基于CAN/LIN總線的汽車電子網(wǎng)絡(luò)化研究和應(yīng)用

黃亦文

摘 要：本文圍繞主控制器模塊、CAN/LIN混合網(wǎng)絡(luò)、空調(diào)、車門、車燈、油門踏板控制系統(tǒng)等模塊，針對(duì)汽車電子網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路進(jìn)行分析，并以車載通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為例，通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)汽車電控單元的網(wǎng)絡(luò)化通信性能進(jìn)行檢測(cè)，證明CAN/LIN混合網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用能夠有效提升汽車電子網(wǎng)絡(luò)的綜合使用性能。

關(guān)鍵詞：汽車電子;CAN/LIN總線;車載網(wǎng)絡(luò)

0 引言

CAN總線和LIN總線均是一種應(yīng)用于分布式汽車電子控制系統(tǒng)的串行通信網(wǎng)絡(luò)，其中CAN總線適用于傳輸速率從1Mbps至50Kbps的汽車網(wǎng)絡(luò)，而LIN總線主要為CAN總線提供輔助功能、用于節(jié)約網(wǎng)絡(luò)成本?；贑AN/LIN混合網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行汽車電子網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠有效精簡(jiǎn)線路、節(jié)約成本、提升通信速率。

1 汽車電子網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。汽車電子網(wǎng)絡(luò)化總控平臺(tái)主要由以下模塊組成：其一是主控制器，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部整體CAN/LIN網(wǎng)絡(luò)的控制，將從控制屏處接收到的信息轉(zhuǎn)換為CAN/LIN數(shù)據(jù)幀，并發(fā)送至各節(jié)點(diǎn)處，實(shí)現(xiàn)對(duì)空調(diào)、車門、車燈及油門踏板等系統(tǒng)的控制;其二是由CAN、LIN總線組成的混合通訊網(wǎng)絡(luò)，利用CAN/LIN網(wǎng)關(guān)為CAN與LIN網(wǎng)絡(luò)間提供通訊支持，由CAN、LIN單元共同組成網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，依托節(jié)點(diǎn)處的電路與收發(fā)器設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)協(xié)議轉(zhuǎn)換;其三是空調(diào)控制系統(tǒng)，由主控制器與CAN實(shí)現(xiàn)雙模式轉(zhuǎn)換，配合汽油發(fā)動(dòng)機(jī)、蓄電池形成混合供電系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行;其四是車門控制系統(tǒng)，在汽車前、后車門處共設(shè)有4個(gè)控制節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃升降器、按鍵、后視鏡電機(jī)、中控門鎖的控制;其五是車燈控制系統(tǒng)，基于分布式控制模式進(jìn)行控制開關(guān)狀態(tài)檢測(cè)與控制，實(shí)現(xiàn)CAN與LIN網(wǎng)絡(luò)的連接;其六是油門踏板系統(tǒng)，利用傳感器與總線通訊方式進(jìn)行信號(hào)發(fā)送、控制油門開合。

（2）硬件設(shè)計(jì)。主控制器系統(tǒng)采用LPC2194芯片，設(shè)有ARM7TDMI-S微處理器與CAN通訊接口，節(jié)點(diǎn)控制器選用M68HC08系列微控制器單元;電源系統(tǒng)采用數(shù)字電路雙電源，結(jié)合電壓范圍選擇DC1.8V、DC3.3V兩種穩(wěn)壓電源，并且在校準(zhǔn)電路輸出端設(shè)置0.1μF去耦電容與旁路電容;CAN總線收發(fā)器與LIN總線收發(fā)器分別采用MC33388和MC33399芯片，配合保護(hù)電路的設(shè)置，減少EME和EMI;液晶屏采用LFUBK911，觸摸屏控制器采用ADS7846四線電阻式控制器;油門踏板設(shè)有A/D轉(zhuǎn)換器，通過(guò)將其輸入端連接外部放大器完成采樣過(guò)程，配合外部輸入電阻提供濾波功能;針對(duì)車燈、車床、車門等系統(tǒng)采用集成驅(qū)動(dòng)方式設(shè)計(jì)，選取MC33288、MC33286兩種芯片，提供過(guò)壓保護(hù)和防壓接功能;空調(diào)系統(tǒng)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向器，利用微控制器單元的I/O線控制AC驅(qū)動(dòng)的輸出，提供短路保護(hù)[1]。

