基于CAN总线的轿车车灯控制系统及雷达系统的设计毕业设计

本科生毕业设计（论文）基于CAN总线的轿车车灯控制系统及雷达系统的设计摘 要随着现代汽车技术的日益发展，汽车电子装置不断增加，汽车综合控制系统中需实时交换的各种控制信息随之越来越多，传统线束技术已远远不能满足这种需求，汽车总线控制技术应运而生。本设计主要实现车灯控制系统和雷达系统的智能化。本设计以单片机P87C591为核心构建硬件平台，通过CAN总线模块接收和发送报文、光敏传感器采集光信号和湿度传感器采集湿度信号，传感器采集的信号输入给AD转换器，再传输给单片机，由单片机对信号进行分析处理，输出控制信号控制汽车车灯的亮灭，雷达系统通过超声波的发送和接收模块，把信号传给A/D转换器，在由单片机对信号进行分析处理，控制报警电路报警。在软件设计上，有CAN总线收发系统，灯光系统，雷达系统和测距系统等。本系统实现了汽车车灯控制的智能化和雷达系统的测距功能，再有障碍物靠近车辆时，报警电路能够及时报警，保证了汽车在行驶过程中的汽车的安全行驶，大大提高了车辆在行驶中的安全性和可靠性。关键词:CAN总线，P87C591，车灯控制，雷达系统AbstractWith the development of modern automobile, automobile electronic device increases ceaselessly, all sorts of information control will be more and more real-time exchange need comprehensive automobile control system, the traditional wiring technology has far can not meet this demand, vehicle bus control technology emerge as the times require. This design is mainly the realization of intelligent lighting control systems and radar systems.The P87C591 single-chip design as the core of the hardware platform, receiving and sending newspaper, a photosensitive sensor signal collection and humidity sensor and humidity signal through the CAN bus module, signal sensor inputs to the AD converter, and then transmitted to the microcontroller, the signal was processed by SCM, the output control signals to control the vehicle lamp light out, radar system by ultrasonic sending and receiving module, sending a signal to the A/D converter, by the microcontroller on the signal analysis and processing, control alarm circuit alarm. In software design, CAN bus transceiver system, lighting system, radar system and ranging system.This system has realized the ranging function of intelligent and radar system of automobile light control, another obstacle to the vehicle, the alarm circuit can alarm in time, ensure the safety of vehicles in the automobile driving process, greatly improving the safety and reliability of the vehicle.Keywords：CAN Bus；P87C591l；Lights Control l；Radar System目 录第1章 绪 论11.1 国内外研究现状及CAN总线技术特点11.2 课题研究的背景21.2.1 汽车车身电子技术21.2.2 现场总线的意义21.2.3 车灯控制系统及雷达系统利用CAN总线的意义21.3 毕业设计总体内容3第2章 方案设计42.1 方案比较42.2 总体方案13第3章 硬件设计153.1 单片机的最小系统153.2 灯光控制节点MCU163.3 灯光驱动电路173.4 超声发射电路173.5 超声波接收模块设计183.6 显示电路213.7 报警电路213.8 串行通讯接口设计223.9 单片机的拓展电路233.10 光敏传感模块243.11 湿度传感器模块253.12 稳压电路26第4章 软件设计274.1 系统总体软件功能274.2 J1939通讯协议274.3 灯光系统的流程图284.4 节点接收模块304.5 节点发送模块314.6 照明灯软件设计334.7 雾灯软件设计344.8 测距系统35第5章 结论37致谢38参考文献39附录I40附录II43附录III50V第1章 绪 论1.1 国内外研究现状及CAN总线技术特点 本课题所研究的基于 CAN 总线的汽车车身控制系统，主要是为了简化现代汽车车身中日益复杂的电子控制设备之间的连线。