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    0、引言

    隨著車用電氣設(shè)備越來越多，從發(fā)動(dòng)機(jī)控制到傳動(dòng)系統(tǒng)控制，從行駛、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制到安全保證系統(tǒng)及儀表報(bào)警系統(tǒng)，從電源管理到為提高舒適性而作的各種努力，使汽車電氣系統(tǒng)形成一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)，而且這一系統(tǒng)都集中在駕駛室控制。另外，隨著近年來ITS的發(fā)展，以3G（GPS、GIS和GSM）為代表的新型電子通信產(chǎn)品的出現(xiàn)，對(duì)汽車的綜合布線和信息的共享交互提出了更高的要求。

    從布線角度分析，傳統(tǒng)的電氣系統(tǒng)大多采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單一通信方式，相互之間少有聯(lián)系，這樣必然需要龐大的布線系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一輛采用傳統(tǒng)布線方法的高檔汽車中，其導(dǎo)線長(zhǎng)度可達(dá)2 000 m，電氣節(jié)點(diǎn)達(dá)1 500個(gè)，而且根據(jù)統(tǒng)計(jì)，該數(shù)字大約每10年增長(zhǎng)1倍，從而加劇了粗大的線束與汽車有限的可用空間之間的矛盾。無論從材料成本還是工作效率看，傳統(tǒng)布線方法都將不能適應(yīng)汽車的發(fā)展。

    從信息共享角度分析，現(xiàn)代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)。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。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，且本身具有較高的通信速率。CAN總線正是為滿足這些要求而設(shè)計(jì)的。

    1、CAN簡(jiǎn)介

    德國(guó)Bosch公司為解決現(xiàn)代車輛中眾多的控制和數(shù)據(jù)交換問題，開發(fā)出一種CAN(Controller Area Network)現(xiàn)場(chǎng)總線通信結(jié)構(gòu)。CAN總線硬件連接簡(jiǎn)單，有良好的可靠性、實(shí)時(shí)性和性能價(jià)格比。CAN總線能夠滿足現(xiàn)代自動(dòng)化通信的需要，已成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線通信領(lǐng)域中最為活躍的一支。其主要特點(diǎn)是：

    ① 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； 　　

    ② 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)優(yōu)先傳送數(shù)據(jù)，能滿足實(shí)時(shí)性要求；    

    ③ 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；

    ④ 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，萬一某一節(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；

    ⑤ CAN總線只有兩根導(dǎo)線，系統(tǒng)擴(kuò)充時(shí)，可直接將新節(jié)點(diǎn)掛在總線上即可，因此走線少，系統(tǒng)擴(kuò)充容易，改型靈活；

    ⑥ 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；

    ⑦ CAN總線上的節(jié)點(diǎn)數(shù)主要取決于總線驅(qū)動(dòng)電路,在CAN2.0B標(biāo)準(zhǔn)中,其報(bào)文標(biāo)識(shí)符幾乎不受限制。

    總之,CAN總線具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、可靠性高、通信速率快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、互操作性好、總線協(xié)議具有完善的錯(cuò)誤處理機(jī)制、靈活性高和價(jià)格低廉等特點(diǎn)。

    2、總體方案設(shè)計(jì)

    2.1 汽車內(nèi)部CAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

    正是由于CAN總線具有這些其他通信方式無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，使之成為電動(dòng)汽車控制系統(tǒng)的理想總線。

