隨著現代汽車新技術的飛速發展，車輛安全系統和舒適系統的不斷完善，用于車輛中的電氣設備越來越多。針對國產轎車車身控制模塊的多子系統分別工作、智能化程度低、功能可擴展性差的現狀,提出了基于高層協議的分布式模塊化控制器局域網 CAN 總線控制解決方案。本文闡述了CAN總線協議及其技術特點。結合應用實例，分析了CAN總線技術在汽車中的應用優勢，并對系統的總體結構，數據傳輸方式以及控制過程進行了詳細的描述，并完成節點電路設計，協議定義及軟件實現,試驗驗證了其可行性。
1：引言
計算機控制系統的發展在經歷了基地式氣動儀表控制系統、電動單元組合式模擬儀表控制系統、集中式數字控制系統以及集散控制系統(DCS )后，隨著微處理器技術和集成電路技術的飛速發展，到了現在的現場總線控制系統。現場總線也被稱為自動化領域的計算機網絡，是當今自動化領域技術發展的熱點之一，它標志著控制技術進入了一個新的時代。現場總線以總線為紐帶，將現場設備連接起來成為一個能夠相互交換信息的控制網絡，是一種雙向串行多節點數字通信的系統。CAN總線也是現場總線的一種，被廣泛應用于汽車的控制系統、自動控制、樓宇自動化、醫學設備等各個領域。
2：CAN總線簡介
CAN是控制器局域網絡(Controller Area Network)的簡稱，它是由德國的Bosch公司及幾個半導體生產商開發出來的，CAN 總線是一種串行多主站控制器局域網總線。它具有很高的網絡安全性、通訊可靠性和實時性,簡單實用,網絡成本低。特別適用于汽車計算機控制系統和環境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業環境。
CAN總線有如下基本特點：
◎ CAN總線為多主站總線，各節點可在任意時刻向網絡上的其他節點發送信息，不分主從，通信靈活；
◎ CAN總線采用獨特的非破壞性總線仲裁技術，優先級高的節點優先傳送數據，可滿足實時性要求；
◎ CAN總線具有點對點、一點對多點及全局廣播傳送數據的功能；
◎ CAN總線采用短幀結構，每幀有效字節數最多為8個，數據傳輸時間短，并有CRC及其他校驗措施，數據出錯率極低；
◎ CAN總線上某一節點出現嚴重錯誤時，可自動脫離總線，而總線上的其他操作不受影響；
◎ CAN總線系統擴充時，可直接將新節點掛在總線上，因而走線少，系統擴充容易，改型靈活；
◎ CAN總線最大傳輸速率可達1Mb/s（此時通信距離最長為40m），直接通信距離最遠可達10km（速率5kbps以下）；
◎ CAN總線上的節點數主要取決于總線驅動電路。在標準幀（11位報文標識符）可達110個，而在擴展幀（29位報文標識符）其個數幾乎不受限制。
3： CAN總線控制系統的網絡構建原理
CAN總線是一種串行總線式的通信網絡。與其他串行式網絡所不同的是，CAN總線采用了帶優先級的CSMA/CD協議對總線進行仲裁，所以，CAN總線構建的網絡允許網絡上的節點同時發送信息，這樣，CAN總線既可以構成多主結構的系統，保證了系統設計的可靠性，也能保證信息處理的實時性。此外，CAN總線采用短幀結構，且它的每幀信息都有CRC校驗，這樣就能夠保證很低數據傳輸出錯率。CAN總線通信接口中集成了CAN協議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理，包括位填充、數據塊編碼、循環冗余檢測、優先級判別等工作.CAN總線控制系統的網絡拓撲原理圖如圖1所示，網絡通信介質采用雙絞線。總線的每個末端接有終端電阻RT以抑制信號反射，采用雙絞線為通信介質時，一般選取Rt＝ 100～120歐姆。在實際組建網絡時，圖中在參數D, S根據現場的情況來確定。節點分支的長度D應小于3米，而相鄰節點的距離S則要取決于總線的通信速率，一般說速率越高，其允許值也就越小。