CAN總線在汽車車身控制中的應用

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上 編號：11汽車總線與嵌入式系統(tǒng)課程論文CAN總線在汽車車身控制中的作用班級： 車輛工程1132 姓名（及手機）： 李 一 青（） 學號： 任課教師： 鄭 建 祥 （） 2016-11-2CAN總線在汽車車身控制中的應用摘要:闡述了CAN（Controller Area Network）總線協(xié)議及其技術特點。結合應用實例分析了CAN總線技術在汽車中的應用優(yōu)勢，并對系統(tǒng)的總體結構、數(shù)據(jù)傳輸方式以及控制過程進行了詳細的描述，給出了節(jié)點電路的設計、協(xié)議的定義及軟件實現(xiàn)方法，并用試驗驗證了其可行性。 一、引言 隨著計算機技術、網(wǎng)絡通信技術、集成電路技術的飛速發(fā)展，以全數(shù)字式現(xiàn)

2、場總線為代表的現(xiàn)場控制儀表、設備大量應用，使得繁瑣的現(xiàn)場連線被單一簡潔的現(xiàn)場總線網(wǎng)絡所代替，為工業(yè)現(xiàn)場控制用戶帶來了巨大好處。特別是上個世紀80年代以來，隨著集成電路和單片機在汽車上的廣泛應用，汽車上的電子控制單元越來越多，例如電子燃油噴射裝置、防抱死制動裝置（ABS）、安全氣囊裝置、電控門窗裝置和主動懸架等等。在這種情況下，如果仍采用常規(guī)的布線方式，即電線一端與開關相接，另一端與用電設備相通，將導致車上電線數(shù)目的急劇增加，使得電線的質量占整車質量的4左右，已遠遠不能滿足汽車愈加復雜的控制系統(tǒng)要求。另外，電控系統(tǒng)的增加雖然提高了轎車的動力性、經(jīng)濟性和舒適性，但隨之增加的復雜電路也降低了汽車的可

3、靠性，增加了維修的難度。為此，改革汽車電氣技術的呼聲日益高漲。因此，一種新的概念車用控制器局域網(wǎng)絡CAN應運而生。二、CAN總線技術介紹及發(fā)展現(xiàn)狀 CAN是控制器局域網(wǎng)絡（Controller Area Network）的簡稱，它是由德國Bosch公司及幾個半導體生產(chǎn)商開發(fā)出來的，它是一種多主總線，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1Mb/s.CAN 總線通信接口中集成了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、優(yōu)先級判別等項工作。它具有很高的網(wǎng)絡安全性、通訊可靠性和實時性，而且簡單實用，網(wǎng)絡成本低。特別適用于汽

4、車計算機控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業(yè)環(huán)境。CAN總線技術在汽車總線鄰域已經(jīng)占有了一定的市場地位，國內(nèi)外眾多汽車制造商大多選擇can總線技術作為它們汽車網(wǎng)絡技術。我國在CAN總線研究應用方面起步較晚，工程應用幾乎是空白。特別是在汽車上的應用，可以說是從2002年國家863電動汽車重大專項立項以后，才有幾個大的汽車研究和生產(chǎn)單位正式啟動的，目前都處于研究的初級階段，還沒有拿出產(chǎn)品化的成果。由于這些研究剛剛還處于起步階段，故目前的研究重點都集中在動力系統(tǒng)的CAN通訊上，還沒有精力針對汽車車身的電子控制部件進行CAN總線的應用研究一些專家認為，就像汽車電子技術在20世紀70年代引入

5、集成電路、80年代引入微處理器一樣，近10年現(xiàn)場總線CAN技術的引入也將是汽車電子技術發(fā)展的一個里程碑。 三、CAN總線的技術特點 CAN總線可有效支持分布式控制或實時控制。該總線的通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光纖，其主要特點如下： CAN總線為多主站總線，各節(jié)點可在任意時刻向網(wǎng)絡上的其他節(jié)點發(fā)送信息，且不分主從； CAN總線采用獨特的非破壞性總線仲裁技術，高優(yōu)先級節(jié)點優(yōu)先傳送數(shù)據(jù)，故實時性好； CAN總線具有點對點、一點對多點及全局廣播傳送數(shù)據(jù)的功能； CAN總線采用短幀結構，每幀有效字節(jié)數(shù)最多為8個，數(shù)據(jù)傳輸時間短，并有CRC及其它校驗措施，數(shù)據(jù)出錯率極低； CAN總線上某一節(jié)點出現(xiàn)嚴

