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西华大学硕士学位论文 基于c a n 总线的车辆测控系统的研究 流体机械及工程专业 研究生唐义清指导教师谭善文( 副教授) 本文在分析研究汽车电子技术和c a n 总线发展的基础上，以方便、实 用、可靠、经济为设计原则，以实时性好，抗干扰能力强为设计要求，设 计了一种基于c a n 总线的车辆控制系统。 本文研究的主要内容为车辆测控系统总体方案的制定和重点对控制 系统的一个模块( 动力终端与开关量控制模块) 系统进行硬件和软件的设 计。在此模块中，以4 路模拟电阻输入( 水温，油温，油压，传动箱油压) 信号；2 路电压比较输入( 火焰传感器) 信号；1 路脉冲输入( 发动机转 速) 信号；3 2 路开关量( 车灯、门、窗、雨刮、挡位) 信号为研究对象， 以p i c l 8 f 4 5 8 单片机芯片为微处理器综合分析处理这些数据，通过c a n 总 线控制器把这些数据送上c a n 总线，与中央控制模块进行通信，以达到： 中央控制模块收集系统所有的开关量信号、模拟量信号及脉冲量信号，经 过中央处理器分析处理，再通过c a n 总线发出控制命令控制车辆系统的目 的。 借助于m p l a b i i ) e 集成开发环境软件包来进行编程、离线仿真； m p l a b i d e 与i c d 2 和p i c l 8 f x x 实验开发工具配合使用，进行在线调试、 编程及程序下载。这使得该系统模块的设计开发变得更容易。 本课题针对现代车辆控制系统需求一种实时性好、抗干扰能力强的通 信网络一问题。通过基于c a n 总线的车辆控制系统的研究，实现了对车辆 的实时控制和各个控制模块通过c a n 总线进行相互通信的要求。从而达到 了汽车智能通信网络化研究的目的。 关键词：c a n 总线，现场总线，p i c 单片机。汽车控制 西华大学硕士学位论文 r e s e a r c ho nt h ea u t o m o b i l ec o n t r o ls y s t e m b a s e do nc a n - b u s m a j o r ：f l u i dm a c h i n e r ya n de n g i n e e r i n g m d c a n d i d a t e ：y i q i n gt a n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f s h a n w e nt a n b a s e do na n a l y z i n gt h ed e v e l o p m e n to fa u t o m o b i l ee l e c t r o n i ct e c h n o l o g y a n dc a n b u s ，t h es y s t e mo fa u t o m o b i l ec o n t r o lb a s e do nc a n b u si s d e s i g n e d ，w h i c h i s f o l l o w i n gt h ed e s i g np r i n c i p l e - - c o n v e n i e n c e ，g o o d p r a c t i c a b i l i t y , h i g hr e l i a b i l i t ya n dl o wc o s t ，a n dt h ed e s i g nn e e d _ 9 0 0 dr e a l t i m ea n dh i g ha b i l i t yo fa n t i - i n t e r f e r e n c e i nt h i sp a p e r , w eo f f e rt oaw h o l ep 1 0 j e c to fa u t o m o b i l ec o n t r o ls y s t e m ， a n de m p h a s i z eo no n eo fa u t o m o b i l ec o n t r o lm o d u l ew h i c hi st h ep o w e r t e r m i n a la n ds w i t c hs i g n a lc o n t r o lm o d u l e ，i nw h i c ht h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e a r ed e s i g n e d i nt h eh a r d w a r ed e s i g n ，w em a k ek i n d so fs i g n a lt ob er e s e a r c h o b j e c t s ，w h i c hi s4w a y sa n a l o gr e s i s t a n c es i g n a l ( w a t e rt e m p e r a t u r es i g n a l ，o i l t e m p e r a t u r es i g n a l ，o i lp r e s s u r es i g n a l ，o i lp r e s s