（计算机应用技术专业论文）基于mcu的汽车总线技术与车轮角度检测技术研究.pdf

摘要 本文主要完成了基于m c u 的汽车总线技术的研究与车轮角度检测设备的设 计实现。论文分析了汽车现场总线，主要是c a n 总线的在汽车电子领域的应用。 在对c a n 总线进行相关研究的基础上，使用专用的c a n 控制器和收发器等构建 了一个c a n 节点，进而将多个这样的节点挂接到总线上，实现了c a n 总线从节 点之间的通信；并且采用集成c a n 控制器的微处理器，构建了一个总控节点，以 实现一个应用在汽车上的c a n 网络通信。同时对汽车维修与保养行业的一种车轮 角度检测设备四轮定位仪进行了相应的研究设计，研发了一种新型的c c d 图 象传感器四轮定位仪，解决了目前此类产品在使用时检测精度低和速度慢的问题。 最后对四轮定位仪的c a n 总线通信方式以及如何实现四轮定位调整的闭环控制提 出了新的设计方案。 关键词：汽车电子、c a n 总线、c c d 、四轮定位仪 a b s 仃a c t t h i sp a p e rm a i n l yc o m p l e t e st h er e s e a r c ho ft h ec a rb u st e c h n o l o g ya n dt h e i m p l e m e n to ft h ea n g l eo v e rw h e e l s m e a s u r i n ge q u i p m e n tb a s e do nm c u t h i sp a p e r a n a l y s e st h ec a rf i e l d b u sm a i n l yo nt h ea p p l i c a t i o no ft h ec a nb u si na u t o m o t i v e e l e c t r o n i c sf i e l d b a s e do nt h es t u d yo fc a nb u s ，t h es p e c i a lc a n c o n t r o l l e ra n d t r a n s c e i v e ra r eu s e dt oc o n s t r u c tas l a v e rn o d e ，t h e ns u c hn o d e sa r ea t t a c h e dt ot h eb u s t or e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nb e t w e e nt h es l a v e rn o d e so ft h ec a n b u s ；a n dt h e m i c r o p r o c e s s o rw h i c hi n t e g r a t e sw i t hc a nc o n t r o l l e ri su s e dt oc o n s t r u c tam a s t e r c o n t r 0 1n o d e ，i no r d e l t oa c h i e v eac a nn e t w o r kc o m m u n i c a t i o na p p l i e di nc a r s a t t h es a m et i m e ，f o u r - w h e e la l i g n m e n ti n s t r u m e n t ，w h i c hi sak i n do ft h ea n g l eo v e r w h e e l s m e a s u r i n ge q u i p m e n ti nt h ev e h i c l er e p a i ra n dm a i n t e n a n c ei n d u s t r y , i ss t u d i e d a n dd e s i g n e d a n dan e wt y p eo fc c di m a g es e n s o rf o u r - w h e e la l i g n m e n ti n s t r u m e n t i sr e s e a r c h e da n dd e v e l o p e dh e r e ，w h i c hr e s o l v e sp r o b l e m so fl o w a c c u r a c ya n ds l o w s p e e di nt h ec u r r e n tu s e f i n a l l y , t h i sp a p e rp r o p o s e san e wd e s i g nf o rt h e4 - w h e e l a l i g n m e n t sc a nb u sc o m m u n i c a t i o nm e t h o d ，a sw e l la sh o wt oa c h i e v et h e c l o s e d - l o o pc o n t r o lo f t h e4 w h e e la l i g n m e n ta d j u s t m e n t k e y w o r d s ：a u t o m o t i v ee l e c t r o n i c s c o n t r o l l e ra r e an e t w o r kb u s c h a r g ec o u p l e dd e v i c e s f o u r - w h e e la l i g n m e n ti n s t r u m e n t 西安电子科技大学 学位论文创新性声明 。 