車輛控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)中CAN總線通信實(shí)施方法

陳詩(shī)桓

（湖南遠(yuǎn)望新材料科技有限公司，長(zhǎng)沙 410205）

改革開放以來，我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)獲得飛速發(fā)展，人們的收入水平在新的社會(huì)背景下得以迅速提升。道路上的車輛數(shù)量增多是時(shí)代發(fā)展的必然結(jié)果，隨著新技術(shù)的進(jìn)步，車輛上安裝的電子系統(tǒng)數(shù)量越來越多，所以在車輛控制系統(tǒng)優(yōu)化期間，合理選擇與使用網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)已經(jīng)成為必然趨勢(shì)[1]。隨著現(xiàn)代汽車制造業(yè)發(fā)展水平日漸提升，相關(guān)配件的研究力度也逐步加大，但配件兼容性不強(qiáng)已經(jīng)成為行業(yè)發(fā)展的主要問題之一，不同廠家生產(chǎn)的配件由于不兼容而導(dǎo)致各種故障頻繁發(fā)生。在傳統(tǒng)的處理方式下，利用線束展開點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接處理已無法滿足汽車技術(shù)優(yōu)化需求，因此控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network，CAN）總線應(yīng)運(yùn)而生。

1 CAN總線概述

1.1 概念

CAN中文名稱為控制器局域網(wǎng)絡(luò)，其實(shí)質(zhì)是一種支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，具有良好的串行能力，同時(shí)安全性很高，多集中應(yīng)用在嵌入式控制器通信系統(tǒng)及智能裝置開放式通信系統(tǒng)中。在20世紀(jì)80年代，德國(guó)博世（BOSCH）公司針對(duì)當(dāng)時(shí)的技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和行業(yè)發(fā)展前景展開綜合分析，提出CAN串行通信系統(tǒng)，旨在為汽車電子裝置實(shí)現(xiàn)互聯(lián)提供技術(shù)支撐[2]。自此汽車上的電子系統(tǒng)開始逐漸普及應(yīng)用，控制單元在車輛上的應(yīng)用數(shù)量日漸增加。當(dāng)前，汽車工業(yè)及控制領(lǐng)域已經(jīng)廣泛應(yīng)用CAN技術(shù)，同時(shí)已經(jīng)逐漸形成美國(guó)機(jī)動(dòng)車工程師學(xué)會(huì)（Society of Automotive Engineers，SAE）標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization，ISO）標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 特點(diǎn)

位于總線上的所有節(jié)點(diǎn)通過物理層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，主要包括介質(zhì)連接、數(shù)據(jù)的解碼和編碼、線路電氣特性、位定時(shí)和同步的實(shí)施。BOSCH CAN基本上沒有對(duì)物理層作出定義，但是以ISO標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，物理層要有明確的定義。在CAN總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)期間，物理層選擇余地較大，但要充分確保CAN協(xié)議中媒體訪問層非破壞性位仲裁的要求。這就要求在CAN總線中，物理層要具有顯性位和隱性位等狀態(tài)特征[3]。在沒有發(fā)送顯性位和的總線處于空閑狀態(tài)情況下，CAN總線要始終保持隱性狀態(tài)；若是有總線上的節(jié)點(diǎn)發(fā)送顯性位，隱性位會(huì)被覆蓋，保持CAN總線處于顯性狀態(tài)。

從結(jié)構(gòu)上，物理層可以劃分為物理信號(hào)層、物理介質(zhì)附件層、介質(zhì)接口層3層。CAN控制器實(shí)現(xiàn)物理信號(hào)層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，CAN收發(fā)器實(shí)現(xiàn)物理介質(zhì)附件層功能，連接器和電纜的特性由介質(zhì)接口層實(shí)現(xiàn)。

1.3 通信協(xié)議

CAN總線通信協(xié)議的選擇需科學(xué)合理，CAN 總線本身可劃分成為擴(kuò)展信息幀和標(biāo)準(zhǔn)信息幀兩種。通信方式可選取信息幀格式，擴(kuò)展幀的辨識(shí)碼可實(shí)現(xiàn)地址空間定義擴(kuò)展，各位域的定義如下。

第一，SOF。SOF位域的主要作用是標(biāo)志總線中止空閑狀態(tài)，同時(shí)保證所有站點(diǎn)都保持同步性。

第二，仲裁域。在通信方式中，前11位要對(duì)地址作出識(shí)別，同時(shí)對(duì)標(biāo)識(shí)碼作出定義，RTR位的實(shí)質(zhì)是遠(yuǎn)程傳輸請(qǐng)求位，其作用是對(duì)數(shù)據(jù)信息提出要求，此外，IDE可作為拓展信息位。