u r eo fw h e e lb o xs i g n a l ) ，2 w a y sa n a l o gv o l t a g es i g n a l ( t r a n s d u c e rs i g n a lo fm o t o rf l a m c ) ，1w a yp u l s e s i g n a l ( m o t o rr o t a t es i g n a l ) ，3 2w a y ss w i t c hs i g n a l ( a u t o m o b i l el a m p ss i g n a l ， a u t o m o b i l ed o o r s s i g n a l ，a u t o m o b i l er e m o v i n gr a i ne q u i p m e n ts i g n a l ， a u t o m o b i l ew h e e lb o xb l o c k e q u i p m e n ts i g n a l ) a l lt h e s es i g n a la r ep r o c e s s e d b yp i c l 8 f 4 5 8s i n g l ec h i pp r o c e s s o r t h e ns o m ed a t ea r et r a n s m i t t e di n t ot h e c e n t e rc o n t r o lm o d u l eb yt h ec a n - b u sc o n t r o l l e ra n dc a n b u s t h ec e n t e r c o n t r o lm o d u l ep r o c e s s e st h o s ed a t ew h i c hi ss w i t c hs i g n a l ，a n a l o gs i g n a la n d p u l s es i g n a l ，a n dt h e ns e n d so u tk i n d so fo r d e r st oc o n t r o lw h o l ea u t o m o b i l e s y s t e mb yt h ec a n b u s i t 西华大学硕士学位论文 b ym e a n so ft h ei n b o a r dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n tm p l a b i d e s o f t w a r e , a s s e m b l i n gp r o g r a ma n do f f - c i r c u i t s i m u l a t i o nc a nb em a d e t o g e t h e rw i t hu s i n gi c d 2a n dt h ed e v e l o p m e n tt o o l so fp i c l 8 f x x ，w ec a n m a k et h es y s t e mr e a l i z et h ef u n c t i o n so fi n - c i r c u i tp r o g r a m m i n g ，i n - c i r c u i t d e b u g g i n g ，a n dd o w n l o a d i n gt h ea s s e m b l i n gp r o g r a m ，w h i c hm a k e st h e d e s i g n i n ga n dd e v e l o p i n go ft h ec o n t r o ls y s t e me a s i e r t ot h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r k q u e s t i o no ft h eg o o dr e a lt i m ea n dh i g h a n t i - i n t e r f e r e n c ew h i c hi sn e e db yt h et o d a ya u t o m o b i l ec o n t r o ls y s t e m ，w e d e s i g nt h es y s t e mo fa u t o m o b i l ec o n t r o lb a s e do nc a n - b u st o c o n t r o l a u t o m o b i l e ，a n dt or e a l i z ec o m m u n i c a t i o nw i t ho t h e rm o d u l eb yt h e c a n - b u s b yt h i sd e s i g n ，w er e a c ht o r e a l i z et h ea u t o m o b i l ei n t e l l i g e n t c o m m u n i c a t i o nn e t w o r kc o n t r 0 1 k e yw o r d s ：c a n b u s ，f i e l db u s ，p i cs i n g l ec h i pm i c r o p r o c e s s o r , a u t o m o b i l ec o n t r o l i i i 西华大学硕士学位论文 第一章绪论 本章简单介绍了本课题研究的目的和意义，国内外研究的现状和c a n 总线以及p i g 系列单片机的发展状况，最后给出了论文的主要内容和所做 的工作。 