CAN通信網(wǎng)在汽車中的應(yīng)用研究

    控制局域網(wǎng)CAN(ControllerAreaNetwork)是德國(guó)Bosch公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而應(yīng)用開(kāi)發(fā)的一種通信協(xié)議。在國(guó)外，尤其是歐洲，CAN網(wǎng)絡(luò)已被廣泛地應(yīng)用在汽車上，如BENZ、BMW、PORSCHE、ROLLSROYCE、JAGUAR等車。 

    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(dòng)系統(tǒng)、防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)、防滑控制系統(tǒng)(ASR)、廢氣再循環(huán)控制、巡航系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)。 

    在一個(gè)完善的汽車電子控制系統(tǒng)中，許多動(dòng)態(tài)信息必須與車速同步。為了滿足各子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，有必要對(duì)汽車公共數(shù)據(jù)實(shí)行共享，如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車輪轉(zhuǎn)速、油門踏板位置等。但每個(gè)控制單元對(duì)實(shí)時(shí)性的要求是因數(shù)據(jù)的更新速率和控制周期不同而不同的。例如，一個(gè)8缸柴油機(jī)運(yùn)行在2400r/min，則電控單元控制兩次噴射的時(shí)間間隔為 6.25ms。其中，噴射持續(xù)時(shí)間為30°的曲軸轉(zhuǎn)角(2ms)，在剩余的4ms內(nèi)需完成轉(zhuǎn)速測(cè)量、油量測(cè)量、A/D轉(zhuǎn)換、工況計(jì)算、執(zhí)行器的控制等一系列過(guò)程。這就意味著數(shù)據(jù)發(fā)送與接收必須在1ms內(nèi)完成，才能達(dá)到柴油機(jī)電控的實(shí)時(shí)性要求。這就要求其數(shù)據(jù)交換網(wǎng)是基于優(yōu)先權(quán)競(jìng)爭(zhēng)的模式，且本身具有極高的通信速率，CAN現(xiàn)場(chǎng)總線正是為滿足這些要求而設(shè)計(jì)的。不同參數(shù)應(yīng)具有不同的通信優(yōu)先權(quán)。

    典型參數(shù)允許響應(yīng)時(shí)間

    發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量10ms

    發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速300ms

    車輪轉(zhuǎn)速1s~100s

    進(jìn)氣溫度20s

    冷卻液溫度1min

    燃油溫度≈10min

    3CAN總線的特點(diǎn)及通信協(xié)議

    3.1CAN總線的特點(diǎn)

    CAN作為一種多主總線，支持分布式實(shí)時(shí)控制的通信網(wǎng)絡(luò)。其通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制部件、傳感器、抗滑系統(tǒng)等應(yīng)用中，總線的位速率最大可達(dá)1Mbit/s。CAN光線具有以下主要特性：

    a.無(wú)破壞性的基于優(yōu)先權(quán)競(jìng)爭(zhēng)的總線仲裁。

    b.可借助接收濾波的多地址幀傳送。

    c.具有錯(cuò)誤檢測(cè)與出錯(cuò)幀自動(dòng)重發(fā)送功能。

    d.數(shù)據(jù)傳送方式可分?jǐn)?shù)據(jù)廣播式和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求式。

    3.2CAN總線幀格式

    CAN 和OSI七層參考模式，按照IEEE802.2和IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，其通信接口集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)及優(yōu)先級(jí)別等項(xiàng)工作。在系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)按照攜帶的信息類型可分為四種幀格式：

    a.數(shù)據(jù)幀。

     用于節(jié)點(diǎn)間傳遞數(shù)據(jù)，是網(wǎng)絡(luò)信息的主體。一個(gè)數(shù)據(jù)幀由7個(gè)不同位場(chǎng)構(gòu)成：幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數(shù)據(jù)場(chǎng)、CRC場(chǎng)、ACK場(chǎng)和幀結(jié)束。其中數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度可編程0～8個(gè)字節(jié)。
    數(shù)據(jù)幀格式