6、重錯誤時，可自動脫離總線，而總線上的其他操作不受影響； CAN總線系統(tǒng)擴充時，可直接將新節(jié)點掛在總線上，因而走線少，系統(tǒng)擴充容易，改型靈活； CAN總線的最大傳輸速率可達1Mb/s，直接通信距離最遠可達到10km（速率在5kbps以下）； CAN總線上的節(jié)點數(shù)取決于總線驅動電路。在標準幀（11位報文標識符）時可達到110個，而在擴展幀（29位報文標識符）時，個數(shù)不受限。 三、車身系統(tǒng)的CAN控制設計 1. CAN總線網(wǎng)絡系統(tǒng)架構 現(xiàn)代汽車典刑的控制單元有發(fā)動機控制模塊、變速器控制模塊、多媒體控制模塊、氣囊控制模塊、空調(diào)控制模塊、巡航控制模塊、車身控制模塊（包括照明指示和車窗、刮雨器等）、防抱死

7、制動系統(tǒng)（ABS）防滑控制系統(tǒng)（ASR）等。完善的汽車CAN總線網(wǎng)絡系統(tǒng)架構如圖1所示。圖1 汽車CAN總線網(wǎng)絡系統(tǒng)架構 2. CAN節(jié)點的硬件架構 本系統(tǒng)中，CAN節(jié)點采用： ECU（AT89C51）CAN控制器（SJA1000）CAN收發(fā)器（PCA82C250）的電路結構以下是其核心芯片簡介： （1） CAN控制器 為了系統(tǒng)進一步擴展的需要，可選取支持CAN 2.0B通訊協(xié)議的芯片SJA1000。SJA1000是PHILIPS公司生產(chǎn)的既支持CAN 2.0B，又支持CAN 2.0A的CAN控制器，它與僅支持CAN 2.0A的CAN控制器PCA82C200在硬件和軟件上完全兼容。 （2）CA

8、N收發(fā)器 PCA82C250是PHILIPS推出的CAN控制器和物理總線接口芯片，可提供對總線的差分發(fā)送和接收。它與ISO11898標準完全兼容，并有高速、斜率控制和待機3種不同的工作方式，可根據(jù)實際情況選擇。 （3）單片機AT89C51 AT89C51是ATMEL公司的單片機。它是一種低功耗、高性能、內(nèi)含4KB閃速存儲器的8位CMOS微控制器，與工業(yè)標準MCS51指令系統(tǒng)和引腳完全兼容。AT89系列的優(yōu)越性在于其片內(nèi)閃速存儲器可進行1000次的編程與擦除，且數(shù)據(jù)不易丟失，數(shù)據(jù)可保存10年。 CAN總線控制器、總線驅動器和單片機連接基本方法如圖2所示。 圖2 CAN總線控制器、總線驅動器和單片

9、機連接圖 三、車身控制模塊中的CAN應用層協(xié)議 1. 協(xié)議原則 本協(xié)議遵循CAN2.0B規(guī)范，根據(jù)車身控制模塊的特點，采用源目的方法，每個節(jié)點都有自己固定的標識地址，且節(jié)點數(shù)小于64，設計時可將中央控制模塊設為主節(jié)點，而將車門、電動座椅子模塊及自檢子模塊設置為從節(jié)點。本協(xié)議可完成以下功能： （1）特定信息的廣播； （2）主從節(jié)點之間的連接； （3）主從節(jié)點之間的信息交換（包括故障信息）。 本協(xié)議采用幀優(yōu)先原則分配標識符，每一幀標識符中的高四位表示幀類型，不同幀類型有不同的優(yōu)先權，優(yōu)先權決定了各種信息幀在同等情況下的發(fā)送順序，協(xié)議中的29位標識符的分配如下： 幀類型（4位）目的地址（6位）源地址

