基于CAN總線(xiàn)的汽車(chē)開(kāi)關(guān)電器盒設計

0 引 言

隨著(zhù)現代汽車(chē)工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，車(chē)上安裝的電子設備在不斷增加，從而使汽車(chē)綜合控制系統中，有大量控制信號需要進(jìn)行實(shí)時(shí)交換.CAN 總線(xiàn)作為一種可靠的汽車(chē)計算機網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)，已經(jīng)被廣泛地推廣到汽車(chē)控制系統的各個(gè)應用領(lǐng)域.將CAN 總線(xiàn)技術(shù)應用到汽車(chē)開(kāi)關(guān)電器盒中，可使得各汽車(chē)計算機控制單元能夠通過(guò)CAN 總線(xiàn)得到開(kāi)關(guān)電器盒中的工作數據，又能對開(kāi)關(guān)電器盒的各個(gè)繼電器進(jìn)行精準的控制，從而達到減少汽車(chē)線(xiàn)束.提高通信可靠性.降低系統成本.避免系統功能重復.提高系統工作效率的目的.

1 汽車(chē)開(kāi)關(guān)電器盒設計方案

本開(kāi)關(guān)電器盒采用的是基于Microchip 公司生產(chǎn)的PIC18F45K80 芯片作為主芯片的設計方案.該芯片不僅具有一般單片機所具有的全部功能，還集成有硬件CAN 協(xié)議模塊，芯片內部即可完成CAN 總線(xiàn)通信.采用本方案具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：其一是硬件集成了CAN 協(xié)議模塊，無(wú)需外接芯片，從而降低了產(chǎn)品制造成本;二是無(wú)需編寫(xiě)SPI 接口驅動(dòng)，縮短了開(kāi)發(fā)周期，提高了產(chǎn)品競爭力;三是本系統使用主流PIC 芯片，具有強大的可擴展性，程序可移植性高.

PIC18F45K80 為主控制芯片，負責系統的綜合事務(wù)處理.

系統功能主要分為四大部分，分別是模擬信號采樣.數字信號采集.控制信號輸出和CAN 模塊通信.模擬信號的采集包括電源電壓采樣.溫度傳感器和電流傳感器采樣.數字信號采集各個(gè)熔斷保險絲的通斷.控制信號的輸出是對整車(chē)電源繼電器K1.啟動(dòng)電源繼電器K2.啟動(dòng)電機繼電器K3 的控制.CAN模塊通信是單片機通過(guò)CAN 接口芯片與車(chē)上的其他設備進(jìn)行通信，也是本系統研究的重點(diǎn).圖1 所示是本系統的整體框圖.

2 汽車(chē)開(kāi)關(guān)電器盒的硬件設計

2.1 系統主處理器PIC18F45K880

PIC18F45K80 系列是Microchip 的PIC18F8680.PIC18F4680 和PIC18F4580 增強型CAN 系列產(chǎn)品的低成本擴展產(chǎn)品.該單片機工作電壓范圍寬，為1.8~5.5 V,且片上內置3.3 V 穩壓器， 可作為電源基準電壓.工作溫度范圍大：-40~+125 ℃，適合汽車(chē)工作環(huán)境.工作速度最高達64 MHz,具有最大64 KB 的片內閃存程序存儲器，1 024 字節的數據EEPROM,3.6 KB 的通用寄存器(SRAM).設有2 個(gè)內部振蕩器：INTRC (31 kHz) 和INTOSC(16 MHz).帶擴展的看門(mén)狗定時(shí)器(WatchdogTimer, WDT)，可編程周期為4 ms~131 s.

PIC18F45K80 包含一個(gè)增強型控制器局域網(wǎng)(EnhancedController Area Network ,ECAN) 模塊. ECAN 總線(xiàn)模塊符合ISO 11898-1 規范.具有3 種工作模式：傳統模式( 與現有PIC18CXX8/FXX8 CAN 模塊完全向下兼容).增強模式.FIFO 模式或可編程發(fā)送/ 接收緩沖區.報文比特率最高可達1 Mb/s,具有6 個(gè)緩沖區可用作接收和發(fā)送報文緩沖區，3 個(gè)帶有優(yōu)先級的發(fā)送報文緩沖區，2 個(gè)接收報文緩沖區和1 個(gè)接收報文組合緩沖區.

2.2 CAN 接口電路模塊設計與實(shí)現

本開(kāi)關(guān)電器盒采用的是恩智浦半導體公司CAN 總線(xiàn)收發(fā)器芯片TJA1050 作為CAN 協(xié)議控制器和物理總線(xiàn)之間的接口.