    b.遠(yuǎn)程幀。由在線單元發(fā)送，用于請(qǐng)求發(fā)送具有相同標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)幀，其幀格式與數(shù)據(jù)幀基本相同，但沒(méi)有數(shù)據(jù)場(chǎng)。

    c.出錯(cuò)幀。出錯(cuò)幀是檢測(cè)總線出錯(cuò)的一個(gè)信號(hào)標(biāo)志，由兩個(gè)不同場(chǎng)構(gòu)成。第一場(chǎng)由來(lái)自不同節(jié)點(diǎn)的錯(cuò)誤標(biāo)志疊加，第二個(gè)場(chǎng)為錯(cuò)誤界定符。CAN協(xié)議采用CRC檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，保證數(shù)據(jù)通信的可靠性。

    d.超載幀。由超載標(biāo)識(shí)和超載界定符組成，表明邏輯鏈路控制層要求的內(nèi)部超載狀態(tài)，并將由媒體訪問(wèn)控制層的一些出錯(cuò)條件而被啟動(dòng)發(fā)送。用于擴(kuò)展幀序列的延遲時(shí)間。

    3.3CAN數(shù)據(jù)鏈路控制

     系統(tǒng)中，CAN總線以報(bào)文為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)點(diǎn)對(duì)總線的訪問(wèn)采取位仲裁方式。報(bào)文起始發(fā)送節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)符分為功能標(biāo)識(shí)符(如轉(zhuǎn)速信號(hào))和地址標(biāo)識(shí)符(如控制單元節(jié)點(diǎn)地址)。CAN協(xié)議的最大特點(diǎn)是打破了傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)地址編碼方式，而擴(kuò)展了對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼方式。采用數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識(shí)符可用11位或29位二進(jìn)制表示，即可定義211或229個(gè)不同的數(shù)據(jù)類型。即使對(duì)未來(lái)更復(fù)雜的汽車控制網(wǎng)絡(luò)其容量也足夠了。標(biāo)識(shí)符的值越小，幀數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)越高。通過(guò)數(shù)據(jù)鏈路控制，每個(gè)接收器完成幀接收濾波確定此幀數(shù)據(jù)是否有效，實(shí)際汽車應(yīng)用中一般采用不冗余的通信線路，而CAN協(xié)議提供強(qiáng)大的出錯(cuò)診斷機(jī)制，在保證數(shù)據(jù)通信的可靠性方面起了重要作用。

    電控單元(ECU)連接至總線的電路是通過(guò)CAN物理層實(shí)現(xiàn)的，在實(shí)際應(yīng)用中ECU的總數(shù)將受限于總線上的電氣負(fù)載。物理層按照網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范模型劃分有三種功能：物理信號(hào)完成與位表示、定時(shí)和同步相關(guān)的功能；物理媒體附屬裝置完成總線發(fā)送/接收功能并提供總線故障檢測(cè)方法；媒體相關(guān)接口完成物理層的機(jī)械和電氣接口。

    4CAN總線的應(yīng)用及其接口設(shè)計(jì)

    4.1汽車網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

     除了命令和清求信息外，汽車的一些基本狀態(tài)信息(如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車輪轉(zhuǎn)速、冷卻水溫度等)是大部分控制單元必須獲取的數(shù)據(jù)，控制單元采用廣播發(fā)式向總線發(fā)送。如果在同一時(shí)刻所有控制單元都向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，將發(fā)生總線數(shù)據(jù)沖突，此時(shí)，CAN總線協(xié)議提出用標(biāo)識(shí)符識(shí)別數(shù)據(jù)優(yōu)先權(quán)的總線仲裁。表2列出了汽車各電控單元產(chǎn)生及發(fā)送的數(shù)據(jù)類型，及其他各單元對(duì)這些信息共享地程序。

    油量位置和轉(zhuǎn)速信號(hào)具有較高的優(yōu)先級(jí)，是因?yàn)樗鼈兊膶?shí)時(shí)性要求強(qiáng)，并直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能。

    4.2CAN接口設(shè)計(jì)