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的 材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：日期丝些主! 兰 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再攥写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。( 保密的 论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名：! 垂 逝日期竺! 堕：! ：三 第一章绪论 第一章绪论帚一早珀t 匕 1 1 课题研究背景 汽车是当今社会最重要的交通工具之一，是国民经济的支柱产业。近2 0 年来， 伴随着通信、电子、计算机技术的进步，汽车技术也得到了迅速发展，最突出最 主要的变化是电子技术在汽车上的广泛应用。汽车电子控制作为新技术革命的产 物，已经获得了汽车制作产家的广泛认同。新型汽车的特点都集中表现在电子技 术的应用程度上。在发达国家，汽车己进入电子时代，汽车电子的相关技术己经 成为当代汽车技术领域关注和研究的重点问题了。 当前汽车电子技术的研究内容，大致可分为发动机控制系统、汽车底盘控制系 统、车身电子控制系统和汽车自动检测维修装置。 由于系统集成化程度越来越高，汽车上的各个子系统己不再是完全独立的工作 了，这就对汽车车载网络系统提出了更高的要求，汽车现场总线技术得到了更加 广泛的应用。尤其是c a n 总线在汽车上的应用越来越多，已经成为了汽车总线的 标准。 同时，在汽车的检测维修设备中，通信、电子、计算机技术也得到了广泛的应 用。如汽车故障诊断系统、汽车底盘检测设备( 四轮定位仪) 等。目前应用广泛 的便携式汽车故障分析仪就是c a n 总线应用的典型例子。故障分析仪在检测时， 它本身就是作为一个c a n 节点连接到总线上，读取其他各个节点的相关数据，然 后对照汽车产家给出的故障代码，即可得出汽车故障的真正原因。而四轮定位仪 则是通过检测汽车四个车轮之间的角度，进行复杂的数学运算，最终得出轮胎之 间的相对角度关系的检测设备。 汽车电子的研究在国外起步较早，而且技术比国内成熟得多，如博世、德尔福、 日本电装、摩托罗拉、西门子等公司在这领域的一直处于国际领先水平。而国内 的发展则相对要缓慢一些。在2 0 0 3 年，国内在此领域的专家们提出了“关于组织 实施支柱产业振兴工程国家汽车计算平台工程的建议”，得到了国家领导的高 度重视。在专家论证基础上，信息产业部提出了关于实施“国家汽车计算平台 工程”国家重大专项的方案( 草案) 。此草案的出台，是我围汽车电子事业的发 展的一个里程碑。 2 基于m c u 的汽车总线技术与车轮角度检测技术研究 1 2 课题研究的目的和意义 本课题来自于硕士研究生学习期间外出实习项目，具体为上海市科技型中小 企业创新基金项目 自动变 速器单元。数据的传送应尽可能的快，以便于及时的利用数据，所以需要一个高 性能的发送器，高速发送器能加快点火系统间的数据传送，这样接收到的数据就 可以立即应用到下一个点火脉冲中去，c a n 总线连接点通常置于控制单元外部的 线束中，在一些特殊的情况下也可能设在发动机电控单元内部。 第二章汽车现场总线技术 ( 2 ) 安全系统：它是根据多个传感器的信息来启动安全气囊的系统，所以使 用的节点数将大量增加。此系统对通信速度和通信的可靠性要求非常高。 ( 3 ) 车身系统：此系统一般采用星形形式，将控制单元的各条信号传输线汇 聚到一点，当某个控制单元发生故障时，其他控制单元还可以继续发送各自的数 据。通常数据总线以6 2 5 k b s 的速率传输数据，每一组数据传送大约l m s ，每个 电控单元2 0 r n s 发送一次数据。 ( 4 ) 信息系统：它要求有大的容量和非常高的通信速率。 高速c a n 总线标准平台高速c a n 总线 ( 故障检莎j 系统) 而逐c a n 思线l 或f t c a n 总线i f t c a n 总线 _ j 发动机管理一安全气囊控制- 固化i t s 防火墙 一变速器控制_ l 加速度传感器一车门系统 _ jg p s 定位系统 一悬架控制一安全气囊_ i 座位模块一车载电话 _ 1 a b s 控n一安全带一车灯 _ 4 视频装置 u 儿童安全带识别 一湿度调节_ j 无线电 动力传送系统j 囊西蚕蠹一 车身系统车身与信息系统 图2 7 车载网络的平台不恿图 汽车车载网络信息传输系统是一种多路传输系统，也叫做多重通信系统。