在现代汽车的车身中，电子控制的部件越来越多(例如集控锁、电动车窗、后视镜、厢内照明灯、各种信号灯、座椅控制和汽车声像系统)，如果用传统的信号线连接方式会使得连接导线非常复杂和冗长。采用 CAN 总线以后，不管有多少电子部件需要控制，从控制命令发出部件所在位置，到接收部件所在位置的连线只需 2 根，故需要控制的部件越多，从命令发出地点到接收地点的距离越长(如大型车)，节约导线的效果就越明显。并且随着导线连接的简化，给汽车制造时的线束布置带来极大方便，另外在功能扩展(如再加入新的电子控制部件)时，无需重新布线，大大方便了升级换代工作。一个常用来说明 CAN 总线优点的例子是:某型汽车原来的连线总长为 500 米，使用 CAN 以后缩短为 50 米，节约导线 10 倍(总重量也会减轻)。不仅如此，CAN 总线能够方便地实现整车数据共享，使汽车的性能全面优化和高水平智能化。 CAN 总线具有卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，因此，已经在汽车工业、航空工业、控制安全防护、嵌入式网络和保安系统等领域得到了广泛应用。今天，在欧洲几乎每一辆新客车上均装配有 CAN 局域网。在国外现代轿车的设计中，CAN 己经成为必须采用的技术，奔驰、宝马、大众、沃尔沃、雷诺、劳斯莱斯等汽车都将 CAN 作为控制器联网的手段。一些汽车专家认为，就像汽车电子技术在 20 世纪 70 年代引入集成电路、80 年代引入微处理器一样，近 10 年现场总线 CAN 技术的引入也将是汽车电子技术发展的一个里程碑。我国在 CAN 总线研究应用方面起步较晚，工程应用几乎是空白。特别是在汽车上的应用，可以说是从近年，才在几个大的汽车研究和生产单位正式启动的，目前都处于研究的初级阶段，还没有拿出产品化的成果。由于这些研究刚刚还处于起步阶段，故目前的研究重点都集中在动力系统(发动机、自动变速器、电机、电池、仪表等)的 CAN 通讯上，还没有精力针对汽车车身的电子控制部件进行 CAN 总线的应用研究。在我国，CAN 总线技术的研究开发还刚刚起步，完全国产化的、应用 CAN 总线控制动力系统的汽车还没有；CAN 总线在车身控制方面的应用还仅限于开关量控制(如车灯、车门等)。本课题所研究的 CAN 总线车身控制系统，可以简洁汽车网络的设计、促进产品的实用化和低成本化。1.2 课题研究的背景 近几年来，随着汽车产业的飞速发展，汽车技术的更新周期也在缩短，汽车对电子产品的依赖性越来越突出，可以说要提高汽车的技术水平，主要靠汽车电子技术来完成。 目前，国内的汽车电子技术多数还处于初级阶段，有自主技术的汽车电子产品也不过是汽车音响、影音娱乐系统及空调等汽车媒体技术。而控制类汽车电子技术还没有形成产业，国内整车厂现在采用的汽车电子控制技术，多为直接引进国外产品或是一些中外合资企业生产、组装的产品。 汽车工业已经是我国国民经济的一个支柱型产业，2006 年中国汽车产量已经达到700 万辆，而我国的汽车零部件产业还很薄弱，特别是汽车电子技术更加落后，已经阻碍了汽车产业的迅速发展。所以，能否在电子技术上占领制高点，开发出具有自主知识产权、技术含量高的汽车电子产品，实现跨越式发展，减轻对国外汽车零部件的技术依赖，是我国汽车产业发展的当务之急。这样才能使我国的汽车技术赶上世界发达国家的汽车技术水平，为我国汽车产业的发展提供必要条件。1.2.1 汽车车身电子技术控制类汽车电子产品一般分为动力系统和车身控制系统两类，在本研究课题中将详细介绍车身控制技术中关于仪表和车灯控制的详细内容。车身控制系统主要是为了汽车增加辅助功能，提高驾驶的方便性、乘坐的舒适性及安全性。车身控制系统涵盖范围广，包括灯光控制系统，门窗控制系统，座椅控制系统，气候（空调）控制系统，防盗系统，导航定位系统，安全气囊，仪表板显示集控等。1.2.2 现场总线的意义现场总线控制系统(FCS)是 2 0 世纪 80 年代中期在国际上发展起来的一种崭新的工业控制技术，它的出现引起了传统的 PLC 和 DCS 控制系统基本结构的革命性变化。现场总线技术极大地简化了传统控制系统繁琐且技术含量较低的布线工作量，使其系统检测和控制单元的分布更趋合理，使原来基于设备来选择控制和通信的方式，转变为基于网络来选择设备。随着 Internet 和 Intranet 的迅猛发展，现场总线控制技术越来越显示出其传统控制系统无可替代的优越性。现场总线控制技术已成为工业控制领域中的一个热点。传统机电产品是否具有总线接口已成为能否在市场上生存的一个必要条件。1.2.3 车灯控制系统及雷达系统利用CAN总线的意义目前，现场总线有许多种类，几种有影响的总线为:基金会现场总线，LON WORKS，PROFIBUS，CAN， HART 等，由于 CAN 总线(全称为“Controller Area Network)最初是针对汽车提出的，故在汽车领域，可以说 CAN 总线占据着霸权的地位。