CAN通信網(wǎng)在汽車(chē)中的應用研究

    控制局域網(wǎng)CAN(ControllerAreaNetwork)是德國B(niǎo)osch公司為解決現代汽車(chē)中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而應用開(kāi)發(fā)的一種通信協(xié)議。在國外，尤其是歐洲，CAN網(wǎng)絡(luò )已被廣泛地應用在汽車(chē)上，如BENZ、BMW、PORSCHE、ROLLSROYCE、JAGUAR等車(chē)。 

    現代汽車(chē)典型的控制單元有電控燃油噴射系統、電控傳動(dòng)系統、防抱死制動(dòng)系統(ABS)、防滑控制系統(ASR)、廢氣再循環(huán)控制、巡航系統和空調系統。 

    在一個(gè)完善的汽車(chē)電子控制系統中，許多動(dòng)態(tài)信息必須與車(chē)速同步。為了滿(mǎn)足各子系統的實(shí)時(shí)性要求，有必要對汽車(chē)公共數據實(shí)行共享，如發(fā)動(dòng)機轉速、車(chē)輪轉速、油門(mén)踏板位置等。但每個(gè)控制單元對實(shí)時(shí)性的要求是因數據的更新速率和控制周期不同而不同的。例如，一個(gè)8缸柴油機運行在2400r/min，則電控單元控制兩次噴射的時(shí)間間隔為 6.25ms。其中，噴射持續時(shí)間為30°的曲軸轉角(2ms)，在剩余的4ms內需完成轉速測量、油量測量、A/D轉換、工況計算、執行器的控制等一系列過(guò)程。這就意味著(zhù)數據發(fā)送與接收必須在1ms內完成，才能達到柴油機電控的實(shí)時(shí)性要求。這就要求其數據交換網(wǎng)是基于優(yōu)先權競爭的模式，且本身具有極高的通信速率，CAN現場(chǎng)總線(xiàn)正是為滿(mǎn)足這些要求而設計的。不同參數應具有不同的通信優(yōu)先權。

    典型參數允許響應時(shí)間

    發(fā)動(dòng)機噴油量10ms

    發(fā)動(dòng)機轉速300ms

    車(chē)輪轉速1s~100s

    進(jìn)氣溫度20s

    冷卻液溫度1min

    燃油溫度≈10min

    3CAN總線(xiàn)的特點(diǎn)及通信協(xié)議

    3.1CAN總線(xiàn)的特點(diǎn)

    CAN作為一種多主總線(xiàn)，支持分布式實(shí)時(shí)控制的通信網(wǎng)絡(luò )。其通信介質(zhì)可以是雙絞線(xiàn)、同軸電纜或光纖。在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機控制部件、傳感器、抗滑系統等應用中，總線(xiàn)的位速率最大可達1Mbit/s。CAN光線(xiàn)具有以下主要特性：

    a.無(wú)破壞性的基于優(yōu)先權競爭的總線(xiàn)仲裁。

    b.可借助接收濾波的多地址幀傳送。

    c.具有錯誤檢測與出錯幀自動(dòng)重發(fā)送功能。

    d.數據傳送方式可分數據廣播式和遠程數據請求式。

    3.2CAN總線(xiàn)幀格式

    CAN 和OSI七層參考模式，按照IEEE802.2和IEEE802.3標準，其通信接口集成了CAN協(xié)議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理，包括位填充、數據塊編碼、循環(huán)冗余檢驗及優(yōu)先級別等項工作。在系統中，數據按照攜帶的信息類(lèi)型可分為四種幀格式：

    a.數據幀。

     用于節點(diǎn)間傳遞數據，是網(wǎng)絡(luò )信息的主體。一個(gè)數據幀由7個(gè)不同位場(chǎng)構成：幀起始、仲裁場(chǎng)、控制場(chǎng)、數據場(chǎng)、CRC場(chǎng)、ACK場(chǎng)和幀結束。其中數據段長(cháng)度可編程0～8個(gè)字節。
    數據幀格式

    b.遠程幀。由在線(xiàn)單元發(fā)送，用于請求發(fā)送具有相同標識符的數據幀，其幀格式與數據幀基本相同，但沒(méi)有數據場(chǎng)。

    c.出錯幀。出錯幀是檢測總線(xiàn)出錯的一個(gè)信號標志，由兩個(gè)不同場(chǎng)構成。第一場(chǎng)由來(lái)自不同節點(diǎn)的錯誤標志疊加，第二個(gè)場(chǎng)為錯誤界定符。CAN協(xié)議采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證數據通信的可靠性。

    d.超載幀。由超載標識和超載界定符組成，表明邏輯鏈路控制層要求的內部超載狀態(tài)，并將由媒體訪(fǎng)問(wèn)控制層的一些出錯條件而被啟動(dòng)發(fā)送。用于擴展幀序列的延遲時(shí)間。

    3.3CAN數據鏈路控制

     系統中，CAN總線(xiàn)以報文為單位進(jìn)行數據傳輸，節點(diǎn)對總線(xiàn)的訪(fǎng)問(wèn)采取位仲裁方式。報文起始發(fā)送節點(diǎn)標識符分為功能標識符(如轉速信號)和地址標識符(如控制單元節點(diǎn)地址)。CAN協(xié)議的最大特點(diǎn)是打破了傳統的節點(diǎn)地址編碼方式，而擴展了對通信數據塊進(jìn)行編碼方式。采用數據塊的標識符可用11位或29位二進(jìn)制表示，即可定義211或229個(gè)不同的數據類(lèi)型。即使對未來(lái)更復雜的汽車(chē)控制網(wǎng)絡(luò )其容量也足夠了。標識符的值越小，幀數據的優(yōu)先級越高。通過(guò)數據鏈路控制，每個(gè)接收器完成幀接收濾波確定此幀數據是否有效，實(shí)際汽車(chē)應用中一般采用不冗余的通信線(xiàn)路，而CAN協(xié)議提供強大的出錯診斷機制，在保證數據通信的可靠性方面起了重要作用。

