CAN總線技術在汽車電子的應用與實現(xiàn)研究

作者：時間：2008-12-09 來源：網(wǎng)絡

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　　隨著汽車電子技術的不斷發(fā)展，汽車上各種電子控制單元的數(shù)目不斷增加，連接導線顯著增加，因而提高控制單元間通訊可靠性和降低導線成本已成為迫切需要解決的問題。為此以研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)了CAN總線協(xié)議，并使其成為國際標準（ISO11898）。1989年，Intel 公司率先開發(fā)出CAN總線協(xié)議控制器芯片，到目前為止，世界上已經(jīng)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)議控制器的微處理器芯片。在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計算機控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標準總線，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機械車輛設計的J1939協(xié)議。我國的汽車CAN總線技術起步較晚，但隨著現(xiàn)代汽車電子的不斷進步發(fā)展，其研究和應用正如火如荼的進行中。CAN總線是一種串行多主站控制器局域網(wǎng)總線，是一種有效支持分布式控制或實時控制的串性通訊網(wǎng)絡。CAN總線的通信介質可以是雙絞線，同軸電纜或光導纖維，通信速率可達1Mbps/40m，通信距離可達10km/40Kbps。由于其通信速率高，可靠性好以及價格低廉等特點，使其特別適合中小規(guī)模的工業(yè)過程監(jiān)控設備的互連和交通運載工具電氣系統(tǒng)中。CAN總線有如下基本特點：

　　◎廢除傳統(tǒng)的站地址編碼，代之以對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼，可以多主方式工作；

　　◎采用非破壞性仲裁技術，當兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡上傳送數(shù)據(jù)時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，有效避免了總線沖突；

　　◎采用短幀結構，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個，數(shù)據(jù)傳輸時間短，受干擾的概率低，重新發(fā)送的時間短；

　　◎每幀數(shù)據(jù)都有CRC校驗及其他檢錯措施，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃?，適于在高干擾環(huán)境下使用；

　　◎節(jié)點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上其他操作不受影響；

　　◎可以點對點，一對多及廣播集中方式傳送和接受數(shù)據(jù)。

　　現(xiàn)代汽車典型的控制單元有電控燃油噴射系統(tǒng)，電控傳動系統(tǒng)，防抱死制動系統(tǒng)（ABS），防滑控制系統(tǒng)（ASR），廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，巡航系統(tǒng)和空調系統(tǒng)，車身電子控制系統(tǒng)（包括照明指示和車窗，刮雨器等）。完善的汽車CAN總線網(wǎng)絡系統(tǒng)架構如圖1所示。

　　2 CAN節(jié)點硬件構架

　　核心芯片：

　　選用PHILIPS公司的高性能8位微處理器P89C668。

　　其突出特點如下：

　　◎80C51中央處理單元；

　　◎內置可ISP（在系統(tǒng)編程）和IAP（在應用編程）的Flash存儲器，BootROM可通過串口訪問從而升級下載用戶程序；

　　◎每個機器周期6個時鐘周期操作標準，每個機器周期12個時鐘周期操作可選，周期12個時鐘周期下速度高達33MHz；

　　◎8K字節(jié)RAM和64K字節(jié)FLASH；

　　◎4個中斷優(yōu)先級，8個中斷源；

　　◎自帶串行接口序列；

　　◎5路可編程的計數(shù)器陣列PCA（PWM輸出，捕捉/比較，高速輸出三種工作方式）。

　　無論從處理能力，存儲容量，還是外圍資源以及網(wǎng)絡可擴展性方面來評價，P89C668都是一款出色的微處理器，適用工控電子等各個領域。尤其是其8K字節(jié)RAM的海量內存，更是許多高速存儲應用場合的首選。

　　CAN接口電路：

　　采用技術成熟應用廣泛的SJA1000(CAN控制器)，6N137(光電隔離)，P82C250（CAN收發(fā)器）組成接口電路。需要指出的是，CAN總線(CANH,CANL)兩端務必跨接120歐的終端電阻。SJA1000中斷引腳接CPU的外中斷0引腳。

