CAN總線在汽車控制系統(tǒng)中的應用

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)代汽車計算機控制單元多，各控制單元對系統(tǒng)響應時間的要求不一樣。有些系統(tǒng)對實時性要求很高，系統(tǒng)指令發(fā)出以后如果得不到執(zhí)行器的及時響應，就可能造成嚴重后果甚至車毀人亡，如制動防抱死控制單元、安全氣囊等；而有些系統(tǒng)如照明控制、空調控制等對系統(tǒng)的響應時間要求就相對較低。

　　由于計算機控制單元越來越多，采用單網(wǎng)絡CAN總線負荷很重，筆者通過分別構造高、低速CAN網(wǎng)絡，對實時性要求高的計算機控制單元采用高速CAN網(wǎng)絡傳輸；其它采用低速CAN網(wǎng)絡傳輸，并采用微控制器兼作網(wǎng)關。使得傳輸線束大大簡化，可靠性大大提高。

　　二，CAN總線的技術特性

　　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)絡安全性、通訊可靠性和實時性，簡單實用，網(wǎng)絡成本低。特別適用于汽車計算機控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業(yè)環(huán)境。通訊媒體可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維，數(shù)據(jù)傳輸速率可達1 Mbits/s（此時通信距離最長為40m）。CAN總線還廣泛應用于汽車、船舶、機器人、樓宇自動化等場合。

　　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)應用場合，而CAL則應用于基于標準應用層通訊協(xié)議的優(yōu)化控制場合，SAEJ1939則應用于卡車和重型汽車計算機控制系統(tǒng)。

　　三，基于P87C591的汽車計算機控制

　　（一） P87C591

　　P8xC591是一個單片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。它采用了強大的80C51指令集并成功的包括了Philips半導體SJA1000 CAN控制器的PeliCAN功能。全靜態(tài)內(nèi)核提供了擴展的節(jié)電方式。振蕩器可停止和恢復而不會丟失數(shù)據(jù)。改進的1：1內(nèi)部時鐘預分頻器在12MHz外部時鐘速率時實現(xiàn)500ns指令周期。微控制器以先進的CMOS工藝制造，并設計用于汽車和通用的工業(yè)應用。除了80C51的標準特性之外，器件還為這些應用提供許多專用的硬件功能。P8xC591組合了P87C554（微控制器）和SJA 1000（獨立的CAN控制器）的功能，并具有下面的增強特性：增強的CAN接收中斷；擴展的驗收濾波器；驗收濾波器可“change on the fly”。

　　（二）系統(tǒng)實現(xiàn)

　　目前，汽車計算機控制已經(jīng)涉及到動力性、經(jīng)濟性、安全性、可靠性、凈化性和舒適性等諸多方面，具體包括發(fā)動機控制，變速器控制、巡行控制，制動控制，照明控制，空調控制，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，需要隨時進行實時數(shù)據(jù)通信，CAN總線作為一種極具應用潛力的控制器局域網(wǎng)總線，近年來在汽車計算機控制系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應用，并已成為歐洲汽車制造業(yè)主體行業(yè)標準，代表著汽車電子控制網(wǎng)絡的主流發(fā)展趨勢。

　　汽車計算機控制系統(tǒng)中的所有這些子控制系統(tǒng)通過CAN,0.線構成一個實時控制系統(tǒng)網(wǎng)絡，各控制單元的指令發(fā)出去之后，必須保證在一定時間內(nèi)得到響應，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)絡有較高的波特率設置和可靠性。而且，汽車在實際運行過程中，眾多節(jié)點之間需要進行大量的實時數(shù)據(jù)交換。若整輛汽車的所有節(jié)點都掛在一個CAN網(wǎng)絡上，這么多節(jié)點通過一條CAN總線進行通信，信息管理配置稍有不當，就很容易出現(xiàn)總線負荷過大，將導致系統(tǒng)實時響應速度下降，這在實時系統(tǒng)中是不允許的。因此我們在對汽車上各節(jié)點的實時性進行了分析之后，根據(jù)各節(jié)點對實時性的要求，設計了高、低速兩個速率不同的CAN通信網(wǎng)絡。將實時性要求嚴格、可靠性要求高的節(jié)點組成高速CAN通信網(wǎng)絡，將其它實時性要求相對較低的節(jié)點組成低速CAN通信網(wǎng)絡，并架設網(wǎng)關將這兩個速率不同的CAN通信網(wǎng)絡連接起來，實現(xiàn)全部節(jié)點之間的數(shù)據(jù)共享。整輛汽車的通信網(wǎng)絡拓撲結構如圖1所示。

　　圖1中的發(fā)動機控制、變速器控制、安全控制、防抱死制動控制（ABS）等控制單元節(jié)點是現(xiàn)代汽車動作的核心部件，對時間響應要求嚴格，因而在本設計中采用傳輸速率為500Kbps的高速CAN通信網(wǎng)絡。空調控制、雨刷控制、照明控制和儀表管理控制等相對來說對實時性的要求較低，采用傳輸速率小于125 Kbps的CAN通信網(wǎng)絡，主控制器跨接高、低速兩條總線，與各節(jié)點進行數(shù)據(jù)交換，兼起網(wǎng)關的作用，實現(xiàn)網(wǎng)絡互連。

　　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接收緩沖器和一個發(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。它們的端點間各接一個120Ω的總線匹配電阻，當有節(jié)點占用CAN總線時，該節(jié)點的發(fā)送端（電平為3.5 V）接CAN_H,接收端（電平為1.5V）接CAN_L;當無節(jié)點占用CAN總線時，CAN_L和CAN_H上的電平均為2.5V.