20 世纪 90 年代以来，汽车上由电子单元控制的部件越来越多，例如电子燃油喷射装置、防抱死制动装置(ABS)、安全气囊、电控门 窗、主动悬架、自动变速器、汽车稳定性控制(ESP),混和动力汽车中的电机控制，电池管理系统、座椅控制之类的舒适系统、汽车声像之类的娱乐系统等等。随着这些集成电路和单片机在汽车上的广泛应用，使得电子控制装置之间的通讯越来越复杂，如果用传统的信号线连接方式来连接各个控制器，不但会使控制器的引脚过多、控制器设计变得非常复杂，而且也会使得连接导线变得非常冗长(如某型汽车原来的连线为 500 米，使用 CAN 以后缩短为 50 米;采用传统连线方式的东风汽车公司的混和动力轿车，仅连接电缆就达 40 公斤)，使可靠性大大降低。博世(Bosch)公司推出 CAN 总线的最初动机，就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯问题，减少不断增加的信号线。CAN 总线是一种单一的网络总线，其最大的优点是:所有的控制器件都可以挂接在 CAN 总线(只有两根电线)上。现在汽车上的网络连接方式主要采用 2 条 CAN，一条用于驱动系统的高速 CAN，速率达到 500kb/s，一条用于车身系统的低速 CAN，速率是 100kb/s 驱动系统主要连接对象是发动机控制器 ECU、ASR 及 ABS 控制器、安全气囊控制器、组合仪表等，它们的基本特征相同，都是控制与汽车行驶直接相关的系统。车身系统 CAN 主要连接对象是4 门以上的集控锁、电动车窗、后视镜和厢内照明灯等。目前，驱动系统 CAN 和车身系统这 2 条独立的总线之间尚没有关系。但人们已在设计“网关”，以实现在各个 CAN之间的资源共享，并将各个数据总线的信息反馈到仪表板上。驾车者只要看看仪表板，就可以知道各个电控装置是否正常工作了。1.3 毕业设计总体内容本次本业设计主要由以下几个章节构成：第一章 绪论：绪论主要包括CAN总线国内外发展的概况、次设计研究的背景、车车身的电子技术及车灯控制系统及雷达控制系统利用CAN总线的意义。第二章 方案设计：包括了方案的选择及总体框图的设计，确定了系统的总体设计方案。第三章 硬件设计：硬件设计主要包括稳压电路、灯光控制节点MCU、超声发射电路、超声波接收电路、灯光驱动电路、单片机的外围系统、显示电路、报警电路、单片机的拓展电路和A/D采样电路。第四章 软件设计: 包含了本设计的主体流程图和汽车灯光控制系统和雷达系统的各个模块的子程序流程图及其相对应的子程序，具体阐述了软件系统的设计。第五章 设计总结：总结了本次毕业设计学到知识点和本次设计遇到的难题和解决这些难题的方法，受益良多。第2章 方案设计2.1 方案比较 本设计在显示电路、总线的选择、单片机的选择和测距传感器的选择进行方案比较。显示方案一：采用数码管作为显示。根据题目要求至少需要四位数码管显示，数码管在与单片机的串行连接时需要用到移位寄存器74LS164，比较繁琐麻烦，增加了硬件电路的复杂性，并且数码管显示受温度的影响，而是数码管没有良好的均匀度。显示方案二：采用LCD1602液晶显示屏。因为LCD1602液晶显示屏是个微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中，因此得到广泛的应用。所以选择方案二。CAN总线方案一：1. 由于目前 CAN 为愈来愈多的不同领域采用和推广，导致要求不同应用领域通信报文的标准化。为此，1991 年 9 月 Philips Semiconductors 制订并发布了 CAN 技术规范（Version 2.0）。该技术规范包括 A 和 B 两个部分。2.0A 给出了曾在 CAN 技术规范版本 1.2 中定义的 CAN 报文格式，而 2.0B 给出了标准的和扩展的两种报文格式。此后，1993 年 11 月 ISO 正式颁布了道路交通运载工具数字信息交换高速通信控制器局部网（CAN）国际标准（ISO11898），为控制器局部网标准化、规范化、推广铺平了道路。CAN 技术规范 2.0A 和 2.0B 以及 CAN 国际标准 ISO11898 是设计 CAN 应用系统的基本依据，也是应用设计工作的基本规范。控制器局部网是一种具有很高保密性、有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。CAN 应用范围遍及从高速网络到低成本的多线路网络。在自动化电子领域、发动机控制部件、传感器、抗滑系统等的应用中，CAN 的位速率可高达 1Mbps。同时，它可以廉价地用于交通运载工具电器系统中，例如：灯光聚束、电气窗口等等以代替所需要的硬件连接。CAN 技术规范的目的是使任意两个 CAN 执行过程达到兼容。然而，兼容性具有众多的不同方面，例如：电气特性和被传送数据的表示方法。CAN 技术规范版本 2.0 包括两部分内容：版本 2.0A 描述在 CAN 技术规范 1.2 中定义的 CAN 报文格式；版本 2.0B 描述标准和扩展格式两种报文格式。为了同 CAN 技术规范 2.0 兼容，要求 CAN 执行既同版本 2.0A,也同版本 2.0B 兼容。随着串行通信进入更多应用领域，因此，要求各种应用领域通信功能报文标识符标注的标准化，如果原有由 11 个标识符定义地址范围加以扩展，CAN 对于这些应用服务将更加周到，因而，引入了第二种报文格式（扩展格式），它可以提供由 29 位定义的更大地址范围，这将使系统设计者解释除在定义良好结构名称方面的苦恼。需要借助扩展格式提供标识符范围的 CAN 用户可以继续使用方便的 11 位标识符（标准格式）。