基于CAN總線的汽車電氣控制系統(tǒng)設(shè)計

張宇

摘要：在進行CAN總線為基礎(chǔ)的汽車電氣控制系統(tǒng)設(shè)計時，需要將實驗平臺分為兩個不同的節(jié)點，而在整個實驗的過程中，需要對整體的ECU節(jié)點進行研究，保證企業(yè)電氣控制系統(tǒng)能夠?qū)ζ嚨恼＿\行進行有效的控制，保證汽車電氣控制系統(tǒng)的合理性和科學(xué)性。

關(guān)鍵詞：CAN 總線；汽車；電氣控制系統(tǒng)

隨著汽車技術(shù)的飛速發(fā)展，汽車電子化程度越來越高，傳統(tǒng)點對點通信方式已經(jīng)不能適應(yīng)汽車電子設(shè)備控制和數(shù)據(jù)通信的要求，汽車總線技術(shù)已經(jīng)勢在必行，在汽車上建立作為總線技術(shù)基礎(chǔ)的汽車電氣控制系統(tǒng)問題自然成為汽車電子領(lǐng)域廣受關(guān)注的研究熱點。如今，以總線技術(shù)為依托，對汽車的電氣控制系統(tǒng)進行有效構(gòu)建，已經(jīng)成為當前領(lǐng)域內(nèi)部關(guān)注的重點。而以CAN 為基礎(chǔ)的總線技術(shù)，以其線路簡單、擴展方便、抗干擾性強、傳輸速度快等優(yōu)勢，越來越受到汽車電子領(lǐng)域的重視，但由于該技術(shù)的成本相對較高，我國很多大型客車還無法對其廣泛運用，因此，需要對該技術(shù)進行進一步研究。

一、汽車電氣控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀

汽車電氣控制系統(tǒng)需要許多驅(qū)動大功率的用電器件，如遠光燈、近光燈、前后轉(zhuǎn)向信號燈、剎車燈、前后雨刮器電機、電動車窗、電動后視鏡、空調(diào)壓縮機等行車必須的用電設(shè)備。大型客車更有電視機、飲水機、通道燈、閱讀燈等服務(wù)于乘客的用電設(shè)備。汽車底盤也有許多傳感器如速度傳感器、水溫傳感器、機油傳感器、剎車傳感器、擋位傳感器等，加上諸多開關(guān)如門開關(guān)、發(fā)動機艙開關(guān)和儀表盤的各種開關(guān)等。這些設(shè)備和傳感器都需要通過導(dǎo)線送到中央控制器上，或從中央控制器送下來，形成了大量導(dǎo)線捆成的線扎，這種傳統(tǒng)的汽車電氣控制方式稱為點對點的控制方式，

隨著車上電子裝置的增加使連接的電子線路迅速膨脹，線束越來越復(fù)雜。在汽車設(shè)計、裝配、維護中的負擔(dān)甚至到了無法承受的程度，而且線路接頭的增加是引起安全問題的隱患。另外線的重量和占用的空間也都是值得考慮的問題，重量的增加意味著降低效率。線路體積太大在相對運動的部分之間過線非常困難，如車門窗的線束，所以在電子裝置不斷增加的情況下，減少線束成為一個必須解決的問題。傳統(tǒng)上采用點到點平行連接方式顯然無法擺脫這種困境，基于串行信息傳輸?shù)钠囯姎饪刂葡到y(tǒng)成為一種必然的選擇。

二、某大型客車以CAN 為基礎(chǔ)的總線技術(shù)應(yīng)用

1、CAN 總線。在眾多現(xiàn)場總線技術(shù)中，CAN 總線技術(shù)是當前比較先進的技術(shù)，屬于多主總線系統(tǒng)，在信號傳輸?shù)倪^程中，其速度可以達到每秒鐘1Mb，通常的出現(xiàn)形式為差分電壓，其通信介質(zhì)也相對較多，主要包括光導(dǎo)纖維、雙絞線、同軸電纜等。在CAN 總線中，系統(tǒng)的控制器可以實現(xiàn)CAN 協(xié)議中鏈路層與物理層的相關(guān)功能，不僅可以使數(shù)據(jù)完成成幀，還可以實現(xiàn)零位的插入與刪除等相關(guān)工作。該協(xié)議與傳統(tǒng)系統(tǒng)的最大不同之處便在于，運用數(shù)據(jù)塊來代替站地址實現(xiàn)編碼，從理論角度來看，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的個數(shù)比較隨意，數(shù)據(jù)塊標識碼主要是由二進制數(shù)組成的，在對數(shù)據(jù)塊進行制定的過程中，也可以根據(jù)實際情況將其定義成211 或229 個。另外，CAN 協(xié)議在通信過程中的可靠性與實時性也都相對較高，在運用過程中的綜合性價比較高，有非常廣大的應(yīng)用前景。

