汽車電氣智能控制系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王文菁

摘要：快速發(fā)展的汽車行業(yè)促使電氣控制系統(tǒng)不斷的更新和完善，為了有效提高電氣系統(tǒng)的利用率，設(shè)計了一種汽車電氣智能控制系統(tǒng)總體架構(gòu)。系統(tǒng)采用分布式控制模式，以汽車車身電氣控制系統(tǒng)作為主要研究對象構(gòu)建了一種基于CAN總線的設(shè)計方案，通過使用CAN總線實現(xiàn)了控制信號到信息流的有效轉(zhuǎn)換過程，并詳細介紹了電氣智能控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計及實現(xiàn)路徑，通過設(shè)置CAN總線的智能節(jié)點實現(xiàn)對車身的有效控制，從而使電氣控制質(zhì)量和效率得到顯著提升。

關(guān)鍵詞：汽車電氣控制系統(tǒng);智能化;CAN總線;智能節(jié)點;實現(xiàn)路徑

中圖分類號：TP273

文獻標志碼：A

DesignandImplementationofAutomotiveElectricalIntelligentControlSystem

WANGWenjing

（DepartmentOfAutomotiveEngineering，YantaiAutomobileEngineeringProfessionalCollege，Yantai265500，China）

Abstract：Therapiddevelopmentandimprovementoftheautomotiveindustryhaveledtothecontinuousupdatingandimprovementoftheelectricalcontrolsystem.Inordertoeffectivelyimprovetheutilizationrateoftheelectricalsystem，thispapermainlycompletesthedesignofoverallarchitectureofanautomotiveelectricalintelligentcontrolsystem.Thesystemusesadistributedcontrolmode.AdesignschemebasedontheCANbusisconstructed.Theautomotivebodyelectricalcontrolsystemistreatedasthemainresearchobject.TheeffectiveconversionprocessofcontrolsignalstoinformationflowisrealizedbyusingtheCANbus，andthesoftwareandhardwaredesignoftheelectricalintelligentcontrolsystemareintroducedindetail.Andtherealizationpath，theintelligentcontrolofthebusarerealizedbysettingtheintelligentnodeoftheCANbus，sothatthequalityandefficiencyofelectricalcontrolaresignificantlyimproved.

Keywords：automotiveelectricalcontrolsystem;intelligence;CANbus;intelligentnode;implementationpath

0引言

在現(xiàn)代社會生活中汽車已成為有效滿足日常出行需求的重要交通工具，為滿足多樣化的市場消費需求，汽車上安裝的電子控制單元（ECU）種類及數(shù)量不斷增加，在使汽車的操作便利性、動力性、舒適性得到顯著提高的同時，車輛使用到的電路復雜程度不斷提高，不斷增多的車內(nèi)線束提高了布線復雜程度并造成車輛緊張，進而導致車身重量、整體控制與維護難度日益增加，車輛的可靠性和安全性降低帶來了一系列的安全隱患。如何設(shè)計并實現(xiàn)有效的汽車電氣控制系統(tǒng)成為現(xiàn)階段領(lǐng)域內(nèi)的一項研究熱點[1]。

1現(xiàn)狀分析

汽車電氣控制系統(tǒng)主要由多種不可或缺的用電器件及用電設(shè)備構(gòu)成（可實現(xiàn)大功率驅(qū)動，包括大型客車使用的各類用電設(shè)備），連接眾多傳感器的汽車底盤（主要負責控制速度、擋位、機油、剎車等）設(shè)置了大量的開關(guān)（負責對車門、發(fā)動機艙、儀表盤等進行控制），開關(guān)和傳感器通過導線連接中央控制器以確保相關(guān)信息的實時接收與反饋，會有大量信息在各電控單元間傳遞，多個電控單元需共享部分信息，形成了大量導線捆成的線扎，使電子線路復雜程度不斷提高，線重和占用空間會降低車輛的控制性能及舒適度，傳統(tǒng)的接、布線方式及電氣控制方式（以點對點為主）增加了汽車設(shè)計、裝配、維護等難度，已經(jīng)難以滿足汽車電氣控制系統(tǒng)的信息共享及電氣控制需求。同時數(shù)量不斷增加的線路接頭限制了汽車穩(wěn)定性及安全性的進一步提升，車門窗線束等相對運動部分的過線難度隨著線路體積的增大而明顯增加。為有效解決不斷增加的電子裝置引發(fā)的問題，通過使用有效的基于串行信息傳輸方式的汽車電氣控制系統(tǒng)成為一項有效手段，汽車總線技術(shù)隨著汽車電子化程度的不斷提高而不斷完善，能夠更好的滿足電氣控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信需求，如何選用總線技術(shù)完成高質(zhì)量汽車電氣控制系統(tǒng)的構(gòu)建是本文的研究重點[2]。