TJA1050 可以為總線(xiàn)提供不同的發(fā)送性能，為CAN 控制器提供不同的接收性能.TJA1050 完全符合ISO11898 標準，傳送速度高( 最高可達1M 波特).具有良好的電磁兼容性和低電磁輻射(EME) 性能，并帶有寬輸入范圍的差動(dòng)接收器，可抗電磁干擾(EMI).

圖2 所示是TJA1050 的接口應用電路.電路中的一個(gè)120 俚牡繾R9,對于匹配總線(xiàn)阻抗起著(zhù)相當重要的作用，否則，數據通信的抗干擾性和可靠性將大大降低，甚至無(wú)法通信.

2.3 信號采集及輸出控制電路設計

汽車(chē)的各種電氣工作狀態(tài)檢測是開(kāi)關(guān)電器盒的重要工作職能之一，主要是由保險絲狀態(tài)采集電路.電源電壓和溫度采集電路.啟動(dòng)電動(dòng)機電流檢測電路組成.

汽車(chē)保險絲的工作狀態(tài)檢測.為了可靠.準確地檢測各保險絲的通斷情況，本系統采用了光耦隔離的方式檢測保險絲的通斷.該電器盒共有充電保險絲.暖風(fēng)1~2 保險絲.開(kāi)關(guān)電源保險絲.?；痣娫幢ｋU絲.ON 檔1~10 號保險絲.?；?~8 號保險絲等共24 路保險絲.保險絲檢測采用了光耦隔離的檢測方式，避免車(chē)上其他用電設備對電器盒系統的干擾.

開(kāi)關(guān)電器盒需對電源電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監測.通過(guò)電壓監測來(lái)實(shí)現高壓.低壓和發(fā)電機充電異常等三種異常報警：電壓過(guò)高報警是當電壓超過(guò)32 V 時(shí)，通過(guò)CAN 總線(xiàn)向儀表發(fā)出系統電壓過(guò)高報警;低電壓報警則是在車(chē)輛未啟動(dòng)時(shí)，當系統電壓低于設定值23.5 V 時(shí)，要發(fā)出低電壓報警，同時(shí)超過(guò)4 min切斷電源總開(kāi)關(guān);發(fā)電機充電異常報警是指車(chē)輛啟動(dòng)后，如充電正常，則當前電源電壓應大于26 V,如充電異常( 電源電壓超過(guò)32 V 或低于26 V)，則通過(guò)CAN 總線(xiàn)向儀表發(fā)出報警.

由于電壓報警僅需檢測3 個(gè)電壓值，為降低系統成本，本設計采用電阻分壓的方式來(lái)進(jìn)行檢測.

本開(kāi)關(guān)電器盒需檢測電器盒內的溫度，并通過(guò)CAN 總線(xiàn)將溫度數據發(fā)給儀表.系統采用的是3899 200K 的NTC( 負溫度系數熱敏電阻) 來(lái)檢測溫度，通過(guò)與一標準電阻分壓后采樣AD 值，最后根據阻值- 溫度表格查得實(shí)際測量溫度值.

另外就是啟動(dòng)電動(dòng)機電流檢測.汽車(chē)啟動(dòng)系統將蓄電池電能轉化為機械能，由啟動(dòng)機帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機旋轉并啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機.汽車(chē)在啟動(dòng)時(shí)，啟動(dòng)電動(dòng)機的工作電流非常大，一般可達300~600 A.為防止啟動(dòng)電機的過(guò)電流對汽車(chē)電瓶及其他電路造成損壞，對啟動(dòng)電動(dòng)機加入了電流檢測電路.系統中選用了BYD BLY2-IOV2M電流傳感器，在開(kāi)關(guān)電器盒中采用金屬銅片穿過(guò)電流傳感器腔體.該傳感器采用霍爾效應的測量原理，完全隔離式的測量方法，具有低功耗.寬測量范圍等特點(diǎn).

3 汽車(chē)開(kāi)關(guān)電器盒的軟件設計與實(shí)現

本開(kāi)關(guān)盒電器軟件主要由兩大部分組成，包括用戶(hù)功能定義設計和CAN 驅動(dòng)程序設計，其程序整體架構圖如圖3 所示.

圖3 中的用戶(hù)功能定義程序主要包括過(guò)壓監測.欠壓監測.保險絲斷路監測.過(guò)流監測.蓄電池充電監測.模塊自檢等.

SAE_J1939 協(xié)議驅動(dòng)程序主要作用是對CAN 模塊中的接收緩存的CAN 報文加以解析以及對發(fā)送緩存中的CAN 報文加以翻譯.