2、整體架構(gòu)。所選用的系統(tǒng)平臺為比較有代表性的某品牌大型客車，以汽車的電氣設(shè)備配置需求為基礎(chǔ)，系統(tǒng)主要分為主、前、后、左、右ECU 節(jié)點，在運用CAN 總線的過程中，選用的是星形拓撲結(jié)構(gòu)，前、后、左、右四個節(jié)點主要實現(xiàn)的是對就近29 路相關(guān)開關(guān)信息的有效采集，在完成采集工作以后，需要以通信協(xié)議為基礎(chǔ)，形成一幀報文信息，并將其向主節(jié)點傳輸。主節(jié)點需要對接收到的信息進行有針對性的判斷與分析，得出相應(yīng)結(jié)果，并將此結(jié)果一通信協(xié)議為基礎(chǔ)，分別反饋給其余四個節(jié)點。四個節(jié)點需要對反饋信息進行濾波，以UART 總線為依托，向相關(guān)的控制模塊中傳輸功率負載，從而實現(xiàn)對功率輸出的有效驅(qū)動。單片機是控制功率輸出過程中相關(guān)邏輯的重要裝置，該裝置也能夠?qū)崿F(xiàn)對開關(guān)信息的有效采集，其中包含了32個I/O 口，如通信口、輸出口等，所以，節(jié)點的設(shè)計是實現(xiàn)信息采集與負載輸出的關(guān)鍵。對于整個汽車電氣控制系統(tǒng)來說，CAN 總線是通信介質(zhì)的主要提供平臺，汽車運行過程中所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)信息，可以以CAN 總線為基礎(chǔ)，在不同電子單元中實現(xiàn)相互共享，也可以實現(xiàn)對控制信號的有效交換，從而在很大程度上提升了汽車電控對信息的利用率，達到通過信息流對汽車系統(tǒng)實現(xiàn)驅(qū)動的最終目的。

3、ECU 節(jié)點。ECU 節(jié)點是整個系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，主要由CAN 通信、信息采集、功率輸出以及處理器等部分組成，在軟件設(shè)計過程中，需要根據(jù)實際情況在相應(yīng)位置寫入有針對性的應(yīng)用程序，在運用過程中表現(xiàn)出非常強大的移植性。ECU 節(jié)點中主要以下幾種端口：第一，功率負載輸出驅(qū)動口，在運行過程中，最高可以實現(xiàn)30A 電流的有效輸出，對汽車上的所有負載都能夠進行直接驅(qū)動，避免了傳統(tǒng)控制中產(chǎn)生的安全隱患。第二，開關(guān)量輸出口，實現(xiàn)對汽車運行中所有開關(guān)量的有效采集，如果開關(guān)處于閉合狀態(tài)，則輸出口的電平相對較低；如果開關(guān)處于斷開狀態(tài)，則輸出口的電平相對較高。第三，CAN 通信接口，為整個系統(tǒng)的運行提供通信線，創(chuàng)造相對穩(wěn)定的外圍接口。第四，電源輸入口，主要是為系統(tǒng)提供有效的電源輸入，讓所有控制單元都能夠運用發(fā)電機或車載電池來實現(xiàn)發(fā)電。

如果在CAN 總線中存在相關(guān)的報文信息，則通信模塊便會對這些信息進行驗收濾波，在完成這項工作以后，便可以觸發(fā)中斷，這些信號便可以傳輸?shù)街魈幚砥髦羞M行讀取，之后將接收緩沖區(qū)釋放出來，實現(xiàn)對報文信息的格式轉(zhuǎn)換，在運用UART 總線，將信息向功率輸出控制模塊中發(fā)送，然后這些信息便可以以一定的順序為基礎(chǔ)，傳入到單片機中的I/O 口中，實現(xiàn)對負載功率輸出的有效控制。開關(guān)信息采集可以實現(xiàn)對開關(guān)輸入點的循環(huán)檢測，并將開關(guān)狀態(tài)向主處理器傳輸，如果發(fā)現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)信息存在問題，還可以通過報文信息的方式，以通信模塊為基礎(chǔ)，向CAN 總線上進行發(fā)送。

4、軟件架構(gòu)。從功能的角度上來看，整個系統(tǒng)的軟件架構(gòu)大致可以分成驅(qū)動、轉(zhuǎn)換、處理通信等三個主要層次。其中，驅(qū)動層中主要包含了輸入與輸出兩方面驅(qū)動，同樣的，轉(zhuǎn)換層中也主要可以分為輸出與輸出兩方面轉(zhuǎn)換。為了完成每一層之間的有效通信，系統(tǒng)中主要包含了以下三種消息：其一，狀態(tài)消息，主要實現(xiàn)的是驅(qū)動層與轉(zhuǎn)換層之間的通信；其二，接口消息，主要實現(xiàn)的是輸入與輸出轉(zhuǎn)換層之間的通信；第三，器件消息，主要實現(xiàn)的是處理通信層與轉(zhuǎn)換層之間的通信。驅(qū)動層中輸入驅(qū)動的主要任務(wù)是轉(zhuǎn)換輸入引腳的電平，便能夠?qū)⑥D(zhuǎn)換所得到的信息向轉(zhuǎn)換層中發(fā)送；驅(qū)動層中輸出驅(qū)動的主要任務(wù)是將轉(zhuǎn)換層中得到的信息，重新轉(zhuǎn)換成實際引腳。轉(zhuǎn)換層中輸入轉(zhuǎn)換的主要任務(wù)是將驅(qū)動層中得到的狀態(tài)信息，轉(zhuǎn)換成器件消息，向處理層進行發(fā)送，從而分析其邏輯狀態(tài)；轉(zhuǎn)換層中輸出轉(zhuǎn)換的主要任務(wù)是將處理層中得到的器件消息轉(zhuǎn)換為輸出信息，向驅(qū)動層中進行發(fā)送。通信層可以以通信模塊為基礎(chǔ)，實現(xiàn)每個轉(zhuǎn)換層與處理層的信息交換。

總之，系統(tǒng)實驗平臺在運行過程中主要分為兩個主要節(jié)點，其一為汽車電氣模擬實驗，其二為某品牌大型客車。整個實驗過程嚴格以CAN 協(xié)議為基礎(chǔ)，主要的構(gòu)造內(nèi)容為主、前、后、左、右ECU 節(jié)點，可以實現(xiàn)汽車在運行過程中，各種信號的采集、汽車儀表的顯示以及電氣設(shè)備的控制。

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