基于can总线的汽车内部网络

中图分类号:TP273 文献标识码:A 文章编号:1009-2552(2008)04-0042-03
基于CAN总线的汽车内部网络设计
郭川生,潘　明,于新业
(桂林电子科技大学,桂林541004)
摘　要:研究了C AN总线在汽车电控系统中的应用,设计了汽车内部网络拓扑结构,采用高、低速C AN总线连接实时性要求不同的EC U,通过网关完成不同速率C AN网络间的通信,并给出了网关和基本C AN节点的软、硬件实现。

与传统汽车EC U间点对点的通信方式相比,采用C AN 总线节省了车内布线成本、提高了EC U间信息交互的可靠性。

关键词:C AN总线;EC U;网关
Design of vehicle interior netw ork based on CAN bus
G UO Chuan2sheng,PAN Ming,Y U X in2ye
(G uilin U niversity of E lectronic T echnology,G uilin541004,China)
Abstract:The application of C AN bus in the electronic control system of autom obile was studied here and a vehicle interior netw ork topology based on C A N bus was designed.E C U w ith the different real2tim e per form ance was linked by the high2speed C AN bus and the low2speed C AN bus,the realization of communication between different C AN buses was presented with gateway.The im plementation of hardware and s oftware about gateway and basic C AN bus m ode were provided.C om pared with point2to2point communication between EC U in the traditional autom obile,cabling cost will be reduced and the reliability of communication between EC U will be im proved by the vehicle interior netw ork based on C AN bus.
K ey w ords:C AN bus;electronic control unit;gateway
0　引言
传统汽车电子控制单元(E lectronic C ontrol Unit)间采用点对点的通信方式,导致车内导线数量增多、布线困难、各种设备间通信复杂度增大。

多路传输的网络化控制是解决上述问题的有效方法[1]。

在国外,控制局域网C AN(C ontroller Area Netw ork)凭借极高的实时性和可靠性成为汽车内部网络的发展主流。

本文通过对C AN总线在汽车电子系统中的应用研究[2-3],设计了基于C AN总线的汽车内部网络,采用高、低速C AN总线连接实时性要求不同的EC U,以32位ARM处理器LPC2119设计了网关,实现了不同速率C AN网络间的通信,有效解决了点对点方式带来的诸多问题。

1　汽车内部网络拓扑结构设计
现代汽车电子系统是由各EC U共同连接构成的实时控制系统,EC U之间需要进行大量的实时数据交换。

若汽车的所有EC U都挂在一个C AN网络上进行数据交换,很容易出现网络载荷过重,总线中的数据碰撞也急剧增加,这时较低优先级报文传送的实时性就会受到影响。

当碰撞概率达到一定的程度,由于C AN的仲裁协议,系统中一部分优先级较低的报文就根本不能发送成功,而发送这些报文的EC U也会因为多次发送错误,按照C AN协议退出总线[3],严重影响汽车电子控制系统的可靠性和实时性。

因此,根据EC U不同的实时性要求,本文将实时性要求较高的发动机EC U、变速器EC U等组成高速C AN网络,速率为500kbps;实时性要求较低的照明系统EC U、门窗系统EC U等组成低速C AN网络,速率为125kbps。

每个EC U都包括传送报文的
收稿日期:2007-09-13
作者简介:郭川生(1982-),男,桂林电子科技大学在读研究生,主要研究方向为汽车电子及嵌入式系统设计。

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C AN 节点,两个网络之间通过网关进行通信。

基于C AN 总线的汽车内部网络拓扑结构如图1所示。

图1　汽车内部网络拓扑结构
2　
网络节点硬件设计
网络节点硬件设计主要包括基本C AN 节点和
高、低速C AN 网关的接口电路设计。

2.1　基本C AN 节点硬件设计
基本C A N 节点的通信模块由PHI LIPS 公司的C A N 控制器S JA1000和C A N 收发器T JA1050构成,微控制器选用A T89S52。