1 1 课题研究的目的和意义 随着计算机技术、计算机网络、电子技术、传感器技术的飞速发展， 汽车电子控制技术日趋成熟完善，在汽车上已得到广泛的应用与发展，许 多电子装置已经成为其标准配置或选装配置，汽车电子化已是现代汽车发 展的重要标志。从现代汽车所使用的电子设备价格比例来看，欧美汽车电 子设备占整车价格的1 5 一2 0 ，而我国生产的汽车目前只占2 5 ，从世界 汽车电子市场的销售来看，1 9 9 1 年每辆汽车平均消耗电子产品的费用占整 车的1 0 ，1 9 9 8 年接近1 5 ，2 0 0 3 年提高到近2 0 ，目前，国外汽车电子产 品成本占整车的2 5 3 0 ，在未来1 0 年该比例将高达4 0 ，如奔驰目前 顶级车汽车电子已占4 0 l l j 。现代汽车电子控制技术的应用不仅提高了汽 车的动力性、经济性、安全性、环保性，而且改善了汽车行驶的稳定性和 舒适性，推动了汽车工业的发展还为电子产品开拓了广阔的市场，从而推 动了电子工业的发展。因此，发展汽车电子控制新技术，加快汽车电子化速 度，是振兴和发展汽车工业的重要手段。 汽车电子技术的发展大体可分为以下四个阶段儿“： 第一阶段，从5 0 年代初到7 0 年代初，主要是开发由分立元件和集成 电路组成的汽车电子产品，应用电子装置代替传统的机械部件，如集成电 路调节器，电子点火器等。 第二阶段，从7 0 年代中期到8 0 年代中期，主要是发展专用的独立系 统，电子装置被应用在某些机械装置所无法解决的复杂控制功能方面，如 电子控制汽油喷射系统，制动防抱死系统等。 第三阶段，从8 0 年代中期到9 0 年代中期，主要是开发可完成各种功 能的综合系统及各种车辆整体系统的微机控制，汽车上的电子装置不仅能 自动承担基本控制任务，而且还能处理外部和内部的各种信息，如集发动 1 西华大学硕士学位论文 机控制与自动变速器控制为一体的动力传动系统控制，制动防抱死与防滑 转控制系统等。 第四阶段，从9 0 年代中期开始，主要是研究发展车辆的智能控制技 术与网络控制技术。1 9 9 0 年，在汽车上使用c p u 的平均数量是1 4 个，而 在2 0 0 0 年，在汽车上使用c p u 的平均数量为3 5 个，c p u 的类型逐渐从8 位、1 6 位发展到3 2 位，可同时管理发动机和变速控制系统等。 汽车电子技术面临的问题分析 汽车采用单片机微处理器、传感器和执行系统的逐渐增多，如采用 传统的连线方式，汽车系统中的导线数量将会达到成千上万根，不仅对汽 车的空间设计不利，而且会增加故障率和难以诊断出故障的所在处。故这 种一对一的物理连接集中式控制d d c ( d i r e c td i g i t a lc o n t r 0 1 ) 系统已不 能满足要求；然而，由于计算机的微型化，带有微处理器、具有复杂的数 字计算功能和良好的数字通信功能的受控终端设备越来越多，这些现场设 备不仅可以与控制中心、系统的其他设备相互通信，而且本身还具有可以 实现分析判断和直接调控终端的能力，因此集散式控制系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 也不能满足这种要求；由于汽车电子设 备和通信网络不仅要求控制实时性强，而且要求通信网络抗干扰能力也要 强，因此对于现有一般的计算机网络控制系统也不能满足要求。 针对以上问题，本文提出了一种现场总线c a n ( c o n t r o l l e ra r e a n e t w o r k ) 控制的分布式控制系统。这种控制系统能够满足：控制对象是 复杂的、分敖的，而且往往是并行、独立工作的。在整体上又是相互关联 的有机整体，并且还能对现场设备的状态进行实时同步的数据采集、综合 分析、推理、判断，发出最佳控制决策的控制系统。现场总线是应用在生 产最底层的一种总线型拓扑的网络。这种总线是用作现场控制系统的、直 接与所有受控设备节点串行相连接的通信网络。它是连接智能现场设备和 自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信数字网络，它的关键 标志是能支持双向、多节点、总线式的全数字通信。它依靠具有检测、控 制、通信能力的微处理芯片，使数字化仪表设备在现场彻底分散控制，并 以这些现场分散的单个测量控制设备点作为网络节点，将这些点以总线形 式连接起来，形成一个现场总线控制系统。它是网络集成式全分布控制系 2 西华大学硕士学位论文 统，它将原来集散型的系统现场控制的功能，全部分散在各个网络节点处。 为此，可以将原来封闭、专用的系统变成开放、标准的系统。使得不同制 造商的产品可以互连、降低了系统的成本，更好地满足了实时性要求，提 高了系统运行的可靠性。现场总线是工业控制和计算机网络两者的边缘产 物。现有的计算机网络无论是从网络的结构、协议、实时性，还是适应性、 灵活性、可靠性和成本方面都不能完全适应现代汽车电子控制系统的要 求，因为它要求实时性很强、可靠性高，并且抗干扰能力强。