这种情况下，他们可以使用市场过去推广使用的 CAN，也可以使用两种格式的新型控制其来实现。为了区分标准格式和扩展格式，CAN 报文格式中第一个保留位像它在 CAN 技术规范版本 1.2 中定义的一样被使用。由于 CAN 技术规范 1.2 的报文格式等效于标准格式，因而仍然可用，而由于定义了扩展格式，可使标准格式和扩展格式的报文在相同的网络中同时存在。2. CAN总线的四种帧(1) 数据帧 数据帧自一个发送节点携带数据至一个或多个接收节点，数据帧由七种不同的位域组成：帧的起始域；仲裁域；控制域；数据域；CRC 域；应答域；帧的结束域。 帧的起始域：该域表示一个数据帧或远程帧的开始，它由一个显性组成，该显性用于接收状态下的 CAN 控制器的硬同步。仲裁域：由信息标识符及 RTR 位组成，当有多个 CAN 控制器同时发送数据时，在仲裁域要进行面向位的冲突裁决。标识符：由 11 位组成，用于提供信息地址及优先级。其发送顺序为 ID.10 至 ID. 0(LSB)。需要注意的是，其最高七位(ID. 10 至 ID. 4)均为隐性的现象不允许出现。ID 决定了报文的优先权，ID 的数值越小，优先级越高。这一点可以从 CAN 总线的物理特性理解。当总线上有几个节点同时需要发送数据，其 ID 标识符分别为01001011111；01001111111 和 01111111111，当发送 ID.10 和 ID. 9 时，三个节点都没有发现冲突，于是继续发送 ID.8，这时由于 C 节点发送的是隐性(逻辑 1)，而 A 和 B 节点都发送的是显性(逻辑 0)，各节点上是集电极开路，“线与”的关系，所以 C 节点发现有冲突，而且自己标识符的优先级低，于是 C 节点退出仲裁。同样的道理，8 节点在发送 I D. 5 后退出仲裁。CAN 总线优先级的仲裁与 Ethernet 有很大的不同。Ethernet 采用的是 CSMA/CD 协议，即检测到碰撞后，各节点均先退出发送，经过各自随即产生的时间延迟后再重新发送。而 CAN 总线这种按优先级判别的方法，可以使优先级高的消息先发送。因此，标识符取值最小的节点能够占据总线。需要注意的是，优先级别取决于发送消息中的标识符，而不是节点。标识符并不限定某一特定节点接收该信息，因为 CAN 网络支持点对点、一点对多点接收及广播几种通讯方式。程帧发送请求位(RTR)：CAN 总线上的接收节点可以请求总线上另一个节点发送信息，方法是向网络上发出远程帧用标识符指出节点地址，并置 RTR 位为高。如果所寻址节点立即发送所请求的数据，则使用相同的标识符，此时总线上不会产生冲突，因为数据帧的 RTR 位此时为低(数据，显性)。控制域：此域由 6 个位组成，包括 2 个保留位(ID ，用于 CAN 协议扩展)及 4 位数据长度码，允许的数据长度值 08。数据域：发送缓冲区中的数据按照数据长度代码指示的长度发送。对于接收的数据同样如此，第一个数据字节的最高有效位第一个被发送/接收。循环冗余校验(CRC)域：CRC 域由 CRC 序列位(1 位)及 CRC 连界符(一个隐性)组成。CRC 范围包括帧的起始域、仲裁域、控制域、数据域及 CRC 序列。CRC 序列的最高有效位被首先发送/接收，选用这种帧校验式，是由于这种 CRC 码对于少于 127 位的帧是最佳的。应答域：应答域由发送方发出的两位(应答空隙及应答分界)隐性组成，所有接收到正确的 CRC 序列的节点将在发送节点的应答空隙上将发送方的这一隐性改写为显性。因此，发送节点将一直监视总线信号以确保网络中至少一个节点正确地收到了所发信息。应答分界位是应答域中第二个隐性。由此可见，应答空隙两边有两个隐性，CRC分界位及应答分界位。帧结束域：每一个数据帧或远程帧均由一串 7 个隐性的帧结束域结尾。这样，接收节点可以正确检测到一个帧的结束。(2) 远程帧CAN 上的一个接收节点可以启动数据传输，方法是向网络上发一个远程帧，用标识符寻址数据发送源节点，且置相应帧的 RTR 位为高。远程帧与数据帧有如下不同：RTR 位为高；数据长度代码无效；无数据域。远程帧由 6 个域组成：帧起始域、仲裁域、控制域、CRC 域、应答域、帧结束域。(3) 错误指示帧错误指示帧由两个不同的域组成：第一个域反映来自控制器的错误标志，第二个域为错误分界符。 错误标志有两种形式的错误标志：主动错误标志，它由 6 个连续显性组成:被动错误标志，它由 6 个连续隐性组成，它可由其它 CAN 控制器的显性改写。处于主动错误状态的 CAN节点检测到错误后，将发出主动错误标志，该错误标志不满足位填充(插入)规则，或者破坏 T 应答域或帧结束域的固定格式。所有其它节点都将检测到错误状态，并发出该错误标志。因此，这些从总线上监测到的显性串是各节点发出的不同错误标志的结果，这一位串的长度最小是 6 个，最长是 12 个。被动错误状态的 CAN 控制器检测到错误后发出被动错误标志，并等待从被动错误标志开始的相同极性的 6 个连续位。当这 6 个相同位被检测到后，被动错误标志结束。 错误分界错误分界符由 8 个隐性组成它与过载分界有相同的格式。当错误标志发生后，每一个 CAN 节点监视总线，直至检测到一个显性的跳变。此时表示所有的 CAN 节点已经完成了错误标志的发送，并开始发送 8 个隐性的分界符。之后网络上的主动错误节点便可同时开始其它的发送。如果在数据帧或远地帧的发送过程中，出现错误，则当前的信息作废，并重新启动数据发送。如果 CAN 节点发现错误指示帧出错，则重发。