硬件接口电路如图2所示。

图2　基本CAN 节点硬件电路原理图
S JA1000的AD0～AD7直接与89S52的P0口相
连,MODE 接+5V 设置为Intel 模式。

S JA1000片选信号输入端CS 与AT 89S52的P2.7相连,设定片选基地址为0x7F00H ,此时P2.7对应为低电平,AT 89S52片外存储器地址选中S JA1000,对其执行相应的读Π写操作。

390Ω
电阻起限流保护作用,防止S JA1000损坏。

由于汽车上电磁干扰源较多,为增强C AN 节点的抗干扰能力,S JA1000与T JA1050间
采用高速光耦6N137隔离,光耦部分电路所采用的两个电源V CC 和VDD 必须完全隔离,否则隔离没有实际意义。

电源的完全隔离采用小功率电源隔离模块B0505S 。

2.2　高低速C AN 网关的硬件电路设计
网关是高低速C AN 网上各EC U 之间跨网交流的”桥梁”,其主要功能是协调各网络之间数据的共享,进行报文过滤、报文速率转换、报文地址转换、报文重新打包、报文转发等。

C AN 网关对CPU 的数据处理能力、系统实时性能和硬件的可靠性都提出了更高的要求,这是采用89S52基本C AN 节点远不能胜任的。

LPC2119是PHI LIPS 公司生产的基于ARM7T DMI 2S 内核的32位RISC 处理器,其指令基本上是单周期的,比普通8位单片机指令的执行速度更快、效率更高,加之内置128kB 高速Flash 存储器,十分适合C AN 网关这类的高速度、大容量数据交互处理[4]。

LPC2119内部集成2个C AN 控制器,减少了硬件PC B 布线的走线,抗干扰性也相应增强。

采用LPC2119设计的C AN 网关硬件框图如图3所示。

图3　高低速CAN 网关硬件框图
LPC2119分别通过高速光耦6N137和T JA1050
与高低速C AN 总线相连。

两路C AN 的连接方式基
本相同。

LPC2119采用双电源供电。

CPU 所需的1.8V 直流电压和I ΠO 口所需的3.3V 直流电压分别由SPX1117 3.3,SPX1117 1.8提供。

而T JA1050采用带隔离的DC ΠDC 模块单独供电。

这样既实现了两路C AN 接口之间的电气隔离,又实现了网关与C AN 总线的电气隔离。

UART 0模块在ISP 编程时作为代码的输入接口。

此外,网关还包括LE D 状态指示和报警等模块。

3　网络节点软件设计
软件设计主要是实现节点与节点之间、节点和
和网关之间的数据通信。

3.1　基本C AN 节点软件设计
S JA1000支持BasicC AN 和PeliC AN 两种操作模式[5]。

其中PeliC AN 模式下S JA1000的寄存器组与LPC2119内部集成C AN 控制器的寄存器组结构大致相似,只是在验收滤波器环节略有不同,因而S JA1000采用了PeliC AN 模式。

同时为方便以后系统扩展,各
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节点统一采用支持扩展帧的C AN2.0B 协议。

基本C AN 节点软件设计的主要内容包括:S JA1000初始化、完成数据的发送、接收等任务,其软件设计的总体流程如图4所示。

图4　基本CAN 节点软件设计总体流程图
S JA1000的初始化只能在复位模式(控制寄存
器中复位请求位置1)下进行。

在复位模式中主控
制器必须配置的S JA1000控制段寄存器包括:时钟分频寄存器、验收代码寄存器和验收屏蔽寄存器、总线定时寄存器0、总线定时寄存器1、输出控制寄存器。