（3）軟件設(shè)計(jì)。主控制器采用嵌入式操作系統(tǒng)，由main（）、任務(wù)間通信、觸摸屏、顯示與外部節(jié)點(diǎn)通訊等任務(wù)組成軟件系統(tǒng)架構(gòu);節(jié)點(diǎn)軟件系統(tǒng)采用C語(yǔ)言編程，CAN節(jié)點(diǎn)由初始化、I/O、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、AC信號(hào)驅(qū)動(dòng)、輸入信號(hào)采樣等模塊組成軟件系統(tǒng)，LIN節(jié)點(diǎn)由協(xié)議層、應(yīng)用接口及應(yīng)用層組成結(jié)構(gòu)化程序模塊。在CAN/LIN網(wǎng)關(guān)平臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)上，協(xié)議層模塊由bool rec_data和void send_data兩個(gè)子函數(shù)組成，接口層模塊包含void ptr_rd和void ptr_wr兩個(gè)子函數(shù)，搭配增量式PID算法進(jìn)行車窗升降電機(jī)等特殊節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)，其算法表示為：

2 基于CAN/LIN總線的車載通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用檢測(cè)

（1）CAN/LIN網(wǎng)關(guān)接口。以某車載通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)采用CAN/LIN網(wǎng)關(guān)平臺(tái)，利用網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行CAN、LIN總線數(shù)據(jù)幀的拆分、存儲(chǔ)與生成，選取MC9S08DZ60作為網(wǎng)關(guān)主芯片，通過(guò)PTE6引腳與CAN總線收發(fā)器的TXD引腳連接、將PTE7引腳與RXD引腳連接，且CAN總線收發(fā)器的兩引腳通過(guò)連接總線接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)幀的收發(fā)，提供網(wǎng)絡(luò)通信與控制功能[2]。

（2）協(xié)議轉(zhuǎn)換過(guò)程。在CAN/LIN網(wǎng)關(guān)的協(xié)議轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)上，首先是混合網(wǎng)關(guān)與CAN節(jié)點(diǎn)的通信，在發(fā)送CAN數(shù)據(jù)幀時(shí)需結(jié)合CAN數(shù)據(jù)幀進(jìn)行ID值、DLC值、CRC場(chǎng)值、ACK場(chǎng)值的設(shè)置與發(fā)送，在接收CAN數(shù)據(jù)幀時(shí)需經(jīng)由拆分處理進(jìn)行ID值、DLC場(chǎng)值、CRC值的判斷;其次是混合網(wǎng)關(guān)與LIN節(jié)點(diǎn)的通信，在發(fā)送LIN數(shù)據(jù)幀時(shí)需進(jìn)行同步間隔、同步場(chǎng)0x55的發(fā)送與校驗(yàn)并計(jì)算、發(fā)送ID場(chǎng)值，在接收LIN數(shù)據(jù)幀時(shí)需依次接收同步場(chǎng)、同步、ID、校驗(yàn)及場(chǎng)并完成判斷、保存數(shù)據(jù);最后是非混合網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與CAN總線的通信，基于芯片完成數(shù)據(jù)字節(jié)的拆分，對(duì)照第1、2個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)和余下純數(shù)據(jù)字節(jié)完成LIN數(shù)據(jù)字節(jié)中源地址、目標(biāo)地址與DLC的配置，再完成由CAN向LIN數(shù)據(jù)字節(jié)的轉(zhuǎn)換，并添加同步場(chǎng)及校驗(yàn)碼，即可完成數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)換過(guò)程。

（3）仿真實(shí)驗(yàn)。利用Simulink仿真工具建立基于CAN/LIN總線的車載通信網(wǎng)絡(luò)仿真模型，在模型上共包含3個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)、2個(gè)LIN節(jié)點(diǎn)和混合網(wǎng)關(guān)，其中CAN、LIN兩節(jié)點(diǎn)模型每秒分別發(fā)送5幀和2幀數(shù)據(jù)，通過(guò)比較數(shù)據(jù)幀ID大小進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的篩選發(fā)送。仿真結(jié)果表明，由CAN1節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)可被LIN2節(jié)點(diǎn)完整接收，且LIN1節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)也可被CAN2節(jié)點(diǎn)正確接收，說(shuō)明該混合網(wǎng)關(guān)模型可實(shí)現(xiàn)CAN、LIN數(shù)據(jù)幀的有效收發(fā)及協(xié)議轉(zhuǎn)換，具備良好應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)論

本文基于CAN/LIN總線進(jìn)行汽車電子網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，針對(duì)其中的車載通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)開展仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明各CAN、LIN總線節(jié)點(diǎn)均可實(shí)現(xiàn)通信數(shù)據(jù)的正確收發(fā)，以及CAN、LIN數(shù)據(jù)幀的收發(fā)和協(xié)議轉(zhuǎn)換，并且在通信速率、靈活度、容錯(cuò)性等方面均具有良好應(yīng)用價(jià)值，有效發(fā)揮通信控制功能。

參考文獻(xiàn)：

[1]景疆輝，趙云堂.CAN總線系統(tǒng)的故障診斷方法[J].汽車維修與保養(yǎng)，2019（01）：56-57.

[2]孟妮.基于LIN總線汽車車門電子控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化，2018（03）：232-235.