基于CAN總線的汽車電氣系統(tǒng)

蘇艷蘋

（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 機電工程學(xué)院，鄭州 450015）

0 引言

實際當(dāng)中汽車功能的完善，電氣系統(tǒng)的傳輸需求提高，控制性的提高等等需求，使得線束越來越復(fù)雜，致使汽車的設(shè)計、生產(chǎn)、裝配、維修和使用環(huán)節(jié)中就出現(xiàn)了很多現(xiàn)存的問題，降低了安全可靠性。按照傳統(tǒng)的點到點間的布線方式，汽車線束重量約幾十公斤甚至更多，使汽車自身總重量增加了很大一部分，這不僅使不安全因素增加了，而且增加了汽車油耗，造成能源的浪費。而目前解決這樣的信息傳輸?shù)挠行б?guī)范就是控制器局域網(wǎng)（CAN）。CAN是汽車內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)的一個重要標(biāo)準(zhǔn)，本文將對汽車局域網(wǎng)CAN總線應(yīng)用于汽車電氣控制當(dāng)中進行研究[1,2]。

1 總體設(shè)計方案概述

系統(tǒng)從功能上由控制及顯示、前部數(shù)據(jù)采集和處理、后部數(shù)據(jù)采集和處理部分組成，CAN節(jié)點系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。在結(jié)構(gòu)上，分別設(shè)置前、后、中控臺三個CAN節(jié)點組成一個CAN總線網(wǎng)絡(luò)，充分利用總線傳輸?shù)膬?yōu)勢，距離相對比較遠(yuǎn)的節(jié)點由CAN總線相連接，各個節(jié)點處的相關(guān)器件相連用盡量短的支線相連，減少不必要的多余線束。中控臺處設(shè)置一個主節(jié)點，可以實現(xiàn)控制和狀態(tài)顯示的功能，而前后兩處根據(jù)車的前后電氣控制的需要分別設(shè)置兩個CAN系統(tǒng)子節(jié)點，這樣，系統(tǒng)內(nèi)各節(jié)點負(fù)責(zé)各部分的功能實現(xiàn)，通過總線傳輸數(shù)據(jù)和交互信息。

置于車身前部的CAN節(jié)點負(fù)責(zé)采集前部車燈的故障監(jiān)測信息和傳感器信號，并且通過CAN總線實現(xiàn)與中控節(jié)點的信息交互。放置于車身后部的CAN節(jié)點，用于監(jiān)測尾部車燈的故障信息和通過繼電器控制前、后兩部分車燈的開關(guān)。用后部節(jié)點控制所有車燈，這樣有助于檢測車燈故障和車燈更換。同時車燈的故障信息也是通過后部節(jié)點傳送給中控節(jié)點的，并且接收來自中控節(jié)點的控制命令。中控節(jié)點置于車輛的中控臺處，負(fù)責(zé)對來自前、后兩個節(jié)點的數(shù)據(jù)進行處理，其液晶模塊可顯示來自各個車燈的監(jiān)測信息和傳感器信息。同時通過該節(jié)點的鍵盤可給出前后各車燈的開關(guān)控制命令。

2 車載CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

系統(tǒng)中CAN節(jié)點的MCU采用了ATMEL公司的AT90CAN128解決方案[3]。在子功能模塊中設(shè)計了電源電路模塊、節(jié)點系統(tǒng)復(fù)位（RESET）模塊、CAN通信模塊、串口通信模塊、LCD液晶顯示模塊、A/D模塊、ISP下載模塊和繼電器控制模塊等。

圖1 CAN系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)PCB設(shè)計布局主要使用交互式布局方法，以AT90CAN128芯片為核心，外圍電路以功能為劃分單元。系統(tǒng)的器件選型上大部分都選用了SMD型（表面安裝器件）元件，它們減小了PCB的面積，同時也加強了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是增加了一定的焊接難度。焊接好的電路板如圖2所示。

