基于CAN總線(xiàn)的多ECU通信平臺設計

　　引言

　　隨著(zhù)集成電路和單片機在汽車(chē)上的廣泛應用，現代汽車(chē)上的電子控制器的數量越來(lái)越多，常見(jiàn)的有發(fā)動(dòng)機的電子燃油噴射裝置、防抱死制動(dòng)裝置(ABS)、安全氣囊裝置、電動(dòng)門(mén)窗裝置、主動(dòng)懸架等。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。從布線(xiàn)角度分析，傳統的電子氣系統大多采用點(diǎn)對點(diǎn)的單一通信方式，相互之間少有聯(lián)系，這樣必然造成寵大的布線(xiàn)系統。因此，一種新的概念——汽車(chē)上電子控制器局域網(wǎng)絡(luò )CAN，也就應運而生。為使不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的零部件能在同一輛汽車(chē)上協(xié)調工作，必須制定標準。按照ISO有關(guān)標準，CAN的拓撲結構為總線(xiàn)式，因此稱(chēng)為CAN總線(xiàn)。 CAN總線(xiàn)被設計作為汽車(chē)環(huán)境中的微控制器通信，在車(chē)載各電子控制裝置ECN之間交換信息，在車(chē)載各電子控制裝置ECN之間交換信息，形成汽車(chē)電子控制網(wǎng)絡(luò )。

　　控制器局域網(wǎng)CAN(Controller Area Network)是一種多主方式的串行通信總線(xiàn)，基本設計規范要求有高的位速率，高抗電磁干擾性，而且能夠檢測出產(chǎn)生的任何錯誤。CAN在汽車(chē)上的應用，具有很多行業(yè)標準或者是國際標準，比如國際標準化組織(ISO)的ISO11992、ISO11783以及汽車(chē)工程協(xié)會(huì )(Society of Automotive Engigeers)的SAE J1939。CAN總線(xiàn)已經(jīng)作為汽車(chē)的一種標準設備列入汽車(chē)的整車(chē)設計中。

　　1 CAN總線(xiàn)特點(diǎn)及其通信協(xié)議

　　1.1 CAN總線(xiàn)簡(jiǎn)介

　　CAN通信協(xié)議規定了4種不同的幀格式，即數據幀、遠程幀、錯誤幀和超載幀?；谝韵聨讞l基本規則進(jìn)行通信協(xié)調：總線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)、仲裁、編碼/解碼、出錯標注和超裁標注。CAN 遵從OSI模型。按照OSI基準模型只有三層：物理層、數據鏈路層和哀告層，但應用層尚需用戶(hù)自己定義。CAN總線(xiàn)作為一種有效支持分布式控制或實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò )，應用范圍遍及從高速網(wǎng)絡(luò )到低成本的多線(xiàn)路網(wǎng)絡(luò )。如：CAN在汽車(chē)中的發(fā)動(dòng)機控制部件、ABS、抗滑系統等應用中的位速率可高達1Mbps。同時(shí)，它可以廉價(jià)地用于交通運載工具電器系統中，例如電氣窗口、燈光聚束、座椅調節等，以替代所需要的硬件連接。其傳輸介制裁為雙絞線(xiàn)，通信速率最高可達1Mbps/40m，直接傳輸距離最遠可達 10km/5kbps，掛接設備數最多可達110個(gè)。CAN為多主工作方式，通信方式靈活，無(wú)需站地址等節點(diǎn)信息，采用非破壞性總線(xiàn)仲裁技術(shù)，滿(mǎn)足實(shí)時(shí)要求。另外，CAN采用短幀結構傳輸信號，傳輸時(shí)間短，具有較強的抗干擾能力。

CAN總線(xiàn)與其它通信協(xié)議的不同之處主要有兩方面：一是報文傳送不包含目標地址，它是以全網(wǎng)廣播為基礎，各接收站根據報文中反映數據性質(zhì)的標識符過(guò)濾報文，其特點(diǎn)是可在線(xiàn)上網(wǎng)下網(wǎng)、即插即用和多站接收;另外一個(gè)方面就是特別強化了數據安全性，滿(mǎn)足控制系統及其它較高數據要求系統的需求。