总线上所有节点的定时器0、定时器1、输出控制寄存器的设置要相同,否则,总线系统不能正常工作。

初始化设置结束,将复位请求位置0,总线进入正常工作状态。

C AN 节点发送数据时应注意:在将一帧报文数
据移至S JA1000发送缓冲区前,必须判断缓冲区是否被锁定。

C AN 节点接收数据通常还涉及对总线关闭、错误报警、数据溢出等相关情况进行处理。

为提高报文接收的实时性,基本C AN 节点采用中断方式接收报文。

3.2　C AN 网关软件设计
C AN 网关的软件开发、调试环境采用ARM 公司开发的ADSv1.2。

C AN 网关的软件设计主要包括:两路C AN 控制器的初始化、主监控程序、C AN 接收中断子程序、C AN 发送子程序。

LPC2119的C AN 控制器初始化操作包括:硬件使能C AN 、设置报警界限、设置总线波特率、设置中断工作方式、配置全局验收滤波器的工作方式、设置工作模式并启动C AN 等。

LPC2119内部集成C AN 控制器与S JA1100的主
要差别在于验收滤波部分,因此正确配置LPC2119
的全局验收滤波器是实现两路C AN 与基本C AN 节点通信的关键。

设置验收滤波器工作方式,必须首先创建LUT 表格,指定每个表格的起始地址,并用实际的I D 地址初始化该表格。

本文设计的C AN 网络使用的是基于C AN2.0B 协议的扩展帧,具有
29位标识符,全局验收滤波器RAM 中的单个扩展标识符表格和扩展标识符范围表格至少有1个必定不为
空,单个扩展标识符表格必须按升序排列[4]。

为了缩短网关数据存储和转发的时间、提升C AN 网络的实时性能,数据的接收采用向量中断方式。

由于C AN1连接的高速C AN 总线的数据通信量明显大于C AN2连接的低速C AN 总线,故在LPC2119的向量中断控制器(VIC )中将C AN1的接收优先级设置为最高,C AN2的接收优先级次之。

对应C AN1、C AN2分别设置了两个环形接收缓冲区FIFO1、FIFO2,由于C AN1数据通信量大,因此设定FIFO1的容量比FIFO2大,这样可有效降低FIFO1中数据被覆盖的概率。

FIFO 环形接收缓冲区的参数包括:一个发送数据指针、一个接收数据指针和当前数据帧数FrameNum 。

FrameNum 为0表明FIFO 环形接收缓冲区是空的。

网关软件中共有两个接收中断子程序,分别负责两路C AN 总线数据的接收,每接收完一帧数据,都要修改对应FIFO 中的接收数据指针和当前数据帧数FrameNum 。

网关接收中断子程序流程图如图5所示。

图5　网关接收中断子程序流程图
主监控程序的职责是不断查询FIFO1和FIFO2中的当前数据帧数FrameNum ,如某一路FIFO 中的FrameNum 非0,则立即调用该路的发送子程序向另一路C AN 转发数据。

同样地,每发送完一帧数据,都要修改对应FIFO 的发送数据指针和当前数据帧数FrameNum 。

设计网关的发送子程序时应注意:LPC21119中的每个C AN 控制器有3个发送缓冲区,(下转第47页)
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合了行政领导关系紧密的部门内部的信息资源;垂直搜索技术则有效整合了行政领导关系比较松散的机构间的信息资源,使得政务信息资源的聚拢和整合得以最大化,政务资源的可挖掘能力得到提高,从而有效地提升了政务资源的价值。

一站式检索和导航服务,提高政府门户的公众服务水平。

面对多如繁星的政府门户网站,用户查询信息和网上办事时往往无所适从,政务垂直搜索引擎的建设恰恰解决了这个问题,用户可以通过搜索引擎的各种检索方式,方便地获取过去需要访问多个网站才能查全的信息。