当连续出现错误指示帧错误时，则相应的节点将变为被动错误节点。为正确地结束错误标志，被动节点需要总线空闲至少三个位周期（如果在一个被动错误态接收控制器出现本地错误）。(4) 超载帧超载帧由两个区域组成：超载标志及超载分界符。下述两种状态将导致超载帧发送：接收方在接收一帧之前需要过多的时间处理当前的数据(接收未准备好)；在帧间空隙域检测到显性信号。 超载帧发送条件条件有两个：在帧间空隙域的第一个位周期:在帧间空隙域中检测到显性信号一个位周期后，方可启动超载帧的发送。 超载标志超载标志由 6 个隐性组成，其格式与错误标志相同。 超载分界符超载分界符由 8 个隐性组成：其格式与错误分界符相同。当超载标志发出后，每个节点监视总线状态，直至检测到隐性的跳变。此时，所有的节点均已完成超载标志的发送，并开始发 8 个隐性串。帧间空隙数据帧及远程与其前面一帧信息包之间的空隙是帧间空隙，它由帧间空隙域及总线空闲状态组成。(5) 帧间空隙帧间空隙由三个隐性组成，在此期间，CAN 节点不进行帧发送。帧间空隙是必要的，为的是使 CAN 控制器在下次信息传递前有时间进行内部处理操作。LIN总线方案二：1. LIN Bus系统主要特性有：(1)单主机多从机组织（即没有总线仲裁），配置灵活； (2)于普通UART/SCI 接口的低成本硬件实现低成本软件协议； (3)带时间同步的多点广播接收，从机节点无需石英或陶瓷谐振器，可以实现自同步； (4)保证信号传输的延迟时间。可选的报文帧长度：2、4 和8 字节； (5)数据校验和的安全性和错误检测，自动检测网络中的故障节点； （6）使用最小成本的半导体组件（小型贴片，单芯片系统）。 （7）速度高达20kbit/s； LIN网络由一个主节点以及一个或多个从节点组成，媒体访问由主节点控制-从节点中不必有仲裁或冲突管理。可以保证最差状态下的信号传输延迟时间。 LIN相对于CAN的成本节省主要是由于采用单线传输、硅片中硬件或软件的低实现成本和无需在从节点中使用石英或陶瓷谐振器。 2. LIN物理层 总线驱动/接收器的定义遵循ISO 9141单线标准，并带有一些增强性能。总线为单线传输，与总线通过终端电阻由电池正极节点(VBAT)提供。总线收发器采用增强型的ISO 9141实现标准。总线可以取两个互补的逻辑值：主控值其电压接近于接地端，代表逻辑值0，退让值其电压与电池电压接近，代表逻辑值1。 总线采用上拉电阻作为终端，主节点的上拉电阻为1k，从节点的上拉电阻为30k。电阻需串联一个二极管以防止由于本地电源泄漏对总线产生的干扰。从节点的终端电容通常值为 CSlave= 220pF，主节点的电容要更高以使整个总线的电容小于从节点的值。 由于采用单线媒质传输，最大的传输波特率被限定在20kbit/s以内。该值为从满足信号同步而不产生冲突的最高值，到为满足电磁兼容性要求而要达到的传输最低值之间的实验中间值。最小的传输波特率为1kbit/s-这有助于避免在实际中产生超时冲突。 LIN协议 通过LIN总线传输的实体为帧。一个报文帧由帧头以及回应（数据）部分组成。在一个激活的LIN 网络中，通讯通常由主节点启动，主节点任务发送包含有同步间隙的报文头，同步字节以及报文标志符(ID)。一个从节点的任务通过接收并过滤标志符被激活，并启动回应报文的传送。回应中包含了1到8个字节的数据以及一个字节的校验码。 传输一帧所花费的总的时间是发送每个字节所用的时间，加上从节点的回应间隙，再加上传输每个字节的间隙时间(inter-byte space)。字节间隙是指发送完前一个字节的停止位后到发送下一个字节的启动位之间的时间。 LIN协议的核心特性是使用进度表(schedule table)。进度表有助于保证总线不出现过载的情况，他们同样是保证信号定期传输的核心组件。在一组LIN节点中只有主节点任务才可以启动通讯保证了行为的确定性。主节点有责任保证与操作模式相关的所有帧都必须分配了足够长的传输时间。 LIN信息是以报文的形式传送的。报文传输是由报文帧的格式形成和控制的。报文帧由主机任务向从机任务传送同步和标识符信息，并将一个从机任务的信息传送到所有其它从机任务。主机任务位于主机节点内部，它负责报文的进度表、发送报文头（HEADER）。从机任务位于所有的（即主机和从机）节点中，其中一个（主机节点或从机节点）发送报文的响应（RESPONSE）。 帧内部间隔（inter-frame space）是从上一帧发送完毕后到下一帧启动发送间的时间间隔。帧由帧间间隔以及接下来的4到11个字节域组成。一个报文帧如图 2.1所示，是由一个主机节点发送的报文头和一个主机或从机节点发送的响应组成。报文帧的报文头包括一个同步间隔场（SYNCH BREAK FIELD）、一个同步场（SYNCH FIELD）和一个标识符场。报文帧的响应（RESPONSE）则由3 个到9 个字节场组成：2、4 或8 字节的数据场（DATA FIELD）和一个校验和场（CHECKSUM FIELD）。字节场由字节间空间分隔，报文帧的报文头和响应是由一个帧内响应空间分隔。最小的字节间空间和帧内响应空间是0，这些空间的最大长度由报文帧的最大长度TFRAME_MAX。 图 2.1 LIN报文帧通过方案一和方案二比较可以得出结论，LIN总线有一个主节点，其他是从节点。从节点不能主动向主节点传输信息，只有主节点需要从节点才能发送信息；CAN总线没有主从之分，总线上得节点都可以在总线空闲时互相通信，如果两个节点同事发送信息，那么按报文优先级来分，优先级高的可以先发，优先级低的后法，优先级是由报文标识符确定的。