　　1.2 J1939通信協(xié)議

　　J1939協(xié)議是在CAN總線(xiàn)通信協(xié)議2.0B(29標識符)之上具體實(shí)現了應用層，是SAE為重載卡車(chē)和客車(chē)制定的通信協(xié)議;以CAN 2.0B為基礎，物理層標準與ISO11898規范兼容并采用符合該規范的CAN控制器及收發(fā)器。J1939協(xié)議將CAN標識符劃分為如下幾個(gè)部分：優(yōu)先級(P)、數據頁(yè)(PGN)、協(xié)議數據單元(PDU)格式、PDU特定域(PS)和源地址(SA)。J1939/71應用層文檔定義了車(chē)輛控制的各種參數及命令的PGN。

由此可見(jiàn)，J1939與CAN通信協(xié)議的區別在于29位標識符(ID)，數據場(chǎng)相同。J1939將CAN的29位標識符(或稱(chēng)辨識別)進(jìn)行了詳細的物理定義。通過(guò)PDU將CAN標準格式封裝為J1939協(xié)議格式。PDU信息幀又由優(yōu)先權P、保留位R、數據頁(yè)DP、協(xié)議數據單元PF、擴展單元PS、源地址SA和數據場(chǎng)DATA七個(gè)部分組成，即CAN的29位標識符加上數據。

　　2 總體設計

　　2.1 汽車(chē)電控網(wǎng)絡(luò )結構

　　汽車(chē)內ECU之間的數據傳輸特征主要差別在于數據傳輸頻率，例如發(fā)動(dòng)機高速運行時(shí)，進(jìn)行的是高頻數據傳輸，每隔幾ms就傳輸1次;而在低速運行時(shí)，進(jìn)行的是低頻數據傳輸，每隔幾十ms乃至幾百ms才傳輸1次。然而為了滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性要求，就要求汽車(chē)內每個(gè)控制單元盡可能實(shí)現汽車(chē)公共數據共享，但又由于每個(gè)控制單元對實(shí)時(shí)性的要求是因為數據的更新速率和控制周期不同而不同的。這就要求其數據交換網(wǎng)是基于優(yōu)先權競爭的模式，且本身具有較高的通信速率。CAN總線(xiàn)正是為滿(mǎn)足這些要求而設計的。CAN已有國際標準，即高速場(chǎng)合的ISO11898和用于低速場(chǎng)合的ISO11519-3。

　　通常的汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )結構采用多條不同速率的總線(xiàn)分別連接不同類(lèi)型的節點(diǎn)，并使用網(wǎng)關(guān)服務(wù)器來(lái)實(shí)現整車(chē)的信息共享和網(wǎng)絡(luò )管理。若按照美國汽車(chē)工程師協(xié)會(huì )(SAE)車(chē)輛網(wǎng)絡(luò )委員會(huì )標準SAE J2057，將汽車(chē)數據傳輸網(wǎng)劃分為三類(lèi)。這里可用圖1簡(jiǎn)單說(shuō)明。其中網(wǎng)關(guān)是汽車(chē)內部通信的核心，通過(guò)它可以實(shí)現在CAN總線(xiàn)上信息的共享以及實(shí)現汽車(chē)內部的網(wǎng)絡(luò )管理和故障診斷功能;將各個(gè)數據總線(xiàn)上的信息反饋到儀表板總成上的顯示屏上，駕駛者通過(guò)儀表板上的信息就可以知道各個(gè)電控裝置是否正常工作了。