目前使用的 现场总线有：c a n ，p r o f i b u s ，f i e l d b u s ，w o r l d f i p ，p - n e t ，a n y b u s ， l o n w o r k s ，i n t e r b u s ，d n e t ，c n e t ，l i g h t b u s ，m o d b u s ，c c l i n k 。与一 般的通信总线相比，c a n 总线采用了许多新技术及其独特的设计，它的数 据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。因此，现场总线c a n 能够满 足现代汽车电子控制系统的要求。 目前在欧美c a n 总线已经成功的应用到汽车工业，形成汽车电子控 制网络，继v o l v o ，s a a b ，v o l k s w a g e n 和b m w 之后，现r e n a u l t 和f i a t 公 司也在他们的车辆产品中使用c a n 。但在我国的发展还在起步阶段，对于 我国的汽车电子控制系统，目前还处于集中式和集散式控制的阶段，所以 将c a n 总线技术的研究应用于我国的汽车领域是十分必要，对于提高我国 汽车工业在国际市场上的竞争力有着重要的意义。 1 2 基于c a n 总线的车辆控制的国内外发展状况 随着电子技术的不断发展，汽车电子技术也迅速的发展了起来，汽 车上各种电子控制单元的数目也不断地增加，连接导线显著增多，因而提 高控制单元间通信的可靠性和降低导线成本已成为迫切需要解决的问题。 在2 0 世纪8 0 年代，以研发和生产汽车电子产品著称的德国b o s c h 公司针 对此问题开发了c a n 总线协议，这种多主网络协议，它的基础是无破坏性 仲裁机制，使得总线能以最高优先权访问报文而没有任何延时。在9 0 年 代初，b o s c hc a n 规范2 0 协议就被提交作为国际标准，经过几次争议， 在1 9 9 3 年1 1 月公布了c a n 的i s 0 1 1 8 9 8 标准，i s o1 1 8 9 8 一l 描述了c a n 数据链路层；i s 0 11 8 9 8 2 定义了无错误一误差c a n 物理层；i s 0 1 1 8 9 8 3 规 定了错误一误差物理层。在美国的a 1 t e n b r a d e l y 公司和德国b o s c h 公司 3 西华大学硕士学位论文 的各自努力下推出了o e v i c e n e t 和c a n o p e n 两种c a n 的高层协议。由于 c a n 的信号传输采用短帧结构，抗干扰能力强等的通信优点，在1 9 8 7 年， i n t e l 公司就推出了第一片c a n 控制芯片8 2 5 2 6 ，其后不久p h i l i p s 半导体公司就推出了8 2 c 2 0 0 芯片，到目前为止，世界上已经拥有2 0 多家 c a n 总线控制器芯片生产商，“o 多种c a n 总线协议控制器芯片和集成c a n 总线协议控制器的微处理器芯片。广泛应用的c a n 芯片有p 8 7 c 5 9 1 、 s j a l 0 0 0 、p c a 8 2 c 2 5 0 2 5 l 、t j a l 0 5 0 1 0 4 0 1 0 5 4 等h 。在北美和西欧，c a n 总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准 总线，并且拥有以c a n 为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的 j 1 9 3 9 协议。今天几乎每一辆在欧洲生产的新轿车都至少装配有一个c a n 网络系统，c a n 总线己发展成为汽车电子系统的主流总线。我国的汽车c a n 总线技术起步较晚，2 0 0 6 年，才制定了基于c a n 总线通信协议的s a e j 1 9 3 9 作为载货车和大客车的通讯标准，至于轿车的通讯标准还在进行之 中。随着现代汽车电子的不断进步发展，其研究和应用正如火如茶的进行 中【5 】1 6 】【7 1 。 1 3 现场总线技术与c a n 总线的概述和特点 1 3 1 现场总线技术 现场总线技术发展于2 0 世纪8 0 年代。随着微处理器技术、网络技 术、通信技术和自动控制技术的不断发展，工业现场控制自动化与智能程 度不断提高，使得工业现场控制中需要使用大量的传感器、执行器和控制 器等，并且它们通常分布在非常广的范围内，如果在最低层上采用传统星 型拓扑结构，那么安装成本和介质造价都将非常昂贵；若采用局域网l a n ( l o c a la r e an e t w o r k ) 组建环型或总线型拓扑结构，虽然可以减少电缆 长度，但是增加了l a n 介质及相关硬件和软件成本。因此，一种能在工业 现场环境运行的可靠性高、实时性强、造价低廉的通信系统一现场总线 f s ( f i e l db u s ) 就产生了。 根据国际电工委员会i e c 6 1 1 5 8 标准定义，现场总线是指安装在制造 或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间数字式、串行、多 4 西华大学硕士学位论文 点通信的数据总线。