2汽車電氣智能控制系統(tǒng)整體設(shè)計

2.1現(xiàn)場總線的選擇

目前在各類自動化控制系統(tǒng)中廣泛應用的適用于高速網(wǎng)絡(luò)及多路接線的CAN總線技術(shù)憑借獨特的優(yōu)勢成為汽車制造商開發(fā)和使用的一項重要技術(shù)，CAN總線技術(shù)具備傳輸速率高、抗干擾性能強等優(yōu)勢，能夠有效實現(xiàn)大量控制信號的實時交換功能，基于CAN總線的控制系統(tǒng)可有效解決汽車電氣控制過程中存在的問題，本文通過結(jié)合運用信息技術(shù)和現(xiàn)場總線控制技術(shù)完成了汽車電氣智能控制系統(tǒng)的設(shè)計，結(jié)合性價比及應用前景，本文選用了具有極高可靠性和獨特設(shè)計的CAN總線，集成了CAN協(xié)議的功能，采用分布式控制模式，該系統(tǒng)線路簡化、具有較佳的可擴展性（根據(jù)實際需求），能夠?qū)σ则?qū)動汽車系統(tǒng)為主的全部所需信息流進行實時高效的控制，在降低使用成本的同時，提高電氣控制質(zhì)量及效率。信號在基于CAN總線通信過程中以差分電壓形式出現(xiàn)，可供CAN總線使用的通信介質(zhì)較多（包括雙絞線、光導纖維、同軸電纜等），通過通信控制器完成通信數(shù)據(jù)的成幀處理過程，為使網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點個數(shù)不受限制，將傳統(tǒng)的編碼站地址基于CAN協(xié)議（經(jīng)過CRC檢驗）由編碼通信數(shù)據(jù)塊替代，數(shù)據(jù)塊（211或229）可根據(jù)不同CAN技術(shù)規(guī)范進行定義，數(shù)據(jù)段長度不超過8個字節(jié)，在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)不同節(jié)點同時接收相同數(shù)據(jù)的功能，有效節(jié)約了占用總線的時間，并具備處理相應錯誤的功能，提高了數(shù)據(jù)通信的實時性和可靠性，為實現(xiàn)分布式控制系統(tǒng)提供了有力支撐[3]。

