基于汽車(chē)CAN總線(xiàn)的汽車(chē)電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

石德恩

摘要：算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制技術(shù)，將信息技術(shù)運(yùn)用到汽車(chē)上，用實(shí)時(shí)、全面、有效的信息流來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)，以分布式控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)構(gòu)造汽車(chē)電氣控制系統(tǒng)，簡(jiǎn)化汽車(chē)車(chē)身線(xiàn)束，提高電控單元信息利用率，實(shí)現(xiàn)共享傳輸大批量數(shù)據(jù)信息。

關(guān)鍵詞：CAN總線(xiàn)；汽車(chē)電氣控制

在當(dāng)前，電子信息技術(shù)的發(fā)展越來(lái)越成熟，其在各行各業(yè)中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，而其在汽車(chē)領(lǐng)域中的應(yīng)用結(jié)束了汽車(chē)電氣控制系統(tǒng)的單束運(yùn)營(yíng)模式，這為汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展迎來(lái)了新的發(fā)展高潮。通過(guò)CAN總線(xiàn)作為汽車(chē)電氣控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其實(shí)現(xiàn)了對(duì)電氣控制系統(tǒng)的有效構(gòu)建，這對(duì)我國(guó)的汽車(chē)行業(yè)發(fā)展具有非常大的促進(jìn)作用。

一、汽車(chē)電氣控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀

汽車(chē)電氣控制系統(tǒng)需要許多驅(qū)動(dòng)大功率的用電器件，如遠(yuǎn)光燈、近光燈、前后轉(zhuǎn)向信號(hào)燈、剎車(chē)燈、前后雨刮器電機(jī)、電動(dòng)車(chē)窗、電動(dòng)后視鏡、空調(diào)壓縮機(jī)等行車(chē)必須的用電設(shè)備。汽車(chē)底盤(pán)也有許多傳感器如速度傳感器、水溫傳感器、機(jī)油傳感器、剎車(chē)傳感器、擋位傳感器等等，加上諸多開(kāi)關(guān)如門(mén)開(kāi)關(guān)、發(fā)動(dòng)機(jī)艙開(kāi)關(guān)和儀表盤(pán)的各種開(kāi)關(guān)等。這些設(shè)備和傳感器都需要通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)送到中央控制器上，或從中央控制器送下來(lái)，形成了大量導(dǎo)線(xiàn)捆成的線(xiàn)扎，這種傳統(tǒng)的汽車(chē)電氣控制方式稱(chēng)為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的控制方式，如圖1所示。隨著車(chē)上電子裝置的增加使連接的電子線(xiàn)路迅速膨脹，線(xiàn)束越來(lái)越復(fù)雜。在汽車(chē)設(shè)計(jì)、裝配、維護(hù)中的負(fù)擔(dān)甚至到了無(wú)法承受的程度，而且線(xiàn)路接頭的增加是引起安全問(wèn)題的隱患。另外線(xiàn)的重量和占用的空間也都是值得考慮的問(wèn)題，重量的增加意味著降低效率。線(xiàn)路體積（直徑）太大在相對(duì)運(yùn)動(dòng)的部分之間過(guò)線(xiàn)非常困難，如車(chē)門(mén)窗的線(xiàn)束，所以在電子裝置不斷增加的情況下，減少線(xiàn)束成為一個(gè)必須解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)上采用點(diǎn)到點(diǎn)平行連接方式顯然無(wú)法擺脫這種困境，基于串行信息傳輸?shù)钠?chē)電氣控制系統(tǒng)成為一種必然的選擇。

二、CAN總線(xiàn)

在許多現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)中，CAN總線(xiàn)技術(shù)是目前較為先進(jìn)的技術(shù)，屬于多主總線(xiàn)系統(tǒng)。在信號(hào)傳輸過(guò)程中，其速度可以達(dá)到每秒1Mb，而通常的外觀(guān)形式是差分電壓和其通信媒介，主要包括光纖、雙絞線(xiàn)、同軸電纜等。在CAN總線(xiàn)中，系統(tǒng)的控制器可以實(shí)現(xiàn)CAN協(xié)議中鏈路層和物理層的相關(guān)功能，數(shù)據(jù)不僅可以成幀，還可以執(zhí)行零插入和刪除操作。協(xié)議與傳統(tǒng)系統(tǒng)最大的區(qū)別在于使用數(shù)據(jù)塊代替站地址來(lái)實(shí)現(xiàn)編碼。從理論上講，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)量是比較隨意的，數(shù)據(jù)塊識(shí)別碼主要由二進(jìn)制數(shù)組成。根據(jù)實(shí)際情況，配制數(shù)據(jù)塊的過(guò)程也可以定義為211或229。另外，CAN協(xié)議在通信過(guò)程中的可靠性和實(shí)時(shí)性也較高，應(yīng)用過(guò)程中整體成本效益較高，具有很廣的應(yīng)用前景。

