一種CAN/LIN混合汽車總線結(jié)構(gòu)的研究與設(shè)計(jì)

盧軍　趙熠　聶向前　黃海波　車凱　蔣偉榮

摘要：該文以飛思卡爾MCU9S08DZ60為主控芯片，完成多路CAN/LIN節(jié)點(diǎn)之間的相互通信。系統(tǒng)模擬了汽車上的總線通信功能。例如，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、油門(mén)踏板、儀表等。最后，通過(guò)對(duì)CAN/LIN信號(hào)結(jié)果的測(cè)試和分析，驗(yàn)證CAN/LIN混合網(wǎng)絡(luò)的可行性，完成了CAN/LIN混合網(wǎng)絡(luò)通信。

關(guān)鍵詞：CAN總線；LIN總線；混合總線結(jié)構(gòu)

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）31-0020-02

CAN是在汽車上應(yīng)用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)，而LIN是近幾年出現(xiàn)的一種低成本汽車網(wǎng)絡(luò)，兩者在實(shí)際應(yīng)用中不是競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系而是互補(bǔ)關(guān)系，CAN/LIN混合網(wǎng)絡(luò)能夠在不影響網(wǎng)絡(luò)性能的前提下降低網(wǎng)絡(luò)成本。因此，針對(duì)此兩類總線進(jìn)行應(yīng)用研究在目前有很大的意義。

1 CAN/LIN總線結(jié)構(gòu)

由于CAN和LIN是不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，兩者之間的通信需要網(wǎng)關(guān)（gateway）來(lái)完成。汽車網(wǎng)關(guān)是汽車上連接異型網(wǎng)絡(luò)的接口裝置，能在OSI參考模型的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層上對(duì)雙方不同的協(xié)議進(jìn)行翻譯和解釋 。網(wǎng)關(guān)主要“處理”有關(guān)下面三部分的內(nèi)容：從第一個(gè)網(wǎng)絡(luò)讀取所接收的信息，翻譯信息，向第二個(gè)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信息。如果有必要，這個(gè)處理過(guò)程應(yīng)該是可逆的，亦即雙向的通信。CAN/LIN網(wǎng)關(guān)的模型如圖1所示。

2 CAN/LIN總線硬件設(shè)計(jì)

2.1 CAN/LIN網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)

CAN/LIN網(wǎng)關(guān)把CAN總線和LIN總線連接起來(lái)，需要完成CAN通信、LIN通信功能，是CAN、LIN總線之間的橋梁。本設(shè)計(jì)中網(wǎng)關(guān)的硬件原理框圖如圖2所示。

2.2 CAN總線收發(fā)器TJAl050

由于CAN控制器已經(jīng)集成在DZ60芯片內(nèi)部，所以CAN電路的設(shè)計(jì)僅需再添加一個(gè)收發(fā)器電路即可。在協(xié)議控制器中通過(guò)一條串行數(shù)據(jù)輸出線TxD和一條串行數(shù)據(jù)輸入線RxD連接到收發(fā)器，而收發(fā)器則通過(guò)它的兩個(gè)有差動(dòng)接收和發(fā)送能力的總線終端CANH和CANL連接到總線線路。CAN總線收發(fā)器選用Philips公司的TJAl050 。TJAl050完全符合ISO l 1898標(biāo)準(zhǔn)，支持CAN的高速率收發(fā)，最高可達(dá)1Mbit/s，電磁輻射極低，電磁抗干擾性極高，至少可連接110個(gè)節(jié)點(diǎn)。TJAl050輸入級(jí)和3.3V以及5V的器件兼容，這一點(diǎn)對(duì)汽車中越來(lái)越多的低于5V的器件應(yīng)用來(lái)說(shuō)是相當(dāng)必要的，因此，DZ60與TJAl050之間無(wú)須再附加電壓轉(zhuǎn)換電路，能夠直接連接。

2.3 LIN總線收發(fā)器TJAl020

LIN總線收發(fā)器選用Philips公司的TJAl020。TJAl020的波特率最高可達(dá)20Kbit/s，具有低電磁輻射的高電磁抗干擾的特性，可連接16個(gè)LIN節(jié)點(diǎn)。TJAl020輸入級(jí)電平和3.3V以及5V的器件兼容，因此DZ60與TJAl020之間無(wú)須再附加電壓轉(zhuǎn)換電路，能夠直接連接 。LIN總線另外需要一個(gè)12V的電壓（圖3-5中的V??BAT）作為L(zhǎng)IN總線電平信號(hào)電源。TJAl020的工作模式分為睡眠、待機(jī)、正常斜率模式和低斜率模式四種，可以達(dá)到節(jié)電或減少電磁輻射干擾的目的。