2.2 軟件設(shè)計

圖2 CAN節(jié)點電路板

本系統(tǒng)要實現(xiàn)CAN節(jié)點通信，主要對電氣控制信號的傳輸以及電氣故障檢測信息的傳輸，其CAN系統(tǒng)功能流程圖如圖3所示。由于要涉及到多個CAN節(jié)點通信，系統(tǒng)比較復(fù)雜。所以采用C語言作為高效的嵌入式開發(fā)的編程語言，同時還要選擇優(yōu)秀的嵌入式工程C編譯器。在這里選用的是AVR Studio與WinAVR的組合作為CAN節(jié)點系統(tǒng)的開發(fā)平臺[4]。

系統(tǒng)軟件的編寫是依據(jù)各個節(jié)點的職能不同而有所區(qū)分：位于車身中部的中控節(jié)點要實現(xiàn)人機交互的設(shè)計（包括命令的下達，LCD顯示，指示燈的控制等）；車身的前部節(jié)點要實現(xiàn)對車燈的監(jiān)測以及通過CAN總線實現(xiàn)與中控節(jié)點的信息交互；后部節(jié)點主要實現(xiàn)了對車燈的控制。系統(tǒng)的核心就是對三個節(jié)點的CAN接口進行有效的控制，圖4給出中控CAN節(jié)點接收數(shù)據(jù)流程圖，其他節(jié)點的設(shè)計思路與其是一致的。

最后需要通過編寫測試軟件對系統(tǒng)進行測試分析，完成對系統(tǒng)各功能的測試，來驗證硬件的正確性，從而達到整個系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)定的功能。

3 車載CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)抗干擾設(shè)計

干擾的產(chǎn)生必須具備三個基本因素，即干擾源、耦合通道、對干擾信號敏感的電路。本文以后兩個方面為主，從硬件方向上進行抗干擾設(shè)計。其中包括電源線設(shè)計、地線設(shè)計、電磁兼容性設(shè)計和抑制反射干擾等[5]。

圖3 CAN系統(tǒng)功能流程圖

圖4 CAN節(jié)點接收數(shù)據(jù)流程圖

在電源線設(shè)計中根據(jù)印制線路板電流的大小，盡量加粗電源線寬度，減少環(huán)路電阻。同時，使電源線、地線的走向和數(shù)據(jù)傳遞的方向一致，這樣有助于增強抗噪聲能力。地線設(shè)計中采用一點接地和加粗接地線的方式，并且將電路板上的模擬電路和數(shù)字電路分開都有助于增強系統(tǒng)的抗干擾性。電磁兼容性設(shè)計中應(yīng)注意：盡量減少不連續(xù)印制導(dǎo)線的出現(xiàn)。例如導(dǎo)線寬度不要突變，導(dǎo)線拐角應(yīng)不小于90度，不能出現(xiàn)環(huán)狀布線；由于時鐘信號引線非常容易導(dǎo)致電磁輻射干擾的產(chǎn)生，布線時應(yīng)盡可能地靠近地線回路，驅(qū)動器也應(yīng)與連接器緊鄰。對于那些離開印制電路板的引線，驅(qū)動器應(yīng)緊緊挨著連接器；在數(shù)據(jù)總線布線時，應(yīng)使信號地線夾在每兩根信號線之間。為了抑制出現(xiàn)在印制線條終端的反射干擾，應(yīng)該采用慢速電路，并且盡可能地將印制線的長度減短。必要的時候可以在電源端和傳輸線的末端對地各接一個阻值相同的匹配電阻。

4 結(jié)論

本文介紹了CAN總線解決方案，完成了對其的硬件和軟件的設(shè)計。此方案代替了以往汽車電氣系統(tǒng)的點對點的線束傳輸方式，大大減少了車身線束，從而減小車輛的自重，節(jié)約能源，并且防止以往由于繁多線束而引起的車輛自燃。并且對系統(tǒng)進行了抗干擾性設(shè)計，保證了其工作的穩(wěn)定性。

[1]程宇.汽車電子特刊[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2006(8): 81-112.

[2]李爽,孫克怡.汽車網(wǎng)絡(luò)的分類及發(fā)展趨向[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2006(2).

[3]ATMEL.AT90CAN128 DataSheet.ATMEL,2004.

[4]AVRStudio4 Data Manual.ATMEL,2005(3):5-12.