从速率上说，CAN总线最高通信速率可达1M每秒，LIN总线只有20K左右，所以选择方案一。单片机的选型方案一，选择AT89S52：主要性能： 与MCS-51单片机产品兼容；8K字节在系统可编程Flash存储器；1000次擦写周期； 全静态操作：0Hz33MHz；三级加密程序存储器； 32个可编程I/O口线； 三个16位定时器/计数器；八个中断源； 全双工UART串行通道； 低功耗空闲和掉电模式； 掉电后中断可唤醒；看门狗定时器； 双数据指针；掉电标识符；功能特性描述：AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。方案二,选择P87C591；P87C591是一个单片8位高性能微控制器，具有片内CAN控制器，从80C51微控制器家族派生而来。它采用了强大的80C51指令集并成功地包含了PHILIPS半导体SJA1000 CAN控制器强大的PeliCAN功能。全静态内核提供了扩展的节电方式。振荡器可停止和恢复而不会丢失数据。改进的1：1内部时钟预分频器在12MHz外部时钟速率时实现500ns指令周期。微控制器以先进的CMOS工艺制造，并设计用于汽车和通用的工业应用。除了80C51的标准特性之外，器件还为这些应用提供许多专用的硬件功能。P87C591组合了P87C554(微控制器)和SJA1000(独立的CAN控制器)的功能，并具有下面的增强特性：（1）增强的CAN接收中断（2）扩展的验收滤波器（3）验收滤波器可在运行中改变特性（1）16K字节内部程序存储器，512字节片内数据RAM；（2）3个16位定时/计数器：T0、T1和T2(捕获&比较)，1个片内看门狗定时器T3；（3）带6路模拟输入的10位ADC，可选择快速8位ADC；(4)2个8位分辨率的脉宽调制输出(PWM)；(5)具有32个可编程I/O口(准双向、推挽、高阻和开漏)；（6）带硬件I2C总线接口；(7)全双工增强型UART，带有可编程波特率发生器(8)双DPTR；(9)可禁止ALE实现低EMI；(10)复位信号；(11)eliCAN内核；(12)度范围：-40+85；通过方案一和方案二比较，由于方案二更适合用与CAN总线模块相连，所以选择方测距传感器的选择；方案一:激光测距激光测距装置门是一种光子雷达系统，它具有测量时间短、量程大、精度高等优点，在许多领域得到了广泛应用。目前在汽车上应用较广的激光测距系统可分为非成象式激光雷达和成象式激光雷达。非成象式激光雷达根据激光束传播时间确定距离。它的工作原理是:从高功率窄脉冲激光器发出的激光脉冲经发射物镜聚焦成一定形状的光束后，用扫描镜左右扫描，向空间发射，照射在前方车辆或其他目标上，其反射光经扫描镜、接收物镜及回输光纤，被导入到信号处理装置内光电二极管，利用计数器计数激光二极管启动脉冲与光电二极管的接收脉冲间的时间差, 即可求得目标距离。利用扫描镜系统中的位置探测器测定反射镜的角度即可测出目标的方位。成象式激光雷达又可分为扫描成象激光雷达和非扫描成象激光雷达。扫描成象激光雷达把激光雷达同二维光学扫描镜结合起来，利用扫描器控制激光的射出方向，通过对整个视场进行逐点扫描测量，即可获得视场内目标的三维信息。非扫描成象式激光雷达将光源发出的经过强度调制的激光经分束器系统分为多束光后沿不同方向射出，照射待测区域。由于非扫描成象激光雷达测点数目大大减少，从而提高了系统三维成象速度。在汽车测距系统中，激光测距的应用只有局限性。尽管非成象激光雷达更同成象式激光雷达相比，具有造价低、速度快、稳定性高等特点。但由于激光雷达测距仪器工作环境处于高速运动的车体中，振动大，对其稳定性、可靠性提出了较高的要求，其体积也受到了一定的限制，同时激光测距方式受天气状态、汽车的震动及反射镜表面磨损、污染等因素影响较大，测距精度难以保证。所以在汽车防撞领域激光测距方式没有得到发展。方案二：摄像系统测距CCD摄像机是一种用来模拟人眼的光电探测器。它具有尺寸小、质量轻、功耗小、噪声低、动态范围大、光计量准确、其线扫描输出的光电信号有利于后续信号处理等优良特性，在汽车行业也得到了广泛的应用。利用面阵CCD，可获得被测视野的二维图像，但无法确定与被测物体之间的距离。只使用一个CCD摄像机的系统称为单目摄像系统，在汽车上常用于倒车后视系统，辅助驾驶员获得后视死角信息，以避免倒车撞物。为获得目标三维信息，模拟人的双目视觉原理，利用间隔固定的两台摄像机同时对同一景物成象，通过对这两幅图像进行计算机分析处理，即可确定视野中每个物体的三维坐标,这一系统称为双目摄像系统。双目摄像系统模仿人体视觉原理，测量精度高。但目前价格较高，同时由于受软件和硬件的制约，成象速度较慢，而且探头容易磨损，使得探测距离精确程度降低，一般减少至原来的1/2一1/3。方案三：超声波测距超声波简单的说就是音频超过了人类耳朵所能够听到的范围。在弹性媒质中，如果波源所激起的纵波的频率在2OHz到20000Hz之间，就能引起人的听觉。在这一频率范围内的振动称为声振动，声振动所激起的纵波称为声波。频率高于20000Hz的机械波称为超声波，频率低于20Hz的机械波称为次声波。与光波不同，超声波是一种弹性机械波，它可以在气体、液体和固体中传播。