三、整體架構(gòu)

本文所選用的系統(tǒng)平臺(tái)為比較有代表性的某品牌大型客車(chē)，以汽車(chē)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、右五個(gè)ECU節(jié)點(diǎn)，在運(yùn)用CAN總線(xiàn)的過(guò)程中，選用的是星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，前、后、左、右四個(gè)節(jié)點(diǎn)主要實(shí)現(xiàn)的是對(duì)就近29路相關(guān)開(kāi)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(bào)文信息，并將其向主節(jié)點(diǎn)傳輸。主節(jié)點(diǎn)需要對(duì)接收到的信息進(jìn)行有針對(duì)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(gè)節(jié)點(diǎn)。四個(gè)節(jié)點(diǎn)需要對(duì)反饋信息進(jìn)行濾波，以UART總線(xiàn)為依托，向相關(guān)的控制模塊中傳輸功率負(fù)載，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)功率輸出的有效驅(qū)動(dòng)。單片機(jī)是控制功率輸出過(guò)程中相關(guān)邏輯的重要裝置，該裝置也能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)信息的有效采集，其中包含了32個(gè)I/O口，如通信口、輸出口等，所以，節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)信息采集與負(fù)載輸出的關(guān)鍵。對(duì)于整個(gè)汽車(chē)電氣控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，CAN總線(xiàn)是通信介質(zhì)的主要提供平臺(tái)，汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)信息，可以以CAN總線(xiàn)為基礎(chǔ)，在不同電子單元中實(shí)現(xiàn)相互共享，也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)控制信號(hào)的有效交換，從而在很大程度上提升了汽車(chē)電控對(duì)信息的利用率，達(dá)到通過(guò)信息流對(duì)汽車(chē)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)的最終目的。

四、ECU節(jié)點(diǎn)

通過(guò)研究可以得知，ECU是當(dāng)前汽車(chē)的控制系統(tǒng)中最為重要的組成部分之一，其組成包括CAN通信以及功率的輸出等，而在對(duì)汽車(chē)電氣控制系統(tǒng)的控制軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)不同ECU節(jié)點(diǎn)的作用和位置進(jìn)行研究和了解，然后針對(duì)性地進(jìn)行相關(guān)控制程序的應(yīng)用，而在對(duì)ECU進(jìn)行使用的過(guò)程中，其體現(xiàn)了強(qiáng)大的移植性。對(duì)于當(dāng)前汽車(chē)電氣控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，其ECU節(jié)點(diǎn)存在著幾種不同的端口，首先是對(duì)功率的負(fù)載進(jìn)行輸出的驅(qū)動(dòng)口，這一端口能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)所有負(fù)載的驅(qū)動(dòng)，而最高的輸出電流可以達(dá)到將近30 A，這一端口的應(yīng)用保證了汽車(chē)使用過(guò)程中的安全控制。然后是開(kāi)關(guān)量的輸出端口，這一端口主要是為了對(duì)開(kāi)關(guān)量的相關(guān)信息進(jìn)行有效的輸出，且不同的開(kāi)關(guān)狀態(tài)對(duì)應(yīng)的輸出口電平不同。然后是CAN

