CAN總線在汽車性能檢測線中的應(yīng)用分析

趙玲娜 陳昊

摘要：隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展和信息科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，現(xiàn)代電子技術(shù)與信息技術(shù)逐漸被廣泛的應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域的生產(chǎn)管理工作中，汽車行業(yè)也不例外。本文從CAN總線的位數(shù)值表示與通信的距離、CAN總線的報(bào)文傳輸技術(shù)、CAN總線的仲裁機(jī)制以及CAN總線的技術(shù)優(yōu)勢四個(gè)方面入手，對CAN總線的特點(diǎn)展開分析，同時(shí)對CAN總線在汽車性能檢測線中的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行深入研究。

關(guān)鍵詞：CAN總線；通信技術(shù)；仲裁機(jī)制；汽車性能檢測

前言：

在信息時(shí)代，汽車作為人們出行的主要交通工具，越來越多高新技術(shù)逐漸被的應(yīng)用到汽車的生產(chǎn)與制造中，由電子控制單元控制的部件數(shù)量在汽車整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用頻率也越來越高。比如：數(shù)字式電控燃油噴射系統(tǒng)以及防抱死控制系統(tǒng)等等，為使用者提供便利的同時(shí)，也為汽車性能的檢測工作帶來更大的難度。而CAN總線技術(shù)憑借一系列技術(shù)優(yōu)勢，在汽車性能檢測線中的應(yīng)用發(fā)揮著重要作用。

一、CAN總線的特點(diǎn)

（一）CAN總線的位數(shù)值表示與通信的距離

CAN總線協(xié)議主要是建立在國際標(biāo)準(zhǔn)組織開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，CAN總線的模型結(jié)構(gòu)主要分為物理層、數(shù)據(jù)鏈層以及應(yīng)用層這三層。1986年德國某工業(yè)企業(yè)首次提出了CAN總線概念，并將其靈活的應(yīng)用到汽車內(nèi)部各類傳感器與執(zhí)行器的性能檢測過程中，同時(shí)CAN總線憑借自身較強(qiáng)的可靠性與安全性被眾多汽車開發(fā)商所青睞。在研究CAN總線的特征這一問題時(shí)，CAN總線的位數(shù)值表示通信距離，主要體現(xiàn)在CAN總線總線的邏輯互補(bǔ)方面，即：利用顯性與隱性這兩個(gè)互補(bǔ)的邏輯值來代表“0”和“1”。此外，CAN總線的通信距離最遠(yuǎn)可以達(dá)到10㎞以上，這時(shí)的位速率可以達(dá)到5kbps，最長的通信距離可達(dá)40m。

（二）CAN總線的報(bào)文傳輸技術(shù)

CAN總線的報(bào)文傳輸技術(shù)也被稱為數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，其報(bào)文傳輸大多會以多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)中的任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)，都可以隨時(shí)向網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)主動發(fā)送數(shù)據(jù)信息，而且不分主從。CAN總線的報(bào)文傳輸（數(shù)據(jù)傳輸）采用幀格式，并按照幀格式的不同，可以將其分為具有11位標(biāo)識符的標(biāo)準(zhǔn)幀以及具有29位標(biāo)識符的擴(kuò)展幀。CAN總線中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)一般只需要對數(shù)據(jù)的標(biāo)識符濾波，便可以輕松實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的發(fā)送和接受。比如：CAN節(jié)點(diǎn)通過對報(bào)文的標(biāo)識符采取濾波操作，從而實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對多點(diǎn)或者點(diǎn)對點(diǎn)，甚至是全局廣播等多種不同的數(shù)據(jù)傳輸方式。

（三）CAN總線的仲裁機(jī)制

CAN總線的仲裁機(jī)制，只要是處于總線空閑的狀態(tài)，則系統(tǒng)內(nèi)部任何單元都可以開始主動發(fā)送報(bào)文。如果存在兩個(gè)節(jié)點(diǎn)或者兩個(gè)以上CAN節(jié)點(diǎn)共同開始發(fā)送報(bào)文時(shí)，則很容易發(fā)生總線訪問沖突等問題。面對這種情況，可以借助使用標(biāo)識符諸位仲裁的方式，對產(chǎn)生的總線訪問沖突等問題進(jìn)行有效解決。CAN總線的仲裁機(jī)制，主要任務(wù)是為報(bào)文傳輸?shù)耐暾蕴峁┍Ｕ?，通過CAN總線的仲裁機(jī)制，有效避免報(bào)文與時(shí)間出現(xiàn)損失。比如：當(dāng)含有相同標(biāo)識符的數(shù)據(jù)幀與遠(yuǎn)程幀同時(shí)開始報(bào)文發(fā)送時(shí)，數(shù)據(jù)幀比遠(yuǎn)程幀優(yōu)先發(fā)送，從而避免沖突問題。在CAN總線仲裁期間內(nèi)，每一個(gè)發(fā)送器都會對CAN總線實(shí)施監(jiān)測，只有確保發(fā)送電平與接受電平相同時(shí)，該CAN節(jié)點(diǎn)才可以正常進(jìn)行報(bào)文傳輸。

