CAN总线在汽车控制系统中的应用

CAN总线在汽车控制系统中的应用学院 : 汽车与交通工程学院姓名 : 杨 勤学号 : Z1、国内外研究现状及CAN总线的技术特点11 国内外研究现状在欧洲，如：奔驰、宝马、大众，其他公司如沃尔沃等均将CAN作为控制器联网手段。此外，美国车厂也将控制器联网系统逐步由Class Two过渡到CAN。原先，总线只应用于高档车中，数量很少，各厂家出于自身利益的考虑，都有自己的定义。随着网络概念逐步扩展到大批量的经济型车上，人们觉得有必要制定相应的标准，以使各零部件生产厂能规范设计和降低成本。为此许多汽车生产厂和有关的标准化组织经多年的努力制定了一列网络组，如：CAN、VAN、ABUS和SAEJ1850。但人们越来越多地倾向于使用CAN和J1850，这两种标准都满足CS-MACR(Carrier Sense，Multi Access with Collission Resalution)协议。这两份相互独立的标准协议各自都允许不同厂家生产的控制单元联结到一个网络中，以结成所谓“开放式系统”。这也使得标准化的故障诊断的排放检测成为可能。12 CAN总线的技术特点 CAN总线可有效支持分布式控制或实时控制。该总线的通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤，其主要特点如下： 1. CAN总线为多主站总线，各节点可在任意时刻向网络上的其他节点发送信息，且不分主从； 2. CAN总线采用独特的非破坏性总线仲裁技术，高优先级节点优先传送数据，故实时性好； 3. CAN总线具有点对点、一点对多点及全广播传送数据的功能； 4. CAN总线采用短帧结构，每帧有效字节数最多为8个，数据传输时间短。并有CRC及其它校验措施，数据出错率极低； 5. CAN总线上某一节点出现严重错误时，可自动脱离总线，而总线上的其他操作不受影响； 6. CAN总线系统扩充时，可直接将新节点挂在总线上，因而走线少，系统扩充容易，改型灵活； 7. CAN总线的最大传输速率可达1Mb/s，直接通信距离最远可达到10km(速率在5kbps以下)； 8. CAN总线上的节点数取决于总线驱动电路。在标准帧(1l位报文标识符)时可达到110个，而在扩展帧(29位报文标识符)时，个数不受限。2、CAN的帧结构 CAN数据帧是CAN总线数据链路层与物理层之间交换数据采用的数据结构，CAN的技术规范中，定义了帧的结构，但没有定义有关发送和接收的信息，用户需根据系统的不同要求。设定包含数据传输所需信息的数据接口，即数据帧不同位含义。用户在设计通信软件时，根据CAN总线通信协议和数据接口，即可完成数据准确可靠的传输。 CAN总线协议支持标准版(CAN2.0A)和扩展版(CAN2.0B)两种格式的数据帧。这两种格式的数据帧都由7个段码组成。标准版CAN(2.0A)的ID码为11位，可以识别2 048个不同的信息。扩展版CAN(2.0B)的ID码为29位，可以识别5.12108个不同信息。 数据帧是携带数据由发送器至接收器的帧，CAN总线标准版数据帧格式如表1所示。表1 CAN总线标准版(CAN2.0A)数据帧格式起始位仲裁段控制段数据段CRC段证实段结束段1位11位6位08字节16位2位7位数据帧的主要结构有： 起始位：起同步作用，在总线空闲时发送，由1位显性位构成； 仲裁段：由11位标识符(IDl0ID0)和远程发送请求位(RTR)组成，RTR位为显位表示数据帧，隐位表示远程帧。