多 路传输系统是多个完成某一特定功能的电路和装置。其系统结构组成有以下几个 部分：模块、数据总线、网络、架构、通信协议、网关等。 模块是探测信号和进行信号处理的电子装置，如传感器、控制器等。 数据总线用来连接各个模块，以构成整个网络系统。信息以规定的速度在总 线上传输，实现各节点之间信息交换。 数据总线上连接着一定数量的模块，总线再连接在局域网上，这样就构成了 一个网络系统。 架构，也即信息高速公路的配置，其输入和输出端规定了什么信息可以进出。 架构通常包括l 2 条线路，采用双线时，数据的传输是基于两条线的电压差。当 其中一条线传输数据时，就会对地存在一个参考电压。 架构需要有特定的通信协议，通信协议的标准含有唤醒访问和握手，唤醒访 问就是给模块一个信号，此模块为了节电而进入休眠状态。握手即是模块间相互 1 8 基于m c u 的汽车总线技术与车轮角度检测技术研究 确认兼容并处在工作状态。 网关实际上也可以理解为是一种模块，它是连接异形网络的接口装置，综合 了桥接器与路由器的功能，它对于汽车车载网络信息传输系统也是不可少的。以 上所述的这些组成部分有机地结合在一起，共同构成了汽车车载网络系统。 第三章c a n 网络构建与节点设计 1 9 第三章c a n 网络构建与节点设计 本章主要介绍了c a n 网络的构建以及各个c a n 节点的设计。包括用c a n 控制 器s j a l 0 0 0 、收发器p c a 8 2 c 2 5 0 和主控制器a t 8 9 s 5 2 构造c a n 节点，加上传感器 检测部分，形成传感器节点；以及加上电机部分，形成电机节点。此外，用带c a n 控制器的微处理器x c l 6 7 c i 构造了一个总控节点，完成了汽车上最常用的“传感 器控制器执行器”型的c a n 网络设计。 3 1c a n 网络的构建 在汽车电子的c a n 总线应用中，通常由控制器节点、传感器节点、执行器节 点等部分构成。所以在本系统中所设计的c a n 网络也是由总控节点模块、传感器 检测节点模块、电机节点模块组成的。很好地模拟了汽车上的c a n 总线的应用。 其中传感器检测节点模块是通过专用c a n 控制器s j a l 0 0 0 、c a n 收发器 p c a 8 2 c 2 5 0 、主控制器a t 8 9 s 5 2 加上传感器检测电路构成；电机节点模块也是由 专用c a n 控制器s j a l0 0 0 、c a n 收发器p c a 8 2 c 2 5 0 、主控制器a t 8 9 s 5 2 加上电 机驱动电路构成；总控节点模块是由带c a n 控制器的微处理器x c l 6 7 c i 加上键 盘电路和液晶电路等构成。实现了按键输入控制和液晶显示输出的功能。这些独 立的节点之间通过c a n 总线的物理层接口，使用双绞线对应连接，构成了c a n 网络。 所以本系统与各个节点模块的功能以及它们之间的关系，可以分成以下几个 部分描述：总控节点模块；传感器检测节点模块；电机节点模块。其系统结构框 图如图3 1 所示。 总控模块在系统中处于主导地位，它通过c a n 总线向传感器模块发指令并获 取相应的数据；通过c a n 总线向电机模块发送驱动电机的相关指令，并接收电机 模块回传的电机参数的数据，并提供实时显示的功能。传感器模块主要完成数据 采集、相关参数的检测以及与总控模块之间的数据通信。电机模块在接收总线上 的信息后，按总控模块的要求，产生相对应的电机驱动信号，驱动电机，并与总 控模块之间完成信息交互。 2 0 基于m c u 的汽车总线技术与车轮角度检洲技术研究 图3 1 系统结构框图 3 2c a n 控制器分析 c a n 控制器主要由实现c a n 总线的通信协议的部分和实现与微处理器接口 部分的电路组成。常用的c a n 控制器有m c p 2 510 、8 2 5 2 7 、p c a 8 2 c 2 0 0 、s j a l0 0 0 等。 3 2 1c a n 控制器s j a l 0 0 0 简介 s j a l 0 0 0 作为这样一个独立的c a n 控制器，它在汽车和普通的工业应用上有着 非常优越的特性。由于它和p c a 8 2 c 2 0 0 在硬件和软件上都兼容，且具有更高的性 价比，因此它将会替代p c a 8 2 c 2 0 0 。s j a l 0 0 0 有一系列先进的功能，适合于多种应 用，特别在系统优化、诊断和维护方面应用非常广泛。 s j a l 0 0 0 作为一款独立的c a n 控制器具有2 种不同的操作模式，即b a s i c c a n 模式和p e l i c a n 模式。b a s i e c a n 模式是上电后默认的操作模式，与p c a 8 2 c 2 0 0 完 全兼容。p e l i c a n 模式是新的操作模式，它能够处理所有c a n 2 0 b 规范的帧类型， 而且它还提供一些增强功能使s j a l o o o 能应用于更宽的领域。 