基于CAN總線技術(shù)的汽車ECU設(shè)計(jì)

　　1、引言
　　控制器局域網(wǎng)（ControllerAreaNetwork，CAN）是Bosch公司于1986年在美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)（SAE）大會(huì)上推出的一種新型串行總線，被廣泛地用于汽車內(nèi)部測(cè)量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信，其總線規(guī)范已被制訂為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，由于其高性能、高可靠性及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，CAN總線技術(shù)越來(lái)越受到人們的重視[1,2]。隨著現(xiàn)代汽車技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備在汽車中的比重越來(lái)越高，如電噴發(fā)動(dòng)機(jī)、燃油高壓共軌、制動(dòng)防抱死系統(tǒng)（ABS）、自動(dòng)變速器系統(tǒng)、注油控制以及電動(dòng)門窗等[3]，這些總成之間需要檢測(cè)并交換大量數(shù)據(jù)，采用CAN總線技術(shù)不僅成本低，而且可靠性明顯提高。從1992年起，Mercedes-Benz（奔馳）公司開始在高級(jí)客車中使用CAN總線技術(shù)，隨后，Volvo、Saab、Volkswagen、BMW、Renault以及Fiat等汽車公司也分別在自己的汽車上使用CAN總線技術(shù)[4-6]。國(guó)內(nèi)針對(duì)汽車的CAN總線技術(shù)研究還處于起步階段，北京航空航天大學(xué)、中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)單片機(jī)公共實(shí)驗(yàn)室、清華大學(xué)以及中國(guó)汽車技術(shù)研究中心等單位都開展了汽車CAN總線技術(shù)的研究[7-9]，但目前還不能構(gòu)成系列產(chǎn)品，并沒有真正組建汽車CAN總線網(wǎng)絡(luò)。
　　本文以某即將定型汽車為原型，設(shè)計(jì)基于CAN總線技術(shù)的汽車ECU系統(tǒng)，對(duì)于已有CAN接口的總成，可以直接依據(jù)協(xié)議讀取CAN接口的數(shù)據(jù)，對(duì)于沒有CAN接口的總成，利用AT90CAN128單片機(jī)設(shè)計(jì)汽車ECU，采集傳感器信息，并通過(guò)CAN接口與其他總成交換數(shù)據(jù)，組建基于CAN總線的汽車網(wǎng)絡(luò)，這樣既有利于汽車本身的數(shù)據(jù)通信，又能方便配套的便攜式診斷儀器讀取汽車技術(shù)狀態(tài)信息。
　　2、CAN總線網(wǎng)絡(luò)的組建
　　CAN是一種串行數(shù)據(jù)通信總線，其通信速率能達(dá)到1Mbps，并已經(jīng)成為一項(xiàng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，其最大特點(diǎn)是，任一節(jié)點(diǎn)所傳送的數(shù)據(jù)信息并不包含傳送節(jié)點(diǎn)或接收節(jié)點(diǎn)的地址，信息內(nèi)容通過(guò)一個(gè)標(biāo)識(shí)符（ID）作上標(biāo)記，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，該標(biāo)識(shí)符是唯一的，網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)接收到信息后，每一節(jié)點(diǎn)都對(duì)這一標(biāo)識(shí)符進(jìn)行測(cè)試，以判斷信息內(nèi)容是否與己有關(guān)，如果是相關(guān)信息，將其接收并進(jìn)行處理，否則，即被忽略。這樣，不同的節(jié)點(diǎn)可以接收到不同的數(shù)據(jù)，保證了通信的實(shí)時(shí)性。
　　現(xiàn)代汽車廣泛地采用了電子技術(shù)，而總控模塊能隨時(shí)接收到所需要的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)汽車總成之間的數(shù)據(jù)交換使用CAN總線組成數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)主要用途之一，如發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、自動(dòng)變速器系統(tǒng)、ABS系統(tǒng)、自動(dòng)差速鎖系統(tǒng)、中央充放氣系統(tǒng)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以及電動(dòng)門窗系統(tǒng)等總成之間的數(shù)據(jù)交換。利用CAN總線技術(shù)組建汽車信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　由于一些總成生產(chǎn)廠家在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮了信息交互的接口問題，在生產(chǎn)時(shí)已將CAN總線技術(shù)集成到總成上。對(duì)于這類總成（如高壓共軌發(fā)動(dòng)機(jī)、自動(dòng)變速器以及ABS等系統(tǒng)），只需通過(guò)ECU讀取其CAN總線協(xié)議即可完成數(shù)據(jù)信息交換。對(duì)于其他總成，通過(guò)設(shè)計(jì)汽車ECU，采集相應(yīng)傳感器的信息，并利用CAN接口向總線廣播式發(fā)送數(shù)據(jù)，可完成信息交換。
　　3、汽車ECU的設(shè)計(jì)
　　為了設(shè)計(jì)帶有CAN接口的汽車ECU，較為常見的方法是用單片機(jī)與CAN控制器相結(jié)合，如使用8051單片機(jī)與CAN控制器芯片SJA1000來(lái)組合使用[4][6]。由于CAN總線技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，一些芯片生產(chǎn)廠家（如Motorola、Intel、Philip、Atmel、Microchip以及NEC等公司）紛紛在自己的芯片中集成了CAN接口模塊，這樣將大大提高CAN接口通信的可靠性。本文采用Atmel公司的一款內(nèi)嵌CAN控制器的AVR型單片機(jī)AT90CAN128來(lái)實(shí)現(xiàn)CAN節(jié)點(diǎn)。
　　AT90CAN128單片機(jī)具有以下特點(diǎn)：128K字節(jié)FLASH，4K字節(jié)EEPROM和4K字節(jié)的SRAM，帶有硬件乘法器功能，53個(gè)通用的I/O口，32個(gè)通用工作寄存器，4個(gè)具有比較模式的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，2通道8位的PWM，6通道2到16位精度的PWM，2個(gè)USART和1個(gè)主從SPI串行口，1個(gè)兩線(I2C)串行接口，一個(gè)8通道10位具有可選增益差分輸入的A/D轉(zhuǎn)換器，1個(gè)帶內(nèi)部振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器[10]。同時(shí)還集成了CAN控制器，與CAN標(biāo)準(zhǔn)幀2.0A和擴(kuò)展幀2.0B完全兼容，具有15個(gè)獨(dú)立的信息對(duì)象，能夠處理所有的幀類型，具有8位靜態(tài)分配的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，晶振頻率8MHz時(shí)數(shù)據(jù)傳送速率可達(dá)到1Mbps。
　　3.1硬件設(shè)計(jì)
　　在本文的設(shè)計(jì)中，利用AT90CAN128的A/D轉(zhuǎn)換器采集相關(guān)傳感器的電壓信號(hào)（如水溫、振動(dòng)、位置、氣壓以及油壓等信號(hào)），利用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器模塊采集相關(guān)傳感器的脈沖信號(hào)（如轉(zhuǎn)速、里程等信號(hào)），由于AT90CAN128集成了CAN控制器功能，因此，結(jié)合CAN總線收發(fā)器即可完成CAN總線的接收和發(fā)送任務(wù)。CAN總線收發(fā)器采用了ATA6660芯片，它是CAN控制器與物理傳輸媒體之間的物理連接子層接口。為提高系統(tǒng)的抗干擾性，在AT90CAN128與ATA6660芯片之間加入高速光耦芯片6N137，其接口電路如圖2所示。