（四）CAN總線的技術(shù)優(yōu)勢

與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有更高的可靠性、靈活性以及實(shí)時(shí)性等特點(diǎn)，具體特性表現(xiàn)如下：第一，CAN總線具有非常高的性價(jià)比，由于自身簡單的結(jié)構(gòu)以及相關(guān)器件購置容易，所以CAN節(jié)點(diǎn)的價(jià)格也相對較低，同時(shí)CAN總線開放過程中也可以靈活的借助當(dāng)前先進(jìn)的單片機(jī)開發(fā)工具；第二，CAN總線是當(dāng)前唯一一個(gè)具有國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線類型[1]；第三，CAN總線為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)中的任意節(jié)點(diǎn)可以在任意時(shí)間進(jìn)行信息的主動傳輸，且不需要站地址等節(jié)點(diǎn)信息；第四，CAN總線中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息一般會分為不同優(yōu)先級，這樣可以更好的滿足不同的實(shí)時(shí)需求。

二、CAN總線在汽車性能檢測線中的應(yīng)用

（一）系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

CAN總線在汽車性能檢測線系統(tǒng)中的應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)主要由一個(gè)主控節(jié)點(diǎn)、三個(gè)工位節(jié)點(diǎn)以及一個(gè)登陸節(jié)點(diǎn)三個(gè)部分共同組成。其中主控階段主要負(fù)責(zé)對汽車性能檢測線系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，并按照一定的要求對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、分析、整合以及相關(guān)檢測結(jié)果報(bào)表的打印等一系列工作；登錄節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是對待檢測車輛的基本參數(shù)進(jìn)行錄入，同時(shí)負(fù)責(zé)對汽車檢測類型進(jìn)行申報(bào)；三個(gè)工位節(jié)點(diǎn)的任務(wù)主要是對待檢測汽車性能的基本參數(shù)進(jìn)行集采，并通過對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行的初步處理，利用驅(qū)動顯示屏向使用者顯示相關(guān)提示信息。在實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，主控機(jī)與登錄機(jī)可以使用PC機(jī)，工位機(jī)可以使用微控制器。

（二）CAN-PC機(jī)接口的電路設(shè)計(jì)

CAN-PC機(jī)接口的電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]，整個(gè)結(jié)構(gòu)主要由外圍電路、CAN收發(fā)器、可編程邏輯芯片以及控制器等幾個(gè)部分組成。其中CAN控制器主要是負(fù)責(zé)完成CAN總線的報(bào)文傳輸、報(bào)文濾波以及對CAN總線通信中可能出現(xiàn)的一系列問題進(jìn)行處理；CAN收發(fā)器的主要作用是進(jìn)一步提升CAN總線的整體驅(qū)動能力；可編輯邏輯芯片主要被用于產(chǎn)生CAN控制器和PC機(jī)接口所需要的控制信號；外圍電路主要涉及到CAN總線控制器運(yùn)行所需要用到的晶振電路以及復(fù)位電路等等。

（三）工位節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

CAN總線在汽車性能檢測線系統(tǒng)中的應(yīng)用，其工位節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)工作主要涉及到到以下三個(gè)方面的內(nèi)容：

第一，信號類型及處理。在實(shí)際的汽車性能檢測線中，不同的檢測信號種類往往需要經(jīng)過不同的信號處理電路，才可以將其轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信號，并最終發(fā)送到系統(tǒng)內(nèi)部的微控制器中進(jìn)行相應(yīng)的處理工作。比如：汽車煙度計(jì)、燈光以及尾氣分析，其檢測儀器所輸出的點(diǎn)評信號均為RS-232，這時(shí)需要利用電平轉(zhuǎn)換電路，將上述的RS-232電平信號向著TTL電平信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換；而速度信號的開關(guān)量信號則需要經(jīng)過光電耦合電路，通過光電耦合電路調(diào)理之后再發(fā)送給微控制器；

第二，CAN接口電路設(shè)計(jì)。CAN接口電路設(shè)計(jì)主要是由CAN收發(fā)器、CAN控制器以及外圍電路幾個(gè)部分組成。為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)CAN控制器與CAN總線之間的電氣隔離，可以在CAN控制器與CAN收發(fā)器兩者之間增加兩片高速光電耦合器；

第三，工位節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)。工位節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)主要涉及到CAN發(fā)送程序設(shè)計(jì)、CAN接收程序設(shè)計(jì)以及CAN初始化程序設(shè)計(jì)幾項(xiàng)內(nèi)容。其中CAN初始化程序設(shè)計(jì)主要針對CAN控制器的模式寄存器、CAN總線定時(shí)寄存器以及時(shí)針分頻寄存器等系統(tǒng)內(nèi)部寄存器的數(shù)值來判斷CAN控制器的工作模式[3]。

綜上所述，隨著電子技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展以及大規(guī)模集成電路的快速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)控制芯片的性能以及體積都得到了明顯的優(yōu)化，為CAN總線技術(shù)在汽車性能檢測線中的應(yīng)用創(chuàng)造更加便利的條件。為了進(jìn)一步保證CAN總線技術(shù)可以在汽車性能檢測線的應(yīng)用中發(fā)揮出最大作用，需要從CAN-PC機(jī)接口的電路設(shè)計(jì)和工位節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)兩個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮。只有切實(shí)認(rèn)識到CAN總線技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值，才能有效的提高汽車性能檢測效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱福成.汽車CAN總線系統(tǒng)故障診斷技術(shù)淺析[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2018，35（01）：76-80.

[2]李靜.基于CAN總線的新型汽車儀表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南京郵電大學(xué)，2017.

[3]杜華程，許同樂，黃湘俊，楊艷輝.基于CAN總線的智能傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng)，2015，34（02）：82-84.