根據CAN的國際標準IS011898的建議，在總線位速率為1 Mbps時，S的值應小于40m，而當總線速率在5Kbps以下時，則可達10Krn。設計CAN總線的串行網絡主要是考慮其網絡擴展容易，增刪節點方便且成本較低等因素。系統的工作過程如下:系統上電復位后，CAN通信接口卡接收到PC機的數據后，便向總線上的各個節點傳播。CAN總線上的節點與被控對象(圖中未畫出)相連，當它接收到PC機的數據后，則對被控對象作相應的操作。當CAN總線節點有數據向總線發送時，便通過收發器把數據發到物理總線，或傳送到其它節點，或經CAN通信板卡傳送到上位機。
圖1 CAN控制系統的網絡拓撲原理圖
4：基于AT89S8252 的汽車計算機控制
4.1 AT89S8252芯片簡介
美國ATMEL公司的89系列單片機在內部功能和引腳上與MCS-51單片機兼容，而內部程序存儲器采用FLASH存儲器，因而也稱FLASH單片機。這是一個十分有特色的單片機系列。它源于51而又優于51。因此對熟悉51系列的用戶來說，用89系列單片機取代51系列是輕而易舉的事。在89系列單片機中有一款非常優秀的單片機――AT89S8252,它幾乎囊括了目前單片機的全部功能是ATMEL89系列中最高檔的單片機。
AT89S8252的特點
AT89S8252除具有89系列所共有的特性,如與80C51插座兼容;靜態時鐘方式等,還增加了以下功能:
▲ 8KFLASH程序存儲器有可下載功能,其下載功能是由PC通過AT89S8252的串行外圍接口SPI執行的。
▲ 除了8KFLASH存儲器之外,它還含有一個2K的EEPROM,從而提高了存儲容量。
▲ 含有9個中斷響應的能力。
▲ 含有SPI接口。
▲ 含有WATCHDOG定時器。
▲ 含有雙數據指針。
▲ 含有從電源下降的中斷恢復。
如此這些使得89S8252成為目前以51為核心的單片機中功能較強,性價比較高的。
4．2 車身控制系統的介紹與拓撲結構
車身控制模塊的控制功能包括遙控中央門鎖和防盜、電動車窗玻璃升降器、內外燈、雨刮、后窗和后視鏡加熱控制、電動座椅和空調等。為了達到舒適、安全和方便的目的，同時隨著車上網絡技術的發展，集成了上述功能的全部或部分的車身控制模塊逐漸應用于高檔轎車，提高了汽車的使用性能。本文的車身控制模塊功能包括遙控中央門鎖和防盜、電動車窗玻璃升降器、內外燈、雨刮、后窗和后視鏡加熱控制。其結構包括中央控制模塊、主駕門模塊和其他三個門模塊。五個模塊之間采用波特率小于125k的低速雙線CAN總線通訊。可以通過獨立的或集成在儀表模塊中的網關，將車身控制模塊系統連接到高速的動力傳動總線，從而獲得車速信號、發動機轉速信號和安全氣囊觸發信號,或者自接從儀表模塊獲得車速信號、發動機轉速信號，從碰撞傳感器獲得碰撞信號，從變速器獲得檔位信號。使用總線連接可實現一些智能化的控制:當空調打開后或遙控閉鎖后，車身控制系統自動將所有車窗升到頂:車速超過30km/h時，自動將車門鎖定:一旦發生碰撞事故，在氣囊打開的同時解鎖所有車門，便于車內駕乘人員逃生。車身控制模塊CAN總線結構如圖2所示。
圖2 車身控制模塊CAN總線結構
4．3電路框圖
a: 主控單元硬件框圖（圖3）
圖3 主控單元硬件框圖
b: 受控單元硬件框圖（圖4）
圖4 受控單元硬件框圖
C: 門控單元硬件框圖（圖5)
圖5 門控單元硬件框圖
4．4 CAN總線系統智能節點設計
網絡中的節點是信息接收和發送站，根據接受的信息和本地采集的信息完成相應的控制。簡化的CAN節點是一個單芯片，可以直接將采集到的管腳電平和AD信號并轉化為CAN報文遠程傳送，在網絡中充當一個沉默的網關。這種裝置對于驅動遠程感應器、執行器或采集數字和模擬數據都非常理想，它們能夠被看作中央微控制器的遠程附件。