第三，控制域?？刂朴蚬灿?jì)6位，后期的數(shù)據(jù)域長(zhǎng)度值由DLC得知。

第四，數(shù)據(jù)域。數(shù)據(jù)域共計(jì)0位到64位，字節(jié)數(shù)共計(jì)8個(gè)，其中包含有需要進(jìn)行傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息。

第五，校驗(yàn)域。校驗(yàn)域共計(jì)16位，其中包含有1個(gè)檢測(cè)字，其主要作用是對(duì)傳輸錯(cuò)誤展開自動(dòng)檢測(cè)。

第六，應(yīng)答域。應(yīng)答域共計(jì)2位，若是其他節(jié)點(diǎn)能夠正確接收時(shí)，可以在最短時(shí)間內(nèi)發(fā)出信號(hào)。

第七，EOF。EOF域?yàn)榻Y(jié)束幀，共計(jì)7位，其作用是表示為結(jié)束通信。

2 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)CAN通信設(shè)計(jì)

2.1 車輛控制系統(tǒng)CAN通信原理

常見車輛的控制系統(tǒng)大體上劃分成為儀表盤控制系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、變速器控制系統(tǒng)及制動(dòng)器控制系統(tǒng)等部分。通過應(yīng)用CAN總線通信可完成不同控制系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸與交換，以此以保證數(shù)據(jù)信息共享，提升不同控制系統(tǒng)的控制性能[4]。

2.2 CAN通信軟件設(shè)計(jì)

基于CAN通信原理，倘若汽車發(fā)動(dòng)機(jī)在運(yùn)行期間微處理器尚未集成CAN控制器，此時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況適當(dāng)添加CAN控制器芯片，同時(shí)需要完成CAN驅(qū)動(dòng)器安裝。

以MC68376 32位高智能微處理器為例，對(duì)CAN控制器發(fā)動(dòng)機(jī)電控系統(tǒng)CAN通信設(shè)計(jì)成果展開分析。CAN通信協(xié)議功能實(shí)現(xiàn)，TouCAN模塊是極為重要的通信控制器。TouCAN控制器為CAN控制器，TouCAN模塊報(bào)文緩沖器數(shù)量為16個(gè)，所有的緩沖器不僅可以作為發(fā)送緩沖器，還可以作為接收緩沖器。另外，為了降低重復(fù)請(qǐng)求微處理器的次數(shù)，要求所有的報(bào)文緩沖器均按照規(guī)定獲得具有獨(dú)立性的中斷標(biāo)志位，其主要目的是對(duì)成功完成的接收和發(fā)送作出指示[5]。

CAN協(xié)議要求位定時(shí)參數(shù)設(shè)置時(shí)，可選擇TouCAN模塊，利用該模塊能夠協(xié)調(diào)3個(gè)8位寄存器，分別是預(yù)分頻寄存器、控制寄存器1和控制寄存器2。在系統(tǒng)中，16個(gè)報(bào)文寄存器可以對(duì)16個(gè)數(shù)據(jù)幀展開合理化處理。在發(fā)動(dòng)機(jī)控制設(shè)備過程中，每間隔一段時(shí)間要將部分?jǐn)?shù)據(jù)信息傳輸?shù)娇偩€上?？偩€上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)實(shí)際情況獲取所需要的數(shù)據(jù)信息，同時(shí)需要將其他控制器傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息作出處理。就信息類數(shù)據(jù)和命令類數(shù)據(jù)而言，相應(yīng)的部件會(huì)縮短刷新時(shí)間[6]。控制器需要對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)重新發(fā)送，保證以前的一幀數(shù)據(jù)信息被即時(shí)刷新。就接收數(shù)據(jù)而言，在系統(tǒng)中多采取中斷的方式，若是數(shù)據(jù)信息在傳輸期間發(fā)生中斷現(xiàn)象，那么便需要在相應(yīng)的報(bào)文寄存器中自動(dòng)載入接收的數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，要求應(yīng)用濾波屏蔽的方式，通過應(yīng)用屏蔽濾波寄存器，將事先初始化接收緩沖器時(shí)設(shè)定的標(biāo)識(shí)符和接收的報(bào)文標(biāo)識(shí)符號(hào)作出對(duì)比，將相符合的報(bào)文傳輸進(jìn)入接收緩沖器，以降低微處理器在對(duì)報(bào)文實(shí)施處理時(shí)的負(fù)擔(dān)[7]。在不同的報(bào)文寄存器中放入不同的數(shù)據(jù)信息能夠比較簡(jiǎn)單地判斷接收中斷服務(wù)程序時(shí)造成中斷的報(bào)文。