电磁波的传播速度为380m/s，超声波在空气中的传播速度约为340m/s(常温下)，其速度与电磁波相差5个等级，其速度相对电磁波是非常慢的，由于超声波指向性强,能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，并且利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因而超声波经常用于多距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现，在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用。由上，述叙述可知，超声波测量能够达到系统中所要求的测量精度，一般应用在汽车倒车系统上。方案四:毫米波雷达测距毫米波是指波长介于1一1Omm之间的电磁波,雷达是利用目标对电磁波反射来发现目标并测定其位置的。汽车上应用的雷达采用的是3OGHZ以上的毫米波雷达，毫米波雷达测距在原理上和以上几种测距方式类似。毫米波频率高、波长短，一方面可缩小从天线辐射的电磁波射束角幅度，从而减少由于不需要的反射所引起的误动作和干扰，另一方面由于多普勒频移大，相对速度的测量精度高毫米波雷达的主要特征有:(l)稳定的探测性能。不受被测物体表面形状、颜色等的影响:对大气紊流、气涡等具有适应性。(2)良好的环境适应性。毫米波雷达的穿透能力很强，其测距精度受雨、雪、雾及阳光等天气因素和杂音、污染等环境的影响较小，可以保证车辆在任何天气下的正常运行。作为车载雷达，目前适用的主要有脉冲多普勒雷达、双频CW雷达和FM雷达三种。应用雷达测距，需要防止电磁波干扰，雷达彼此之间的电磁波和其他通信设施的电磁波对其测距性能都有影响。毫米波雷达主要应用于防撞，以避免高速公路上发生追尾碰撞。但是，由于应用毫米波雷达测距易受电磁干扰，而且成本太高，结构复杂，其价格昂贵，市场价格在1500元以上，一般使用于高档轿车。方案五:红外线测距红外线测距和激光、超声波测距在原理上基本相同，均是根据发射波和反射时间来判断目标的距离，车载仪器通过发射并接收前方物体反射回的红外线，依据信号的强弱及波长的不同，同时分析时间差，可分析出前方物体的性质及与汽车的距离。红外线的最大探测距离为10m，测距时响应的时间较慢，约1000ms。红外线测距在技术上难度不大，构成的测距系统成本较低，但是在恶劣的天气和长距离探测方面仍然不能满足汽车防撞的要求。同时，红外线的波长比可见光线长，是肉眼看不见的光，有显著的热效应和较强的穿透云雾的能力。由于任何物体在任何时候都会发出红外线，而且人类肉眼感知不到红外线，具有极强的隐蔽性，夜间同样不妨碍测距仪的工作，故该种测距仪广泛应用在军，用汽车上。从以上五种测距技术方案的介绍可以看出各个传感器的优点和缺点：超声波技术主要用于短距离探测，成本低，制作安装简便，适应恶劣环境；红外线技术一般用于夜间环境，对环境适应性差：微波雷达测距和激光测距相对于超声波测距来讲精度更高，定位更准确。摄像系统技术价格较贵；毫米波雷达技术和激光技术的成本很高，所以运用其原理进行测量的设备价格也是相当高的，因而现在只是在比较高级的轿车中才有所应用。综合以上考虑和实际应用条件，本系统的测距模块采用的是第三种方案，并在超声波测距技术方案的设计上进行了简化和改进。2.2 总体方案本设计采用 CAN 总线通讯协议建立电动汽车灯光控制系统局域网和雷达控制系统局域网，完成该局域网内前、后车灯控制系统与主控制器节点的信息通讯。通过 CAN 总线实现电动汽车灯光控制功能，如图 1 所示。 其中，左右前灯包括：远光灯（45W）、近光灯（40W）、前转向灯 （12W）、 示 宽 灯 （5W）、 边 转 向 灯 （5W） 和 雾 灯（55W）；左右后灯包括：后转向灯（23W）、制动灯（21W）、尾灯（5W）和倒车灯（23W）。要实现的灯光控制功能包括：远光灯控制、近光灯控制、雾灯控制、倒车灯控制、制动控制、尾灯控制、示宽灯控制。通过主控器节点上的开关控制所有的车灯， 一共有8 个控制开关：近光灯开关；远光灯开关；左转向灯开关；右转向灯开关；雾灯开关；倒车灯开关；小灯开关,制动等开关。汽车雷达系统前面四组，后面两组构成雷达控制系统，检测汽车和障碍物的距离，进行报警。示宽灯 前转向灯 前转向灯 示宽灯智能开关智能开关后灯节点MCUCAN总线收发器智能开关智能开关CAN总线收发器四组雷达系统CAN总线收发器主控节点MCU车灯控制开关前灯节点MCU智能开关智能开关智能开关智能开关两组雷达系统智能开关智能开关近光灯 远光灯 远光灯 近光灯边转向灯倒车灯边转向灯倒车灯制动灯尾灯牌照灯制动灯后转向灯后转向灯尾灯牌照灯 图2.2 总体框图第3章 硬件设计3.1 单片机的最小系统单片机需要供电、晶振电路与时钟电路的共同作用，才能工作，本设计采用外部时钟电路用于产生单片机工作所需的时钟信号，外接晶振时，C1、C2值通常选择30uF左右；C1、C2可稳定频率并对振荡频率有微调作用，振荡频率范围是0到24MHz。为了减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定可靠地工作，谐振器和电容应尽可能安装于单片机芯片靠近。复位电路采用手动上电复位电路，这种电路利用电容器充电来实现。当加电时，电容C3充电，电路有电流流过，构成回路，在电阻上R2上有压降，RESET引脚为高电平；当电容C3充满电后，电路相当于断开，RESET电位与地相同，复位结束。 图3.1 单片机的最小系统3.2 灯光控制节点MCU考虑到系统的成本，本设计选用 P87C591 单片机作为灯光控制节点的 MCU。 