    本研究中，CAN總線被成功地用于電控柴油機(jī)標(biāo)定系統(tǒng)，采用單片機(jī)系統(tǒng)與CAN控制器組成CAN標(biāo)準(zhǔn)接口。

    目前，CAN總線芯片有很多種，如PHILIPSSJA1000、INTEL82526、MOTOROLA68HC05、SIEMENSC167C等。

　　本文電路設(shè)計(jì)中選用SJA1000作為CAN控制器芯片，ECU的應(yīng)用層由微處理器提供。連接各種類型微處理器的CAN控制器SJA1000可完成物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所用功能，適用于汽車及一般工業(yè)環(huán)境，不但可以減少導(dǎo)線連接，并能增強(qiáng)診斷和監(jiān)控能力。

    CAN節(jié)點(diǎn)通信接口的硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。設(shè)計(jì)中，分別將微處理器的地址線、數(shù)據(jù)線和控制線引出，通過(guò)地址分配與片選對(duì)CAN控制器SJA1000進(jìn)行操作。總線數(shù)據(jù)信號(hào)采用高速線性光耦6N137 隔離，電源信號(hào)為＋5V的DC－DC隔離模塊，增強(qiáng)系統(tǒng)硬件利用抗干擾措施。82C250是CAN控制器和物理層總線之間的接口，具有抗汽車環(huán)境下的瞬間干擾、保護(hù)總線的能力。該器件可以提供對(duì)總線的差分發(fā)送能力和差分接收能力，與ISO/DIS11898標(biāo)準(zhǔn)完全兼容。

　　3CAN接口硬件電路設(shè)計(jì)

　　當(dāng)通過(guò)濾波驗(yàn)收的數(shù)據(jù)報(bào)文被接收后，將有兩種操作方式。一種是查詢方式，查詢接收狀態(tài)位被置高表示接收緩存器有數(shù)據(jù)；另一種是中斷方式，若接收中斷開(kāi)放位允許，則產(chǎn)生觸發(fā)中斷。由于SJA1000內(nèi)部具有64bit接收緩沖器，對(duì)總線數(shù)據(jù)具有一定的緩存能力。通常系統(tǒng)采用主程序查詢方式對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并用廣播方式發(fā)送，對(duì)特殊數(shù)據(jù)采用遠(yuǎn)程幀申請(qǐng)方式，這樣更有利于程序?qū)Χ鄠€(gè)任務(wù)的結(jié)構(gòu)化管理。

    通訊程序流程

    CAN 總線具有通信速率高、可靠性高、連接方便和性能價(jià)格比高等諸多優(yōu)勢(shì)。并且CAN應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是依據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(ISO11898)，各生產(chǎn)廠商的控制器有標(biāo)準(zhǔn)的輸入/輸出接口，所以該網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)具有開(kāi)放性和靈活性的系統(tǒng)，可以在不要求所有節(jié)點(diǎn)及其應(yīng)用層改變?nèi)魏诬浖陀布那闆r下，自由地增加或減少控制器節(jié)點(diǎn)。

    5結(jié)束語(yǔ)

    為了充分發(fā)揮電控單元在汽車控制中的作用，CAN通信網(wǎng)絡(luò)為全局優(yōu)化控制提供了條件。通過(guò)實(shí)際運(yùn)用表明，CAN總線與其他通信方式相比具有顯著的優(yōu)點(diǎn)：

    a.組網(wǎng)自由，擴(kuò)展性強(qiáng)，對(duì)復(fù)雜的汽車網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)；

    b.可根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容確定通信優(yōu)先權(quán)，解決了轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)性和共享性的問(wèn)題；

    c.自動(dòng)的錯(cuò)誤界定功能，簡(jiǎn)化了電控單元對(duì)通信的操作。

    d.由于數(shù)據(jù)通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)性和開(kāi)放性，故本文中的接口電路具有一定的推廣意?系統(tǒng)，并且被眾多工業(yè)控制系統(tǒng)采用，尤其是傳輸速率較高而對(duì)實(shí)時(shí)性及可靠性要求高的場(chǎng)合，它是一種十分有效的通信方式。