3 CAN/LIN總線軟件設(shè)計(jì)和測(cè)試

下面分別對(duì)CAN發(fā)送函數(shù)和LIN發(fā)送函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

3.1 CAN發(fā)送函數(shù)

發(fā)送函數(shù)CANSendData（eCANNUM CanNum，INT32U Cmd，stcRxBUF+RxBuf）與接收函數(shù)正好相反，簡(jiǎn)單地說(shuō)就是向發(fā)送寄存器寫(xiě)入要發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后啟動(dòng)發(fā)送。CAN中為了提高大量數(shù)據(jù)發(fā)送的效率，每個(gè)CAN控制器配有三個(gè)獨(dú)立的發(fā)送緩沖寄存器，發(fā)送時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況判斷哪個(gè)緩沖是空閑的，再把數(shù)據(jù)寫(xiě)入。CAN在啟動(dòng)發(fā)送前需要指定具體的發(fā)送緩沖和發(fā)送命令字。發(fā)送流程如圖3所示。

3.2 LIN發(fā)送函數(shù)

發(fā)送函數(shù)根據(jù)情況發(fā)送報(bào)文頭到總線上，然后根據(jù)需要發(fā)送0、2、4、8字節(jié)數(shù)據(jù)到總線上。其處理的流程如圖4所示。

3.3 波形測(cè)試

CAN和LIN的波形如圖5所示，圖5（a）是CAN波形圖，圖5（b）圖是LIN波形圖。

通過(guò)對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試與開(kāi)發(fā)，為了實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定傳輸必須注意以下幾項(xiàng)：

（1） CAN總線上所有的節(jié)點(diǎn)的幀類型，位速率必須設(shè)置一致。

（2） CAN總線報(bào)文信息只有在CAN節(jié)點(diǎn)連接到CAN總線網(wǎng)絡(luò)上，才能發(fā)送出去，否則將產(chǎn)生錯(cuò)誤中斷，但與網(wǎng)絡(luò)中是否有符合的標(biāo)識(shí)符ID節(jié)點(diǎn)無(wú)關(guān)。

（3） CAN總線兩端應(yīng)該接有兩個(gè)120歐的電阻，這對(duì)于匹配總線阻抗起著相當(dāng)重要的作用，忽略掉它們會(huì)使數(shù)據(jù)通信的抗干擾性及可靠性大大降低，甚至無(wú)法通信。

（4） LIN收發(fā)器TJA1020做主機(jī)應(yīng)用時(shí)，必須通過(guò)串聯(lián)的外部電阻和二極管將引腳INH或引腳BAT與引腳LIN進(jìn)行連接，主機(jī)端電阻為1K。從測(cè)試結(jié)果看，在長(zhǎng)時(shí)間的通訊中，網(wǎng)絡(luò)的通信都能保證100%的正確率。

可以驗(yàn)證CAN/L工N網(wǎng)關(guān)通信的可靠性較高。而數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間的測(cè)量結(jié)果，證明通信網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性是符合系統(tǒng)要求的。這說(shuō)明，本課題構(gòu)建的CAN/LIN混合通信網(wǎng)絡(luò)在電梯系統(tǒng)的應(yīng)用是合理和成功的。

4 總結(jié)

由于汽車上各種電子單元千差萬(wàn)別，目前還不能出現(xiàn)一個(gè)單一的網(wǎng)絡(luò)將所有的汽車電子單元連接起來(lái)。本課題研究的是汽車上中低端的控制網(wǎng)絡(luò)CAN和LIN的組網(wǎng)技術(shù)，目的是在汽車上組建一個(gè)實(shí)用的CAN/LIN混合網(wǎng)絡(luò)，以便將來(lái)在其上方便的開(kāi)發(fā)眾多的電子控制單元。在課題研究期間，還針對(duì)兩個(gè)具體的項(xiàng)目進(jìn)行了CAN，LIN混合網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用方面的研發(fā)，進(jìn)一步完善了對(duì)CAN，LIN混合網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)技術(shù)的研究。對(duì)汽車上總線通信進(jìn)行研究，以及對(duì)基于總線的電子控制單元的研究，無(wú)疑對(duì)中國(guó)汽車工業(yè)是有一定促進(jìn)意義的。

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