CAN總線在汽車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

現(xiàn)在很多汽車采用CAN（Controller Area Network）總線將它們聯(lián)系起來，但是現(xiàn)代汽車計(jì)算機(jī)控制單元多，各控制單元對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的要求不一樣。有些系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高，系統(tǒng)指令發(fā)出以后如果得不到執(zhí)行器的及時(shí)響應(yīng)，就可能造成嚴(yán)重后果甚至車毀人亡，如制動(dòng)防抱死控制單元、安全氣囊等；而有些系統(tǒng)如照明控制、空調(diào)控制等對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間要求就相對(duì)較低。

　　由于計(jì)算機(jī)控制單元越來越多，采用單網(wǎng)絡(luò)CAN總線負(fù)荷很重，筆者通過分別構(gòu)造高、低速CAN網(wǎng)絡(luò)，對(duì)實(shí)時(shí)性要求高的計(jì)算機(jī)控制單元采用高速CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸；其它采用低速CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸，并采用微控制器兼作網(wǎng)關(guān)。使得傳輸線束大大簡化，可靠性大大提高。

　　二，CAN總線的技術(shù)特性

　　CAN（Controller Area Network）總線是一種串行多主站控制器局域網(wǎng)總線。它具有很高的網(wǎng)絡(luò)安全性、通訊可靠性和實(shí)時(shí)性，簡單實(shí)用，網(wǎng)絡(luò)成本低。特別適用于汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強(qiáng)和振動(dòng)大的工業(yè)環(huán)境。通訊媒體可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1 Mbits/s（此時(shí)通信距離最長為40m）。CAN總線還廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、機(jī)器人、樓宇自動(dòng)化等場合。

　　自CAN總線問世以來，為滿足CAN總線協(xié)議的多種應(yīng)用需要，相繼出現(xiàn)了幾種高層協(xié)議。目前大多數(shù)基于CAN總線的網(wǎng)絡(luò)都采用CAN總線的高層協(xié)議。CANopen, DeviceNet和SDS是通常采用的高層協(xié)議，適用于任何類型的工業(yè)控制局域網(wǎng)應(yīng)用場合，而CAL則應(yīng)用于基于標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用層通訊協(xié)議的優(yōu)化控制場合，SAEJ1939則應(yīng)用于卡車和重型汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

　　三，基于P87C591的汽車計(jì)算機(jī)控制

　�。ㄒ唬� P87C591

　　P8xC591是一個(gè)單片8位高性能微控制器，具有片內(nèi)CAN控制器，從80C51微控制器家族派生而來。它采用了強(qiáng)大的80C51指令集并成功的包括了Philips半導(dǎo)體SJA1000 CAN控制器的PeliCAN功能。全靜態(tài)內(nèi)核提供了擴(kuò)展的節(jié)電方式。振蕩器可停止和恢復(fù)而不會(huì)丟失數(shù)據(jù)。改進(jìn)的1：1內(nèi)部時(shí)鐘預(yù)分頻器在12MHz外部時(shí)鐘速率時(shí)實(shí)現(xiàn)500ns指令周期。微控制器以先進(jìn)的CMOS工藝制造，并設(shè)計(jì)用于汽車和通用的工業(yè)應(yīng)用。除了80C51的標(biāo)準(zhǔn)特性之外，器件還為這些應(yīng)用提供許多專用的硬件功能。P8xC591組合了P87C554（微控制器）和SJA 1000（獨(dú)立的CAN控制器）的功能，并具有下面的增強(qiáng)特性：增強(qiáng)的CAN接收中斷；擴(kuò)展的驗(yàn)收濾波器；驗(yàn)收濾波器可“change on the fly”。