P87C591 是一个单片8 位高性能微控制器，组合了 P87C554（微控制器和 SJA1000 独立的 CAN 控制器） 的功能， 并在SJA1000 的基础上增加了以下 CAN 的特性：（1）增强的 CAN 接收中断；（2） 扩展的验收滤波器；（3）验和 TXD 相 连 ,而 是 通 过 高 速 光 电 耦 合 器6N137 后与 PCA82C250 相连,这样就很好地实现了总线上各 CAN 节点间的电气隔离。 不过，应该特别说明的一点是， 光耦部分电路所采用的两个电源Vcc 和 Vdd 必须完全隔离， 否则采用光耦也就失去了意义。PCA82C250 与 CAN 总线的接口部分也采用了一定的安全和抗干扰措施。PCA82C250 的 CANH 和CANL 引脚各自通过一个 10K 的电阻与 CAN 总线相连，电阻可起到一定的限流作用，保护 PCA82C250免受过流的冲击。 CANH 和 CANL 与接地之间并联了两个 100uF 的小电容， 可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力。 另外，在两根CAN 总线输入端与地之间分别接了一个防雷击管，当两输入端与地之间出现瞬变干扰时，通过防雷击管的放电可起到一定的保护作用。 图3.2 灯光控制节点MCU3.3 灯光驱动电路灯光驱动电路通过智能功率开关对车灯进行驱动控制。 各个车灯节点对车灯的驱动大致相同，以一个单通道智能功率开关驱动电路为例进行说明，如图 3.3 所示。 BTS443 是 Infinion 公司的智能高边功率开关，它适用于汽车电子苛刻的工作环境，其工作的温度范围可从40至150。 采用 12V 或 24V负载控制，适用于各种阻性负载、感性负载或容性负载，尤其适用于具有高浪涌电流的负载，如车灯等；可以作为继电器、 保险丝及分立电路等控制方法的替代方法。此外，BTS443 还具有多项保护功能：短路保护、过载保护、过压保护、过温关断和掉电保护、静电放电保护和电源反接保护等。 图 3.3 灯光驱动电路3.4 超声发射电路发射电路提供电脉冲信号需要由超声波发射。超声波是由软件生成方法生成。超声波信号由软件生成的，传送到驱动程序，通过输出引脚驱动由司机推探测器，产生超声波。这种方法的特点是，该软件可以充分利用和柔韧性好。超声波是由555时基电路振荡产生。应当采用12V电源以确保555时基电路有足够的驱动能力，如图3.3所示。 图 3.4 超声波发射电路3.5 超声波接收模块设计根据电路需求,需要接收放大电路满足以下要求:(l)微弱信号放大,放大倍数要求mv一V。(2)波形整形。(3)实时选通不同方向的微弱信号。如图所示，不同方向的超声波接收器将接收到回波信号转换成电压信号(正弦波)，信号经过两级放大以后，被送入电压比较器进行比较，电压比较器输出的方波信号直接输入单片机，该低电平作为P87C591外部中断0的中断信号使P87C591产生中断，并计算出有关数据。由此可见，接收电路完成了超声波回波信号的换向识别、转换。 图3.4.1 接收电路信号变化信号的放大和整形以及产生中断信号等功能，进行波形处理:如图3.4.1所示，微弱信号一放大信号一整形信号。(1)放大电路设计放大电路目的:微弱信号放大。微弱信号需要放大整形，因此接收部分电路主要由放大电路、压比较电路构成。根据所用的T40一16型超声波传感器的资料以及在实验中所观察到的现象，超声波发射器在发射超声波时，有一部分声波从发射器直接传到接收器，这部分信号直接加到回波信号中，干扰回波信号的检测此问题在软件中处理。超声波接收电路将接收换能器输出的微弱信号，进行滤波、放大、检波、整形，来得到大幅值电信号，供单片机端口辨识、接收电路可采用新产品专用集成电路，也可用传统的滤波、放大、检波、整形的电路。过去均采用分立元件构成,现在可以用集成电路来代替。采用超声波微弱信号放大芯片,如下图3.4.2所示。 图3.4.2 声波接收电路图3.4.2由集成运放Al、A2构成，R，C，为无源滤波网络,二极管、R9为检波网络。在回波信号的放大过程中，由于干扰信号的存在，为避免将干扰信号放大而产生回波误识别，必须将干扰信号滤除，即回波信号放大过程中必须设计带通滤波器，对有效频带内的超声波信号进行选择放大。滤波器的功能是让一定频率范围内的信号通过，而将此频率范围之外的信号加以抑制或使其急剧衰减。当干扰信号与有用信号不在同一频率范围之内，可使用滤波器有效的抑制干扰。由于超声波回波信号具有频率低、幅度小、易受干扰等特点,因此,本系统采用RC无源滤波方式，用于微弱回波信号的放大。由于集成运放技术已十分成熟，应用己经十分普及检波网络的功能是通过二阶带通滤波网络，检测到系统所需要的40(HZ)频率信号。(2)比较电路设计比较电路目的:将mv级的微弱信号放大后的V级信号整形成能为辨识的脉冲信号，本文是下降沿引起中断。根据硬件电路的设计思想，要将回波信号转换成CPU识别的高低中断信号，所以在对回波信号(正弦波)经过两次放大以后，需要将正弦波整形成方波，于是后面接了一个电压比较电路。因为输入频率为40HZ，采用了集成电压比较LM393。LM393具有低偏置电流和失调电流(典型值分别为100nA和6nA)，其响应速度为200ms可用单电源供电(如十5V)，也可用双电源供电(如士12V)。在本系统中采用了+5V单电源供电。通过实验观察，LM393输出信号符合设计要求，单片机端口识别引脚1处标准下降沿。电路图如图： 图3.4.3 比较电路3.6 显示电路显示电路是选择LCD1602液晶显示屏，因为由于液晶显示器显示质量高，每一个点在收到信号后就一直保持那种色彩