现场总线是低带宽的计算机局域网络，是一种数字通 信协议，是开放式、数字化、多点通信的低层控制网络。作为智能设备的 联系纽带，把挂接在总线上、作为网络节点的智能设备连接为网络系统， 并进一步构成自动化系统，实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、 显示、监控、优化及控管一体化的综合自动化功甜。其突出特点如下p j ： ( 1 ) 开放性，现场总线控制系统f c s 采用公开化的通信协议，遵守 同一通信标准的，不同厂商的设备之间可以互连实现信息交 换，用户可以灵活选用不同厂商的现场总线产品来组成实际 的控制系统，达到最佳的系统集成。 ( 2 ) 互操作与互换性，互操作性是指不同厂商的控制设备不仅可 以互相通信，而且可以统一组态，实现统一的控制策略和“即 插即用”，不同厂商性能相同的设备可以互换。 ( 3 ) 灵活的网络拓扑结构，现场总线控制系统可以根据复杂的现 场情况组建不同的网络拓扑结构，如树型、星型、总线型和 层次化网络结构等。 ( 4 ) 彻底的分散控制性，现场设备本身属于智能化设备，具有独立 自动控制的基本功能，从而从根本上改变了d c s 的集中与分 散相结合的体系结构，形成了一种全新的分布式控制系统， 实现了控制功能的彻底分散，提高了控制系统的可靠性，简 化了控制系统的结构。现场总线与上一级网络断开后仍可维 持底层设备的独立正常运行，其智能程度大大加强。 ( 5 ) 现场设备的高度智能化，传统的d c s 使用相对集中的控制站， 其控制站由c p u 单元和输入输出单元等组成。现场总线控制 系统则将d c s 的控制站功能彻底分散到现场控制设备，仅靠 现场总线设备就可以实现自动控制的基本功能，如数据采集 与补偿p i d 运算和控制、设备自校验和自诊断等功能。系统 的操作员可以在控制室实现远程监控、设定或调整现场设备 的运行参数，还能借助现场设备的自诊断功能对故障进行定 位和诊断。 ( 6 ) 对环境的高度适应性，现场总线是专为工业现场设计的，它可 s 西华大学硕士学位论文 以使用双绞线、同轴电缆、光缆、电力线和无线的方式来传 送数据，具有很强的抗干扰能力。常用的数据传输线是廉价 的双绞线，并允许现场设备利用数据通信线进行供电，还能 满足本质安全防爆要求。 由于现场总线具有如此多的优点，因此得到了迅速的发展。目前已开 发出4 0 多种现场总线，如i n t e r b u s ，雎t b u s ，d e v i c e n e t ，m o d b u s ， a r c n e t ，p - n e t ，f i p ，i s p 等，其中最具影响力的有6 种，分别是c a n ( c o n t r o l l e ra r e an e t w o r k ) 、f f ( f o u n d a t i o nf i e l d b u s ) 、 p r o f i b u s ( p r o c e s sf i e l db u s ) 、l o n w o r k s ( l o c a lo p e r a t i n gn e t w o r k ) 、 d e v i c e n e t 、c o n t r o l n e t ，在表卜l 中统计了上述几种总线的特点【l 。 表卜1 几种流行现场总线的对比表 类型 p r o f il o nd e v i c ec o n t r o l 特茬 c a nf f b u sw o r k sn e tn e t o s i 网络1 ，2 ，7 ， l ，2 ，71 ，2 ，7l 一一7 1 ，2 ，7 层次 ( 8 ) 双绞线、 同轴电 双绞线、双绞线、 通信 双绞线、 双绞线、缆、光 介质 双绞线同轴电同轴电同轴电 缆、光纤 光纤纤、无线 和电力 缆、光纤缆、光纤 线 带非破 带非破 坏性逐 坏性逐 可预测p 介质访位仲裁 令牌令牌坚持 位仲裁隐性令 问方式 的载波的载波 牌 c s m a 侦听多侦听多 址访问址访问 最大通3 1 2 5 1 0 0 0 1 2 0 0 01 5 0 05 0 05 0 0 0 信速率 ( h 1 ) 西华大学硕士学位论文 ( k b i t 1 0 0 0 0 0 s ) ( h s e ) 最大节 1 1 03 2 1 2 7 2 4 8 6 4 9 9 点数 2 5 - 1 0 0 01 9 0 0 ( 带 段之间 5 0 0 ( 与 1 0 0 0 ( 同 最大传 ( 与波 宽 1 0 0 ，2 4 0 轴电缆) 2 7 0 0 波特率输距离 特率有 3 2 1 5 k bo o ( 光3 0 0 0 ( 光 ( m ) 有关) 关)s 的线)纤) 纤) 1 3 2c a n 总线的概述和特点 1 3 2 1c a n 总线的概述 2 0 世纪8 0 年代，德国b o s c h 公司最初为汽车监测和控制系统设计了 c a n 总线。在1 9 9 1 年b o s c h 公司制定并发布了c a n 技术规范。该技术规 范包括a 和b 两部分，2 o a 给出了c a n 的报文格式，2 0 b 给出了标准和 扩展的两种报文格式。1 9 9 3 年i s o 正式颁布了c a n 国际标准( i s 0 1 1 8 9 8 ) 。 随着c a n 总线国际标准的形成，其应用范围目前不仅局限于汽车行业，推 广到了机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗机械、 家用电器等领域。 