CAN總線(xiàn)在汽車(chē)車(chē)身控制中的應用

20世紀80年代以來(lái)，隨著(zhù)集成電路和單片機在汽車(chē)上的廣泛應用，汽車(chē)上的電子控制單元越來(lái)越多，例如電子燃油噴射裝置、防抱死制動(dòng)裝置（ABS）、安全氣囊裝置、電控門(mén)窗裝置和主動(dòng)懸架等等。在這種情況下，如果仍采用常規的布線(xiàn)方式，即電線(xiàn)一端與開(kāi)關(guān)相接，另一端與用電設備相通，將導致車(chē)上電線(xiàn)數目的急劇增加，使得電線(xiàn)的質(zhì)量占整車(chē)質(zhì)量的4％左右。另外，電控系統的增加雖然提高了轎車(chē)的動(dòng)力性、經(jīng)濟性和舒適性，但隨之增加的復雜電路也降低了汽車(chē)的可靠性，增加了維修的難度。為此，改革汽車(chē)電氣技術(shù)的呼聲日益高漲。因此，一種新的概念——車(chē)用控制器局域網(wǎng)絡(luò )CAN應運而生。

CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò )（Controller Area Network）的簡(jiǎn)稱(chēng)，它是由德國B(niǎo)osch公司及幾個(gè)半導體生產(chǎn)商開(kāi)發(fā)出來(lái)的，CAN總線(xiàn)是一種串行多主站控制器局域網(wǎng)總線(xiàn)。它具有很高的網(wǎng)絡(luò )安全性、通訊可靠性和實(shí)時(shí)性，而且簡(jiǎn)單實(shí)用，網(wǎng)絡(luò )成本低。特別適用于汽車(chē)計算機控制系統和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強和振動(dòng)大的工業(yè)環(huán)境。

CAN總線(xiàn)的技術(shù)特點(diǎn)

CAN總線(xiàn)可有效支持分布式控制或實(shí)時(shí)控制。該總線(xiàn)的通信介質(zhì)可以是雙絞線(xiàn)、同軸電纜或光纖，其主要特點(diǎn)如下：

◆CAN總線(xiàn)為多主站總線(xiàn)，各節點(diǎn)可在任意時(shí)刻向網(wǎng)絡(luò )上的其他節點(diǎn)發(fā)送信息，且不分主從：

◆CAN總線(xiàn)采用獨特的非破壞性總線(xiàn)仲裁技術(shù)，高優(yōu)先級節點(diǎn)優(yōu)先傳送數據，故實(shí)時(shí)性好；

◆CAN總線(xiàn)具有點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播傳送數據的功能；

◆CAN總線(xiàn)采用短幀結構，每幀有效字節數最多為8個(gè)，數據傳輸時(shí)間短，并有CRC及其它校驗措施，數據出錯率極低；

◆CAN總線(xiàn)上某一節點(diǎn)出現嚴重錯誤時(shí)，可自動(dòng)脫離總線(xiàn)，而總線(xiàn)上的其他操作不受影響；

◆CAN總線(xiàn)系統擴充時(shí)，可直接將新節點(diǎn)掛在總線(xiàn)上，因而走線(xiàn)少，系統擴充容易，改型靈活；

◆CAN總線(xiàn)的最大傳輸速率可達1Mb/s，直接通信距離最遠可達到10km（速率在5kbps以下）；

◆CAN總線(xiàn)上的節點(diǎn)數取決于總線(xiàn)驅動(dòng)電路。在標準幀（11位報文標識符）時(shí)可達到110個(gè)，而在擴展幀（29位報文標識符）時(shí)，個(gè)數不受限。

車(chē)身系統的CAN控制設計

CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統架構

現代汽車(chē)典刑的控制單元有發(fā)動(dòng)機控制模塊、變速器控制模塊、多媒體控制模塊、氣囊控制模塊、空調控制模塊、巡航控制模塊、車(chē)身控制模塊（包括照明指示和車(chē)窗、刮雨器等）、防抱死制動(dòng)系統（ABS）防滑控制系統（ASR）等。完善的汽車(chē)CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )系統架構如圖1所示。

CAN節點(diǎn)的硬件架構

本系統中，CAN節點(diǎn)采用：

ECU（AT89C51）＋CAN控制器（SJA1000）＋CAN收發(fā)器（PCA82C250）的電路結構以下是其核心芯片簡(jiǎn)介：

（1）CAN控制器

為了系統進(jìn)一步擴展的需要，可選取支持CAN 2.0B通訊協(xié)議的芯片SJA1000。SJA1000是PHILIPS公司生產(chǎn)的既支持CAN 2.0B，又支持CAN 2.0A的CAN控制器，它與僅支持CAN 2.0A的CAN控制器PCA82C200在硬件和軟件上完全兼容。

（2）CAN收發(fā)器

PCA82C250是PHILIPS推出的CAN控制器和物理總線(xiàn)接口芯片，可提供對總線(xiàn)的差分發(fā)送和接收。它與ISO 11898標準完全兼容，并有高速、斜率控制和待機3種不同的工作方式，可根據實(shí)際情況選擇。