2.2汽車電氣智能控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計

為實時高效的共享大量相關(guān)汽車數(shù)據(jù)信息，本文根據(jù)電氣設(shè)備配置要求針對大型客車完成了基于CAN總線（星形拓撲結(jié)構(gòu)）電氣智能控制系統(tǒng)的設(shè)計，該系統(tǒng)主要包含主節(jié)點、后、前、左前、右前5個ECU節(jié)點，前ECU節(jié)點主要負責檢測和控制左前側(cè)和左側(cè)車燈、喇叭、雨刮器、一二三擋鑰匙開關(guān)（ACC、ON、STA）等;右前ECU節(jié)點主要負責檢測和控制右前側(cè)的各類車燈、指示燈開關(guān)、防夾開關(guān)等;前ECU節(jié)點主要負責檢測和控制ABS、儀表照明燈、霧燈開關(guān)等;后ECU節(jié)點主要負責檢測和控制熄火電磁閥電源、后側(cè)各類車燈、空擋開關(guān)、倒車開關(guān)等。提高電控單元信息利用率，就近位置信息（涵蓋29路開關(guān)量）由電氣控制系統(tǒng)通過除主節(jié)點外的ECU節(jié)點完成采集后（遵循CAN總線通信協(xié)議）將其組成一幀報文信息，然后傳輸?shù)街鱁CU節(jié)點進行邏輯分析和判斷得出最終分析結(jié)果，據(jù)此向各目標ECU節(jié)點反饋（以四幀報文信息的形式）并由其完成濾波處理后，通過UART總線向功率負載輸出控制模塊傳送，進而實現(xiàn)對各路功率輸出的驅(qū)動[3]。功率負載和采集開關(guān)信息使用AT89C51單片機完成邏輯控制功能，每個ECU節(jié)點均包含29路，共有32個I/O口（通信口為P3.0、P3.1，看門狗信號輸出口為P3.7）。通過CAN總線為系統(tǒng)實現(xiàn)控制信號的實時交換，從而保證以實時有效的信息流驅(qū)動汽車運動[4]。

以電氣控制系統(tǒng)的車燈總線控制模塊為例，整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)主要由9個節(jié)點構(gòu)成，分別對應剎車燈、遠/近光燈、轉(zhuǎn)向燈、霧燈4組照明與信號燈組、安裝了中央控制單元的車內(nèi)儀表板、4個車門，照明與信號燈組中不同燈的安裝位置如圖1所示。

駕駛員的操作指令由中央控制單元負責接收，在車頭和車尾的左右側(cè)安裝連接不同車燈的其余4個節(jié)點，實現(xiàn)對車燈狀態(tài)的有效控制。門控單元控制結(jié)構(gòu)圖，如圖2所示。

門控單元根據(jù)接收到的車門開關(guān)信號和指令（由中央控制單元通過CAN總線發(fā)送）執(zhí)行相應的動作并向發(fā)中央控制單元發(fā)送執(zhí)行結(jié)果。通過CAN總線連接全部節(jié)點（均包

含1個單片機控制器和1個CAN收發(fā)器）即構(gòu)成了汽車內(nèi)部控制網(wǎng)絡(luò)，各CAN節(jié)點僅通過CANH和CANL兩根線同控制網(wǎng)絡(luò)相連，使線束的使用量得到顯著降低，中央控制節(jié)點借助使用CAN的收發(fā)器和控制器連接其它節(jié)點，由各節(jié)點向中央控制節(jié)點發(fā)送采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)參數(shù)，由其經(jīng)過綜合計算和判斷處理后做出相應控制命令，再向各節(jié)點傳送控制命令（通過CAN總線）、由各節(jié)點向各執(zhí)行機構(gòu)（包括車門電機、車燈、車窗繼電器等）執(zhí)行傳送接收到的各項命令[5]。

2.3ECU節(jié)點設(shè)計

ECU節(jié)點結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

寫入應用程序時需以ECU節(jié)點所在位置為依據(jù)，為解決由繼電器帶來的安全問題，車上的各功率負載通過功率負載輸出驅(qū)動口完成直接的驅(qū)動過程，進而確保車輛的安全;各類開關(guān)量信息通過開關(guān)信息采集模塊進行采集并對各開關(guān)狀況進行循環(huán)檢測，采用CAN通信接口有效彌補了系統(tǒng)對外圍接口的使用需求，為保證通信效果各ECU節(jié)點間采用帶屏蔽的雙絞線;為有效控制各負載功率輸出，CAN通信模塊通過主處理器完成對接收到的報文信息的處理（包括讀取、驗收和濾波等），緩沖區(qū)讀取完釋放的報文信息由主處理器完成格式的轉(zhuǎn)換，串口信息經(jīng)UART總線按照一定順序從功率輸出控制模塊向單片機的I/O口傳送;經(jīng)循環(huán)檢測后的各開關(guān)狀況通過UART總線按照控制命令向主控模塊的主處理器傳送采集到的信息，再將異于上次的信息組成報文信息傳輸至CAN總線作進一步處理，完成循環(huán)檢測和控制過程[6]。