圖6 CAN總線系統智能節點硬件電路原理圖
本硬件電路設計中，采用ATMEL AT89S8252作為MCU, Philips SJA1000作為CAN控制器，Philips TJA1050作為總線驅動器。從圖6可以看出，電路主要由上述三部分組成。微處理器AT89S8252負責SJA1000的初始化，通過SJA1000實現數據的接受和發送的等通信任務。SJA1000的AD0-AD7連接到AT89S8252的P0口，片選CS連接到AT89S8252 P2.l。P2.7為0時，CPU片外存貯器地址可選中SJA1000 。CPU通過這些地址可對SJA1000執行相應的讀寫操作。SJA1000的RD, WR, ALE分別與AT89S8252的對應引腳相連，INT接AT89S8252的INT0, AT89S8252也可通過中斷方式訪問SJA1000。
TJA1050是CAN協議控制器和物理總線之間的接口，應用在波特率范圍在60k到1M的高速自動化應用中。TJA1050可以為總線提供不同的發送性能，為CAN控制器提供不同的接收性能，完全與ISO11898標準兼容。TJA1050有一個電流限制電路，保護發送器的輸出級，使由正或負電源電壓意外造成的短路不會對TJA1050造成損壞。TJA1050還有一個溫度保護電路，當與發送器的連接點的溫度超過大約165 攝氏度時，會斷開與發送器的連接。當總線短路時，尤其需要這個溫度保護電路。為了提高電磁兼容性，采用了終端分解結構。CAN總線系統智能節點硬件電路原理圖如上圖6所示。
在實際應用中，CAN總線大都用在如汽車和工業現場控制等的環境中，環境對電路的影響很大，所以為減少這些干擾，在設計CAN總線的節點時，通常在電路中使用高速光禍，如6N137等，使SJA1000的TX0與RX0不直接與TJA1050的TXD和RXD相連，而是通過高速光藕與TJA1050相連，這樣就能很好地實現總線上各CAN節點間的電氣隔離。同時還必須指出的是，光禍部分所采用的兩個電源VCC和VDD必須完全隔離，否則光禍也就失去了意義，即無法達到隔離的目的。
4．5 CPU電源設計
CPU的5V電源采用LM2575進行DC/DC轉換把12V的蓄電池電源轉換為SV的MCU控制的電源。LM2575的ON /OFF用來和MC33993的WAKE引腳相連,當外部開關動作時WAKE引腳為低，使LM2575正常工作，當無開關動作時，LM2575停止工作，從而減少損耗。
圖7 CPU電源設計原理圖
4．6 軟件設計
本系統軟件由總的系統軟件和高( 低) 速CAN 總線網絡單元軟件組成,軟件流程圖如圖8和圖9所示。其中圖9 高速CAN 總線網絡單元負責對實時性要求高的發動機控制、變速控制、安全控制和ABS 單元的控制動 作的采集和傳送,一旦有這些控制單元動作信號,經過微控制器對它們進行處理后將以最快的速度通過高速CAN 網絡傳給相應控制單元的ECU ,由控制單元ECU對控制對象進行控制;低速CAN 總線網絡的控制方法及單元軟件流程圖與此類似,但是由于它們的實時性要求相對前者不高,因此它們的傳輸優先級相對較低。
圖8 總的系統軟件流程圖
5：結束語
CAN總線以其高通信速率、高性價比以及網絡構建的靈活性等諸多特點，成為目前最為流行的現場總線之一。隨著集成CAN協議的各種器件的不斷推出，CAN總線的應用范圍已不再局限于汽車工業，它涉及的應用領域已擴展到醫療器件、傳感器技術、數據采集系統以及樓宇自動化和工業控制中。由此可見，CAN總線的應用前景十分廣闊。
參考文獻
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