基于CAN總線(xiàn)的EPS通信系統研究

引言

現代汽車(chē)電子技術(shù)的發(fā)展使汽車(chē)的電子化程度越來(lái)越高。電控系統雖然提高了汽車(chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟性，但隨之增加的復雜電路必然導致車(chē)身布線(xiàn)龐大而復雜。因此提高控制單元間通信的可靠性、實(shí)時(shí)性、安全性已成為需要迫切解決的問(wèn)題。以研發(fā)和生產(chǎn)汽車(chē)電子產(chǎn)品著(zhù)稱(chēng)的德國B(niǎo)osch公司為此開(kāi)發(fā)了CAN總線(xiàn)協(xié)議，并使其成為國際標準。電動(dòng)助力轉向(E1ectric Power Steering System，EPS)是根據駕駛員意圖和車(chē)輛的運行工況而進(jìn)行助力的轉向系統。EPS的控制過(guò)程是動(dòng)力轉向系統綜合控制的過(guò)程，所以EPS的電子控制單元與車(chē)內其他電子控制單元的通信及協(xié)調控制便很重要。在EPS系統中引入CAN總線(xiàn)技術(shù)，使EPS電子控制單元與其他車(chē)載電子控制單元通信，可以實(shí)現數據共享，并且協(xié)調EPS與其他系統控制。

1 CAN總線(xiàn)簡(jiǎn)介

CAN即控制器局域網(wǎng)，是Bosch公司為解決現代汽車(chē)中眾多的控制和數據交換問(wèn)題開(kāi)發(fā)出的一種現場(chǎng)總線(xiàn)通信結構，最高速率可達1 Mbps(40 m內)，以多主方式工作。與一般的通信總線(xiàn)相比，CAN總線(xiàn)數據通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，是目前使用最廣泛的一種汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )。CAN總線(xiàn)具有以下特點(diǎn)：

①硬件連接簡(jiǎn)單，具有良好的性能價(jià)格比。

②具有快速響應能力，非常適合對實(shí)時(shí)性要求較高的應用場(chǎng)合。

③可靠性高。CAN總線(xiàn)的糾錯能力非常強，協(xié)議中每一幀數據都采用CRC及其他校驗措施，數據出錯率極低。若某一節點(diǎn)出現嚴重錯誤，可自動(dòng)脫離總線(xiàn)，總線(xiàn)上其他節點(diǎn)的操作不受影響。

2 系統硬件設計

2．1 LPC2129介紹

LPC2129 微控制器是NXP公司32位單片機中的一種，其內部基本結構包括：中央處理器單元(CPU)、2個(gè)16C550工業(yè)標準UART、高速I(mǎi)2C接口(400 kHz)、2個(gè)SPI接口、8通道輸入捕捉/輸出比較定時(shí)器，1個(gè)8通道脈寬調制模塊以及46個(gè)獨立數字I/O口，片內還有256KB的Flash ROM、16 KB的RAM，CAN功能塊包括2個(gè)兼容CAN2．0B協(xié)議的CAN控制器。這些豐富的內部資源和外部接口可以滿(mǎn)足ECU(電子控制單元)對各種數據的處理及CAN網(wǎng)絡(luò )數據發(fā)送和接收的要求。芯片集成了2個(gè)CAN模塊，能夠實(shí)現高低速CAN網(wǎng)絡(luò )的網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)功能。

CAN模塊遵循CAN2．0B協(xié)議，集成了驗收濾波器的CAN總線(xiàn)控制器的所有功能。此外它還采用先進(jìn)的緩沖器布置改善了實(shí)時(shí)性能，簡(jiǎn)化了應用軟件的設計。

2．2 CAN模塊設計

汽車(chē)的通信系統由EPS控制系統、ABS系統、發(fā)動(dòng)機系統、電動(dòng)車(chē)窗系統、車(chē)燈控制系統等組成。這些電控系統在整個(gè)控制系統中對響應實(shí)時(shí)性的要求有所不同，另外汽車(chē)在實(shí)際運行過(guò)程中眾多節點(diǎn)之間需要進(jìn)行大量的實(shí)時(shí)數據交換。若整個(gè)汽車(chē)的所有節點(diǎn)都掛在一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò )上，眾多節點(diǎn)通過(guò)一條CAN總線(xiàn)進(jìn)行通信，一旦信息管理配置稍有不妥，就很容易出現總線(xiàn)負荷過(guò)大，導致系統實(shí)時(shí)響應速度下降的情況。這在實(shí)時(shí)系統中是不允許的，因此根據不同的要求，可將汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )分為高速CAN網(wǎng)絡(luò )和低速CAN網(wǎng)絡(luò )兩個(gè)速率等級。ABS、EPS等節點(diǎn)電控單元個(gè)數少，實(shí)時(shí)性和穩定性要求高，組成傳輸速率為500 kbps的高速CAN網(wǎng)絡(luò )。眾多的車(chē)身電機和車(chē)燈節點(diǎn)電控單元數量多，傳輸的數據紛繁復雜，對準確性、穩定性的要求勝于實(shí)時(shí)性，組成傳輸速率為125 kbps的低速CAN網(wǎng)絡(luò )。對于不同速率網(wǎng)絡(luò )之間的通信，必須有相應的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數據過(guò)濾和速率轉換，以實(shí)現不同速率網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)之間的數據通信。高低速CAN 網(wǎng)關(guān)用LPC2129實(shí)現，其通信網(wǎng)絡(luò )如圖1所示。



　　2．3 CAN節點(diǎn)硬件設計

CAN節點(diǎn)硬件電路主要包括帶有CAN控制器的微控制器和用于數據收發(fā)的CAN收發(fā)器。本設計使用的是NXP公司的32位微控制器LPC2129，它帶有 CAN控制器，主要負責CAN的初始化和數據處理。CAN收發(fā)器種類(lèi)有很多，本設計使用Philips公司的CAN高速收發(fā)器TJAl050。CAN基本節點(diǎn)結構如圖2所示。



　　2．4 高低速CAN網(wǎng)關(guān)的硬件電路設計

網(wǎng)關(guān)的主要作用是協(xié)調各網(wǎng)絡(luò )之間數據的共享，負責各節點(diǎn)之間的通信。其硬件結構與CAN節點(diǎn)非常相似，由于它負責高速與低速網(wǎng)絡(luò )之間的數據共享，所以必須同時(shí)跨接兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )。CAN總線(xiàn)網(wǎng)關(guān)硬件結構如圖3所示。



3 高低速CAN網(wǎng)關(guān)的軟件設計

網(wǎng)關(guān)軟件設計部分主要實(shí)現的功能是各節點(diǎn)的數據收發(fā)，特別是網(wǎng)關(guān)可以實(shí)現高低速網(wǎng)絡(luò )數據的轉換。對實(shí)時(shí)性要求不高的車(chē)燈控制和車(chē)窗控制電路采用低速CAN 網(wǎng)絡(luò )，波特率為125 kbps；對實(shí)時(shí)性要求較高的ABS系統和EPS系統等采用高速CAN網(wǎng)絡(luò )，波特率為500 kbps。