    現(xiàn)代汽車典型的電控單元主要有主控制器、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、懸架控制系統(tǒng)、制動(dòng)防抱死控制系統(tǒng)(ABS)、牽引力控制系統(tǒng)、ASR控制系統(tǒng)、儀表管理系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)、中央門鎖系統(tǒng)、座椅調(diào)節(jié)系統(tǒng)、車燈控制系統(tǒng)等。所有這些子控制系統(tǒng)連接起來構(gòu)成一個(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)――指令發(fā)出去之后，必須保證在一定時(shí)間內(nèi)得到響應(yīng)，否則，就有可能發(fā)生重大事故。這就要求汽車上的CAN通信網(wǎng)絡(luò)有較高的波特率設(shè)置。另外，汽車在實(shí)際運(yùn)行過程中，眾多節(jié)點(diǎn)之間需要進(jìn)行大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。若整個(gè)汽車的所有節(jié)點(diǎn)都掛在一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)上，眾多節(jié)點(diǎn)通過一條CAN總線進(jìn)行通信，信息管理配置稍有不當(dāng)，就很容易出現(xiàn)總線負(fù)荷過大，導(dǎo)致系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)速度下降的情況。這在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中是不允許的，因此在對(duì)汽車上各節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)性進(jìn)行了分析之后，根據(jù)各節(jié)點(diǎn)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，設(shè)計(jì)了高、中、低速三個(gè)速率不同的CAN通信網(wǎng)絡(luò)，將實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格的節(jié)點(diǎn)組成高速CAN通信網(wǎng)絡(luò)，將其他實(shí)時(shí)性要求相對(duì)較低的節(jié)點(diǎn)組成中速CAN通信網(wǎng)絡(luò)，將剩下實(shí)時(shí)性要求不是很嚴(yán)格的節(jié)點(diǎn)組成低速CAN通信網(wǎng)絡(luò)。并架設(shè)網(wǎng)關(guān)將這三個(gè)速率不同的三個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)連接起來，實(shí)現(xiàn)全部節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)共享。整個(gè)汽車的CAN通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 汽車CAN總線網(wǎng)0絡(luò)拓?fù)鋱D

    發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、懸架控制系統(tǒng)、制動(dòng)防抱死控制系統(tǒng)(ABS)、牽引力控制系統(tǒng)、ASR控制系統(tǒng)這五個(gè)節(jié)點(diǎn)是汽車運(yùn)行的核心部件，對(duì)時(shí)間響應(yīng)要求嚴(yán)格，因此將這五個(gè)節(jié)點(diǎn)組成高速CAN通信網(wǎng)絡(luò)，通信波特率設(shè)為500 bps。儀表管理系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)等相對(duì)來說對(duì)實(shí)時(shí)性的要求較低，因此這些節(jié)點(diǎn)構(gòu)成中速CAN通信網(wǎng)絡(luò)、通信波特率設(shè)為128 bps。中央門鎖系統(tǒng)、座椅調(diào)節(jié)系統(tǒng)、車燈控制系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求不是很嚴(yán)格，它們構(gòu)成低速通信網(wǎng)絡(luò)，通信波特率設(shè)為30 bps。兩個(gè)網(wǎng)關(guān)跨接高、中、低速三條總線，與各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。網(wǎng)關(guān)通過對(duì)CAN總線間待傳數(shù)據(jù)信息的智能化處理，可以確保只有某類特定的信息才能夠在網(wǎng)絡(luò)間傳輸。 　

    2.2 器件選擇

    汽車內(nèi)部CAN網(wǎng)絡(luò)主要由兩部分組成：面向底層ECU的CAN節(jié)點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)高低速網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)共享及網(wǎng)絡(luò)管理的網(wǎng)關(guān)。為了減少開發(fā)周期，選擇Motorola公司一款帶CAN模塊的中檔微處理器MC9S12DP256；CAN收發(fā)器以及電源系統(tǒng)是用MC33989來實(shí)現(xiàn)的。

    微控制器MC9S12DP256是基于16位HCS12 CPU及0.25 μm微電子技術(shù)的高速、高性能5.0 V Flash存儲(chǔ)器產(chǎn)品中的中檔芯片。其較高的性能價(jià)格比使其非常適合用于一些中高檔汽車電子控制系統(tǒng);同時(shí)其較簡(jiǎn)單的背景開發(fā)模式(BDM)也使開發(fā)成本進(jìn)一步降低,使現(xiàn)場(chǎng)開發(fā)與系統(tǒng)升級(jí)變得更加方便。

    MC9S12DP256的主頻高達(dá)25 MHz;片上集成了許多標(biāo)準(zhǔn)模塊，包括２個(gè)異步串行通信口SCI、3個(gè)同步串行通信口SPI、8通道輸入捕捉／輸出比較定時(shí)器、2個(gè)10位8通道A/D轉(zhuǎn)換模塊、1個(gè)8通道脈寬調(diào)制模塊、49個(gè)獨(dú)立數(shù)字I/O口（其中20個(gè)具有外部中斷及喚醒功能）、兼容CAN2.0A/B協(xié)議的5個(gè)CAN模塊以及1個(gè)內(nèi)部IC總線模塊；片內(nèi)擁有256 KB的Flash EEPROM