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

李利飛 閆瑞杰 李海香

摘 要：本文主要探討了汽車(chē)電氣控制系統(tǒng)中CAN總線技術(shù)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用的相關(guān)問(wèn)題。文章首先從兩個(gè)方面分析了之所以要基于CAN總線設(shè)計(jì)汽車(chē)電氣控制系統(tǒng)的原因;然后從總體架構(gòu)設(shè)計(jì)、ECU節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)以及軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)三個(gè)方面探討了基于CAN總線的汽車(chē)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：CAN總線;電氣控制系統(tǒng);汽車(chē)

1 基于CAN總線汽車(chē)電氣控制系統(tǒng)的必要性

CAN通信協(xié)議是德國(guó)公司博世于一九八六年開(kāi)發(fā)出來(lái)的面向汽車(chē)的通信協(xié)議，在其進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化之后不僅在歐洲汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)中廣為應(yīng)用，而且在美國(guó)和日韓等國(guó)家也得到了廣泛的采用。選擇基于CAN總線技術(shù)構(gòu)建汽車(chē)電氣控制系統(tǒng)符合當(dāng)前國(guó)際汽車(chē)發(fā)展的潮流，其必要性主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面。

一方面，CAN總線技術(shù)是一種成熟的技術(shù)。自1986年誕生以來(lái)，CAN經(jīng)過(guò)了幾十年的發(fā)展，相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)非常成熟，而且在汽車(chē)領(lǐng)域也得到了全面的推廣。在其發(fā)展的早期就已經(jīng)得到了歐洲汽車(chē)領(lǐng)域的大力支持，之后又在世界范圍內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)中戰(zhàn)勝了其他總線標(biāo)準(zhǔn)，成為日本和韓國(guó)汽車(chē)商的首選，而且在美國(guó)CAN也淘汰了本土的J1850，攻占了美國(guó)市場(chǎng)。這無(wú)疑使其兼容性和通用性得到巨大的提升，對(duì)于汽車(chē)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供巨大的便利。

另一方面，CAN總線技術(shù)還擁有巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。相較于其他一些總線技術(shù)，CAN總線使用的是更加先進(jìn)的編碼技術(shù)以及總線仲裁技術(shù)，可以更有效地應(yīng)付125Kbps以上的傳輸。雖然在125Kbps以下時(shí)CAN的優(yōu)勢(shì)并不明顯，但是在汽車(chē)領(lǐng)域電氣化不斷提高的背景下，125Kbps的帶寬已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到相關(guān)的要求，而CAN傳輸率可以達(dá)到11Mbps，可以很好地滿(mǎn)足傳輸?shù)男枰?。CAN當(dāng)前汽車(chē)電氣控制系統(tǒng)的傳輸需求，同時(shí)成本也更低，因此基于CAN總線設(shè)計(jì)電氣控制系統(tǒng)也更加實(shí)際、可行。

2 基于CAN總線汽車(chē)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

在汽車(chē)的電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，CAN總線可以起到為通信介質(zhì)提供平臺(tái)的作用。由于汽車(chē)在運(yùn)行中各個(gè)設(shè)備會(huì)生產(chǎn)大量數(shù)據(jù)，通過(guò)CAN總線就可以將這些數(shù)據(jù)信息在不同電子單元中進(jìn)行共享，并且實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的交換，使得汽車(chē)電控的信息利用率大大提升，從而利用信息流實(shí)現(xiàn)對(duì)于汽車(chē)系統(tǒng)的控制。

具體來(lái)說(shuō)，汽車(chē)的電氣控制系統(tǒng)可以劃分為五個(gè)ECU節(jié)點(diǎn)，即前、后、主、左和右，基于CAN總線的汽車(chē)電氣控制系統(tǒng)可以采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中左、右、前、后這四個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集開(kāi)關(guān)信息，然后依托于通信協(xié)議生成報(bào)文信息，同時(shí)傳輸?shù)街鞴?jié)點(diǎn)。而主節(jié)點(diǎn)則負(fù)責(zé)信息的分析和判斷，并在此基礎(chǔ)上輸出相應(yīng)的分析結(jié)果，同時(shí)依托于通信協(xié)議反饋給左、右、前、后這四個(gè)節(jié)點(diǎn)。最后，這四個(gè)節(jié)點(diǎn)再針對(duì)反饋信息進(jìn)行濾波，依托于UART總線將功率負(fù)載反饋給控制模塊，并最終完成了功率輸出的有效驅(qū)動(dòng)。