由于s j a l0 0 0 是p c a 8 2 c 2 0 0 的升级增强版，具有向下兼容的特性，所以其性能 第三章c a n 网络构建与节点设计 2 1 在p c a 8 2 c 2 0 0 的基础上，又有了新的提高，可以概述为以下三个部分，即已具备 的p c a 8 2 c 2 0 0 功能、改进的p c a 8 2 c 2 0 0 功能和p e l i c a n 模式下的增强功能。具体为： ( 1 )己具备的p c a 8 2 c 2 0 0 功能 具有灵活的微处理器接口，允许接大多数微处理器或微控制器。 对各种物理层的分界面，具有可编程的c a n 输出驱动器。 c a n 位频率最高能达到1 m b i t s ，s j a l 0 0 0 覆盖了位频率的所有范围，包括高 速应用。 ( 2 ) 改进的p c a 8 2 c 2 0 0 功能 s j a l0 0 0 的c a n 2 0 bp a s s i v e 特征允许c a n 控制器接收具有2 9 位标识符的报 文。 接收f i f o 可以存储多达2 1 个报文，这样就延长了最大中断服务时间，避免了 数据超载的事件发生。 最高可达到2 4 m h z 的时钟频率，微处理器对其有着更快的访问速度，同时具 有更多的c a n 位定时选择。 具有接收比较器旁路，减少了内部延迟，由于改进的位定时编程，使c a n 总 线长度可以更长。 ( 3 ) p e l i c a n 模式下的增强功能 c a n 2 0 ba c t i v e 支持带有2 9 位标识符的网络扩展应用。 具有1 1 位或2 9 位标识符报文的单报文发送缓冲器。 增强的验收滤波器，两个验收滤波器模式支持11 位和2 9 位标识符的滤波。 具有可读的错误计数器，可编程的出错警告界限，错误代码捕捉寄存器，出 错中断。支持错误分析，在原型阶段和在正常操作期间可用于：诊断、系统维护、 系统优化。 具有仲裁丢失捕捉中断，支持系统优化包括报文延迟时间的分析。 具有单次发送属性，使软件命令最小化和允许快速重载发送缓冲器。 可以工作在仅听模式下，s j a l 0 0 0 能够作为一个认可的c a n 监控器，操作可以 分析c a n 总线通信或进行自动位速率检测。 可以工作在自测试模式下，支持全部c a n 节点的功能自测试或在一个系统内 的自接收。 一般每个c a n 模块能够被分成不同的功能块。s j a l 0 0 0 也是通过c a n 收发器连 接到c a n 总线，收发器控制着从c a n 控制器到总线物理层之间的信号及电平转换。 在这样一个节点的结构中，可以看到上层是一个c a n 控制器；它执行完整的c a n 总线协议，通常用于报文缓冲和验收滤波。同时，所有这些c a n 功能都由一个模 块控制器控制，它负责执行应用功能。例如控制执行器、读传感器和处理人机接 口。s j a l 0 0 0 独立的c a n 控制器通常位于微控制器和收发器之间。大多数情况下这 基于m c u 的汽车总线技术与车轮角度检测技术研究 个控制器也是一个集成电路。 扫s j a l 0 0 0 等构成的节点结构示意图如图3 2 所示。 h o g a 1 0 0 0 t r a n s c e i v e r c o n t r o l l e r 叫：! 卜 c 州 - t 翻缸 m 扪a a 哪t n c o r eb l 口吐 l 溘咄 c 一z 孵 一 v - 叫 e l -一 _ 一 叫材h 镶雾卜 _ _ 一 一 _ _ - 一 图3 2s j a l 0 0 0 构成的节点结构图 3 2 2m c u 对s j a l0 0 0 的控制过程 1 、s j a l 0 0 0 的初始化 独立的c a n 控制器s j a 0 0 0 必须在上电或硬件复位后设置c a n 通讯。在由主控 制器操作期间它可能会发送一个软件复位请求，s j a l 0 0 0 会被重新配置( 再次初始 化) 。其初始化流程图如图3 3 所示。 上电后主控制器在运行完自己的复位程序后进入s j a l 0 0 0 的设置程序。若上电 后独立c a n 控制器在引脚1 7 得到一个复位脉冲，进入复位模式。在设置s j a l 0 0 0 的寄存器前，主控制器通过读取复位模式请求标志位来检查s j a 0 0 0 是否己达到 复位模式，因为要得到配置信息的寄存器仅在复位模式下可写。 在复位模式中，主控制器必须配置下面的s j a l 0 0 0 控制段寄存器： ( 1 ) 模式寄存器( 仅在p e l i c a n 模式) ，为应用选择下面的工作模式：验收 滤波器模式、自我测试模式、仅听模式。 ( 2 ) 时钟分频寄存器，定义了使用b a s i c c a n 模式还是p e l i c a n 模式：是否使 能c l k o u t 管脚；是否使能旁路c a n 输入比较器：t x l 输出是否用作专门的接收 中断输出。 ( 3 ) 验收码寄存器和验收屏蔽寄存器，定义接收报文的验收码；对报文和验 收码进行比较的相关位定义验收屏蔽码。 ( 4 ) 总线定时寄存器，定义总线的位速率；定义位周期内的采样点( 位采样 点) ；定义在一个位周期里采样的数量。 ( 5 ) 输出控制寄存器，定义c a n 总线输出管脚t x o 和t x l 的输出模式：正常 输出模式、时钟输出模式、双相输出模式或测试输出模式；定义t x 0 并i a t x l 输出管 脚配置：悬空、下拉、上拉或推挽以及极性。 第三章c a n 网络构建与节点设计 在将这个信息发送到s j a l 0 0 0 的控制段后，s j a l 0 0 0 会清除复位模式请求标 志进入工作模式。必须要先检查标志是否确实被清除，是否进入了工作模式才能 进行下一步的操作。这通过循环读标志来实现。在硬件复位等待期间( 引脚1 7 是 低电平) 不能清除复位模式请求标志，因为这将迫使复位模式请求标志变成“复 位存在”因此这个循环是不断尝试清除标志和检查是否成功离开复位模式。进入 工作模式后c a n 控制器的中断可以被使能。 图3 3s j a l 0 0 0 初始化流程图 2 、发送数据处理 根据c a n 总线协议规范，报文的传输i 扫c a n 控制器s j a l 0 0 0 独立完成。主控制 器必须将要发送的报文传送到发送缓冲器中，然后将命令寄存器里的发送请求标 志置位。发送过程可以f l j s j a l 0 0 0 的中断请求来控制或通过查询控制段的状态标志 2 4 基于m c u 的汽车总线技术与车轮角度检测技术研究 来控制。其中断控制的数据发送流程图如图3 4 所示。 图3 4s j a l 0 0 0 中断控制方式的数据发送流程图 由图3 4 可知，c a n 控制器的发送中断以及为和s j a l 0 0 0 通讯主控制器使用的 外部中断使能而且优先级高于启动发送( 由中断控制) 。中断使能标志是位于 b a s i c c a n 模式的控制寄存器和p e l i c a n 模式的中断使能寄存器。当s j a l 0 0 0 正在发 送报文时，发送缓冲器被写锁定。所以在放置一个新报文到发送缓冲器之前，主 控制器必须检查状态寄存器的“发送缓冲器状态”标志t b s 。 当发送缓冲器被锁定时，主控制器将新报文暂时存放在它自己的存储器里并 设置一个标志，表示一个报文正在等待发送。启动传输报文将会在中断服务程序 中处理，程序在当前运行的发送末端被初始化。从c a n 控制器收到中断后，主控 制器会检查中断类型。如果是发送中断，它会检查是否有更多的报文要被发送。 一个正在等待的报文会从临时存储器复制到发送缓冲器，表示要发送更多信息的 标志被清除。置位命令寄存器的“发送请求”标志t r 使s j a l 0 0 0 启动发送。当发 送缓冲器被释放后，主控制器将新报文写入发送缓冲器并置位命令寄存器的“发 送请求”t r 标志，这将使s j a l 0 0 0 启动发送。在发送成功结束时，c a n 控制器产 生会一个发送中断。 如果c a n 控制器的发送中断没有使能的话，也可以采用查询控制的方式来发 第三章c a n 网络构建与节点设计 送，其流程图如图3 5 所示。 图3 5s j a l 0 0 0 查询控制方式的数据发送流程图 只要s j a l 0 0 0 正在发送报文，发送缓冲器就被写锁定，因此在将新报文放入发 送缓冲器之前，主控制器必须检查状态寄存器的“发送缓冲器状态”标志t b s 。 当发送缓冲器被锁定时，周期性查询状态寄存器，主控制器等待，直到发送缓冲 器被释放。当发送缓冲器被释放后，主控制器将新的报文写入发送缓冲器并置位 命令寄存器的“发送请求”t r 标志，此时s j a l 0 0 0 将启动发送。 3 、接收数据处理 报文的接收由c a n 控制器s j a l 0 0 0 独立完成。收到的报文放在接收缓冲器。可 以发送给主控制器的报文由状态寄存器的接收缓冲器状态标志“r b s ”和接收中断 标志“r i ”标出( 使能时) 。主控制器会将这条信息发送到本地的报文存储器， 然后释放接收缓冲器并对报文操作。发送过程可以被s j a l 0 0 0 的中断请求或查询 s j a l0 0 0 的控制段状态标志来控制。 当c a n 控制器接收中断没有使能时，可以采用查询控制的方式来接收。流程 图如图3 6 所示。 基于m c u 的汽车总线技术与车轮角度检测技术研究 图3 6s j a l 0 0 0 查询控制方式的数据接收流程图 主控制器通过读s j a l 0 0 0 的状态寄存器，检查接收缓冲状态标志r b s ，看是否 收到一个报文。这些标志的定义位于控制段的寄存器。 当接收缓冲器状态标志表示“空 时，也就是没有收到报文，主控制器继续 当前的任务直到收到检查接收缓冲器状态的新请求。当接收缓冲器状态标志表示 “满”时，也就是说收到一个或多个报文。主控制器从s j a l 0 0 0 得到第一个报文， 然后通过置位命令寄存器的相应位，发送一个释放接收缓冲器的命令。如图3 6 所 示，主控制器在检查更多信息报文前可以处理每个收到的报文。但也可以通过再 次查询接收缓冲器状态位立即检查更多报文，并将在以后一起处理所有收到的报 文。