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　　2.2 通信平臺硬件設計

　　在設計中，主控芯片CPU選用51系列的單片機。CAN通信控制器執行完整的CAN協(xié)議，完成通信功能，包括信息緩沖和接收濾波，故CAN控制器選用 Philips的SJA1000。選用PCA82C250作為CAN總線(xiàn)的收發(fā)器，PCA82C250是CAN協(xié)議控制器和物理總線(xiàn)之間的接口，在運行環(huán)境中具有抗瞬變、抗射頻和抗電磁干擾性能，內部的限流電路具有電路短路時(shí)對傳送輸出級進(jìn)行保護的功能。傳輸介質(zhì)采用屏蔽電費，在測控節點(diǎn)與介質(zhì)之間加入光耦電路，以提高總線(xiàn)接口的抗干擾能力。圖2為通信平臺硬件框圖，圖3為控制器與收發(fā)器連接接口。

　　為進(jìn)一步提高系統的可靠性，需要考慮到系統的冗余設計。由于汽 車(chē)環(huán)境惡劣且干擾 因素較多，在CAN_H和CAN_L信號線(xiàn)與地線(xiàn)之間分別并聯(lián)了兩個(gè)電容，濾去噪聲，使信號傳輸平穩。雙屏蔽電費可設兩套，在兩套介質(zhì)上同時(shí)進(jìn)行信息傳輸。接收方只用一個(gè)介質(zhì)，在冗余和非冗余段的連接臨界點(diǎn)進(jìn)行總線(xiàn)切換。

　　2.3 軟件設計

　　簡(jiǎn)單地說(shuō)，本通信平臺所要實(shí)現的功能就是，使各個(gè)節點(diǎn)(ECU)通過(guò)CAN總線(xiàn)實(shí)現相互通信，發(fā)送接收命令、信息等，并實(shí)現數據的共享，從而提高各自的控制性能和運行效率。汽車(chē)上CAN數據總線(xiàn)的每個(gè)節點(diǎn)(ECU)都有自己的地址和名稱(chēng)相對應。ECU地址指出了數據傳送的目的地，而其名稱(chēng)則標識了ECN的基本功能。節點(diǎn)連續監視著(zhù)總線(xiàn)上發(fā)出的各種數據。當所收到的數據地址值與自身地址吻合時(shí)，該節點(diǎn)就獲得令牌。在通信規約中，唯一獲得令牌的該節點(diǎn)有權發(fā)送數據，以防止兩個(gè)或兩個(gè)以上的節點(diǎn)同時(shí)傳輸數據引起混亂。同時(shí)每一個(gè)節點(diǎn)都有機會(huì )得到令牌，完成數據傳輸。

　　本軟件設計是基于Keil C語(yǔ)言編寫(xiě)的。程序主要由主模塊、中斷處理模塊及數據通信模塊等組成，如圖4所示。

　　當一個(gè)節點(diǎn)A發(fā)送數據請求報文(遠程幀)，向另外一個(gè)節點(diǎn)B請求報文(應答幀)時(shí)，節點(diǎn)B接收到請求后，經(jīng)過(guò)判別，而后發(fā)送數據(應答幀)。由于數據請求沒(méi)有數據場(chǎng)，所以相對數據幀長(cháng)度小很多。經(jīng)分析驗證之后與節點(diǎn)B收到的數據相同，請求數據程序得到驗證。

　　結語(yǔ)

　　在現代汽車(chē)的設計中，CAN總線(xiàn)已經(jīng)成為構建汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )的一種趨勢;而汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )作為直接與汽車(chē)內部各個(gè)ECU連接并負責命令的傳遞、數據的發(fā)送及共享，其可靠性和穩定性與整車(chē)的性能緊密相關(guān)。本文的設計開(kāi)發(fā)是在基于試驗條件下搭建的仿真平臺，節點(diǎn)之間的通信是通過(guò)對等的CAN通信節點(diǎn)進(jìn)行的。試驗表明其運行性能穩定可靠，但實(shí)用化仍需要進(jìn)一步的研究和改進(jìn)，且程序的通信處理能力、糾錯和容錯能力有待進(jìn)一步的提高。