基于CAN總線的重型卡車電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

吳奇

摘要：重型卡車電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究中，CAN總線系統(tǒng)的應(yīng)用得到了廣泛應(yīng)用。因此技術(shù)人員結(jié)合CAN總線技術(shù)概念，以及重型卡車電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求開(kāi)展了系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。

關(guān)鍵詞：CAN總線；重型卡車；電氣系統(tǒng)；設(shè)計(jì)

隨著我國(guó)重工業(yè)、建筑業(yè)等大型經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，以及公路網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的日益完善，每年重型卡車生產(chǎn)數(shù)量也在不斷增加。因此重型卡車生產(chǎn)技術(shù)研究的開(kāi)展，也成為了汽車生產(chǎn)技術(shù)研究的重要組成部分。其中重電氣控制系統(tǒng)研究，是當(dāng)前重型卡車生產(chǎn)技術(shù)研究的重要內(nèi)容。因此技術(shù)人員以CAN總線技術(shù)為基層，開(kāi)展了電氣控制系統(tǒng)研究。這一研究的開(kāi)展對(duì)于我國(guó)重型卡車生產(chǎn)技術(shù)的提升提供技術(shù)理論支持。

一、CAN總線技術(shù)概念與重型卡車電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

（一）CAN總線技術(shù)概念

在汽車電氣控制系統(tǒng)研究中，CAN總線技術(shù)是一種技術(shù)含量較高的多主總線系統(tǒng)技術(shù)。在實(shí)際的汽車控制系統(tǒng)研究中，CAN總線系統(tǒng)具有以下幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：一是控制系統(tǒng)信號(hào)傳輸效率較高。與傳統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)相比較，CAN系統(tǒng)控制信號(hào)的傳輸效率有了較大提高。在實(shí)際使用中，CAN系統(tǒng)的信號(hào)傳輸平均速率能夠?qū)崿F(xiàn)1Mb/s，二是傳輸介質(zhì)種類較為廣泛由于CAN系統(tǒng)采用了差分電壓傳輸模式，因此在實(shí)際應(yīng)用中其信號(hào)傳輸過(guò)程可以采用的介質(zhì)種類較多，如較為常見(jiàn)的光纖維、同軸電纜都可以用于控制信號(hào)傳輸。

在實(shí)際的汽車電氣控制系統(tǒng)運(yùn)行中CAN總線控制技術(shù)的控制措施包括了以下內(nèi)容：一是其對(duì)電氣系統(tǒng)的控制是通過(guò)CAN技術(shù)鏈路層與其他物理層功能完。這種控制模式可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì)控制數(shù)據(jù)的成幀轉(zhuǎn)換與各類零位操作的完成。二是采用了新型的控制協(xié)議技術(shù)。與傳統(tǒng)的控制技術(shù)相比較，CAN系統(tǒng)采用了新型的編碼控制系統(tǒng)，即在使用中利用數(shù)據(jù)塊完成對(duì)編碼的控制。這種控制方法在使用中，理論上不存在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量限制，進(jìn)而提高了系統(tǒng)控制的效率。三是在實(shí)際控制過(guò)程中，CAN系統(tǒng)較之傳統(tǒng)的控制技術(shù)，其通信可靠性與實(shí)時(shí)性等都有了較大提升。正因CAN總線控制系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中具有以上優(yōu)勢(shì)，因此成為了當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的汽車電氣控制技術(shù)之一，也成為了重型卡車電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首選。

（二）重型卡車電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

在我國(guó)重型卡車未來(lái)的設(shè)計(jì)中，駕駛安全、能耗降低、使用舒適以及較高的環(huán)保等，都是我們?cè)O(shè)計(jì)的主要要求。單就重型卡車電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，利用功能較強(qiáng)的智能化平臺(tái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)控制模式，進(jìn)而提高電氣控制的及時(shí)行、穩(wěn)定性與安全性，就成為了電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要要求。正因如此，技術(shù)人員結(jié)合CAN總線系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展了此次重型卡車電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究。