c i n 协议是建立在国际标准组织的开放系统互连模型基础上的。由于 c a n 的数据结构简单，又是范围较小的局域网，故模型结构只取了o s i 的 2 层：物理层和数据链路层。因为结构层次少，有利于系统中实时控制信 号的传输。 c a n 总线位的数值表示：c a n 总线上用“显性”和“隐性”两个互补 的逻辑值表示0 和l 。当在c a n 总线上出现同时发送显性和隐性位时，其 结果是总线数值为显性。图卜1 所示圪。一。和p 2 。一。为c a n 总线收发器与 总线之间的两接口引脚，信号是以两线之间的差分电压形式出现。 西华大学硕士学位论文 图卜1 总线位数值表示 c a n 总线任意两节点之间的最大传输距离与其速率有关，表1 2 列 举了相关的数据。 表卜2c a n 总线任意两节点的通信距离 位速率 1 0 ( ) 05 0 02 5 01 2 51 0 05 02 01 05 k b p s 最大距离 4 01 3 02 7 05 3 06 2 01 3 0 03 3 0 06 7 0 01 0 0 0 0 m 1 3 2 2c a n 总线特点 c a n 属于总线式串行通信网络，由于采用了许多新技术，与一般的通 信总线网络相比，其特点概括如下： ( 1 ) c a n 的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性： ( 2 ) c a n 是到目前为止惟一具有国际标准的现场总线： ( 3 ) c a n 为多主方式工作，网络上任一节点均可以在任意时刻主动 的向网络上其他节点发送信息，而不分主从，通讯方式灵活， 且无须站地址等节点信息； ( 4 ) 在报文符号上，c a n 网络上的节点分成不同的优先级，可满足 西华大学硕士学位论文 不同的实时要求，高优先级的数据最多可在1 3 4 u s 内得到传 输； ( 5 ) c a n 采用非破坏总线仲裁技术。当多个节点同时向总线发送信 息时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而高优先级的 节点不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲 裁时间，尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫 痪现象： ( 6 ) c a n 节点只需要通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及 全局广播等几种方式传送接收数据； ( 7 ) c a n 的直接通信距离最远可达到l o k m ( 速度5 k b p s 以下) ，通 信速率最高可达1 w o p s ( 此时最长距离为4 0 m ) ： ( 8 ) c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个， 报文标识符有1 1 位，而扩展帧的报文标识符( 2 9 位) 几乎不 受限制； ( 9 ) c a n 总线报文采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，保 证了数据出错率低： ( 1 0 ) c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其他检错措施，具有极好的检 错效果； ( 1 1 ) c a n 的通讯介质为双绞线，具有极高的总线利用率且成本低 廉； ( 1 2 ) c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总 线上其他节点的操作不受影响； ( 1 3 ) c a n 总线可根据报文的i d 决定接收或屏蔽该报文，发送的信 息遭到破坏后，可自动重发： ( 1 4 ) c a n 总线结构简单，器件容易购置，每个节点的价格较低，而 且开发技术容易掌握，能充分利用现有单片机开发工具。 1 4 论文的主要工作 本文研究的主要内容：车辆测控系统总体方案的制定和重点对测控系 统的一个模块( 动力终端与开关量控制模块) 系统进行硬件和软件的设计。 q 西华大学硕士学位论文 在此模块中，以4 路模拟电阻输入( 水温。油温，油压，传动箱油压) 信 号；2 路电压比较输入( 火焰传感器) 信号；1 路脉冲输入( 发动机转速) 信号：3 2 路开关量( 车灯、门、窗、雨刮、挡位) 信号为研究对象，以 p i c l 8 f 4 5 8 单片机芯片为微处理器综合分析处理这些数据，通过c a n 总线 控制器把这些数据送上c a n 总线，与中央控制模块进行通信，以达到中央 控制模块收集系统所有的开关量信号、模拟量信号及脉冲量信号，经过中 央处理器分析处理，再通过c a n 总线发出控制命令控制车辆系统的目的。 主要涉及到的内容：现场总线，c a n 总线，p i c 系列单片机，p i c 单片机 实验开发系统m p l a b 及其实验板，p c b 合理布线与抗于扰等方面的应用技 术。 