(diǎn)發(fā)送相應(yīng)端點(diǎn)的不正常信息幀，繼續(xù)檢測(cè)相應(yīng)的端點(diǎn)。