二、CAN總線系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

在目前的電氣系統(tǒng)控制總線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，常用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般包括了總線型、星型、環(huán)型、樹(shù)型以及網(wǎng)狀型五種主要類型。在此次研究中我們采用了星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用于系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)。其設(shè)計(jì)整體結(jié)構(gòu)包括了前、后、左、右、中，5個(gè)ECU節(jié)點(diǎn)。在實(shí)際的控制過(guò)程中，其主要的工作包括了以下幾點(diǎn)。（1）分節(jié)點(diǎn)的信息采集與輸送。在控制過(guò)程中，其位于前后左右位置的四個(gè)分節(jié)點(diǎn)，完成對(duì)本節(jié)點(diǎn)附近的開(kāi)關(guān)信息的全面收集，之后將收集到的信息轉(zhuǎn)換為一幀報(bào)文形式信息數(shù)據(jù)，最后將信息報(bào)送到位于中間位置的總線主節(jié)點(diǎn)。（2）主節(jié)點(diǎn)信息分析與反饋。在主節(jié)點(diǎn)獲得傳輸?shù)降男畔⒑螅锤鶕?jù)預(yù)定程序開(kāi)始對(duì)信息內(nèi)容進(jìn)行判斷與分析。之后主節(jié)點(diǎn)將分析后的信息與指令反饋到對(duì)應(yīng)的輸送節(jié)點(diǎn)，用于電氣系統(tǒng)的控制工作。（3）對(duì)電氣系統(tǒng)控制的實(shí)現(xiàn)。在總結(jié)點(diǎn)發(fā)出控制指令后，其與四個(gè)節(jié)點(diǎn)將總結(jié)點(diǎn)發(fā)出的指令通過(guò)UART總線將指令信息輸送到電氣系統(tǒng)的各控制模塊，完成對(duì)汽車電氣控制系統(tǒng)的輸出控制。

在這一傳輸過(guò)程中，負(fù)責(zé)控制的單片機(jī)在信息數(shù)據(jù)的邏輯運(yùn)算與輸出的順序控制起著非常重要的作用。在重型卡車電氣控制中，CAN總線系統(tǒng)主要作用包括了以下兩點(diǎn)。一是為電氣系統(tǒng)控制信息輸送建設(shè)一個(gè)高速有效的運(yùn)行平臺(tái)。這一信息平臺(tái)可以通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)控制信息高速有效的傳輸與處理。二是實(shí)現(xiàn)控制信息的共享。在重型卡車電氣系統(tǒng)控制運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)信息。較之傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)，CAN總線系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)中電子單元之間數(shù)據(jù)信息的共享，實(shí)現(xiàn)了對(duì)控制信息有效傳輸與控制，同時(shí)有效的提高了電控系統(tǒng)信息利用率。

三、ECU節(jié)點(diǎn)技術(shù)連接與控制應(yīng)用

（一）系統(tǒng)的連接技術(shù)

在CAN系統(tǒng)控制過(guò)程中，ECU節(jié)點(diǎn)是總線系統(tǒng)核心的組成部分，主要包括了通信與功率輸出等幾個(gè)組成部分。因此在總線控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，技術(shù)人員應(yīng)對(duì)ECU節(jié)點(diǎn)的功能與各節(jié)點(diǎn)位置開(kāi)展細(xì)化研究，之后針對(duì)性地開(kāi)展ECU控制程序軟件開(kāi)發(fā)。ECU系統(tǒng)在使用中具有較好的移植性能，保證了其對(duì)電氣系統(tǒng)的有效控制。在實(shí)際的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用中，ECU節(jié)點(diǎn)主要有以下的幾個(gè)主要連接端口：一是系統(tǒng)功率負(fù)載輸出連接驅(qū)動(dòng)端口。其作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)負(fù)載進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使用中的最高輸出電流大約為30A。在實(shí)際應(yīng)用中負(fù)載輸出連接驅(qū)動(dòng)端口作用是完成電氣系統(tǒng)的安全控制。二是系統(tǒng)開(kāi)關(guān)量輸出連接端口。其作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)開(kāi)關(guān)量對(duì)應(yīng)信息輸出，保證不同開(kāi)關(guān)狀態(tài)情況下各輸出口電平差異。三是系統(tǒng)通信連接端口。其主要作用是為電氣控制系統(tǒng)運(yùn)行提供充足有效的通信線路保證，進(jìn)而提高系統(tǒng)外圍接口穩(wěn)定性。四是系統(tǒng)電源輸入端口。其作用是為總線系統(tǒng)提供正常穩(wěn)定的電能供應(yīng)，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