　　在應用/系統(tǒng)編程電路：

　　IAP/ISP技術在許多款高性能單片機得到應用，其突出特點是方便快捷的實現(xiàn)程序的下載和更新。P89C668的FLASH空間 0XFC00～0XFFFF燒寫入1K字節(jié)的BootRom程序，上電后可以通過軟件和硬件置位方法進入BootRom程序，通過PHILIPS提供的編程軟件由串行口通訊就可以實現(xiàn)程序的在線升級（ISP）。當然用戶還可以根據(jù)需要依據(jù)協(xié)議，自己編寫B(tài)ootRom程序（IAP）。通過撥碼開關硬件置位（ALE,,,P2.6,P2.7），上電后強制進入BootRom程序，燒寫程序完畢后撥回原來狀態(tài)重新上電后就進入用戶程序。串行口電平轉換芯片用 MAX202替代MAX232，其匹配電容只需103瓷片電容。串行數(shù)據(jù)通訊波特率可達38400bps。
　　晶振和復位電路：

　　外接一塊工業(yè)級的12M振蕩芯片作為時鐘信號。復位電路采用X25045芯片進行智能控制。X25045芯片將看門狗定時器，電源監(jiān)控電路和E2PROM 功能合三為一?？撮T狗定時器功能在系統(tǒng)出錯期間，經(jīng)過一個可設置的時間間隔就置位RESET信號。電源監(jiān)控電路能檢測到欠電壓狀況，在VCC下降到限閥值以下，系統(tǒng)被復位。并且RESET信號在VCC恢復且穩(wěn)定之前一直有效。存儲器功能的X25405是CMOS的4096字的E2PROM.并且支持SPI 協(xié)議的三線（SO,SI,SCLK）存取。本節(jié)點用到X25405的前兩個功能構成可靠的復位電路。

　　開關/數(shù)字量，模擬量檢測電路：

　　汽車節(jié)點的開關器件（信號燈，雨刮，面板，車窗玻璃，電動后視鏡等等的開關）特別復雜和繁多，而電流檢測，水溫油位傳感器信號都是非線性的模擬信號，所以可靠實時地對這些開關/模擬量進行檢測成為汽車電子硬件必須解決的問題。

　　傳統(tǒng)的分立元件保持電路存在可靠性差，尤其是開關觸點氧化嚴重，浪費大量的微處理器I/O口等問題，推薦采用MOTOROLA公司的多路開關檢測芯片MC33993。其突出優(yōu)點如下：◎3.3/5.0V的SPI序列讀寫（SO,SI,SCLK）；

　　◎8路可編程開關輸入檢測（接地或接電源），14路接地開關輸入檢測，每路開關狀態(tài)改變均能夠產(chǎn)生中斷；

　　◎開關輸入電壓從-14V～Vpwr（工作電源），Vpwr最大可達40V；

　　◎開關狀態(tài)改變時的可選擇喚醒；

　　◎可選擇的濕性電流（16mA或2mA）；

　　◎22對1的模擬量輸出；

　　◎Vpwr的低功耗電流(standbycurrent)小于100uA,VDD的低功耗電流(standbycurrent)小于10uA。

　　可見只需要四個CPU口線（SPI序列線和片選），就能夠完成22路開關量（其中有8路可編程為對接電源開關）的檢測，還可以進行串行和并行的多片 MC33993級連。所謂的濕性電流（wettingcurrent），指的是MC33993內部提供的輸入口的上拉和下拉恒流源，可以編程選擇為 16mA或2mA，這對于保證開關的可靠閉合，去除金屬觸點的氧化物有著良好的作用。輸入口的恒流源，可以直接驅動MOSFET以及LED。每一個輸入口都可以編程為模擬量輸出狀態(tài)，從而在AMUX引腳輸出所選輸入口的電壓。利用MC33993恒流源和模擬量輸出可以組成線性的傳感器檢測電路。ADC芯片選用AD公司生產(chǎn)的并行數(shù)據(jù)采樣集成芯片AD1674。它從引腳到功能都與AD574/674完全兼容，但內部增加了采樣/保持電路，采樣頻率為 100kHZ，并且有全控模式和單一工作模式。其采樣精度可達0.05%，符合高速數(shù)據(jù)采集的要求。