在这种情况下，主控制器的本地报文存储器必须足够大，可以存储多于一条 报文。在已经发送和处理一条或所有报文后，主控制器继续执行其他的任务。 当c a n 控制器接收中断使能时，可以采用中断控制的方式来接收报文。其流 程图类似于图3 6 。只是接收报文的触发方式不同。前一种是查询触发，而这种是 中断触发。 此时c a n 控制器的接收中断以及为和s j a l 0 0 0 通迅主控制器的外部中断使能 而且优先级高于中断控制报文。中断使能标志位于控制寄存器里( b a s i c c a n 模式) 或位于中断使能寄存器里( p e l i c a n 模式) 。如果s j a l 0 0 0 已接收一个报文，而 且报文已通过验收滤波器并放在接收f i f o ，那么会产生一个接收中断。因此主控 制器能立刻响应，将收到的报文发送到自己的报文存储器，然后通过置位命令寄 存器的相应标志“r r b ”，发送一个释放接收缓冲器命令。接收f i f o 里的更多报 第三章c a n 网络构建与节点设计 2 7 文将产生一个新的接收中断。因此不可能将所有在接收f i f o 中的有效信息在一个 中断周期内读出。在释放了接收缓冲器后，s j a l 0 0 0 会检查状态寄存器中接收缓冲 器状态“r b s ”看是否有更多报文，而所有有效的信息都会被循环读出。整个接收 过程在一个中断程序中完成，而且和主程序没有相互影响。如果可行的话，报文 的处理甚至也可以在中断程序里完成。 3 3 传感器节点设计 本系统的传感器节点模块中用到的主要器件有主控芯片a t 8 9 s 5 2 、c a n 控制 器s j a l 0 0 0 、c a n 收发器p c a 8 2 c 2 5 0 、温度传感器a d 5 9 0 和角度传感器 m x d 6 0 2 5 q 、模数转换芯片a d c 0 8 3 4 等。其中c a n 总线通信由主控芯片、c a n 控制器及c a n 收发器等实现，传感器检测由主控芯片、温度传感器、角度传感器 和模数转换芯片等完成。 3 3 1 传感器节点模块分析 传感器节点模块包括温度传感器检测和双轴角度传感器检测，同时实现与总 控模块之间的数据通信。它以a t 8 9 s 5 2 为主控芯片，完成对周围环境温度的测量， 以及角度传感器所处的位置进行测量，包括x 轴与y 轴的角度。此角度传感器的 测量是通过一款加速度传感器的测量转换而来的。在汽车电子的应用过程中，有 很多关于温度、角度以及加速度测量的应用。如发动机汽缸温度测量、汽车四轮 定位角度测量、a b s 防抱死系统中车轮加速度测量等。 ( 1 ) 温度传感器 本模块中用的温度传感器为a d 5 9 0 ，它是一款单片集成两端感温电流源。为 电流输出型器件。它的主要特性如下： ( 1 ) 流过器件的电流( u a ) 等于器件所处环境的热力学温度( 开尔文) 度数， 即：i r t = l u a k ，即灵敏度为l u a k 。 式中：i r 为流过器件( a d 5 9 0 ) 的电流，单位为u a ；t 为热力学温度，单位为k 。 ( 2 ) a d 5 9 0 的测温范围为5 5 + 1 5 0 。 ( 3 ) a d 5 9 0 的电源电压范围为4 v - - 3 0 v 。当电源电压在4 v 一6 v 范围内时， 电流变化1 u a ，相当于温度变化1 k 。a d 5 9 0 可以承受4 4 v 正向电压和2 0 v 反向 电压，即使器件反接也不会被损坏。 ( 4 ) 精度高。a d 5 9 0 共有i 、j 、k 、l 、m 五档，其中m 档精度最高，在一5 5 + 1 5 0 范围内，非线性误差为士0 3 。本系统中使用的为j 档。 2 8 基r m c u 的汽车总线技术与靶加懂检洲扳术矿究 ( e # # ( o ) $ i 月自# 幽37a d s 9 0 的蟹本应刚电路幽 圈37 ( a ) 是a d 5 9 0 的封装f 【三武，氆37 ( b ) 是a d 5 9 9h j 于规量热力学温 度的基本应耳| 电路。因为流过a d 5 9 0 的电流与热力学温度成正比，当屯阻r - 和电 位器r 2 的电阻z 和为i k 时，输出电压i 。随温度的变化为l m v k 。峭由于a d 5 9 0 的增益有偏差，电阻也肯误差，因此应对电路进行调整。滑整的方法为把a d 5 9 0 放r 冰水棍台物中，调整电位器r 2 ，使v 0 - 2 7 32 m v 。或在室温下( 2 5 ) 条件下调 整电位器0 女= 2 7 32 - 2 5 = 2 9 82 ( m v ) 。但这样调整只可保证在0 或2 5 附近肯 较高精度。 这样，有了温度与模拟量变化的对应关系，a t 8 9 s 5 2 列模拟信号进行采集， 就可以测量出对应的温度了。 ( 2 ) 角度传感器( 加速度传感器) 本模块中使用的角度传感器为m x d 6 0 2 5 q ，亡是美新公罚的款摹于标准 c m o s 工艺的低噪声、小尺寸的双轴加速度传感器，片商带有混合模式的信号处 挥器，可实现槿拟输m 方式与数字输出方式，同时可以将加速度的测量转换成角 度的测量。