2.2 ECU節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

在汽車(chē)電氣控制系統(tǒng)中，ECU節(jié)點(diǎn)是一個(gè)重要的組成部分，它主要包括用于通信的安設(shè)模塊，負(fù)責(zé)開(kāi)關(guān)信息的信息采集模塊，進(jìn)行功率管控的輸出模塊，進(jìn)行電氣控制的軟件，以及處理器。在ECU節(jié)點(diǎn)中，開(kāi)關(guān)量輸出接口、功率負(fù)載驅(qū)動(dòng)口、電源端口以及CAN互通接口是幾種最重要的接口。首先，負(fù)責(zé)功率負(fù)載的驅(qū)動(dòng)口必須能夠符合30A的電流。而開(kāi)關(guān)量輸入接口主要進(jìn)行開(kāi)關(guān)信息的處理，如果開(kāi)關(guān)處于閉合的狀態(tài)，輸入電平將被擬定為偏低電平;如果開(kāi)關(guān)斷開(kāi)輸入電平則會(huì)替換為偏高電平。其次，開(kāi)關(guān)量輸出接口則負(fù)責(zé)開(kāi)關(guān)量信息的采集工作。當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合的時(shí)候，電平被擬定為偏低電平;而當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)電平則被替換為偏高電平。再次，CAN互通接口則主要負(fù)責(zé)為ECU與外圍的銜接提供接入點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的通信。最后，電源端口主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)電源的輸入，滿(mǎn)足控制系統(tǒng)運(yùn)行所需的電力供應(yīng)。

ECU的運(yùn)行如下： 當(dāng)CAN總線接收到報(bào)文信息的時(shí)候系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行濾波驗(yàn)證，留下有用的信息傳輸給控制模塊。隨后信息會(huì)通過(guò)傳輸線路輸送給處理器，處理器在對(duì)其進(jìn)行讀取和信息識(shí)別，并釋放擬定的緩沖區(qū)段。之后，CAN會(huì)將報(bào)文的格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并利用UART規(guī)格下的總線將其傳輸給分支模塊?？偩€會(huì)接納串口傳輸?shù)男畔⑷缓笠罁?jù)一定的次序?qū)⑿畔鬏數(shù)絾纹瑱C(jī)的裝置上，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)于功率輸出的有序管控。

2.3 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于CAN總線汽車(chē)電氣控制系統(tǒng)的軟件重要包括轉(zhuǎn)換層、驅(qū)動(dòng)層以及通信層三個(gè)層次。驅(qū)動(dòng)層中包括了輸出驅(qū)動(dòng)以及輸入驅(qū)動(dòng);轉(zhuǎn)換層則有輸出轉(zhuǎn)換和輸入轉(zhuǎn)換組成。通信層負(fù)責(zé)的是系統(tǒng)各層之間的信息傳輸，主要分為轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)層間通信的狀態(tài)消息，輸出和輸入轉(zhuǎn)換層間通信的接口消息，以及轉(zhuǎn)換和通信層間通信的器件消息。在整個(gè)軟件架構(gòu)中，不同的層次負(fù)責(zé)不同的功能。在驅(qū)動(dòng)層，輸入驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)把輸入引腳電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換并將其信息輸送到轉(zhuǎn)換層，而輸出驅(qū)動(dòng)則把從轉(zhuǎn)化層中獲得的信息轉(zhuǎn)換為引腳。在轉(zhuǎn)換層，輸入轉(zhuǎn)換把驅(qū)動(dòng)層中的狀態(tài)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換變成器件信息發(fā)送給處理層進(jìn)行邏輯狀態(tài)分析，而輸出轉(zhuǎn)換則把處理層的器件信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換得到輸出信息發(fā)送給驅(qū)動(dòng)層。在通信層主要通過(guò)通信模塊來(lái)負(fù)責(zé)處理與轉(zhuǎn)換層的信息交換。

3 結(jié)語(yǔ)

總之，依托于CAN總線設(shè)計(jì)汽車(chē)電氣控制系統(tǒng)是符合汽車(chē)發(fā)展潮流的選擇，能夠更好地滿(mǎn)足汽車(chē)功能日益多樣化的需求。通過(guò)基于CAN總線技術(shù)對(duì)系統(tǒng)的整體架構(gòu)進(jìn)行合理規(guī)劃，對(duì)ECU節(jié)點(diǎn)各個(gè)接口進(jìn)行設(shè)計(jì)以及軟件架構(gòu)的配置從而使整個(gè)電氣控制系統(tǒng)的性能得到更好的保障。

參考文獻(xiàn)：

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[2]郭長(zhǎng)勇.基于CAN總線的汽車(chē)控制系統(tǒng)的研究[D].河北：河北工業(yè)大學(xué)，2007.

作者簡(jiǎn)介：李利飛（1984-），男，山西廣靈人，本科，助理工程師，研究方向：車(chē)輛電氣自動(dòng)化、車(chē)輛電子檢測(cè)、計(jì)算機(jī)編程。