10、（6位）命令（或狀態(tài)、報告）屬性（13位）或數(shù)據(jù)屬性分段標志分段號（共13位）。 對所有的命令或狀態(tài)、數(shù)據(jù)、報告屬性、除定時采集發(fā)送的數(shù)據(jù)外，原則上均需應答（發(fā)送確認幀以保證通訊正常）。 2. 幀格式仲裁場和控制場定義 仲裁場由29位標識符ID28ID0以及SRR、IDE和RTR組成，SJA1000中的寄存器1721用來存放擴展幀格式幀信息的標識符。發(fā)送時，SRR1，IDE1，RTR1/0（遠程幀/數(shù)據(jù)幀）。標識符中的ID28ID25為車身控制模塊交換報文的幀類型（共4位）。ID24ID19為車身控制模塊中幀信息使用者的地址（或稱為目的地址，共6位）。ID18ID13為車身控制模塊中幀信息發(fā)送

11、者的地址或稱為源地址（共6位）。ID12ID5為車身控制模塊中交換的命令、狀態(tài)、數(shù)據(jù)或報告屬性（共8位），ID4位需附加命令或狀態(tài)、數(shù)據(jù)、報告屬性時的分段標志。ID3ID0為附加命令或狀態(tài)、數(shù)據(jù)、報告屬性的分段號（共4位）。當ID40時，ID3ID0控制場、數(shù)據(jù)寄存器07有效。對于遠程幀，則可忽略ID4ID0以及控制場的值。SJA1000的寄存器16低四位DLC3DLC0可構成控制場，以決定數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)長度。 3. 車身控制模塊CAN2.0B通訊報文約定 按車身控制模塊的節(jié)點要求，通訊的信息幀分為表1所列的6種，表1中的優(yōu)先級按序號從高到低排列。其目的地址和源地址的分配見表2所列。表1 車身控

12、制模塊幀模型表2 車身控制模塊各節(jié)點地址分配 其工作方式如下： （1）開機后或喚醒時，從節(jié)點向主節(jié)點發(fā)送狀態(tài)信息，主節(jié)點發(fā)送廣播信息遠程幀（兩次），廣播信息為共用信息，包括車速信號，檔位信號，點火開關位置信號等。 （2）正常情況下，從節(jié)點內(nèi)部巡查各端口狀態(tài)，如有故障則向主節(jié)點發(fā)送故障代碼3次，主節(jié)點收到三次故障報警后開始響應，從節(jié)點停止發(fā)送，一旦故障消失，再向主節(jié)點發(fā)送正常信息。在主節(jié)點中應有一故障表，以用于已診斷模塊的通訊。 （3）主結點分別發(fā)送自檢信息后，如各從節(jié)點正常，則發(fā)送正常信息，狀態(tài)和數(shù)據(jù)幀。如有故障，則通過分段數(shù)據(jù)幀發(fā)送故障報警幀。 （4）從節(jié)點監(jiān)測到正常輸入信號的變化（包括開關

13、量和模擬量采樣級數(shù)的變化）后，便通過報告幀發(fā)送信息給主節(jié)點，主節(jié)點則發(fā)送命令幀以示響應。 4. 通訊報文定義 表3所列是中央控制模塊與診斷模塊的通訊報文定義。表中，aaaa為分段號，可在故障代碼多于8個時設置，最多可達傳送168個字節(jié)代碼；bbbbbb為各傳感器代號，其響應幀采用不分段的數(shù)據(jù)幀，cccccccc為執(zhí)行相應動作的代碼，如車窗上升為，下降為，該響應最多可以執(zhí)行256個動作。響應幀采用遠程幀，請求幀為遠程幀。表3 中央控制模塊與診斷模塊通訊表4 正常工作時各節(jié)點通訊協(xié)議約定 在系統(tǒng)正常工作時，各節(jié)點的通訊協(xié)議約定如表4所列。表中的dddd為分段起始命令中包含的總段數(shù)；eeee為廣播信