测量范匿为一9 0 度到+ 9 0 度。它的外形与引脾如匣38 所示。 、 厂_ _ 百_ r i 、i o p 。，世 一 ， ：o 。j ? 专i j 一 一” 4 酬3 8m x d 6 0 2 5 q 仆形及引胙【目 需o 第三章c a n 网络构建与节点设计 2 9 m x d 6 0 2 5 q 芯片采用l c c 8 封装，各引脚定义如表3 1 所示。 m x d 6 0 2 5 q 的输出方式为p w m 输出，即信号x o u t 与y o u t 为占空比变化 的方波，频率为1 0 0 h z ，其占空比的变化随角度的变化而变化，对应占空比为0 时，测量的角度为9 0 度；占空比为1 时，测量角度为9 0 度；占空比为5 0 时， 测量角度为0 度。 表3 1m x d 6 0 2 5 q 各引脚定义 p i nn t i m e d e s c l i p t i o n i o 1p dp o w e rd o w np i ni c o mc o n n e c t e dt om m m di- 3g n dc o m l e c t e dt om o u n di 4n cd on o tc o l l l l e c tn c 5n cd on o tc 0 1 舡l e c tn c 6y o myc h a n n e ld u b c y c l eo u t p u to 7x o u txc h a n n e ld u d ；c y c l eo u t p u to 8 v 3 d 2 t o3 6vi 在应用过程中，这种p w m 输出方式可以转换为模拟信号输出，可以用一个 r c 滤波器实现这样的转换。将占空比变化的方波输出，通过阻容转换，即方波输 出对应的高低电平变化，对电容进行充放电，实现了一个稳定的模拟电压信号的 输出。转换电路如图3 9 所示。实验证明，这里取r = 1 0 k 和c = l u f 时效果最为理 想。有了模拟电压信号，a t 8 9 s 5 2 就可以对其进行采集并通过模数转换进行数据 处理。 d o l 厂r m e m s l c a c c e l a o l r r 图3 9 m x d 6 0 2 5 q 数字输出转换为模拟输出示意图 3 3 2 传感器节点电路设计 传感器节点模块设计主要包括温度与角度的检测，以及c a n 总线通信的设计。 温度传感器a d 5 9 0 的输出是一个变化的电流，它是随着温度线性变化的，灵敏度 为l u a k 。设计时通过一个1 0 k 的精密电阻将变化的电流信号转换为电压信号， 也即灵敏度为1 0 m v k 。 基于m c u 的汽车总线技术与车轮角度检测技术研究 双轴角度传感器m x d 6 0 2 5 q 的工作电压为3 3 v ，所以用了一片a m s l l l 7 实 现5 v 转3 3 v 。同时双轴的输出信号x o u t 和y o u t 为占空比变化的方波，通过阻容 转换，实现了稳定的模拟电压信号输出。 由于输出的电压信号变化比较小，在测量角度为9 0 度到9 0 度时，电压变化 为1 8 v 到2 4 v 之间，o 度时为2 1 v ，所以在这里加了一级运放进行放大。放大倍 数为5 ，2 1 v 的产生用稳压输出的3 3 v 通过精确电阻分压而得到。如输出原始电 压为v x ，则最终输出电压为v x o u t = 2 + ( 2 v x ) * r 1 r 2 。其中r 1 为输出反馈电阻， r 2 为输入限流电阻。经过转换后的电压信号输出范围为0 6 v 到3 6 v 。电路如图 3 1 0 所示。 图3 1 0 传感器检测电路原理图 由于这两个传感器输出的信号都是模拟信号，而a t 8 9 s 5 2 无法直接对模拟信 号进行处理，所以在设计时，通过一个a d 转换器来实现对模拟信号的转换。a d 转换器选择的是a d c 0 8 3 4 ，这是一款4 通道的8 位串行输出方式的模数转换器。 可以满足这三路模拟信号的测量。电路图如图3 1 1 所示。 第三章c a n 网络构建与节点设计 3 l a d ( ；0 8 3 4 ；t t a t 8 9 s 5 2 ：；：4 v c cp l dv c ch t ，_ ! v c c 司v +l 1 414 0 p 00 。p 1 1 23 9 墙 d dp 1 2p 0 i 2 1 333 8 p 0 2 p 1 3 43 7 矾e m p c 肋c l kp l _ 4 p 0 3 31 2 53 6 p 1 5 63 5 婴：! ： 辄o u tc h ls a r s p l 五p 0 5 4 1 l73 4 p 0 6p 1 一 83 3 7 y o u t c 磁 d o9p 0 7 ： 5 1 093 2 3 lp 3 d 1 03 l c l i 3v t t t p 3 1a l e 69l l 3 0 2 9 ”1 。月盯0 p 3 2 1 2 2 9 p 2 7 d g n da g n dp 3 3 1 32 8 p 2 6 78 一上 ： p 3 4 1 42 7 p 2 5 。