CAN通信網(wǎng)在汽車中的應(yīng)用研究

www.middletowncarescoalition.com 來源：互聯(lián)網(wǎng) 作者：<月夜獨徘徊> 類別：汽車構(gòu)造維修時間：2007-05-07

CAN通信網(wǎng)在汽車中的應(yīng)用研究

1　前言
　　控制局域網(wǎng)CAN(Controller Area Network)是德國Bosch公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而應(yīng)用開發(fā)的一種通信協(xié)議。在國外，尤其是歐洲，CAN網(wǎng)絡(luò)已被廣泛地應(yīng)用在汽車上，如BENZ、BMW、PORSCHE、ROLLS ROYCE、JAGUAR等車。
2　汽車對通信網(wǎng)絡(luò)的要求
現(xiàn)代汽車典型的控制單元有電控燃油噴射系統(tǒng)、電控傳動系統(tǒng)、防抱死制動系統(tǒng)(ABS)、防滑控制系統(tǒng)(ASR)、廢氣再循環(huán)控制、巡航系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1  汽車通訊網(wǎng)絡(luò)總線方式拓?fù)鋱D
在一個完善的汽車電子控制系統(tǒng)中，許多動態(tài)信息必須與車速同步。為了滿足各子系統(tǒng)的實時性要求，有必要對汽車公共數(shù)據(jù)實行共享，如發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車輪轉(zhuǎn)速、油門踏板位置等。但每個控制單元對實時性的要求是因數(shù)據(jù)的更新速率和控制周期不同而不同的。例如，一個8缸柴油機運行在2 400 r/min，則電控單元控制兩次噴射的時間間隔為6.25 ms。其中，噴射持續(xù)時間為30°的曲軸轉(zhuǎn)角(2 ms)，在剩余的4 ms內(nèi)需完成轉(zhuǎn)速測量、油量測量、A/D轉(zhuǎn)換、工況計算、執(zhí)行器的控制等一系列過程。這就意味著數(shù)據(jù)發(fā)送與接收必須在1 ms內(nèi)完成，才能達(dá)到柴油機電控的實時性要求。這就要求其數(shù)據(jù)交換網(wǎng)是基于優(yōu)先權(quán)競爭的模式，且本身具有極高的通信速率，CAN現(xiàn)場總線正是為滿足這些要求而設(shè)計的。不同參數(shù)應(yīng)具有不同的通信優(yōu)先權(quán)，表1列出了幾個典型參數(shù)允許響應(yīng)時間。
表1  典型參數(shù)允許響應(yīng)時間
典型參數(shù) 允許響應(yīng)時間
發(fā)動機噴油量 10ms
發(fā)動機轉(zhuǎn)速 300ms
車輪轉(zhuǎn)速 1 s~ 100s
進氣溫度 20s
冷卻液溫度 1min
燃油溫度 ≈10min
3　CAN總線的特點及通信協(xié)議
3.1　CAN總線的特點
　　CAN作為一種多主總線，支持分布式實時控制的通信網(wǎng)絡(luò)。其通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖。在汽車發(fā)動機控制部件、傳感器、抗滑系統(tǒng)等應(yīng)用中，總線的位速率最大可達(dá)1 Mbit/s。CAN光線具有以下主要特性：
　　a.無破壞性的基于優(yōu)先權(quán)競爭的總線仲裁。
　　b.可借助接收濾波的多地址幀傳送。
　　c.具有錯誤檢測與出錯幀自動重發(fā)送功能。
　　d.數(shù)據(jù)傳送方式可分?jǐn)?shù)據(jù)廣播式和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請求式。
3.2　CAN總線幀格式
　　CAN和OSI七層參考模式，按照IEEE 802.2和IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)，其通信接口集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗及優(yōu)先級別等項工作。在系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)按照攜帶的信息類型可分為四種幀格式：
a.數(shù)據(jù)幀。用于節(jié)點間傳遞數(shù)據(jù)，是網(wǎng)絡(luò)信息的主體，其幀格式如圖2所示。一個數(shù)據(jù)幀由7個不同位場構(gòu)成：幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC場、ACK場和幀結(jié)束。其中數(shù)據(jù)段長度可編程0～8個字節(jié)。

