汽车控制系统的CAN总线应用

汽车控制系统的CAN总线应用

摘要

现代汽车上安装和使用了越来越多的电子控制单元(ECU),大大提高了汽车的动力性、经济性、舒适性和操作的方便性,但随之增加的复杂电路使车线束增多、空间紧、布线复杂,导致车身重量明显增加,降低了车辆的可靠性,增加了维修难度。另外,各电控单元之间也需要传递大量的信息,有些信息是多个电控单元共享的,传统的点对点的接线和布线方式不能实现信息共享。由于现代汽车的电子控制器及仪表的数量越来越多,因此现代汽车一般采用CAN总线系统,将整个汽车控制系统联系起来统一管理,实现数据共享和相互之间协同工作。

把CAN总线技术应用于汽车的电气控制就可以解决这些问题,也是目前国外汽车制造商大力开发和正在使用的新技术。CAN已被广泛应用到各个自动化控制系统中,从高速的网络到低价位的多路接线都可以使用CAN.例如,在汽车电子、自动控制、智能大厦、电力系统和安防监控等领域,CAN都具有不可比拟的优越性。现代汽车的结构复杂,传感器遍布全车,其类型多种多样,这使得数据变得复杂,大小不尽相同,因此速率也不相同,另外车身系统也需要获得驱动系统的信息,以供维修人员或者驾驶者参考。因此有必要设计一个高效、可靠的网关与数据处理系统。

1.汽车CAN总线系统.

CAN的全称是:Controller Area Network,即区域网络控制器。CAN总线中数据在串联总线上可以一个接一个地传送,所有参加CAN总线的分系统都可以通过其控制单元上的CAN总线接口进行数据的发送和接收。CAN总线是一个多路传输系统,当某一单元出现故障时不会影响其他单元的工作,汽车CAN总线

对不同数据的传输速率是不一样的,对发动机电控系统和ABS等实时控制用数据实施的是高速传输,速率为0.125M波特率～1M波特率;对车身调节系统(如空调)的数据实施的是低速传输,传输速率在10～125K波特率;其他如多媒体系统和诊断系统则为中速传输,速率在前两者之间,这样的区分提高了总线的传输效率。图1为某种客车的CAN总线系统结构图。

图1 一种客车的CAN总线系统结构

车身系统CAN总线的主要连接对象为:中控、门控制器及其他一些组件。车身系统的控制对象主要是4个门上的集控锁、车窗、行箱锁、后视镜及车顶灯。在具备遥控功能的情况下,还包括对遥控信号的接收处理和其他防盗系统的控制等等。现代汽车中所使用的电子通讯系统越来越多,如汽车自动诊断系统、自动巡航系统(ACC)和车载多媒体系统等。系统和汽车故障诊断系统之间均需要进行数据交换。

2.汽车车身整体控制系统设计.

整个系统主要由车仪表、照明及信号灯组、自动车窗电控节点组成。本系统网络中包含1个车仪表板、4组照明、信号灯组和4个车门,共9个节点。其中,

照明、信号灯组中包括远光灯、近光灯、转向灯、雾灯、刹车灯,且不同灯的安装位置不尽相同,如图2所示。中央控制单元安装在汽车仪表板上,接收司机的操作指令,其余4个节点则分别安装在车头、尾部的左侧和右侧,与不同车灯相连,控制车灯状态。

图2 车灯总线控制结构图

门控单元不但通过CAN总线接收中央控制单元指令,还接收车门上的开关信号输入,根据指令和开关信号,门控单元做出相应的动作,然后把执行结果发往中央控制单元,门控单元功能如图3所示。将所有节点连接起来,组成一个汽车部控制网络。由于每个CAN节点与网络连接只用两根线CANH线和CANL线,从而大大减少了线束的使用量。中央控制节点和其它节点之间通过CAN收发器及CAN控制器相连,单个节点包括一个单片机控制器、一个CAN收发器和一个CAN控制器。中央控制节点接收各节点发送的现场数据,经过综合计算、判断做出相应的控制命令,这些命令将通过CAN总线传送至各节点,各节点由单片机作为控制器,它用于采集现场的各项参数,并执行中央控制节点发送的各项命令,这些命令将最终传送至各执行机构,如车门电机、车灯、车窗继电器等。

图3 门控单元功能图

3.汽车检测线控制系统的设计.

国的汽车检测线大多采用2级分布式计算机控制方式, 其系统结构如图4所示。第1级为工位控制级,由分布在各工位上的工位机完成测控工作,主要担负检测设备运行控制、数据采集和通信等任务。第2级为监督管理级,由主控机完成测控工作,具有安排检测程序、担负全线调度、综合判定检测结果、存储并集中打印检测结果报告单和管理数据库等功能。

图4 CAN 总线计算机控制系统结构

4.CAN 总线计算机控制系统

本文设计了基于CAN 总线,以嵌入式系统为工位机的汽车检测线计算机控制系统,其系统结构如图所示。该系统以CAN 总线技术为核心,采用总线型网络拓扑结构。3个工位由ARM 微控制器组成的嵌入式系统代替工业控制计算机连接到CAN 总线上,主控机和登录机采用普通计算机,它们通过CAN 卡与3个

CAN总线工位节点进行信息交换。CAN总线工位节点把采集到的现场信号经过调理变换后,送到ARM微控制器中,最后变成数字信号。数字信号经ARM微控制器中的CAN控制器处理后,由CAN收发器通过总线与主控机进行CAN协议的数据交换。主控机对传感器检测到的现场信号进一步分析、处理和存储,完成了系统的在线检测和计算机控制。

本设计有如下特点:1.采用基于32位高性能ARM微控制器的嵌入式系统作为工位机,代替传统的工业控制计算机。以ARM为核心的嵌入式系统具有体积小、功耗低及程序固化在闪存芯片上等特点,可有效节约系统成本,简化系统安装及调试,增加系统稳定性和可靠性。2.采用CAN总线代替以太网来完成各工位机之间的通信。以太网节点的硬件成本、软件开发费用很高。而CAN总线使用普通双绞线作为传输介质, 采用总线型网络拓扑结构、基于优先权的仲裁方式,由CAN控制器实现硬件纠错,利用CAN构成检测通信网络,不仅组网自由、扩展性强及实时性好,还具有自诊断和监控能力。因此使用CAN总线替代以太网应用于汽车检测线可以提高系统的可靠性、稳定性,降低系统开发及后期维护的成本。

3.采用隔离CAN收发器代在以往的设计方案中需要高速光耦，电源隔离模块及CAN收发器等分立元件才能实现的带隔离的CAN收发电路。CTM1050T接口芯片可以实现带隔离的CAN收发电路,并且隔离电压可以达到DC2500V,不但提高了CAN总线节点的抗干扰能力,保证各节点之间在电气上是完全隔离和独立的,而且简化了CAN智能节点硬件电路设计。

5.工位机软件设计.

工位机软件主要由数据采集程序、CAN总线通信程序组成。本文主要介绍CAN总线通信程序的软件设计,包括CAN控制器的初始化、数据接收与数据发