论文的主要工作包括： ( 1 ) 调研车辆控制系统的现状，现场总线与c a n 总线控制系统的 特点与发展状况： ( 2 ) 车辆测控系统总体方案设计与动力终端与开关量控制模块系 统设计； ( 3 ) 车辆控制系统一动力终端与开关量控制模块系统硬件设计； ( 4 ) 车辆控制系统动力终端与开关量控制模块系统软件设计： ( 5 ) 车辆控制系统一动力终端与开关量控制模块系统抗干扰设 计。 l o 西华大学硕士学位论文 第二章车辆测控系统方案设计 本章介绍了车辆测控系统的结构选择，控制系统的结构图与主要模块 的功能概述，以及动力终端与开关量控制模块微处理器的选择，最后给出 了动力终端与开关量控制模块系统结构图。 2 1 车辆测控系统的结构选择 随着汽车采用单片机微处理器、传感器和执行系统的逐渐增多，加 上车辆控制系统对象是复杂的、分散的，而且往往是并行、独立工作的， 在整体上又是相互关联的有机整体，并且是工作在相对恶劣的环境下，且 要求可靠高实时性好。抗干扰能力强。敌集中式控铡d d c ( d i r e c td i g i t a l c o n t r 0 1 ) 系统、集散式控制系统d c s ( d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m ) 和 一般的计算机网络控制系统是不能满足要求的，结合1 3 节：现场总线技 术与c a n 总线的概述和特点的阐述，可知现场总线c a n 能满足此要求。 本文所讨论的车辆测控系统，由于应用场合环境相对恶劣，并且要 求可靠性高、实时性好、抗干扰能力强，而传输距离要求并不远，通常不 超过2 0 米；综合比较第一章表i - i ，结合表卜2 和c a n 总线的特点可以 知，对于本文所要讨论的测控系统，c a n 总线具有以下几个优势： ( 1 ) 由于车辆长度本身的特点，决定了总线传输速率高，可达 1 0 0 0 k b p s ； ( 2 ) c a n 总线上可以挂接儿o 个节点，完全能满足模块式车辆控制 系统和具有可扩展性的要求； ( 3 ) c a n 总线传输信号为数字信号，因此能满足传输信号抗干扰能 力强的要求： ( 4 ) 与其他总线相比，c a n 总线的实时性好开放性好： ( 5 ) 对传输介质要求不高，双绞线即可，适合于车辆控制现场要 求及其车辆经济性的要求。 通过以上分析，因此本控制系统选择c a n 总线控制系统结构。 西华大学硕士学位论文 2 2 控制系统的结构图与主要模块的功能概述 2 2 1 控制系统的结构图 控制系统主要包括中央控制模块、电子点火系统控制模块、电子控 制燃油供给系统模块、动力终端与开关量控制模块、制动防抱死控制模块、 电动助力转向系统模块、安全气囊系统模块、悬挂控制系统模块、电子自 动换档系统模块、汽车人机界面模块、仪表指示模块、其他相关量控制模 块【“j 。车辆控制系统结构框图如图2 - 1 所示。 图2 - 1 车辆控制系统结构框图 2 2 2 主要模块的功能概述 ( 1 ) 中央控制模块 该模块是控制系统的心脏，它通过c a n 总线收集系统所有开关量、 模拟量、脉冲量信息，经过处理器运算，综合分析，再通过c a n 总线发 出相关的控制命令，控制整个车辆系统。 ( 2 ) 电子点火系统控制模块 该模块利用专用微处理器芯片实现点火时刻的最优控制，它通过高 1 2 西华大学硕士学位论文 精度的曲轴位置传感器、负荷传感器、排气含氧传感器、暴燃传感器、进 气温度传感器、冷却水温传感器控制控制点火顺序和点火时刻。 ( 3 ) 制燃油供给系统模块 该模块针对目前普遍使用的电子汽油喷射系统，其次为电子式化油 系统设计的，利用专用微处理器芯片实现燃油最优控制，通过电予点火系 统的传感器及其气流量传感器、燃油液位传感器控制燃油系统，以达到经 济用油与环保的目的。 ( 4 ) 动力终端与开关量控制模块 该模块测控发动机的水温，油温，油压、传动箱油压，通过火焰传 感器检测点火状态和发动机转速以及车灯、门、窗、雨刮、挡位信号，以 p i c l 8 f 4 5 8 单片机芯片为微处理器综合分析处理这些数据，通过c a n 总线 控制器把这些数据送上c a n 总线，与中央控制模块进行通信。 ( 5 ) 制动防抱死控制模块 该模块有减速控制和差速控制两种基本的控制，通过转速传感器， 高速电磁阀和微处理芯片等部件控制车辆，防止启动、加速车轮打滑与车 辆在制动过程中车轮抱死出现方向失控，侧滑、甩尾的危险情况产生。 ( 6 ) 电动助力转向系统模块 该模块主要由电子装置步进电机驱动转向桥，根据车身的外部条件 来调节转向助力，从而得到理想的转向特性。 ( 7 ) 安全气囊系统模块 该模块由安全气囊触发装置、气体发生器和气囊三部分组成。触发 装置包括传感器、电子控制装置、储备电源和监控装置。由电子控制系统 接收加速度传感器发来的信号，并进行分析，以判定是否发生碰撞事故，若 发生了碰撞则对气体发生器发出指令，迅速吹胀气囊，整个过程约需 0 0 3 s 。触发装置中的监控装置可连续自我监控，确保整个气囊系统在任何 时刻都处于准备工作装态。 ( 8 ) 悬挂控制系统模块 该模块具有根据行车身状况自动调节汽车悬挂的刚度与阻尼功能， 包括电子控制装置、监控装置、车身位移传感器、加速度传感器、侧向加 速度传感器、制动压力传感器、高性能液压组件等。电子装置控制液压悬 1 3 西华大学硕士学位论文 挂架调节车身状况，提高了操作的稳定性和乘坐舒适性。 ( 9 ) 电子自动换档系统模块 该模块利用电子装置，通过电磁阀及其气动伺服机构来取代机械换 档杆及其与变速机构之间的连接。