（3）單片機AT89C51

AT89C51是ATMEL公司的單片機。它是一種低功耗、高性能、內含4KB閃速存儲器的8位CMOS微控制器，與工業(yè)標準MCS－51指令系統和引腳完全兼容。AT89系列的優(yōu)越性在于其片內閃速存儲器可進(jìn)行1000次的編程與擦除，且數據不易丟失，數據可保存10年。

CAN總線(xiàn)控制器、總線(xiàn)驅動(dòng)器和單片機連接基本方法如圖2所示。

車(chē)身控制模塊中的CAN應用層協(xié)議

協(xié)議原則

本協(xié)議遵循CAN2.0B規范，根據車(chē)身控制模塊的特點(diǎn)，采用源→目的方法，每個(gè)節點(diǎn)都有自己固定的標識地址，且節點(diǎn)數小于64，設計時(shí)可將中央控制模塊設為主節點(diǎn)，而將車(chē)門(mén)、電動(dòng)座椅子模塊及自檢子模塊設置為從節點(diǎn)。本協(xié)議可完成以下功能：

（1）特定信息的廣播；

（2）主從節點(diǎn)之間的連接；

（3）主從節點(diǎn)之間的信息交換（包括故障信息）。

本協(xié)議采用幀優(yōu)先原則分配標識符，每一幀標識符中的高四位表示幀類(lèi)型，不同幀類(lèi)型有不同的優(yōu)先權，優(yōu)先權決定了各種信息幀在同等情況下的發(fā)送順序，協(xié)議中的29位標識符的分配如下：

幀類(lèi)型（4位）＋目的地址（6位）＋源地址（6位）＋命令（或狀態(tài)、報告）屬性（13位）[或數據屬性＋分段標志＋分段號（共13位）]。

對所有的命令或狀態(tài)、數據、報告屬性、除定時(shí)采集發(fā)送的數據外，原則上均需應答（發(fā)送確認幀以保證通訊正常）。

幀格式仲裁場(chǎng)和控制場(chǎng)定義

仲裁場(chǎng)由29位標識符ID28－ID0以及SRR、IDE和RTR組成，SJA1000中的寄存器17－21用來(lái)存放擴展幀格式幀信息的標識符。發(fā)送時(shí)，SRR＝1，IDE＝1，RTR＝1/0（遠程幀/數據幀）。標識符中的ID28－ID25為車(chē)身控制模塊交換報文的幀類(lèi)型（共4位）。ID24－ID19為車(chē)身控制模塊中幀信息使用者的地址（或稱(chēng)為目的地址，共6位）。ID18－ID13為車(chē)身控制模塊中幀信息發(fā)送者的地址或稱(chēng)為源地址（共6位）。ID12－ID5為車(chē)身控制模塊中交換的命令、狀態(tài)、數據或報告屬性（共8位），ID4位需附加命令或狀態(tài)、數據、報告屬性時(shí)的分段標志。ID3－ID0為附加命令或狀態(tài)、數據、報告屬性的分段號（共4位）。當ID4＝0時(shí)，ID3－ID0控制場(chǎng)、數據寄存器0－7有效。對于遠程幀，則可忽略ID4－ID0以及控制場(chǎng)的值。SJA1000的寄存器16低四位DLC3－DLC0可構成控制場(chǎng)，以決定數據幀的數據長(cháng)度。

車(chē)身控制模塊CAN2.0B通訊報文約定

按車(chē)身控制模塊的節點(diǎn)要求，通訊的信息幀分為表1所列的6種，表1中的優(yōu)先級按序號從高到低排列。其目的地址和源地址的分配見(jiàn)表2所列。

其工作方式如下：

（1）開(kāi)機后或喚醒時(shí)，從節點(diǎn)向主節點(diǎn)發(fā)送狀態(tài)信息，主節點(diǎn)發(fā)送廣播信息遠程幀（兩次），廣播信息為共用信息，包括車(chē)速信號，檔位信號，點(diǎn)火開(kāi)關(guān)位置信號等。

（2）正常情況下，從節點(diǎn)內部巡查各端口狀態(tài)，如有故障則向主節點(diǎn)發(fā)送故障代碼3次，主節點(diǎn)收到三次故障報警后開(kāi)始響應，從節點(diǎn)停止發(fā)送，一旦故障消失，再向主節點(diǎn)發(fā)送正常信息。在主節點(diǎn)中應有一故障表，以用于已診斷模塊的通訊。

（3）主結點(diǎn)分別發(fā)送自檢信息后，如各從節點(diǎn)正常，則發(fā)送正常信息，狀態(tài)和數據幀。如有故障，則通過(guò)分段數據幀發(fā)送故障報警幀。

（4）從節點(diǎn)監測到正常輸入信號的變化（包括開(kāi)關(guān)量和模擬量采樣級數的變化）后，便通過(guò)報告幀發(fā)送信息給主節點(diǎn)，主節點(diǎn)則發(fā)送命令幀以示響應。

通訊報文定義

表3所列是中央控制模塊與診斷模塊的通訊報文定義。表中，aaaa為分段號，可在故障代碼多于8個(gè)時(shí)設置，最多可達傳送16