2.3 CAN通信硬件接口設(shè)計(jì)

車身控制系統(tǒng)CAN總線節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中，獨(dú)立CAN通信控制器為SJA1000，CAN總線通信接口收發(fā)器為飛利浦公司的82C250。硬件電路包含的零部件設(shè)備有微控制器、CAN總線收發(fā)器、獨(dú)立CAN通信控制器、高速光電耦合器以及CAN總線收發(fā)器。微處理器的主要目的是通過對(duì)獨(dú)立CAN通信控制器展開初始化處理，完成數(shù)據(jù)信息的發(fā)送和接收等各類通信任務(wù)[8]。

3 系統(tǒng)配置與實(shí)施方法

3.1 系統(tǒng)功能分析

DeviceNet定義了兩種類型的報(bào)文：I/O報(bào)文和顯示報(bào)文。I/O端子信號(hào)輸出具有很高的實(shí)時(shí)性要求，所以適合應(yīng)用I/O報(bào)文。一般情況下，I/O報(bào)文使用高優(yōu)先權(quán)的連接標(biāo)識(shí)符，交換信息數(shù)據(jù)時(shí)利用廣播方式或點(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式完成。連接標(biāo)識(shí)符可以持續(xù)提供I/O報(bào)文信息，在I/O報(bào)文應(yīng)用連接標(biāo)識(shí)符將信息傳輸出去之前，必須要先設(shè)定接收設(shè)備和發(fā)送設(shè)備。顯示報(bào)文是一種比較具有特點(diǎn)的請(qǐng)求-響應(yīng)式通信模式，多被應(yīng)用在兩個(gè)不同設(shè)備多個(gè)不同用途點(diǎn)之間的報(bào)文傳輸活動(dòng)，最為常見的是配置節(jié)點(diǎn)和診斷問題。顯示報(bào)文的主要作用集中體現(xiàn)在較低優(yōu)先權(quán)連接標(biāo)識(shí)符的使用方面，同時(shí)顯示報(bào)文數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)場(chǎng)應(yīng)包含于報(bào)文相關(guān)信息中。此外，在報(bào)文相關(guān)信息中需存在相關(guān)對(duì)象地址、屬性和執(zhí)行的服務(wù)[9]。

3.2 系統(tǒng)運(yùn)行檢驗(yàn)

基于軟件編寫和硬件電路連接完成車身控制系統(tǒng)模型構(gòu)建，應(yīng)為系統(tǒng)充電以后實(shí)現(xiàn)模型正常運(yùn)轉(zhuǎn)作出保證，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的全部功能。在測(cè)試時(shí)，從后右模塊、左后模塊、右前模塊、左前模塊以及中央控制模塊5個(gè)部分完成車身控制系統(tǒng)功能測(cè)試。第一，右后模塊測(cè)試對(duì)象包含有車身右側(cè)尾燈、車身右側(cè)轉(zhuǎn)向燈、霧燈、車身右側(cè)倒車燈、剎車燈，檢測(cè)結(jié)果顯示正常。第二，左后模塊測(cè)試對(duì)象包含車身左側(cè)尾燈、車身左側(cè)轉(zhuǎn)向燈、霧燈、車身左側(cè)倒車燈、剎車燈，檢測(cè)結(jié)果顯示正常。第三，右前模塊檢測(cè)對(duì)象包含有車身右側(cè)小燈、車身右側(cè)大燈、霧燈、停車燈、轉(zhuǎn)向燈，檢測(cè)結(jié)果顯示正常。第四，左前模塊的測(cè)試對(duì)象包含有車身左側(cè)小燈、車身左側(cè)大燈、霧燈、停車燈、轉(zhuǎn)向燈，檢測(cè)結(jié)果顯示正常。第五，中央控制模塊測(cè)試對(duì)象包含門鎖、雨刷和車窗，檢測(cè)結(jié)果顯示正常。

4 結(jié)語(yǔ)

通信技術(shù)在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的支撐下獲得快速發(fā)展，無線通信技術(shù)是當(dāng)前通信領(lǐng)域中最具發(fā)展價(jià)值的新型技術(shù)，其未來發(fā)展前景廣闊。有機(jī)結(jié)合無線技術(shù)和有線通信技術(shù)而形成CAN總線，可以拓展其應(yīng)用范圍。本文從CAN總線技術(shù)和通信協(xié)議為基礎(chǔ)，分析CAN總線組成網(wǎng)絡(luò)，探究汽車電子控制器之間的信息傳輸，通過簡(jiǎn)單分析CAN總線原理和應(yīng)用，系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)可靠運(yùn)行協(xié)議，并且從軟件和硬件展開分析，得知系統(tǒng)的可拓展性強(qiáng)，且分析應(yīng)用CAN總線通信方法可提升設(shè)計(jì)與開發(fā)車輛控制系統(tǒng)的質(zhì)量。