标识符由高至低发送，指示传送报文和总线访问的优先权信息，数值越小优先权越高，ID10ID4不能全为隐性位； 控制段：由6位构成，前2位为保留位，为显性，后4位为数据长度码(DLC)，是数据段中数据的字节数，在08范围内变化； 数据段：由被发送数据组成，数目为控制段中决定的08个字节，第一个字节的最高位首先被发送； CRC段：包括CRC(循环冗余码校验)序列(15位)和CRC界定符(1个隐位)，用于帧校验； 证实段：由应答间隙和应答界定符组成，共两位； 结束段：由7位隐性位组成，此期间无位填充。 3、汽车内部单元通讯功能分析 现代汽车内部的控制单元主要有发动机控制系统、制动防抱死控制系统、安全气囊控制系统、变速器控制系统、仪表管理系统、牵引力控制系统、故障诊断系统、中控门锁系统、座椅调节系统、车灯控制系统、空调控制系统、雨刷控制系统、后视镜控制系统等。这些控制单元通过CAN总线构成一个实时通讯控制网络，各控制单元发出的控制指令必须迅速、可靠、及时地得到响应，否则轻则就有可能车辆局部控制失灵，重则就有可能发生车毁人亡的重大事故。若整辆汽车的所有控制单元都连接在一个CAN总线网络上，所有的控制单元都通过一条CAN网络进行通信，那么就很容易出现总线负荷过大。系统实时响应速度下降，将导致关键控制部位的实时响应速度得不到保证。因此在对汽车上各控制单元的实时性进行了分析 之后，根据各控制单元对实时性的要求不同。设计了高、低速两个速率不同的CAN通信网络。将实时性要求严格、可靠性要求高的发动机控制系统、制动防抱死控制系统、变速器控制系统和安全气囊控制系统组成高速CAN通信网络，将实时性要求相对较低的中控门锁控制系统、座椅调节系统、电动车窗控制系统、后视镜控制系统、雨刷控制系统和车厢内照明灯控制系统等组成低速CAN通信网络，并配置网关将这两个速率不同的CAN通信网络连接起来，实现全部节点之间的数据共享。高速CAN网络的传输速率达到500Kbs，低速 CAN网络的传输速率大约是10125Kbs。汽车控制系统通讯网络如图1所示。图1 汽车控制系统通讯网络图4、CAN节点硬件设计CAN节点的硬件构成一般有两种方案，一种是内部集成CAN控制器的微控制器加上收发器，另外一种方案是通用微控制器加上独立CAN控制器再加上收发器。采用前一种方案，不占用微控制器的端口资源。可以简化接口电路的设计。本设计采用内部集成有CAN控制器的MC9S12DGl28微控制器芯片，需外加CAN驱动器PCA82C250和光电耦合器TLPll3，节点硬件原理如图2 所示。图中CAN驱动器PCA82C250通过两个光电耦合器TLPll3和MC9S12DGl28芯片的TXCAN0和RX-CAN0引脚相连接。MC9S12DGl28芯片负责对MSCAN模块进行初始化，并通过该模块与外部总线进行通讯； PCA82C250是CAN总线和物理总线之间的接口。对总线提供差动发送能力，并对CAN控制器提供差动接收能力；TLP113接在CAN驱动器PCA82C250和MC9S12DGl28 芯片之间进行电气隔离，可以提高通信的抗干扰能力。另外，总线两端应接抑制反射的120欧姆的终端匹配电阻，如果不接终端电阻，会使得数据通讯得抗干扰性及可靠性大大降低，甚至无法通讯。图2 硬件原理图5、结束语 CAN总线作为一种可靠地汽车计算器网络总线，现已开始在先进的汽车上得到应用，从而使得各汽车计算机控制单元能够通过CAN总线共享所有的信息和资源，以达到简化布线、减少传感器数量、避免控制功能重复、提高系统可靠性和可维护性、降低成本、更好的匹配和协调各个控制系统之目的，进而使得汽车的动力性、操纵稳定性、安全性都上升到新的高度。随着汽车电子技术的发展，具有高度灵活性、简单的扩展性、优良的抗干扰性和纠错能力的CAN总线通信协议必将在汽车电容系统中得到更广泛的应用。