14、息的某一段號，控制場中的數(shù)據(jù)長度為該段內(nèi)的數(shù)據(jù)長度，數(shù)據(jù)場中的數(shù)據(jù)廣播的某段實際數(shù)據(jù)，按順序定義數(shù)據(jù)有： 數(shù)據(jù)寄存器1車速信息高8位； 數(shù)據(jù)寄存器2車速信號低8位； 數(shù)據(jù)寄存器3發(fā)動機轉速信號高8位； 數(shù)據(jù)寄存器4發(fā)動機轉速信號低8位； 數(shù)據(jù)寄存器5點火開關位置，其中，0表示鑰匙拔出；1表示鑰匙位于OFF；2表示鑰匙位于ACC；3表示鑰匙位于RUN；4表示鑰匙位于START； 數(shù)據(jù)寄存器6檔位信號，0表示空檔；1表示驅動檔；2表示驅動檔；3表示倒檔；4表示駐車檔； 數(shù)據(jù)寄存器7遙控信號，0表示遙控解鎖主駕車門；1表示遙控鎖定主駕車門；2表示遙控解鎖所有車門；3表示遙控鎖定所有車門；4表示遙控解

15、鎖行禮箱； 數(shù)據(jù)寄存器8用于防盜模式；0表示進入防盜模式，1表示解除防盜模式； 數(shù)據(jù)寄存器916：保留。 四、軟件流程各控制器應按規(guī)定格式和周期發(fā)送數(shù)據(jù)到總線上，同時也要接受其他控制器的信息。總線上的其他控制器則根據(jù)需要各取所需的報文。對于接收數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用中斷方式實現(xiàn)。一旦中斷發(fā)生，即將接收的數(shù)據(jù)自動裝載到相應的報文寄存器中，此時還可采用屏蔽濾波方式，利用屏蔽濾波寄存器對接收報文的標識符和預先在接收緩沖器初始化時設定的標識符進行有選擇地逐位比較，只有標識符匹配的報文才能進入接收緩沖器，那些不符合要求的報文則將被屏蔽于接收緩沖器之外，從而減輕CPU處理報文的負擔。此外，不同數(shù)據(jù)應放入不同的報

16、文寄存器中，因此在接收中斷服務程序中，就可以容易地判斷出中斷是由哪個接收報文引起的，其程序流程圖如圖3所示。 圖3 程序流程框圖五、CAN總線技術在汽車中的應用優(yōu)勢（1）信息共享采用總線技術可以實現(xiàn)各ECU之間的信息共享，減少不必要的線速和傳感器。例如具有CAN總線接口的電噴發(fā)動機，其他電器可共享其提供的轉速、水溫、機油壓力、機油溫度、油量瞬時流速等，這樣一方面可省去額外的水溫、油壓、油溫傳感器，另一方面可以將這些數(shù)據(jù)顯示在儀表上，便于司機檢查發(fā)動機運行工況，從而便于發(fā)動機的保養(yǎng)維護。（2）減少線束新型電子通訊產(chǎn)品的出現(xiàn)對汽車的綜合布線和信息的共享交互提出了更高的要求，傳統(tǒng)的電氣系統(tǒng)大多采用點

17、對點的單一通信方式，相互之間有聯(lián)系，這樣必然造成龐大的布線系統(tǒng)。（3）關聯(lián)控制在一定事故下，需要對各ECU進行關聯(lián)控制，而這是傳統(tǒng)方法難以完成的。CAN總線技術可以實現(xiàn)多ECU的實時關聯(lián)控制。在發(fā)生碰撞事故時，汽車上的多個氣囊可通過CAN協(xié)調(diào)工作，它們通過傳感器感受碰撞信號，通過CAN總線將傳感器信號傳送到一個中央處理器內(nèi)，控制各安全氣囊的啟動彈出動作。六.CAN總線技術在汽車中的應用實例 世界上一些著名汽車制造廠商如奔馳、寶馬等都已開始采用CAN總線來實現(xiàn)汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)與各檢測和執(zhí)行機構間的數(shù)據(jù)通信。目前國產(chǎn)的很多汽車上也引入了CAN總線技術，如大眾途安、帕薩特等車型一般將CAN總線分為低