    電控單元(ECU)連接至總線(xiàn)的電路是通過(guò)CAN物理層實(shí)現的，在實(shí)際應用中ECU的總數將受限于總線(xiàn)上的電氣負載。物理層按照網(wǎng)絡(luò )標準規范模型劃分有三種功能：物理信號完成與位表示、定時(shí)和同步相關(guān)的功能；物理媒體附屬裝置完成總線(xiàn)發(fā)送/接收功能并提供總線(xiàn)故障檢測方法；媒體相關(guān)接口完成物理層的機械和電氣接口。

    4CAN總線(xiàn)的應用及其接口設計

    4.1汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )設計

     除了命令和清求信息外，汽車(chē)的一些基本狀態(tài)信息(如發(fā)動(dòng)機轉速、車(chē)輪轉速、冷卻水溫度等)是大部分控制單元必須獲取的數據，控制單元采用廣播發(fā)式向總線(xiàn)發(fā)送。如果在同一時(shí)刻所有控制單元都向總線(xiàn)發(fā)送數據，將發(fā)生總線(xiàn)數據沖突，此時(shí)，CAN總線(xiàn)協(xié)議提出用標識符識別數據優(yōu)先權的總線(xiàn)仲裁。表2列出了汽車(chē)各電控單元產(chǎn)生及發(fā)送的數據類(lèi)型，及其他各單元對這些信息共享地程序。

    油量位置和轉速信號具有較高的優(yōu)先級，是因為它們的實(shí)時(shí)性要求強，并直接影響發(fā)動(dòng)機的動(dòng)力性、經(jīng)濟性和排放性能。

    4.2CAN接口設計

    本研究中，CAN總線(xiàn)被成功地用于電控柴油機標定系統，采用單片機系統與CAN控制器組成CAN標準接口。

    目前，CAN總線(xiàn)芯片有很多種，如PHILIPSSJA1000、INTEL82526、MOTOROLA68HC05、SIEMENSC167C等。

　　本文電路設計中選用SJA1000作為CAN控制器芯片，ECU的應用層由微處理器提供。連接各種類(lèi)型微處理器的CAN控制器SJA1000可完成物理層和數據鏈路層的所用功能，適用于汽車(chē)及一般工業(yè)環(huán)境，不但可以減少導線(xiàn)連接，并能增強診斷和監控能力。

    CAN節點(diǎn)通信接口的硬件設計如圖3所示。設計中，分別將微處理器的地址線(xiàn)、數據線(xiàn)和控制線(xiàn)引出，通過(guò)地址分配與片選對CAN控制器SJA1000進(jìn)行操作?？偩€(xiàn)數據信號采用高速線(xiàn)性光耦6N137 隔離，電源信號為＋5V的DC－DC隔離模塊，增強系統硬件利用抗干擾措施。82C250是CAN控制器和物理層總線(xiàn)之間的接口，具有抗汽車(chē)環(huán)境下的瞬間干擾、保護總線(xiàn)的能力。該器件可以提供對總線(xiàn)的差分發(fā)送能力和差分接收能力，與ISO/DIS11898標準完全兼容。

　　3CAN接口硬件電路設計

　　當通過(guò)濾波驗收的數據報文被接收后，將有兩種操作方式。一種是查詢(xún)方式，查詢(xún)接收狀態(tài)位被置高表示接收緩存器有數據；另一種是中斷方式，若接收中斷開(kāi)放位允許，則產(chǎn)生觸發(fā)中斷。由于SJA1000內部具有64bit接收緩沖器，對總線(xiàn)數據具有一定的緩存能力。通常系統采用主程序查詢(xún)方式對接收數據進(jìn)行處理，并用廣播方式發(fā)送，對特殊數據采用遠程幀申請方式，這樣更有利于程序對多個(gè)任務(wù)的結構化管理。

    通訊程序流程

    CAN 總線(xiàn)具有通信速率高、可靠性高、連接方便和性能價(jià)格比高等諸多優(yōu)勢。并且CAN應用系統的設計是依據國際標準(ISO11898)，各生產(chǎn)廠(chǎng)商的控制器有標準的輸入/輸出接口，所以該網(wǎng)絡(luò )是一個(gè)具有開(kāi)放性和靈活性的系統，可以在不要求所有節點(diǎn)及其應用層改變任何軟件和硬件的情況下，自由地增加或減少控制器節點(diǎn)。

    5結束語(yǔ)

    為了充分發(fā)揮電控單元在汽車(chē)控制中的作用，CAN通信網(wǎng)絡(luò )為全局優(yōu)化控制提供了條件。通過(guò)實(shí)際運用表明，CAN總線(xiàn)與其他通信方式相比具有顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)：

    a.組網(wǎng)自由，擴展性強，對復雜的汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )具有強大的優(yōu)勢；

    b.可根據數據內容確定通信優(yōu)先權，解決了轉速實(shí)時(shí)性和共享性的問(wèn)題；

    c.自動(dòng)的錯誤界定功能，簡(jiǎn)化了電控單元對通信的操作。

    d.由于數據通信協(xié)議的標準性和開(kāi)放性，故本文中的接口電路具有一定的推廣意?系統，并且被眾多工業(yè)控制系統采用，尤其是傳輸速率較高而對實(shí)時(shí)性及可靠性要求高的場(chǎng)合，它是一種十分有效的通信方式。