同时也可以通过检索获取网上办事的入口。

一站式检索和导航服务,大大方便了市民和企业,提高了政府门户网站的服务水平,是在政治体制改革环境下,“凝聚”组织机构的有效手段。

目前,市场格局的变化,按照“大社会、小政府”的思维模式,政府介入微观经济领域越来越少,国家各个行业的部分机构大都由事业型转为企业。

这样部委和下面机构之间就没有行政领导职能,但业务上还存在千丝万缕地联系和业务指导关系。

垂直搜索引擎的出现将两者有效地“凝聚在一起”,通过“信息的关联”把大家联系在一起,有利于行业内信息的交流和协作。

4.2　垂直搜索引擎在企业中的应用价值
整合企业内外资源,打造企业竞争情报系统的核心引擎。

企业的竞争情报信息既包括外部的互联网信息、商业数据库信息等,也包括内部的办公文档资料、内部交流信息等。

垂直搜索引擎是整合这些内外信息资源的有效手段之一,在资源整合的基础上,形成以情报规划、情报采集、情报加工、情报服务、评估反馈为全生命周期的、完善的、统一的企业竞争情报平台,为企业的风险预警和决策支持提供信息服务。

高效采集和组织管理企业内外网门户信息,使信息共享更加便捷、有序。

随着企业信息化的发展和深入,为了提高企业内部、企业和客户、企业和供应商之间的信息传递和共享速度,加速企业的业务进程,大部分企业(特别是分支机构较多的大型集团性企业)都建立了内外网服务门户,以便通过垂直搜索引擎高效地采集内外网门户信息,为企业员工、客户、供应商提供统一的信息检索入口,并通过权限控制实现安全的检索服务,使得信息的传递和共享更加便捷和有序。

4.3　垂直搜索引擎在行业门户中的应用价值
“内容门户”+“搜索门户”,有效提高行业门户的竞争力。

进入2006年以来,垂直搜索发展迅速,购物搜索、影视搜索、旅游搜索、政府搜索、大学搜索等花样翻新、层出不穷,这些都给行业门户带来了一定的冲击。

如何在搜索“大行其道”的今天有效把握行业门户的竞争力,在行业内容门户的基础上建立垂直搜索服务,无疑是关键所在。

垂直搜索引擎可以更好地整合行业相关资源、增强内容资源的相关性、挖掘行业资源的价值。

同时,垂直搜索还可以为用户提供更加个性化的信息服务,并通过把握和分析用户的搜索行为,改进信息服务质量,提高服务水平。

5　结束语
可以预见,随着信息技术和因特网的发展,垂直搜索引擎在网络信息资源检索中的地位日渐重要。

垂直搜索引擎将会更加流行,同时对人们网络生活的方方面面也将产生更为深刻的影响。

参考文献:
[1]　俊英.垂直搜索引擎的研究与实现[D].哈尔滨:哈尔滨工业大
学,2004.
[2]　肖冬梅.垂直搜索引擎研究[J].图书馆学研究,2003(2).
[3]　陈新颜.垂直搜索引擎辨析[J].现代情报,2004(9).
责任编辑:肖滨
(上接第44页)只有当其中有空闲的发送缓冲区时才可以写入数据。

此外,网关的发送子程序检测到当前发送条件不符合时应直接返回,这可以让CPU利用这段时间处理其他事务,提高网关的执行效率。

4　结束语
本文通过对C AN总线在汽车中的应用研究,提出了基于C AN总线的汽车内部网络的设计方案和具体的软、硬件实现。

与传统汽车EC U间点对点的通信方式相比,采用C AN总线的汽车内部网络大幅减少了车内导线数量、降低了车内布线成本、提高了EC U之间信息交互的实时性和可靠性。

参考文献:
[1]　Daniel ROUCHE.汽车车载网路(VANΠCANΠLIN)技术详解[M].
北京:机械工业出版社,2006:1-7.
[2]　饶运涛,邹继军,郑勇芸.现场总线CAN原理与应用技术[M].
北京:北京航空航天大学出版社,2003:20-170.
[3]　史久根,张培仁,陈真勇.CAN现场总线系统设计技术[M].北
京:国防工业出版社,2004:278-295.
[4]　LPC2119Π2129Π2194Π2292Π2294USER M ANUA L[Z].2004.12.
[5]　APP LICATION NOTE S JA1000S tand2alone CAN controller[Z].1997.
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责任编辑:肖滨
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