a d c l 3 8 3 4 鼍f p 3 j 1 52 6 p 2 4 叮r p 3 五 1 62 5 p 2 3t 舳p 3 7 1 72 4 p 2 21 8 1 82 3 ： 1 9p 2 1 一 ，。；一 ：一rw s 1 9 2 2 p 2 0 2 0 2 1 _ a l 石y j ) z 图3 1 1a d 转换器电路原理图 节点的c a n 总线通信部分的设计采用a t 8 9 s 5 2 作为节点的微处理器，在c a n 总线通信接1 2 中采用p h i l i p s 公司的c a n 控制器s j a l 0 0 0 和c a n 收发器 图3 1 2c a n 总线通信接口电路图 如上图所示，c a n 节点主要由三部分所构成，微控制器a t 8 9 s 5 2 、独立的c a n 通信控制器s j a l 0 0 0 、c a n 总线收发器8 2 c 2 5 0 。微处理器8 9 s 5 2 主要负责s j a l 0 0 0 的初始化，通过控制s j a l 0 0 0 ，实现数据的发送、接收等通信任务。c a n 控制器 s j a l 0 0 0 的a d 0 a d 7 连接到a t 8 9 s 5 2 的p 0 口，c s 连接到a t 8 9 s 5 2 的p 2 7 口， 当p 2 7 为0 时c p u 片外存贮器地址即可选中s j a l 0 0 0 。c p u 通过这些地址就可以 对s j a l 0 0 0 执行相应的读写操作。s j a l 0 0 0 的r d 、w r 、a l e 引脚分别与a t 8 9 s 5 2 的对应引脚相连。i n t 接a t 8 9 s 5 2 的i n t o 。a t 8 9 s 5 2 也可以通过中断的方式访问 s j a l 0 0 0 。s j a l 0 0 0 的m o d e 引脚接高电平，工作在i n t e l 方式下。这样就完成了 传感器节点的设计。 3 2 基于m c u 的汽车总线技术与车轮角度检测技术研究 3 4电机节点的设计 3 4 1电机节点模块分析 本模块主要实现了将总控节点通过c a n 总线传送过来的数据( 电机的正反转 及转速) 进行解码处理，发出相应的电机驱动信号，来控制驱动电机，并将电机 转动的相关信息传送给主控节点处理。系统中用到的电机是两相混合式步进电机 4 2 b y g h 3 0 1 ，它的主要特性有：步距角为1 8 度，两相四线制接法，分别为a 、a 、 b 、b 。驱动电压为9 v ，驱动电流为0 5 a ，最大静转矩4 2 k g * c m 。根据这些特性， 结合主控芯片a t 8 9 s 5 2 ，电机驱动芯片采用u l n 2 0 0 3 a 。 u l n 2 0 0 3 a 是一款宽电压、高电流的达灵顿管阵列。具有七路通道，每一路 输出能达到5 0 0 m a ，峰值能到6 0 0 m a ，电压最高能达5 0 v 。 本模块中电机4 2 b y g h 3 0 1 使用8 拍方式的驱动，每一步行进0 9 度。正转时 8 拍对应的8 个状态的变化分别为a a b b a b a a b b b a a 。时序 图如图3 1 3 所示。 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 厂 a 厂 厂 。：厂 几厂 店厂 图3 1 38 拍方式电机驱动时序图 驱动信号的产生及变化由a t 8 9 s 5 2 的四个i o 口来控制，正反转的控制通过8 拍对应的8 个状态的正反向变化来实现。转速的控制通过a t 8 9 s 5 2 的定时器来实 现，电机的转速与定时器的初值有着一一对应的关系。 3 4 2电机节点电路设计 本系统中用的电机是两相四线的混合式步进电机，分别为a 、b 相及a 、a 、 b 、b 四线，可以用a t 8 9 s 5 2 的四个i o 口p 1 4 、p 1 5 、p 1 6 、p 1 7 来控制。同时 由于此电机的驱动电压为9 v ，电流为0 5 a ，所以需要外接9 v 的直流稳压电源， 第三章c a n 网络构建与节点设计 同时此电源通过7 8 0 5 降压处理为模块提供5v 的电压。电机的引脚通过1 0 欧的 电阻上拉到9 v ，因为达灵顿管u l n 2 0 0 3 a 是集电极开路输出，在高电平输出即可 实现驱动电机所需的信号。7 4 h c 2 4 4 提高了信号的驱动能力，同时起到了一定的 隔离作用。电路如图3 1 4 所示。 ；。 ! !：一。! ：i ：+ + 1 ；： ； ： 一：一7 一p i 一一一t _ 一一1 。一“f 7 “：一“r 一 m o t o 是卿珏 1 ，厂一 l l j ： 。u 1 一 订j 一， t托 3 ) 秦 ， l p 1 42 l 1l ? l 1 8】1 6 p 掠1 ：乞 2 p 1 54 1 a 2l 丫2 1 62 l r q 1 1 5b ，。v 、，。、，、 3 p 1 66 l a 3l r 3 1 43 =u 稃。d 3 1 4 t a 4 p l ，78