圖2  數(shù)據(jù)幀格式
　　b.遠(yuǎn)程幀。由在線單元發(fā)送，用于請求發(fā)送具有相同標(biāo)識符的數(shù)據(jù)幀，其幀格式與數(shù)據(jù)幀基本相同，但沒有數(shù)據(jù)場。
　　c.出錯幀。出錯幀是檢測總線出錯的一個信號標(biāo)志，由兩個不同場構(gòu)成。第一場由來自不同節(jié)點的錯誤標(biāo)志疊加，第二個場為錯誤界定符。CAN協(xié)議采用CRC檢驗并可提供相應(yīng)的錯誤處理功能，保證數(shù)據(jù)通信的可靠性。
　　d.超載幀。由超載標(biāo)識和超載界定符組成，表明邏輯鏈路控制層要求的內(nèi)部超載狀態(tài)，并將由媒體訪問控制層的一些出錯條件而被啟動發(fā)送。用于擴展幀序列的延遲時間。
3.3　CAN數(shù)據(jù)鏈路控制
　　系統(tǒng)中，CAN總線以報文為單位進行數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)點對總線的訪問采取位仲裁方式。報文起始發(fā)送節(jié)點標(biāo)識符分為功能標(biāo)識符(如轉(zhuǎn)速信號)和地址標(biāo)識符(如控制單元節(jié)點地址)。CAN協(xié)議的最大特點是打破了傳統(tǒng)的節(jié)點地址編碼方式，而擴展了對通信數(shù)據(jù)塊進行編碼方式。采用這種方法可使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識符可用11位或29位二進制表示，即可定義211或229個不同的數(shù)據(jù)類型。即使對未來更復(fù)雜的汽車控制網(wǎng)絡(luò)其容量也足夠了。標(biāo)識符的值越小，幀數(shù)據(jù)的優(yōu)先級越高。通過數(shù)據(jù)鏈路控制，每個接收器完成幀接收濾波確定此幀數(shù)據(jù)是否有效，實際汽車應(yīng)用中一般采用不冗余的通信線路，而CAN協(xié)議提供強大的出錯診斷機制，在保證數(shù)據(jù)通信的可靠性方面起了重要作用。
　　電控單元(ECU)連接至總線的電路是通過CAN物理層實現(xiàn)的，在實際應(yīng)用中ECU的總數(shù)將受限于總線上的電氣負(fù)載。物理層按照網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范模型劃分有三種功能：物理信號完成與位表示、定時和同步相關(guān)的功能；物理媒體附屬裝置完成總線發(fā)送/接收功能并提供總線故障檢測方法；媒體相關(guān)接口完成物理層的機械和電氣接口。
4　CAN總線的應(yīng)用及其接口設(shè)計
4.1　汽車網(wǎng)絡(luò)設(shè)計
除了命令和清求信息外，汽車的一些基本狀態(tài)信息(如發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車輪轉(zhuǎn)速、冷卻水溫度等)是大部分控制單元必須獲取的數(shù)據(jù)，控制單元采用廣播發(fā)式向總線發(fā)送。如果在同一時刻所有控制單元都向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，將發(fā)生總線數(shù)據(jù)沖突，此時，CAN總線協(xié)議提出用標(biāo)識符識別數(shù)據(jù)優(yōu)先權(quán)的總線仲裁。表2列出了汽車各電控單元產(chǎn)生及發(fā)送的數(shù)據(jù)類型，及其他各單元對這些信息共享地程序。
表2  汽車各電控單元產(chǎn)生及發(fā)送的數(shù)據(jù)類型
優(yōu)先權(quán) 信號類型電控燃油噴射系統(tǒng) 電控傳動系統(tǒng) ABS系統(tǒng) ASR系統(tǒng) 廢氣再循環(huán)系統(tǒng) 空調(diào)系統(tǒng)
1 實際噴油量發(fā)送接收 — — — —
2 發(fā)動機轉(zhuǎn)速發(fā)送接收接收接收 — 接收
3 油量設(shè)置接收 — — 發(fā)送 — —
4 車輪轉(zhuǎn)速接收接收發(fā)送接收 — —
5 油門踏板位置發(fā)送接收接收接收 — —
6 變速比接收發(fā)送 — 接收接收 —
7 怠速設(shè)置接收 — — — 發(fā)送發(fā)送
8 冷卻液溫度發(fā)送接收 — — — 接收
9 空氣溫度發(fā)送 — — — — 接收
　　由表2看出，油量位置和轉(zhuǎn)速信號具有較高的優(yōu)先級，是因為它們的實時性要求強，并直接影響發(fā)動機的動力性、經(jīng)濟性和排放性能。
4.2　CAN接口設(shè)計
　　本研究中，CAN總線被成功地用于電控柴油機標(biāo)定系統(tǒng)，采用單片機系統(tǒng)與CAN 控制器組成CAN標(biāo)準(zhǔn)接口。
　　目前，CAN總線芯片有很多種，如PHILIPS SJA1000、INTEL82526、MOTOROLA 68HC05、SIEMENS C167C等。本文電路設(shè)計中選用SJA1000作為CAN 控制器芯片，ECU的應(yīng)用層由微處理器提供。連接各種類型微處理器的CAN控制器SJA1000可完成物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所用功能，適用于汽車及一般工業(yè)環(huán)境，不但可以減少導(dǎo)線連接，并能增強診斷和監(jiān)控能力。
CAN節(jié)點通信接口的硬件設(shè)計如圖3所示。設(shè)計中，分別將微處理器的地址線、數(shù)據(jù)線和控制線引出，通過地址分配與片選對CAN控制器SJA1000進行操作�？偩€數(shù)據(jù)信號采用高速線性光耦6N137隔離，電源信號為＋5 V的DC－DC隔離模塊，增強系統(tǒng)硬件利用抗干擾措施。圖3中82C250是CAN控制器和物理層總線之間的接口，具有抗汽車環(huán)境下的瞬間干擾、保護總線的能力。該器件可以提供對總線的差分發(fā)送能力和差分接收能力，與ISO/DIS11898標(biāo)準(zhǔn)完全兼容。

