基于DSP的高低速CAN總線(xiàn)汽車(chē)控制系統設計

　　隨著(zhù)現代汽車(chē)性能的不斷提升，新的控制功能不斷增加，如中央門(mén)鎖、燈光控制、玻璃升降、后視鏡調節、天窗控制、座椅調節和點(diǎn)火延時(shí)控制等。傳統的控制系統多采用繼電器和獨立模式控制，使得車(chē)內線(xiàn)束過(guò)多且布線(xiàn)復雜，從而造成了嚴重的電磁干擾，導致系統的可靠性下降。目前，很多汽車(chē)采用CAN總線(xiàn)將整個(gè)汽車(chē)控制系統聯(lián)系起來(lái)統一管理，實(shí)現數據共享和相互之間協(xié)同工作，使車(chē)內線(xiàn)束布線(xiàn)方便可靠，提高了汽車(chē)整體的安全性和性?xún)r(jià)比，增強了自身的競爭力。而各個(gè)控制單元對系統的響應時(shí)間要求不一樣，如防抱死制動(dòng)系統（ABS）、驅動(dòng)防滑系統（ASR）、電控行駛平穩系統（ESP）、安全氣囊（SRS）等對系統實(shí)時(shí)性要求較高；照明控制、空調控制等對系統的響應時(shí)間要求則相對較低。

　　由于計算機控制單元越來(lái)越多，采用單網(wǎng)絡(luò )CAN總線(xiàn)負荷越來(lái)越重，通過(guò)以DSP作為系統主控制器并兼作網(wǎng)關(guān)（對CAN總線(xiàn)間待傳數據信息作智能化處理，確保只有某類(lèi)特定的信息才能在網(wǎng)絡(luò )間傳輸），對實(shí)時(shí)性要求較高的控制單元采用高速CAN網(wǎng)絡(luò )傳輸，對實(shí)時(shí)性要求相對較低的控制單元采用低速CAN網(wǎng)絡(luò )傳輸，不僅可以提高系統抗電磁干擾性，而且還可以簡(jiǎn)化傳輸線(xiàn)束，提高傳輸可靠性。

　　1. 基于DSP的汽車(chē)計算機控制系統

　　1.1 TMS320LF2407A功能簡(jiǎn)介

　　選用TI公司的16位定點(diǎn)DSP TMS320LF2407A作為主控制器并兼作網(wǎng)關(guān)。該型DSP系統時(shí)鐘可達40M，運算速度為40MIPS, 片內有高達32K字FLASH程序存儲器，高達1.5K字的數據/程序RAM以及2K字的SARAM和544字的DARAM，內嵌16通道10位的A/D轉換器、SPI/SCI/CAN2.0B模塊以及看門(mén)狗定時(shí)器模塊，資源豐富，接口方便，特別適合于象汽車(chē)計算機控制等實(shí)時(shí)性和可靠性要求很高、電磁干擾嚴重的場(chǎng)合。

　　1.2 系統實(shí)現

　　汽車(chē)計算機控制系統已經(jīng)廣泛涉及到動(dòng)力、安全、環(huán)保、節能、舒適等諸多方面，各種控制系統的電控單元（ECU）相互緊密聯(lián)系，需要進(jìn)行大量數據的實(shí)時(shí)通信，而且為了滿(mǎn)足各子系統的實(shí)時(shí)性要求必須對汽車(chē)公共數據進(jìn)行共享。因此在構建CAN總線(xiàn)控制系統中，總是希望CAN通信控制網(wǎng)絡(luò )具有較高的波特率和可靠性。但若整輛汽車(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)行數據通信，就很容易出現總線(xiàn)負載過(guò)大，導致系統實(shí)時(shí)響應速率下降。因而在對汽車(chē)各節點(diǎn)的實(shí)時(shí)性進(jìn)行分析后，設計了基于TMS320LF2407A的高低速CAN通信網(wǎng)絡(luò )，將實(shí)時(shí)性要求較高的節點(diǎn)組成高速CAN通信網(wǎng)絡(luò )，將實(shí)時(shí)性要求相對較低的節點(diǎn)組成低速CAN通信網(wǎng)絡(luò )，并架設網(wǎng)關(guān)將這兩種速率不同的CAN通信網(wǎng)絡(luò )連接起來(lái)，實(shí)現全部節點(diǎn)之間的數據共享。整輛汽車(chē)的通信網(wǎng)絡(luò )拓撲結構如圖1所示。

