CAN总线在汽车车身控制中的应用

CAN 总线在汽车车身控制中的应用总线在汽车车身控制中的应用 引言引言 20 世纪 80 年代以来 随着集成电路和单片机在汽车上的广泛应用 汽车上的电子控制单元越来越多 例如电子 燃油喷射装置 防抱死制动装置 ABS 安全气囊装置 电控门窗装置和主动悬架等等 在这种情况下 如果仍采 用常规的布线方式 即电线一端与开关相接 另一端与用电设备相通 将导致车上电线数目的急剧增加 使得电线的 质量占整车质量的 4 左右 另外 电控系统的增加虽然提高了轿车的动力性 经济性和舒适性 但随之增加的复杂 电路也降低了汽车的可靠性 增加了维修的难度 为此 改革汽车电气技术的呼声日益高涨 因此 一种新的概 念 车用控制器局域网络 CAN 应运而生 CAN 是控制器局域网络 Controller Area Network 的简称 它是由德国 Bosch 公司及几个半导体生产商开发出 来的 CAN 总线是一种串行多主站控制器局域网总线 它具有很高的网络安全性 通讯可靠性和实时性 而且简单 实用 网络成本低 特别适用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣 电磁辐射强和振动大的工业环境 CAN 总线的技术特点总线的技术特点 CAN 总线可有效支持分布式控制或实时控制 该总线的通信介质可以是双绞线 同轴电缆或光纤 其主要特点 如下 CAN 总线为多主站总线 各节点可在任意时刻向网络上的其他节点发送信息 且不分主从 CAN 总线采用独特的非破坏性总线仲裁技术 高优先级节点优先传送数据 故实时性好 CAN 总线具有点对点 一点对多点及全局广播传送数据的功能 CAN 总线采用短帧结构 每帧有效字节数最多为 8 个 数据传输时间短 并有 CRC 及其它校验措施 数据出 错率极低 CAN 总线上某一节点出现严重错误时 可自动脱离总线 而总线上的其他操作不受影响 CAN 总线系统扩充时 可直接将新节点挂在总线上 因而走线少 系统扩充容易 改型灵活 CAN 总线的最大传输速率可达 1Mb s 直接通信距离最远可达到 10km 速率在 5kbps 以下 CAN 总线上的节点数取决于总线驱动电路 在标准帧 11 位报文标识符 时可达到 110 个 而在扩展帧 29 位报文标识符 时 个数不受限 车身系统的车身系统的 CAN 控制设计控制设计 CAN 总线网络系统架构总线网络系统架构 现代汽车典刑的控制单元有发动机控制模块 变速器控制模块 多媒体控制模块 气囊控制模块 空调控制模块 巡航控制模块 车身控制模块 包括照明指示和车窗 刮雨器等 防抱死制动系统 ABS 防滑控制系统 ASR 等 完善的汽车 CAN 总线网络系统架构如图 1 所示 CAN 节点的硬件架构节点的硬件架构 本系统中 CAN 节点采用 ECU AT89C51 CAN 控制器 SJA1000 CAN 收发器 PCA82C250 的电路结构以下是其核心芯片简介 1 CAN 控制器 为了系统进一步扩展的需要 可选取支持 CAN 2 0B 通讯协议的芯片 SJA1000 SJA1000 是 PHILIPS 公司生产的 既支持 CAN 2 0B 又支持 CAN 2 0A 的 CAN 控制器 它与仅支持 CAN 2 0A 的 CAN 控制器 PCA82C200 在硬件和软 件上完全兼容 2 CAN 收发器 PCA82C250 是 PHILIPS 推出的 CAN 控制器和物理总线接口芯片 可提供对总线的差分发送和接收 它与 ISO 11898 标准完全兼容 并有高速 斜率控制和待机 3 种不同的工作方式 可根据实际情况选择 3 单片机 AT89C51 AT89C51 是 ATMEL 公司的单片机 它是一种低功耗 高性能 内含 4KB 闪速存储器的 8 位 CMOS 微控制器 与工业标准 MCS 51 指令系统和引脚完全兼容 AT89 系列的优越性在于其片内闪速存储器可进行 1000 次的编程与 擦除 且数据不易丢失 数据可保存 10 年 CAN 总线控制器 总线驱动器和单片机连接基本方法如图 2 所示 车身控制模块中的车身控制模块中的 CAN 应用层协议应用层协议 协议原则协议原则 本协议遵循 CAN2 0B 规范 根据车身控制模块的特点 采用源 目的方法 每个节点都有自己固定的标识地址 且节点数小于 64 设计时可将中央控制模块设为主节点 而将车门 电动座椅子模块及自检子模块设置为从节点 本 协议可完成以下功能 1 特定信息的广播 2 主从节点之间的连接 3 主从节点之间的信息交换 包括故障信息 本协议采用帧优先原则分配标识符 每一帧标识符中的高四位表示帧类型 不同帧类型有不同的优先权 优先权 决定了各种信息帧在同等情况下的发送顺序 协议中的 29 位标识符的分配如下 