通信接口，這是為汽車(chē)的整個(gè)運(yùn)行系統(tǒng)提供充足的通信線(xiàn)，從而保證外圍接口的穩(wěn)定性。最后則是電源的輸入口，這是為控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供有效的電能供應(yīng)。假如在CAN總線(xiàn)中具有一些相關(guān)的報(bào)文信息，該系統(tǒng)則會(huì)通過(guò)相關(guān)的通信部分來(lái)對(duì)這些信息進(jìn)行有效的檢查和過(guò)濾，將其中存在著影響的信息過(guò)濾掉，剩下有用的信息傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的控制模塊中。而在這一工作完成之后，其往往便會(huì)出現(xiàn)中斷，但對(duì)于這些收集的信息，其能夠通過(guò)傳輸線(xiàn)路將其輸送到對(duì)應(yīng)的處理器中對(duì)其進(jìn)行讀取，然后則是對(duì)接收緩沖區(qū)進(jìn)行信號(hào)的釋放處理，通過(guò)這種控制模式能夠?qū)?bào)文信息進(jìn)行充分的處理和篩選，然后通過(guò)信息的格式轉(zhuǎn)換來(lái)對(duì)信息進(jìn)行處理，最后通過(guò)UART總線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的輸出，在輸出的過(guò)程中，需要對(duì)得到的信息進(jìn)行順序的排列，這樣才能保證信息傳輸對(duì)功率輸出的有效控制。而對(duì)于開(kāi)關(guān)信息的采集，其能夠通過(guò)控制系統(tǒng)來(lái)對(duì)收集到的開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行反復(fù)檢測(cè)，同時(shí)將檢測(cè)到的開(kāi)關(guān)狀態(tài)信息傳輸?shù)街魈幚砥髦校@樣在發(fā)現(xiàn)其開(kāi)關(guān)的狀態(tài)和應(yīng)有的狀態(tài)信息之間存在著不同時(shí)，需要通過(guò)對(duì)應(yīng)的信息傳輸方式將其向著CAN總線(xiàn)上進(jìn)行傳輸和發(fā)送，然后通過(guò)CAN總線(xiàn)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)狀態(tài)的有效控制。

五、系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)該功能，系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)分為驅(qū)動(dòng)層、轉(zhuǎn)換層、規(guī)則處理層和通信層四個(gè)層次，如圖2所示。其中，驅(qū)動(dòng)層包括輸入驅(qū)動(dòng)和輸出驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)換器層包括輸入轉(zhuǎn)換器和輸出轉(zhuǎn)換器。為了實(shí)現(xiàn)模塊各層之間的通信，系統(tǒng)定義了三種類(lèi)型的消息：驅(qū)動(dòng)層和轉(zhuǎn)換層的消息為狀態(tài)消息；轉(zhuǎn)換層的輸入轉(zhuǎn)換和輸出轉(zhuǎn)換之間的消息為界面消息；轉(zhuǎn)換層和規(guī)則處理層的消息為設(shè)備消息。

輸入驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)將輸入引腳的電平變化轉(zhuǎn)換為輸入狀態(tài)信息并發(fā)送給轉(zhuǎn)換層；輸出驅(qū)動(dòng)模塊將從轉(zhuǎn)換層接收到的狀態(tài)信息更改為實(shí)際引腳的電平變化； 輸入轉(zhuǎn)換模塊將從驅(qū)動(dòng)層接收到的輸入狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換為輸入設(shè)備消息后，發(fā)送至規(guī)則處理層進(jìn)行邏輯分析或轉(zhuǎn)換為接口消息發(fā)送至輸出轉(zhuǎn)換模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出；輸出轉(zhuǎn)換模塊將從規(guī)則處理層或輸入接收輸出設(shè)備的狀態(tài)信息，轉(zhuǎn)換成輸出狀態(tài)信息并發(fā)送到驅(qū)動(dòng)層；規(guī)則處理層模塊對(duì)從輸入轉(zhuǎn)換模塊接收到的輸入設(shè)備消息執(zhí)行邏輯關(guān)系分析，并將其作為輸出設(shè)備消息映射到輸出轉(zhuǎn)換模塊；通信層通過(guò)通信模塊完成規(guī)則處理層和每個(gè)翻譯層之間的信息交換。

系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)在運(yùn)行過(guò)程中主要分為兩個(gè)主要節(jié)點(diǎn)，其一為汽車(chē)電氣模擬實(shí)驗(yàn)，其二為某品牌大型客車(chē)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程嚴(yán)格以CAN協(xié)議為基礎(chǔ)，主要的構(gòu)造內(nèi)容為主、前、后、左、右五個(gè)ECU節(jié)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，各種信號(hào)的采集、汽車(chē)儀表的顯示以及電氣設(shè)備的控制。

參考文獻(xiàn)：

[1]易廣文.基于ARM的汽車(chē)電子控制系統(tǒng)研究.2016

[2]李琳.淺析汽車(chē)總線(xiàn)技術(shù).2016

[3]林茜.汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)技術(shù)發(fā)展分析.2016