　　圖1中的發(fā)動(dòng)機控制、變速箱控制、ABS/ASR/ESP控制和SRS控制是現代汽車(chē)動(dòng)作的核心部件，對時(shí)間響應要求嚴格，因而在本設計中采用傳輸速率為500Kbps的高速CAN通信網(wǎng)絡(luò )；空調管理、儀表管理、照明管理和姿態(tài)管理（如玻璃升降、后視鏡調節、天窗控制、座椅調節和雨刷管理等）的實(shí)時(shí)性要求相對較低，采用速率為125Kbps的低速CAN 通信網(wǎng)絡(luò )，主控制器跨接高、低速兩條總線(xiàn)，與各節點(diǎn)進(jìn)行數據交換，兼起網(wǎng)關(guān)的作用。

　　1.3 控制系統的電控單元與CAN總線(xiàn)接口設計

　　根據系統設計要求，采用TMS320LF2407A作為主控制器，汽車(chē)計算機控制系統的電控單元與CAN總線(xiàn)連接方式如圖2所示。

　　通過(guò)TMS320LF2407A內嵌的CAN控制器可以很方便的實(shí)現物理層和數據鏈路層的功能。CANH和CANL是CAN總線(xiàn)的兩條差分接收/發(fā)送復用線(xiàn)路，它們的端點(diǎn)各接一個(gè)Ω120的總線(xiàn)匹配電阻。當有節點(diǎn)占有CAN總線(xiàn)時(shí)，該節點(diǎn)的發(fā)送端（電平為3.5V）接CANH，接收端（電平為1.5V）接CANL；當無(wú)節點(diǎn)占有CAN總線(xiàn)時(shí)，CANH和CANL上的電平均為2.5V。在TMS320LF2407A和總線(xiàn)收發(fā)器PCA82C250之間采用高速光電隔離器6N137，可有效防止干擾信號通過(guò)PCA82C250傳入主控制器；同時(shí)對整個(gè)系統還進(jìn)行了金屬屏蔽，傳輸線(xiàn)采用屏蔽雙絞線(xiàn)，以減少電磁干擾。

　　2. 硬件接口電路設計

　　CAN通信網(wǎng)絡(luò )接口由TMS320LF2407A的CAN控制器、CAN總線(xiàn)收發(fā)器PCA82C250以及光電隔離器6N137組成。CAN節點(diǎn)通信接口的硬件設計電路如圖3所示。為了便于調試和演示，節點(diǎn)模塊都包括CAN接口、RS232接口和液晶顯示器。在調試過(guò)程中，液晶顯示器用來(lái)將本地數據和通過(guò)CAN總線(xiàn)接收的數據直觀(guān)地顯示出來(lái)，RS232接口在需要的情況下可用來(lái)與PC機建立通信?？偩€(xiàn)數據信號通過(guò)高速光電隔離器6N137隔離，PCA82C250是CAN控制器和物理層之間的接口，可以提供對總線(xiàn)數據的差分接收和發(fā)送能力，具有在汽車(chē)環(huán)境下抗瞬間干擾、保護總線(xiàn)的能力。

　　3. 軟件設計

　　本系統軟件由系統主程序和高低速CAN網(wǎng)絡(luò )單元軟件組成，軟件流程如圖4和5所示。

　　高速CAN通信網(wǎng)絡(luò )負責對實(shí)時(shí)性要求較高的控制單元動(dòng)作的采集、處理和傳送，一旦系統檢測到有動(dòng)作信號，將開(kāi)放中斷，調用相應的中斷子程序，經(jīng)DSP處理后通過(guò)高速CAN網(wǎng)絡(luò )傳送到相應控制單元的ECU，由控制單元ECU對控制對象進(jìn)行控制。如果沒(méi)有檢測到高速CAN網(wǎng)絡(luò )忙，就檢測低速CAN網(wǎng)絡(luò )，在沒(méi)有高速CAN網(wǎng)絡(luò )中斷的前提下調用相應的子程序響應相應的動(dòng)作。低速CAN網(wǎng)絡(luò )單元軟件流程與低速CAN網(wǎng)絡(luò )單元類(lèi)似，主要區別是低速CAN網(wǎng)絡(luò )單元采用查詢(xún)方式，數據廣播用于實(shí)現控制系統中的數據共享。

　　4. 結論

　　CAN 總線(xiàn)作為一種可靠的汽車(chē)計算機網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)已在許多先進(jìn)汽車(chē)上得到應用,使得各汽車(chē)計算機控制單元能夠通過(guò)CAN 總線(xiàn)共享所有信息和資源,達到簡(jiǎn)化布線(xiàn)、減少傳感器數量、避免控制功能重復、提高系統可靠性、降低成本、更好地匹配和協(xié)調各個(gè)控制系統的目的。本設計采用了數字信號處理器TMS320LF2407A 作主控制器兼作網(wǎng)關(guān), 可在不同節點(diǎn)間實(shí)現高效數據傳輸，提高了系統的實(shí)時(shí)性和可靠性，采用高低速CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信控制方式，可以較大提高總線(xiàn)的利用率和系統的響應速度，基本達到預期的目標。

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