帧类型 4 位 目的地址 6 位 源地址 6 位 命令 或状态 报告 属性 13 位 或数据属性 分段 标志 分段号 共 13 位 对所有的命令或状态 数据 报告属性 除定时采集发送的数据外 原则上均需应答 发送确认帧以保证通讯正 常 帧格式仲裁场和控制场定义帧格式仲裁场和控制场定义 仲裁场由 29 位标识符 ID28 ID0 以及 SRR IDE 和 RTR 组成 SJA1000 中的寄存器 17 21 用来存放扩展帧格 式帧信息的标识符 发送时 SRR 1 IDE 1 RTR 1 0 远程帧 数据帧 标识符中的 ID28 ID25 为车身控制 模块交换报文的帧类型 共 4 位 ID24 ID19 为车身控制模块中帧信息使用者的地址 或称为目的地址 共 6 位 ID18 ID13 为车身控制模块中帧信息发送者的地址或称为源地址 共 6 位 ID12 ID5 为车身控制模块中交换的 命令 状态 数据或报告属性 共 8 位 ID4 位需附加命令或状态 数据 报告属性时的分段标志 ID3 ID0 为附 加命令或状态 数据 报告属性的分段号 共 4 位 当 ID4 0 时 ID3 ID0 控制场 数据寄存器 0 7 有效 对 于远程帧 则可忽略 ID4 ID0 以及控制场的值 SJA1000 的寄存器 16 低四位 DLC3 DLC0 可构成控制场 以决定 数据帧的数据长度 车身控制模块车身控制模块 CAN2 0B 通讯报文约定通讯报文约定 按车身控制模块的节点要求 通讯的信息帧分为表 1 所列的 6 种 表 1 中的优先级按序号从高到低排列 其目的 地址和源地址的分配见表 2 所列 其工作方式如下 1 开机后或唤醒时 从节点向主节点发送状态信息 主节点发送广播信息远程帧 两次 广播信息为共用 信息 包括车速信号 档位信号 点火开关位置信号等 2 正常情况下 从节点内部巡查各端口状态 如有故障则向主节点发送故障代码 3 次 主节点收到三次故障 报警后开始响应 从节点停止发送 一旦故障消失 再向主节点发送正常信息 在主节点中应有一故障表 以用于已 诊断模块的通讯 3 主结点分别发送自检信息后 如各从节点正常 则发送正常信息 状态和数据帧 如有故障 则通过分段 数据帧发送故障报警帧 4 从节点监测到正常输入信号的变化 包括开关量和模拟量采样级数的变化 后 便通过报告帧发送信息给 主节点 主节点则发送命令帧以示响应 通讯报文定义通讯报文定义 表 3 所列是中央控制模块与诊断模块的通讯报文定义 表中 aaaa 为分段号 可在故障代码多于 8 个时设置 最 多可达传送 16 8 个字节代码 bbbbbb 为各传感器代号 其响应帧采用不分段的数据帧 cccccccc 为执行相应动作的 代码 如车窗上升为 00000001 下降为 00000010 该响应最多可以执行 256 个动作 响应帧采用远程帧 请求帧为 远程帧 在系统正常工作时 各节点的通讯协议约定如表 4 所列 表中的 dddd 为分段起始命令中包含的总段数 eeee 为 广播信息的某一段号 控制场中的数据长度为该段内的数据长度 数据场中的数据广播的某段实际数据 按顺序定义 数据有 数据寄存器 1 车速信息高 8 位 数据寄存器 2 车速信号低 8 位 数据寄存器 3 发动机转速信号高 8 位 数据寄存器 4 发动机转速信号低 8 位 数据寄存器 5 点火开关位置 其中 0 表示钥匙拔出 1 表示钥匙位于 OFF 2 表示钥匙位于 ACC 3 表示钥 匙位于 RUN 4 表示钥匙位于 START 数据寄存器 6 档位信号 0 表示空档 1 表示驱动档 2 表示驱动档 3 表示倒档 4 表示驻车档 数据寄存器 7 遥控信号 0 表示遥控解锁主驾车门 1 表示遥控锁定主驾车门 2 表示遥控解锁所有车门 3 表示遥控锁定所有车门 4 表示遥控解锁行礼箱 数据寄存器 8 用于防盗模式 0 表示进入防盗模式 1 表示解除防盗模式 数据寄存器 9 16 保留 软件流程软件流程 各控制器应按规定格式和周期发送数据到总线上 同时也要接受其他控制器的信息 总线上的其他控制器则根据 需要各取所需的报文 对于接收数据 本系统采用中断方式实现 一旦中断发生 即将接收的数据自动装载到相应的 报文寄存器中 此时还可采用屏蔽滤波方式 利用屏蔽滤波寄存器对接收报文的标识符和预先在接收缓冲器初始化时 设定的标识符进行有选择地逐位比较 只有标识符匹配的报文才能进入接收缓冲器 那些不符合要求的报文则将被屏 蔽于接收缓冲器之外 从而减轻 CPU 处理报文的负担 此外 不同数据应放入不同的报文寄存器中 因此在接收中 断服务程序中 就可以容易地判断出中断是由哪个接收报文引起的 其程序流程图如图 3 所示 结束语结束语 CAN 总线作为一种可靠的汽车计算器网络总线 现已开始