　　功率器件驅動電路：

　　汽車車身控制系統(tǒng)需要驅動大功率的用電器件，比如照明信號燈，前后雨刮器電機，電動車窗，電動后視鏡等等。功率驅動器件考慮采用MOTOROLA公司的汽車專用功率器件。MC33286為汽車電氣專用智能的雙路控制驅動芯片，與傳統(tǒng)的機械繼電器相比，自身提供過流和過熱保護，響應時間更短，穩(wěn)定性更高。 MC33286設有兩路驅動通道，每路最大工作電流可達15A，通過兩路輸入端口將CPU引腳電平信號引入，經(jīng)過內部的邏輯處理模塊轉換成輸出通道的電平變化。特別適合信號燈以及阻性負載的驅動。MC33887是帶反饋的H橋型驅動芯片，專用來驅動需要正反轉的電機負載。MC33486與MC33887類似，但內部只有半橋須外加CMOS管以構成全橋驅動電路，穩(wěn)定輸出可達10A，尤其適用于電動車窗電機之類的大功率并伴有沖擊電流的正反相控制要求。

　　3 軟件結構

　　系統(tǒng)的程序結構分為四個部分：CAN通訊程序（包括應用層協(xié)議的SJA1000通訊），外圍接口程序（所有檢測芯片和驅動芯片的驅動），中斷服務程序（處理開關信號以及故障報警等消息），主程序（完成系統(tǒng)初始化和任務調度，喂狗等）。限于篇幅，以下著重介紹CAN應用層協(xié)議。

　　本系統(tǒng)CAN通訊選用CAN2.0B協(xié)議的PeliCAN模式，通信位速率為500Kbps，采用雙驗收濾波器機制。為使用及修改方便，通訊協(xié)議中標識碼設計兼容點對點、一對多及廣播通訊模式。開關量消息通訊時各節(jié)點間采用主從結構，子節(jié)點的報文只有主節(jié)點接收（點對點模式），主節(jié)點的報文所有子節(jié)點均接收（廣播模式）。模擬量消息通訊時各節(jié)點間采用點對點模式。標識符定義：(如圖3所示)

　　◎類名：00000100--應答類消息（自檢應答、故障診斷）；00001000--命令類消息；00010000--調試類消息；00100000--下載類消息；01000000--工作類消息。

　　◎保留A：驗收濾波器配置預留。
應答類消息中：ID19：1--自檢應答消息0--故障診斷出錯消息

　　ID20：驗收濾波器配置預留

　　工作類消息中：ID19：1--開關量消息0--模擬量消息

　　ID20：驗收濾波器配置預留

　　◎目的地址：接收報文節(jié)點的地址。

　　◎源地址：發(fā)送報文節(jié)點的地址，用于系統(tǒng)自檢。

　　4 結束語

　　CAN總線以其高性能，高可靠性及獨特的設計，受到工業(yè)控制領域和汽車電子領域的廣泛重視，已被公認為最有前途的現(xiàn)場總線之一。我們深信不久的將來，國產(chǎn)的CAN總線汽車必將誕生。

　　【參考文獻】

　　【1】鄔寬明《CAN總線原理和應用系統(tǒng)設計》.北京:北京航空航天大學出版社,1996

　　【2】馬忠梅劉濱戚軍馬巖《單片機C語言Windows環(huán)境編程寶典》.北京:北京航空航天大學出版社,2003