基于CAN／LIN的汽車混合網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

精品文檔-下載后可編輯基于CAN／LIN的汽車混合網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)摘要：隨著CAN/LIN網(wǎng)絡(luò)在汽車車身控制系統(tǒng)中廣泛的應(yīng)用，為了滿足國(guó)產(chǎn)汽車車身控制總線的迫切需求，設(shè)計(jì)了一種基于CAN/LIN總線的整車管理系統(tǒng)的硬件方案。方案完成了CAN/LIN網(wǎng)關(guān)接口驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)及CAN/LIN網(wǎng)關(guān)的硬件電路設(shè)計(jì)。對(duì)車身網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點(diǎn)軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，該車身網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)通信中充分實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享。

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，消費(fèi)者和政府相關(guān)部門(mén)對(duì)于安全、舒適、節(jié)能、環(huán)保等方面的需求促使電子控制單元和系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用在汽車中，而汽車也隨之日益向電子化、智能化方向發(fā)展[1]。但是日益增多的電子系統(tǒng)也帶來(lái)了新的問(wèn)題，越來(lái)越多的電子控制單元與傳感器必然會(huì)需要越來(lái)越多的連線，除了增加成本、增加車身自重，更重要的是給布線帶來(lái)了巨大的困難，同時(shí)還增加了安全隱患，降低了整車可靠性。因此，提高電控單元間互相通信性能和降低導(dǎo)線成本已成為迫切需要解決的問(wèn)題。

目前，車內(nèi)的電子控制系統(tǒng)主要由CAN/LIN網(wǎng)絡(luò)組成，發(fā)展中的汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還有高速容錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)FlexRay、用于多媒體和導(dǎo)航的MOST，以及藍(lán)牙、無(wú)線局域網(wǎng)等無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。LIN是一種輔助的總線網(wǎng)絡(luò)，在不需要CAN總線的場(chǎng)合使用LIN總線可大大降低系統(tǒng)成本。汽車大量應(yīng)用電子技術(shù)提高汽車性能水平已是不爭(zhēng)的事實(shí)，CAN總線的應(yīng)用也被人們所認(rèn)同，而CAN、LIN混合網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用也將使汽車網(wǎng)絡(luò)的可靠性能和經(jīng)濟(jì)性得到很大提高[1]。

隨著汽車電子的發(fā)展，傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代汽車通信的要求。汽車電子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正成為實(shí)現(xiàn)汽車控制系統(tǒng)的，它使汽車電子技術(shù)進(jìn)入一個(gè)全新的時(shí)代。

1986年2月，德國(guó)的Bosch公司在SAE大會(huì)上提出了CAN串行總線。時(shí)至今日，CAN已經(jīng)形成國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，憑借自身的優(yōu)點(diǎn)，不僅在汽車領(lǐng)域，而且在機(jī)械、數(shù)控機(jī)床及傳感器等領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。CAN總線的主要特點(diǎn)有：多主機(jī)的工作方式；傳輸速率可達(dá)1Mb／s（通信距離長(zhǎng)40m），直接通信距離可達(dá)10km（速率小于5kb／s）；采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短；良好的檢錯(cuò)能力；非破壞總線仲裁技術(shù)；較高的性價(jià)比。

LIN是1998年由BMW等五家汽車制造商、一家軟件工具制造商以及一家半導(dǎo)體廠商聯(lián)合提出的一個(gè)協(xié)議。LIN通信是基于SCI（UART）數(shù)據(jù)格式，采用單主／多從模式以及低成本的單線連接方式，傳輸速率可達(dá)20kb／s。LIN的從節(jié)點(diǎn)不用晶振或陶瓷振蕩器就能實(shí)現(xiàn)自同步。出于以上技術(shù)特點(diǎn)，LIN總線實(shí)現(xiàn)成本較低，且完夠滿足A類網(wǎng)絡(luò)的通信需求。

1CAN/LIN總線概述

1.1CAN總線協(xié)議

CAN，全稱為“ControllerAreaNetwork”，即控制器局域網(wǎng)，是國(guó)際上應(yīng)用廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。CAN通信協(xié)議描述了在設(shè)備之間信息如何傳遞。CAN以兩種形式存在：一種是具有11位ID標(biāo)示符的標(biāo)準(zhǔn)CAN，另一種是29位ID標(biāo)示符的擴(kuò)展CAN。是由研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國(guó)BOSCH公司開(kāi)發(fā)了的，并終成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO11898）。是國(guó)際上應(yīng)用廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一。在北美和西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機(jī)械車輛設(shè)計(jì)的J1939協(xié)議。近年來(lái)，其所具有的高可靠性和良好的錯(cuò)誤檢測(cè)能力受到重視，被廣泛應(yīng)用于汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強(qiáng)和振動(dòng)大的工業(yè)環(huán)境。