　　從圖2中可以看出，電路主要由3部分組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)AT90CAN128、高速光耦6N137和高速CAN總線收發(fā)器。單片機(jī)AT90CAN128主要負(fù)責(zé)傳感器信息的采集、內(nèi)部CAN控制器的初始化并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務(wù)。在ATA6660與CAN總線的接口部分也采用了抗干擾和安全措施，ATA6660的CANH和CANL引腳各自通過(guò)5Ω的電阻與CAN總線相連，電阻可起到一定的限流作用，保護(hù)ATA6660免受過(guò)流沖擊。CANH和CANL與地之間并聯(lián)兩個(gè)30pF的小電容，可以起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射的能力。另外，在兩根CAN總線與地之間分別接了一個(gè)防雷擊管，當(dāng)兩輸入端與地之間出現(xiàn)瞬變干擾時(shí)，通過(guò)防雷擊管的放電可以起到一定的保護(hù)作用。
　　3.2軟件設(shè)計(jì)
　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括信號(hào)采集和CAN接口通信程序。利用AT90CAN128片上集成的ADC模塊可以采集一些常規(guī)傳感器的模擬信號(hào)，如油壓、水溫、氣壓等信號(hào)；利用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器模塊采集傳感器脈沖信號(hào)，如轉(zhuǎn)速、行駛里程信號(hào)等。對(duì)于模擬量信號(hào)，在經(jīng)過(guò)放大器處理之后，可以直接控制單片機(jī)的ADC模塊對(duì)其進(jìn)行采集；對(duì)于脈沖信號(hào)，在對(duì)其進(jìn)行采集時(shí)需要進(jìn)行整形處理，如轉(zhuǎn)速傳感器獲取發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪旋轉(zhuǎn)時(shí)輪齒的信號(hào)，是正弦交流信號(hào)，將其整形為方波信號(hào)，利用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器模塊采集方波的頻率來(lái)完成速度采集。為提高轉(zhuǎn)速采集的實(shí)時(shí)性，通常采集脈沖信號(hào)的周期（兩個(gè)脈沖信號(hào)上升沿或下降沿之間的時(shí)間）來(lái)計(jì)算其頻率，并計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，計(jì)算公式如如式（1）所示。