18、速CAN和高速CAN。低速CAN的總線速度為10Kbps-125Kbps，主要運用在車身控制模塊領域；高速為250Kbps-1Mbps，應用在發(fā)動機、變速箱、ABS等實時性要求強的控制模塊。但各種車型都會視具體情況采用適合于自身的總線結構。下面是幾種比較典型的CAN總線應用方案。 6.1 CAN總線方案一 CAN總線應用方案一如圖1所示。方案一是一個完整的分布式汽車電子控制系統(tǒng)，它采用多子網(wǎng)結構，將信息交換比較密切的系統(tǒng)放在一個子網(wǎng)中，使整個系統(tǒng)具有很高的實時性，不同子網(wǎng)之間根據(jù)不同的應用特點，采用不同的物理層接口以及通信速率，優(yōu)化了系統(tǒng)結構。方案一簡化了各個CAN子網(wǎng)的設計難度，但是整車的網(wǎng)

19、絡系統(tǒng)設計以及總線通信協(xié)議比較復雜，硬件上對網(wǎng)關的要求比較高，需要有強大的數(shù)據(jù)處理能力，而且系統(tǒng)成本比較高，適合于中高檔轎車采用。 6.2 CAN總線方案二 方案二中整車的CAN總線網(wǎng)絡分為高速網(wǎng)絡和低速網(wǎng)絡兩部分，高速網(wǎng)采用雙線式高速CAN總線(1Mbps)，低速網(wǎng)采用雙線式CAN總線(125gbps)IS。儀表顯示模塊作為網(wǎng)關完成兩部分數(shù)據(jù)之間的傳輸。CAN總線應用方案二如圖2所示。CAN總線應用方案二整個系統(tǒng)分為高速和低速兩部分。動力傳動總線和安全總線合并成高速總線，這樣做降低了通信的實時性，但是考慮到傳動系總線中一般是周期性的數(shù)據(jù)，而安全總線中一般是突發(fā)性的數(shù)據(jù)，只要選擇合適的幀優(yōu)先級

20、就可以彌補這個缺點。舒適總線和信息總線合并為低速總線，這兩部分中對數(shù)據(jù)的實時性要求不高，125Kbps的速率完全可以滿足需求。 方案二系統(tǒng)成本不高，且性能也沒有太大的損失，性價比又不錯，適合于中低檔轎車采用。 6.3 CAN總線方案三 由于使用CAN總線會使系統(tǒng)成本增加，在一些不需要CAN總線的帶寬和多功能的場合，使用LIN總線可大大節(jié)省成本，所以LIN總線得到了越來越廣泛的應用。 LIN(Local Interconnect Network)總線是一種低成本的串行通訊網(wǎng)絡，用于實現(xiàn)汽車中的分布式電子系統(tǒng)控制。LIN總線的目標是為現(xiàn)有汽車網(wǎng)絡(例如CAN總線)提供輔助功能。LIN的標準化將簡化

21、多種現(xiàn)存的多點解決方案，且將降低在汽車電子領域中的開發(fā)、生產(chǎn)、服務和后勤成本。 典型的LIN總線應用是汽車中的聯(lián)合裝配單元，如門、座椅、空調(diào)、照明燈等。對于成本比較敏感的單元，LIN可以使機械元件可以很容易的連接到汽車網(wǎng)絡中并得到十分方便的維護和服務。下面的方案中包括15個CAN節(jié)點和31個LIN節(jié)點，充分體現(xiàn)了CAN以及LIN各自的特點。CAN總線應用方案三如圖3所示。CAN總線應用方案三方案3是一個很完整的方案，但是實際應用過程中，考慮到系統(tǒng)的性價比以及安裝等方面的因素，可采用如下圖所示的簡化方案，圖中CAN總線虛線表示這部分在不影響性能的前提下，可以用LIN總線替代，可以降低系統(tǒng)成本。 6.4 CAN總線方案四 方案4主要是針對希望采用總線的中低檔轎車，這就決定了系統(tǒng)必須具有很高的性價比，而且成本也是一個重要的方面。具體應用需要根據(jù)不同的車型做出適當?shù)男薷臐M足各自的要求。本車身控制模塊在總線方案2基礎上加以簡化，保留中央控制模塊和四個門模塊作為車身控制總線方案。CAN總線應用方案四如圖4所示。 七、 CAN總線技術在汽車中應用的關鍵技術 利用CAN總線構建一個車內(nèi)網(wǎng)絡，需要解決的關鍵技術問題有： （1）總線傳輸信息的速率、容量、優(yōu)先等級、節(jié)點容量等技術問題 （2）高