圖

3  圖3  CAN接口硬件電路設(shè)計
當(dāng)通過濾波驗收的數(shù)據(jù)報文被接收后，將有兩種操作方式。一種是查詢方式，查詢接收狀態(tài)位被置高表示接收緩存器有數(shù)據(jù)；另一種是中斷方式，若接收中斷開放位允許，則產(chǎn)生觸發(fā)中斷。由于SJA1000內(nèi)部具有64 bit接收緩沖器，對總線數(shù)據(jù)具有一定的緩存能力。通常系統(tǒng)采用主程序查詢方式對接收數(shù)據(jù)進行處理，并用廣播方式發(fā)送，對特殊數(shù)據(jù)采用遠(yuǎn)程幀申請方式，這樣更有利于程序?qū)Χ鄠€任務(wù)的結(jié)構(gòu)化管理，其程序流程如圖4所示。
圖4  通訊程序流程
CAN總線具有通信速率高、可靠性高、連接方便和性能價格比高等諸多優(yōu)勢。并且CAN應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計是依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO 11898)，各生產(chǎn)廠商的控制器有標(biāo)準(zhǔn)的輸入/輸出接口，所以該網(wǎng)絡(luò)是一個具有開放性和靈活性的系統(tǒng)，可以在不要求所有節(jié)點及其應(yīng)用層改變?nèi)魏?a href=http://www.middletowncarescoalition.com/huanye_htm/hyfenlei204.html target=_blank>軟件和硬件的情況下，自由地增加或減少控制器節(jié)點。
5　結(jié)束語
　　為了充分發(fā)揮電控單元在汽車控制中的作用，CAN通信網(wǎng)絡(luò)為全局優(yōu)化控制提供了條件。通過實際運用表明，CAN總線與其他通信方式相比具有顯著的優(yōu)點：
　　a.組網(wǎng)自由，擴展性強，對復(fù)雜的汽車網(wǎng)絡(luò)具有強大的優(yōu)勢；
　　b.可根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容確定通信優(yōu)先權(quán)，解決了轉(zhuǎn)速實時性和共享性的問題；
　　c.自動的錯誤界定功能，簡化了電控單元對通信的操作。
　　d.由于數(shù)據(jù)通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)性和開放性，故本文中的接口電路具有一定的推廣意義。
　　此外，CAN網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)用于汽車車身檢測系統(tǒng)，并且被眾多工業(yè)控制系統(tǒng)采用，尤其是傳輸速率較高而對實時性及可靠性要求高的場合，它是一種十分有效的通信方式。