基于CAN/LIN的汽車檢測系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

張朝陽，陳貴鵬，李 健

(1.吉林師范大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院，吉林 四平136000;2.通化市鐵廠鎮(zhèn)；3.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息技術(shù)學(xué)院，吉林 長春130018)

1 引言

當(dāng)前，我國汽車電子技術(shù)水平還比較落后，且主要依靠技術(shù)引進(jìn)來實(shí)現(xiàn)，尤其是動(dòng)力總線系統(tǒng)、車身總線系統(tǒng)的研究更有待于提高.因此，必須學(xué)習(xí)國際主流總線的技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)出自己的汽車總線與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)，并且參考CAN/LIN總線接口的方案，減少企業(yè)的車身電子技術(shù)研究周期.通過基于CAN或LIN總線將車身網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連接起來，逐步實(shí)現(xiàn)中低檔轎車和輕型貨車車身控制裝置的機(jī)電一體化[1].針對(duì)國內(nèi)自主品牌汽車的穩(wěn)定性的迫切需求，本文設(shè)計(jì)了一套基于嵌入式的汽車CAN/LIN總線測試系統(tǒng).

2 CAN/LIN 總線的介紹

2.1 CAN總線的介紹

針對(duì)汽車中的測試儀器和系統(tǒng)控制之間數(shù)據(jù)交換存在的問題，德國博世(BOSCH)公司在20世紀(jì)80年代初開發(fā)了一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議——CAN總線.CAN總線是一種多主總線，利用雙絞線、同軸電纜或光纖充當(dāng)通信介質(zhì)，其通信速率可以達(dá)到1Mbps.CAN總線協(xié)議的一個(gè)最大特點(diǎn)是對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼代替以往的站地址編碼.CAN總線協(xié)議采用CRC檢驗(yàn)以保證數(shù)據(jù)通信的可靠性，同時(shí)提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，從而在各節(jié)點(diǎn)之間，實(shí)現(xiàn)自由通信.CAN總線結(jié)構(gòu)簡單，其內(nèi)部集成了錯(cuò)誤探測模塊和管理模塊，通過2根線與外部相連.與目前通行的通信總線相比，CAN總線在數(shù)據(jù)通信方面有較高的性價(jià)比，優(yōu)異的可靠性、靈活性[2].

2.2 LIN總線的介紹

在單主多從模式下，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型LIN網(wǎng)絡(luò)配置靈活，網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)主節(jié)點(diǎn)和多個(gè)從節(jié)點(diǎn).主節(jié)點(diǎn)控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信，網(wǎng)絡(luò)中沒有通信沖突.由于網(wǎng)絡(luò)的整個(gè)配置信息僅保存在主節(jié)點(diǎn)中，從節(jié)點(diǎn)均能自由地接入或脫離網(wǎng)絡(luò)，從節(jié)點(diǎn)之間、主從節(jié)點(diǎn)之間沒有沖突.滿足大多數(shù)智能傳感器和執(zhí)行器之間對(duì)通信距離與通信速度的要求(LIN總線單線傳輸最大距離可達(dá)到40m，通信波特率為1kbit/s～20kbit/s).SCI/UART標(biāo)準(zhǔn)硬件接口應(yīng)用在LIN總線物理層，通過收發(fā)器與LIN網(wǎng)絡(luò)相連.大多數(shù)單片機(jī)中都有SCI接口，使用廉價(jià)的單片機(jī)來開發(fā)網(wǎng)絡(luò)中的從節(jié)點(diǎn)，能夠降低網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營成本.

3 基于CAN/LIN總線的汽車檢測系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 整體設(shè)計(jì)思路

通過參考成熟的CAN/LIN總線設(shè)計(jì)電路，經(jīng)過基礎(chǔ)測試及單元電路測試，應(yīng)用電路設(shè)計(jì)軟件Altium Designer10.0設(shè)計(jì)了電路原理圖，如圖1所示.

圖1 整體電路原理圖

本設(shè)計(jì)采用Silicon Laboratories公司生產(chǎn)的汽車級(jí)控制芯片C8051F500Q作為整個(gè)硬件系統(tǒng)核心控制芯片；恩智浦半導(dǎo)體(NXP)公司生產(chǎn)的TJA1040 、TJA1020收發(fā)器分別作為控制局域網(wǎng)CAN物理總線與協(xié)議控制器之間的硬件接口，LIN主機(jī)從機(jī)協(xié)議控制器和LIN傳輸媒體之間的接口；采用AT24C04作為存儲(chǔ)擴(kuò)展，并結(jié)合JTAG調(diào)試燒寫電路和12V轉(zhuǎn)5V轉(zhuǎn)壓電路共同構(gòu)成一個(gè)獨(dú)立完整的工作電路[3-4].