式（1）中為系統(tǒng)時(shí)鐘周期，為分頻系數(shù)，為發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪齒圈齒數(shù)（對(duì)于康明斯發(fā)動(dòng)機(jī)為為輪齒脈沖兩次上升（或下降）沿的計(jì)數(shù)器值。

　　CAN接口通信程序主要包括CAN控制器的初始化、數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送程序。主程序通過(guò)調(diào)用函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，流程圖如圖3所示，在數(shù)據(jù)接收程序中，通過(guò)查詢方式讀取相應(yīng)消息對(duì)象中的數(shù)據(jù)。

　　CAN控制器初始化工作主要包括波特率參數(shù)設(shè)置、接收屏蔽寄存器及接收代碼寄存器的設(shè)置、使能允許寄存器的設(shè)置等。通過(guò)總線定時(shí)器寄存器CANBT1、CANBT2、CANBT3來(lái)設(shè)置波特率參數(shù)。AT90CAN128中提供了一組由4個(gè)驗(yàn)收碼寄存器（CANIDT1～CANIDT4）和4個(gè)驗(yàn)收屏蔽寄存器（CANIDM1～CANIDM4）組成的驗(yàn)收濾波器，信息只有通過(guò)它的驗(yàn)收濾波才能被接收；所有驗(yàn)收屏蔽寄存器為0的位，驗(yàn)收碼寄存器和CAN信息幀的對(duì)應(yīng)位必須相同才能驗(yàn)收通過(guò)，而所有驗(yàn)收屏蔽寄存器中為1的位，驗(yàn)收碼寄存器對(duì)應(yīng)位的驗(yàn)收濾波功能則被屏蔽。通過(guò)設(shè)置驗(yàn)收濾波器，既可以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，也可以實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的廣播式通信，使整個(gè)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)更加靈活。
　　4、實(shí)驗(yàn)
　　采用本文設(shè)計(jì)的汽車ECU對(duì)車輛上的模擬信號(hào)（水溫、壓力等），脈沖信號(hào)（轉(zhuǎn)速、里程等）進(jìn)行采集，并通過(guò)CAN總線發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。采用IXXAT公司的CAN分析儀（USBtoCAN）對(duì)CAN總線進(jìn)行監(jiān)控，利用計(jì)算機(jī)與CAN分析儀連接，并通過(guò)CAN總線采集ECU傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，CAN總線的通信波特率設(shè)定為125kbps，實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的總線狀態(tài)如圖4(a)所示，實(shí)驗(yàn)中采用CAN2.0B擴(kuò)展幀協(xié)議，采集某ECU節(jié)點(diǎn)的CAN總線數(shù)據(jù)如圖4(b)所示，其中節(jié)點(diǎn)204060為脈沖信號(hào)采集，節(jié)點(diǎn)204061為模擬信號(hào)采集，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8字節(jié)，空余字節(jié)用FF填補(bǔ)，可用來(lái)擴(kuò)展信息量。

　　根據(jù)實(shí)際測(cè)量結(jié)果，可以看出總線沒有接收到出錯(cuò)幀，接收到數(shù)據(jù)幀，反映總線工作狀態(tài)正常。從接收的數(shù)據(jù)表明，每個(gè)ECU節(jié)點(diǎn)發(fā)送的ID碼和數(shù)據(jù)與預(yù)定義的ID碼和數(shù)據(jù)相同，總線接收和發(fā)送正常。另外，在軟件中加入了異常處理，如果某節(jié)點(diǎn)一直向總線發(fā)送錯(cuò)誤標(biāo)志，總線會(huì)自動(dòng)終止該節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)也會(huì)檢測(cè)到錯(cuò)誤條件，停止向該節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣可以避免總線癱瘓。
　　5、結(jié)論
　　本文設(shè)計(jì)的基于AT90CAN128單片機(jī)的汽車ECU，由于其本身接口豐富，可以采集多種傳感器數(shù)據(jù)，并集成了CAN接口模塊，這樣提高了EUC的工作可靠性和CAN接口通信的可靠性，非常適宜于組建汽車CAN總線網(wǎng)絡(luò)。另外，在硬件上做了優(yōu)化處理，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。實(shí)驗(yàn)表明，該ECU能準(zhǔn)確采集數(shù)據(jù)，并能通過(guò)CAN總線進(jìn)行可靠通信。