3系統(tǒng)智能節(jié)點的實現(xiàn)

3.1系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計

本文系統(tǒng)的軟件架構(gòu)主要分為驅(qū)動層、轉(zhuǎn)換層和通信層，系統(tǒng)各層模塊間的實時高效的通信過程通過定義狀態(tài)、接口和器件3類消息實現(xiàn)，將引腳電平變化情況輸入到系統(tǒng)中并將其轉(zhuǎn)換為輸入狀態(tài)信息后向轉(zhuǎn)換層傳送，在此處將信息轉(zhuǎn)換為實際引腳電平變化情況再向驅(qū)動層傳送，在此處完成到輸入器件消息的轉(zhuǎn)換再發(fā)送給規(guī)則處理層進行邏輯分析處理，然后后映射為輸出器件消息，并將信息轉(zhuǎn)換為輸出狀態(tài)信息再向驅(qū)動層反饋[7]。

3.2CAN總線智能節(jié)點硬件電路設(shè)計

智能節(jié)點硬件電路主要由微控制器、通信控制器、驅(qū)動器和光電耦合器構(gòu)成，分別采用89S51、SJA1000、82C250作為微處理器（負責包括數(shù)據(jù)收發(fā)等的系統(tǒng)通信任務(wù)，通過中斷方式訪問總線控制器，其P0口連接SJA1000的AD0～AD7）、總線控制器、總線收發(fā)器（總線的接口部分），高速光電耦合器則選用了6N137（主要用于實現(xiàn)總線上各節(jié)點的電氣隔離功能），由微處理器負責完成SJA1000的初始化，物理總線同CAN控制器相連（需借助CAN總線收發(fā)器完成），向CAN控制器提供差動接收服務(wù)并向總線提供差動發(fā)送服務(wù);為確保系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的運行，電氣隔離時采用2個完全隔離的電源顯著提高了抗干擾能力。各節(jié)點上均包含一個可向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)的串口通信設(shè)備和一個可實現(xiàn)手動復位的復位開關(guān)，以便于同計算機進行連接調(diào)試[8]。

3.3智能節(jié)點主要功能的實現(xiàn)

CAN總線智能節(jié)點作為系統(tǒng)信息接收和發(fā)送站，可通過單片機和SJA1000編程設(shè)置其相關(guān)參數(shù)，在同一CAN總線上連接能夠相互發(fā)送報文的兩個節(jié)點。SJA1000初始化流程如圖4所示。

以工作及濾波接收方式、波特率參數(shù)、AMR/ACR/IER等作為主要設(shè)置對象，然后系統(tǒng)才可完成正常的通信任務(wù)。主要面向節(jié)點報文的發(fā)送子程序流程如圖5所示。

將數(shù)據(jù)組成一幀報文由CAN控制器根據(jù)協(xié)議規(guī)范自動發(fā)送到SJA1000的發(fā)送緩沖器后啟動發(fā)送即可，發(fā)送新報文前需先判斷部分寄存器狀態(tài)。查詢方式接收流程如圖6所示。

采用查詢接收方式，主要負責接收節(jié)點報文等，處理接收報文時需處理接收溢出、總線脫離、錯誤報警等情況[9]。

4總結(jié)

為提高電氣系統(tǒng)的利用率，本文基于CAN總線智能節(jié)點完成了一種采用分布式控制模式的電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計，將控制信號通過使用CAN總線完成到信息流的轉(zhuǎn)換，自帶微處理器實現(xiàn)更加智能化的控制過程，進一步提高了控制的效率，詳細介紹了系統(tǒng)幾種主要操作子程序，采用獨立的CAN控制器提升了系統(tǒng)的錯誤分析功能能力，采用高速光電耦合器提高了系統(tǒng)抗干擾能力，具有一定的實際應用價值。

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（收稿日期：2020.03.11）