它不仅明显地简化汽车操纵，而且能实 现最佳的行驶性和安全性。 ( 1 0 ) 汽车人机界面模块 该模块功能是实现人与车辆的相互交流，信息显示屏提供汽车状况， 人通过它对汽车的某些参数进行设置。网络汽车的智能显示终端人机界 面，主要用来显示车况信息、运行状况等。它能够对汽车控制网络的模块、 电器和电控系统故障信息显示、记录和查询，依据信息屏显示的信息可以 快速、准确地发现和排除故障。同时可以通过交互式界面对车辆的参数进 行设置，如空间温度，监控界面等。 ( 1 1 ) 仪表指示模块 该模块采集开关信号驱动仪表和相关指示灯。对里程，转速、水温、 油量、机油压力、气压等仪表进行输出，来控制指示车辆的状态。 ( 1 2 ) 其他相关量控制模块 该模块主要是控制车身相关装置，车内灯、空调、音乐、通讯设备 等装置。 2 3 动力终端与开关量控制模块微处理器的选择 本文重点是对测控系统的一个模块( 动力终端与开关量控制模块) 系统进行设计。因为系统所处环境相对恶劣，各种干扰较大且实时性和可 靠性要求高，所以系统选用何种微处理器就显得十分重要。 随着大规模集成电路制造技术的飞速发展，单片机的功能日益完善， 满足了诸多领域各种错综复杂的控制。目前，单片机正朝着片内存储器 r a m 和r o m 容量大、i o 端口功能多、电源电压范围宽、功率消耗低、操 作速度快的方向发展。单片机有4 位、8 位、1 6 位、3 2 位四大类，其中8 位机一直为主流产品。具有代表性的8 位单片机有美国微芯片m i c r o c h i p 公司的p i c l 6 c x x 系列、p i c l 8 f x x 系列，美国英特尔公司的m c s - - 4 8 和m c s - - 5 1 系列，美国摩托罗拉公司的m c 6 8 h c 0 5 系列和m c 6 8 h c l l 系列，美国 1 4 西华大学硕士学位论文 齐洛格公司的z 8 系列，日本电气公司的up d 7 8 x x 系列，美国莫斯特克公 司和仙童公司合作生产的f 8 ( 3 8 7 0 ) 系歹0 等。其中m i c r o c h i p 公司的p i c 系列单片机具有硬件系统设计简洁、指令系统设计精简、实用、低价、易 学、省电、高速和体积小等特点。该系列单片机不是单纯的功能堆积，而 是以多型号来满足不同层次的需要，并可提供低价的o t p ( o n e t i m e p r o g r a m m a b l e ) 芯片。另外，该系列单片机还具有低功耗睡眠功能、掉电 复位锁定、上电复位电路、看门狗电路等功能，而且外围器件少、占用空 间小；成本低，保密技术也十分可靠，可最大限度地保护开发者的利益。 因此，在工业控制、仪器仪表、计算机、家电等诸多领域得到了广阔的应 用。 r c 1 又因，p i c 系列型号为p i c l 8 f 4 5 8 单片机具有如下特性：“ ( 1 ) 特殊的单片机特性 高达2 m b 的程序存储器； 高达4 k b 的数据存储器； 高达i o m i p s 的执行速度； 1 6 位宽指令，8 位数据通道； 带有r c 振荡器的监视定时器( w d t ) ； i o 端口具有最大拉电流灌电流可达到2 5 毫安： 4 个定时器，带有8 位或1 6 位定时器计数器： 两个振荡器选择：定时器1 定时器2 。 ( 2 ) 外围功能模块 捕捉比较脉冲调制( p f m ) ( c c p ) 模块 捕捉输入：1 6 位，晟大分辨率为6 2 5 n s ； 比较输入：1 6 位，最大分辨率为l o o n s ； 脉宽调制( p w m ) 输出：分辨率为l 一1 0 位； 最大脉宽调制( p w m ) 频率：8 位分辨率为1 5 6 k h z ，1 0 位分 辨率为3 9 k h z 。 a d 转换模块 1 0 位，高达8 个通道的a o 转换模块； 休眠时可以转换； 】s 西华大学硕士学位论文 8 个输入通道可用。 模拟比较模块：可编程多路输入输出技术； 可编程的低电压探测模块：支持低电压检测时产生中断i c a n 总线模块特性 符合国际标准i s oc a n ： 高达1 m b p s 的通信速率： 与c a n 2 o b 协议版本相一致； 3 个带优先级的信息发送缓冲器； 2 个信息接收缓冲器； 6 个2 9 位接收过滤器； 接收过滤器具有优先级配制； 优越的错误处理特性。 ( 3 ) f l a s h 技术 低功耗、高速增强型f l a s h 技术； 宽工作电压：2 0 - - 5 5 v ： 工业级和扩展级温度范围。 综上所述，以微芯公司的型号为p i c l 8 f 4 5 8 单片机作为动力终端与 开关量控制模块核心控制部件是必要且可行的。 2 4 动力终端与开关量控制模块系统结构图 该模块研究的主要目的是测量发动机的水温，油温，油压、传动箱 油压，通过火焰传感器检测点火状态和发动机转速以及车灯、门、窗、雨 刮、挡位信号，然后把这些信息传送给中央控制模块，让中央控制模块综 合分析之，再通过总线发出控制命令控制整个系统。实验平台上主要是以 4 路模拟电阻输入代表( 水温，油温，油压，传动箱油压) 信号；2 路电 压比较输入代表( 火焰传感器) 信号：1 路脉冲输入代表( 发动机转速) 信号；3 2 路开关量( 1 0 路车灯信号：1 路大灯小灯信号、l 路近光灯信 号、1 路远光灯信号、2 路转向灯信号、l 路防雾灯信号、1 路刹车灯信号、 1