CAN總線是一種有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，目前已經(jīng)在國(guó)外汽車的電器網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛的應(yīng)用。CAN總線采用了許多新技術(shù)及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。CAN總線是目前有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線，它為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從；在報(bào)文標(biāo)識(shí)符上，CAN上的節(jié)點(diǎn)分成不同的的優(yōu)先級(jí)，可滿足不同的實(shí)時(shí)要求，優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)多可在134μs內(nèi)得到傳輸；CAN總線采用非破壞總線仲裁技術(shù)；CAN節(jié)點(diǎn)只需要通過(guò)對(duì)報(bào)文的標(biāo)識(shí)符濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、1點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)；CAN的直接通信距離遠(yuǎn)可達(dá)10km，通信速率可達(dá)1Mb；報(bào)文采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，保證了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低；CAN的每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，具有極好的檢錯(cuò)效果；CAN總線的通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活；CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響[1-2]。

1.2LIN總線協(xié)議

LIN，全稱為“LocalInterconnectNetwork”，是一種低成本的串行通訊網(wǎng)絡(luò)。LIN的目標(biāo)是為現(xiàn)有汽車網(wǎng)絡(luò)（如CAN總線）提供輔助功能，在不需要CAN總線的帶寬和多功能的場(chǎng)合，使用LIN總線可大大節(jié)省成本。LIN總線是一主多從的總線連接方式，節(jié)點(diǎn)有主從之分。在本設(shè)計(jì)中，將LIN節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)為主節(jié)點(diǎn)。LIN是一個(gè)基于單線串行的通信協(xié)議，對(duì)于硬件的要求比較簡(jiǎn)單。通常一個(gè)有SCI/UART接口的單片機(jī)和一個(gè)LIN收發(fā)器就可組成LIN節(jié)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)利用AT91SAM7A3的UART口和LIN收發(fā)器TJA1020組成一個(gè)LIN主節(jié)點(diǎn)。TJA1020使用的波特率可從2.4～20kb／s，有較好的保護(hù)功能：總線終端和電池引腳可防止汽車環(huán)境下的瞬變、總線終端對(duì)電池和地的短路保護(hù)以及過(guò)熱保護(hù)等，可以作為汽車通信中的LIN通信接口。

LIN是由BMW、AUDI等7家公司聯(lián)合發(fā)起的1個(gè)專門(mén)用于汽車控制網(wǎng)絡(luò)的低成本的串行通信協(xié)議。LIN總線是一種輔助的總線網(wǎng)絡(luò)，在不需要CAN總線的帶寬和多功能場(chǎng)合，如智能傳感器和抽動(dòng)裝置之間的通信，使用LIN總線可大大節(jié)省成本。LIN總線為單主節(jié)點(diǎn)/多從節(jié)點(diǎn)模式，即沒(méi)有總線仲裁；能保證信號(hào)傳輸?shù)难舆t時(shí)間；它是帶時(shí)間同步的多點(diǎn)廣播接收，從節(jié)點(diǎn)無(wú)需石英或陶瓷諧振器；基于UART接口，幾乎所有的單片機(jī)都具備LIN必需的硬件；極少的信號(hào)線即可實(shí)現(xiàn)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO9141規(guī)定；不需要改變LIN從節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件就可以在網(wǎng)上增加節(jié)點(diǎn)；通常1個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)數(shù)目小于12個(gè)，共有64個(gè)標(biāo)志符。每個(gè)報(bào)文幀包括報(bào)頭和響應(yīng)兩部分，報(bào)頭由主節(jié)點(diǎn)發(fā)送，內(nèi)有同步間歇信號(hào)、同步字段信號(hào)和標(biāo)識(shí)字段信號(hào)；而響應(yīng)部分可能由主節(jié)點(diǎn)或者從節(jié)點(diǎn)發(fā)送，包含報(bào)文長(zhǎng)度1~8個(gè)字節(jié)的有效載荷和1個(gè)校驗(yàn)字節(jié)。對(duì)于從節(jié)點(diǎn)，它需要檢測(cè)報(bào)頭數(shù)據(jù)，并根據(jù)報(bào)頭內(nèi)容決定是否接收后續(xù)數(shù)據(jù)內(nèi)容或者發(fā)送數(shù)據(jù)到總線上[1]。

2網(wǎng)關(guān)硬件實(shí)現(xiàn)

1個(gè)車身控制網(wǎng)絡(luò)有很多CAN和LIN節(jié)點(diǎn)，如天窗、雨刮、座椅、車燈及組合開(kāi)關(guān)等，這些模塊節(jié)點(diǎn)可通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的相互通信。圖1為網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D，CAN節(jié)點(diǎn)信號(hào)通過(guò)CAN驅(qū)動(dòng)接口傳送到MCU，并經(jīng)MCU處理后把CAN信號(hào)轉(zhuǎn)換成LIN信號(hào)，通過(guò)LIN驅(qū)動(dòng)接口把信號(hào)發(fā)送到LIN總線，控制相應(yīng)的LIN模塊動(dòng)作；同樣的LIN信號(hào)經(jīng)MCU后可轉(zhuǎn)換為CAN信號(hào)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制功能。

2.1中央控制器電路實(shí)現(xiàn)