　�。ǘ�）系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　目前，汽車計(jì)算機(jī)控制已經(jīng)涉及到動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性、凈化性和舒適性等諸多方面，具體包括發(fā)動(dòng)機(jī)控制，變速器控制、巡行控制，制動(dòng)控制，照明控制，空調(diào)控制，雨刷控制，儀表管理系統(tǒng)等，而且各種控制系統(tǒng)的電控單元（ECU）相互聯(lián)系緊密，需要隨時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，CAN總線作為一種極具應(yīng)用潛力的控制器局域網(wǎng)總線，近年來在汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用，并已成為歐洲汽車制造業(yè)主體行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，代表著汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)的主流發(fā)展趨勢(shì)。

　　汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的所有這些子控制系統(tǒng)通過CAN,0.線構(gòu)成一個(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，各控制單元的指令發(fā)出去之后，必須保證在一定時(shí)間內(nèi)得到響應(yīng)，要不然就有可能發(fā)生重大事故，這就要求汽車上的CAN通信網(wǎng)絡(luò)有較高的波特率設(shè)置和可靠性。而且，汽車在實(shí)際運(yùn)行過程中，眾多節(jié)點(diǎn)之間需要進(jìn)行大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。若整輛汽車的所有節(jié)點(diǎn)都掛在一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)上，這么多節(jié)點(diǎn)通過一條CAN總線進(jìn)行通信，信息管理配置稍有不當(dāng)，就很容易出現(xiàn)總線負(fù)荷過大，將導(dǎo)致系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)速度下降，這在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中是不允許的。因此我們?cè)趯?duì)汽車上各節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)性進(jìn)行了分析之后，根據(jù)各節(jié)點(diǎn)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，設(shè)計(jì)了高、低速兩個(gè)速率不同的CAN通信網(wǎng)絡(luò)。將實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格、可靠性要求高的節(jié)點(diǎn)組成高速CAN通信網(wǎng)絡(luò)，將其它實(shí)時(shí)性要求相對(duì)較低的節(jié)點(diǎn)組成低速CAN通信網(wǎng)絡(luò)，并架設(shè)網(wǎng)關(guān)將這兩個(gè)速率不同的CAN通信網(wǎng)絡(luò)連接起來，實(shí)現(xiàn)全部節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)共享。整輛汽車的通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1中的發(fā)動(dòng)機(jī)控制、變速器控制、安全控制、防抱死制動(dòng)控制（ABS）等控制單元節(jié)點(diǎn)是現(xiàn)代汽車動(dòng)作的核心部件，對(duì)時(shí)間響應(yīng)要求嚴(yán)格，因而在本設(shè)計(jì)中采用傳輸速率為500Kbps的高速CAN通信網(wǎng)絡(luò)。空調(diào)控制、雨刷控制、照明控制和儀表管理控制等相對(duì)來說對(duì)實(shí)時(shí)性的要求較低，采用傳輸速率小于125 Kbps的CAN通信網(wǎng)絡(luò)，主控制器跨接高、低速兩條總線，與各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，兼起網(wǎng)關(guān)的作用，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連。

　　電控單元的微控制器（P8xC591 ）通過數(shù)據(jù)總線經(jīng)過光電隔離器（6N137）與CAN總線控制器（SJA 1000）直接相連，由于CAN總線控制器帶有一個(gè)接收緩沖器和一個(gè)發(fā)送緩沖器，因此，CAN總線控制器的發(fā)送端口Tx0，接收端口Rx0、Rx1分別與CAN,總線發(fā)送接收器的TxD和RxD, Vref端口直接相連，CAN_L和CAN -H是CAN總線的兩條差分接收發(fā)送線。它們的端點(diǎn)間各接一個(gè)120Ω的總線匹配電阻，當(dāng)有節(jié)點(diǎn)占用CAN總線時(shí)，該節(jié)點(diǎn)的發(fā)送端（電平為3.5 V）接CAN_H,接收端（電平為1.5V）接CAN_L;當(dāng)無節(jié)點(diǎn)占用CAN總線時(shí)，CAN_L和CAN_H上的電平均為2.5V.