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。

主控机

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

卫

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重

检

测

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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