中央控制模塊的是80C51單片機(jī)，在CAN通信接口中CAN控制器選用SAJ1000，如圖2所示。微處理器負(fù)責(zé)SJA1000的初始化，并負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)關(guān)的監(jiān)控任務(wù)及CAN總線與LIN總線的通信任務(wù)。SJA1000是一種獨(dú)立的CAN控制器，主要用于移動(dòng)目標(biāo)和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制，它是Philips半導(dǎo)體公司PCA82C200CAN控制器的替代產(chǎn)品，而且還增加了1種新的操作模式—PeliCAN，這種模式支持CAN2.0B協(xié)議。在邊線上，SAJ1000的AD0～AD7連接到80C51的P0口，CS連接到80C51的P2.7口。P2.7為0時(shí)，CPU片外存儲(chǔ)器地址可選中SJA1000，CPU通過(guò)這些地址可對(duì)SJA1000執(zhí)行相應(yīng)的讀/寫(xiě)操作。SJA1000的RD、WR、ALE分別與80C51單片機(jī)的對(duì)應(yīng)引腳相連。INT引腳接80C51單片機(jī)的INT0，可通過(guò)中斷方式訪問(wèn)SJA1000。80C51單片機(jī)的10和11管腳連到LIN接口電路，實(shí)現(xiàn)與LIN總線的通信[3]。

2.2CAN接口驅(qū)動(dòng)電路

CAN控制器和系統(tǒng)物理總線之間的接口采用Philips公司的CAN收發(fā)器TJA1050，它具有對(duì)CAN總線的差動(dòng)發(fā)送和接收功能。TJA1050總線收發(fā)器與ISO11898標(biāo)準(zhǔn)完全兼容，優(yōu)化了CANH與CANL之間的耦合，因此大大降低了信號(hào)的電磁輻射，具有強(qiáng)電磁干擾下寬共模范圍的輸送接收能力，適用于汽車和工業(yè)應(yīng)用[2]。為了增強(qiáng)CAN通信的可靠性，CAN總線網(wǎng)絡(luò)的2個(gè)端點(diǎn)通常均接有抑制反射的終端匹配電阻，如圖3所示。匹配電阻連接在CAN-H和CAN-L之間，終端匹配電阻的大小由傳輸電纜的特性阻抗所決定。例如雙絞線的特性阻抗為120Ω，則總線上的2個(gè)端點(diǎn)應(yīng)集成120Ω終端電阻。

2.3LIN接口驅(qū)動(dòng)電路

LIN總線接口驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。TJA1020是1個(gè)物理媒體連接，它是LIN主機(jī)/從機(jī)協(xié)議控制器和LIN傳輸媒體之間的接口，通過(guò)在LIN和BAT引腳之間串聯(lián)反向電流二極管和電阻實(shí)現(xiàn)主機(jī)應(yīng)用，如圖4所示。協(xié)議控制器輸入引腳TXD的發(fā)送數(shù)據(jù)流被LIN收發(fā)器轉(zhuǎn)換為總線信號(hào)，而且電平翻轉(zhuǎn)速率和波形都受到限制，以減少電磁輻射。TJ1020的接收器檢測(cè)到LIN總線上的數(shù)據(jù)流并通過(guò)RXD引腳將它傳送到協(xié)議控制器。收發(fā)器有低功耗管理模式，它在睡眠模式中幾乎不消耗電流，并在錯(cuò)誤模式中減少功率消耗[4]。

3系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

CAN/LIN網(wǎng)關(guān)軟件主要實(shí)現(xiàn)CAN與LIN總線之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，即將接收到的CAN格式報(bào)文用LIN協(xié)議進(jìn)行封裝并發(fā)送到相應(yīng)的控制節(jié)點(diǎn)，同時(shí)把接收到的LIN格式的報(bào)文用CAN協(xié)議進(jìn)行封裝并發(fā)送到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)及車身BCM模塊等完成相應(yīng)的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)CAN與LIN節(jié)點(diǎn)的一致、透明通信傳輸。

為了實(shí)現(xiàn)上述通信任務(wù)，其軟件設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)部分：主監(jiān)控程序、CAN和LIN接口芯片的初始化、CAN報(bào)文的接收和發(fā)送及LIN報(bào)文的接收和發(fā)送。主監(jiān)控程序負(fù)責(zé)對(duì)CAN和LIN報(bào)文的接收緩沖區(qū)進(jìn)行監(jiān)視，若某一路緩沖區(qū)非空，則向另一路轉(zhuǎn)發(fā)。程序開(kāi)始時(shí)即進(jìn)入程序初始化，進(jìn)入初始化程序有3種方式：硬件復(fù)位、軟件復(fù)位、上電復(fù)位。初始化程序?qū)λ械膱?bào)文對(duì)象進(jìn)行初始化操作。初始化后，中央控制器采取查詢與中斷方式監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)報(bào)文協(xié)議轉(zhuǎn)換、接收與發(fā)送。

基于CAN/LIN網(wǎng)關(guān)的汽車CAN、LIN混合網(wǎng)絡(luò)，不僅可以有效地降低汽車整車成本，而且可減小總線的使用率，并可實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的一致性、透明性。隨著汽車電子技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展趨勢(shì)，低成本的CAN/LIN混合網(wǎng)絡(luò)將會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn):

[1].AT91SAM7A3