3.2 中央控制器硬件電路

圖2 中央控制電路

中央控制電路如圖2所示，由于數(shù)字電路的頻率高、模擬電路的敏感度強(qiáng)的特點(diǎn)，針對(duì)通信信號(hào)線，高頻的信號(hào)線要盡可能遠(yuǎn)離敏感的模擬電路器件，因此，本設(shè)計(jì)將模擬地與數(shù)字地進(jìn)行隔離.C8051F500芯片內(nèi)部提供了穩(wěn)定的24M內(nèi)部晶振，因而電路中未設(shè)置外部晶振電路.Silicon Labs公司C8051F500芯片內(nèi)部集成博世CAN控制器，采用CAN協(xié)議進(jìn)行串行通信.CAN控制器包含一個(gè)CAN核、控制寄存器、消息RAM及消息處理狀態(tài)機(jī).控制器符合博世2.0A基本CAN標(biāo)準(zhǔn)和2.0B全功能CAN標(biāo)準(zhǔn)，方便在CAN網(wǎng)絡(luò)上的通信.

3.3 電源電路設(shè)計(jì)

圖3 電源電路

電源電路如圖3所示，采用了LM2937IMP-5.0的12V轉(zhuǎn)5V轉(zhuǎn)壓芯片；為保護(hù)轉(zhuǎn)壓電路的安全性，防止回流，采用二極管N5817；輸入及輸出兩端的電容起到穩(wěn)定兩端電壓的作用.

3.4 CAN/LIN總線接口芯片電路設(shè)計(jì)

圖4 CAN總線接口電路

CAN總線接口電路如圖4所示，其中P0口的P0.6和P0.7分別為CAN總線收發(fā)器TJA1040與主控制器C8051F500Q的發(fā)送接口和接收接口.TJA1040作為CAN物理總線和控制器之間的硬件接口，能提高對(duì)CAN總線的差動(dòng)發(fā)送與差動(dòng)接收能力[5].

圖5 LIN總線接口電路

LIN總線接口電路如圖5所示，LIN總線通信需要12V外部供電，P1口的P1.0和P1.1分別作為LIN總線收發(fā)器TJA1020與主控制器C8051F500Q的發(fā)送接口和接收接口，P1.2作為LIN的啟動(dòng)引腳.TJA1020是LIN物理總線和主——從協(xié)議控制器之間的硬件接口，工作波特率在2.4kbits/s～20kbits/s之間.TXD管腳輸入的發(fā)送數(shù)據(jù)通過LIN收發(fā)器轉(zhuǎn)換成LIN總線信號(hào)，通過收發(fā)器控制轉(zhuǎn)換速率與波形，這樣能夠減少EME.通過一個(gè)內(nèi)部終端電阻LIN總線的輸出管腳被拉成高電平.通過LIN總線的輸入管腳，收發(fā)器檢測到的數(shù)據(jù)流通過RXD管腳發(fā)送至微控制器[6-7].

4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)硬件調(diào)試主要部分包括：擁有完整系統(tǒng)的硬件電路板如圖6(整體電路包括JTAG下載電路，12V轉(zhuǎn)5V的電壓轉(zhuǎn)換電路，主控芯片外圍基礎(chǔ)電路，以及TJA1040和TJA1020接口轉(zhuǎn)換電路)；新華龍U-EC6下載調(diào)試器如圖7；上位機(jī)的Keil軟件燒錄軟件.

圖6 完整系統(tǒng)電路板

圖7 新華龍U-EC6下載調(diào)試器

將最小系統(tǒng)硬件電路板焊接完成，用萬用表測試防止漏焊情況發(fā)生，將U-EC6下載調(diào)試器連接上位機(jī)和系統(tǒng)板JTAG接口，通過上位機(jī)的Keil軟件下載最基礎(chǔ)的LED燈閃爍例程測試系統(tǒng)板的下載功能以完成最基本電路測試，焊接測試完成兩塊基礎(chǔ)電路板后，繼續(xù)在這兩塊電路板上焊接CAN總線接口轉(zhuǎn)換電路和芯片TJA1040及OLED接口電路，下載CAN總線測試程序通過OLED顯示數(shù)據(jù)，測試CAN總線的收發(fā)性能，測試完成后繼續(xù)焊接LIN總線接口轉(zhuǎn)換電路及芯片TJA1020,下載LIN總線測試程序通過OLED顯示數(shù)據(jù)，測試LIN總線的收發(fā)性能.至此，完成整個(gè)硬件電路的測試.

5 總結(jié)

本設(shè)計(jì)在實(shí)驗(yàn)室條件下，能夠滿足汽車在運(yùn)行中對(duì)各種控制指令與數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?，并且可以?zhǔn)確地檢測控制過程中可能產(chǎn)生的故障.本設(shè)計(jì)可以根據(jù)不同用戶要求,擴(kuò)展CAN/LIN總線連接節(jié)點(diǎn)的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)較完整的CAN/LIN通訊網(wǎng)絡(luò).

參考文獻(xiàn)：

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