（二）ECU在控制中的應(yīng)用

在總線系統(tǒng)控制過(guò)程中，系統(tǒng)各分節(jié)點(diǎn)會(huì)保送部分類型報(bào)文信息。因此ECU主節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)通信處理系統(tǒng)對(duì)這些信息進(jìn)行檢測(cè)與過(guò)濾，篩除其中對(duì)系統(tǒng)存在不良影響信息，，進(jìn)而將其中有用信息通過(guò)各分節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)控制模塊中。信息傳輸完成后控制信息經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)中斷情況，但是系統(tǒng)會(huì)將收集到的有效信息，之后通信線路將信息傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中對(duì)應(yīng)處理器讀取，最后由系統(tǒng)接收緩沖區(qū)對(duì)信息信號(hào)進(jìn)行釋放處理。在這一過(guò)程中，系統(tǒng)對(duì)控制報(bào)文信息進(jìn)行了有效的處理與篩選，以及信息格式的轉(zhuǎn)換與處理，最終利用UART總線輸出有效的控制信息。在控制信息輸送過(guò)程中，系統(tǒng)還需要對(duì)報(bào)送的信息數(shù)據(jù)順序進(jìn)行排列，進(jìn)而確保信息輸送對(duì)各控制部件功率輸出的高效控制。特別是在開(kāi)關(guān)信息采集過(guò)程中，檢測(cè)系統(tǒng)可以通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)收集到的開(kāi)關(guān)狀態(tài)的反復(fù)檢側(cè)過(guò)程，并將系統(tǒng)檢側(cè)到的信息輸送至系統(tǒng)中央處理器。處理器在發(fā)現(xiàn)檢測(cè)到開(kāi)關(guān)狀態(tài)存在異常狀態(tài)的情況下，就需要系統(tǒng)將對(duì)應(yīng)信息傳輸?shù)紼CU總結(jié)點(diǎn)，之后向各控制節(jié)點(diǎn)傳輸與發(fā)送，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣系統(tǒng)開(kāi)關(guān)狀態(tài)的有效控制。

四、系統(tǒng)軟件架構(gòu)建設(shè)

基于CAN系統(tǒng)的電氣控制系統(tǒng)的軟件架構(gòu)主要包括了以下三個(gè)層次部分，即驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)換與通信處理三個(gè)部分。各層次的主要功能如下：（1）驅(qū)動(dòng)層。其主要功能是實(shí)現(xiàn)控制信息的輸入與輸出驅(qū)動(dòng)功能；（2）轉(zhuǎn)換層的功能與也驅(qū)動(dòng)層基本相同；（3）通信層。其主要功能是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)通信工作。在實(shí)際的系統(tǒng)運(yùn)行中，其各層通信驅(qū)動(dòng)控制全部為獨(dú)立完成。，而其通信信息內(nèi)容包括了以下三種：一是狀態(tài)信息，即軟件系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)層與轉(zhuǎn)換層間的通信信息；二是接口消息，即轉(zhuǎn)換層輸入與輸出狀態(tài)之間通信信息；三是器件消息，即處理通信層與轉(zhuǎn)換層的信息。同時(shí)在軟件設(shè)計(jì)中，其根據(jù)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)其功能差異其開(kāi)發(fā)功能也存在一定區(qū)別。如系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)層輸入驅(qū)動(dòng)程序，為了保證輸入引腳電平的高效轉(zhuǎn)換與調(diào)整進(jìn)而確保信息正常轉(zhuǎn)換與傳輸；而輸出驅(qū)動(dòng)功能則與之相反。

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