CAN總線在汽車車身控制中的應(yīng)用

20世紀(jì)80年代以來，隨著集成電路和單片機(jī)在汽車上的廣泛應(yīng)用，汽車上的電子控制單元越來越多，例如電子燃油噴射裝置、防抱死制動裝置（ABS）、安全氣囊裝置、電控門窗裝置和主動懸架等等。在這種情況下，如果仍采用常規(guī)的布線方式，即電線一端與開關(guān)相接，另一端與用電設(shè)備相通，將導(dǎo)致車上電線數(shù)目的急劇增加，使得電線的質(zhì)量占整車質(zhì)量的4％左右。另外，電控系統(tǒng)的增加雖然提高了轎車的動力性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性，但隨之增加的復(fù)雜電路也降低了汽車的可靠性，增加了維修的難度。為此，改革汽車電氣技術(shù)的呼聲日益高漲。因此，一種新的概念——車用控制器局域網(wǎng)絡(luò)CAN應(yīng)運(yùn)而生。

CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network）的簡稱，它是由德國Bosch公司及幾個(gè)半導(dǎo)體生產(chǎn)商開發(fā)出來的，CAN總線是一種串行多主站控制器局域網(wǎng)總線。它具有很高的網(wǎng)絡(luò)安全性、通訊可靠性和實(shí)時(shí)性，而且簡單實(shí)用，網(wǎng)絡(luò)成本低。特別適用于汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強(qiáng)和振動大的工業(yè)環(huán)境。

CAN總線的技術(shù)特點(diǎn)

CAN總線可有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制。該總線的通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖，其主要特點(diǎn)如下：

◆CAN總線為多主站總線，各節(jié)點(diǎn)可在任意時(shí)刻向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，且不分主從：

◆CAN總線采用獨(dú)特的非破壞性總線仲裁技術(shù)，高優(yōu)先級節(jié)點(diǎn)優(yōu)先傳送數(shù)據(jù)，故實(shí)時(shí)性好；

◆CAN總線具有點(diǎn)對點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播傳送數(shù)據(jù)的功能；

◆CAN總線采用短幀結(jié)構(gòu)，每幀有效字節(jié)數(shù)最多為8個(gè)，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間短，并有CRC及其它校驗(yàn)措施，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低；

◆CAN總線上某一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，可自動脫離總線，而總線上的其他操作不受影響；

◆CAN總線系統(tǒng)擴(kuò)充時(shí)，可直接將新節(jié)點(diǎn)掛在總線上，因而走線少，系統(tǒng)擴(kuò)充容易，改型靈活；

◆CAN總線的最大傳輸速率可達(dá)1Mb/s，直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)到10km（速率在5kbps以下）；

◆CAN總線上的節(jié)點(diǎn)數(shù)取決于總線驅(qū)動電路。在標(biāo)準(zhǔn)幀（11位報(bào)文標(biāo)識符）時(shí)可達(dá)到110個(gè)，而在擴(kuò)展幀（29位報(bào)文標(biāo)識符）時(shí)，個(gè)數(shù)不受限。

車身系統(tǒng)的CAN控制設(shè)計(jì)

CAN總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)

現(xiàn)代汽車典刑的控制單元有發(fā)動機(jī)控制模塊、變速器控制模塊、多媒體控制模塊、氣囊控制模塊、空調(diào)控制模塊、巡航控制模塊、車身控制模塊（包括照明指示和車窗、刮雨器等）、防抱死制動系統(tǒng)（ABS）防滑控制系統(tǒng)（ASR）等。完善的汽車CAN總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

CAN節(jié)點(diǎn)的硬件架構(gòu)

本系統(tǒng)中，CAN節(jié)點(diǎn)采用：

ECU（AT89C51）＋CAN控制器（SJA1000）＋CAN收發(fā)器（PCA82C250）的電路結(jié)構(gòu)以下是其核心芯片簡介：

（1）CAN控制器

為了系統(tǒng)進(jìn)一步擴(kuò)展的需要，可選取支持CAN 2.0B通訊協(xié)議的芯片SJA1000。SJA1000是PHILIPS公司生產(chǎn)的既支持CAN 2.0B，又支持CAN 2.0A的CAN控制器，它與僅支持CAN 2.0A的CAN控制器PCA82C200在硬件和軟件上完全兼容。

（2）CAN收發(fā)器

PCA82C250是PHILIPS推出的CAN控制器和物理總線接口芯片，可提供對總線的差分發(fā)送和接收。它與ISO 11898標(biāo)準(zhǔn)完全兼容，并有高速、斜率控制和待機(jī)3種不同的工作方式，可根據(jù)實(shí)際情況選擇。

（3）單片機(jī)AT89C51

AT89C51是ATMEL公司的單片機(jī)。它是一種低功耗、高性能、內(nèi)含4KB閃速存儲器的8位CMOS微控制器，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MCS－51指令系統(tǒng)和引腳完全兼容。AT89系列的優(yōu)越性在于其片內(nèi)閃速存儲器可進(jìn)行1000次的編程與擦除，且數(shù)據(jù)不易丟失，數(shù)據(jù)可保存10年。

CAN總線控制器、總線驅(qū)動器和單片機(jī)連接基本方法如圖2所示。

車身控制模塊中的CAN應(yīng)用層協(xié)議

協(xié)議原則

本協(xié)議遵循CAN2.0B規(guī)范，根據(jù)車身控制模塊的特點(diǎn)，采用源→目的方法，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有自己固定的標(biāo)識地址，且節(jié)點(diǎn)數(shù)小于64，設(shè)計(jì)時(shí)可將中央控制模塊設(shè)為主節(jié)點(diǎn)，而將車門、電動座椅子模塊及自檢子模塊設(shè)置為從節(jié)點(diǎn)。本協(xié)議可完成以下功能：

（1）特定信息的廣播；

（2）主從節(jié)點(diǎn)之間的連接；

（3）主從節(jié)點(diǎn)之間的信息交換（包括故障信息）。

本協(xié)議采用幀優(yōu)先原則分配標(biāo)識符，每一幀標(biāo)識符中的高四位表示幀類型，不同幀類型有不同的優(yōu)先權(quán)，優(yōu)先權(quán)決定了各種信息幀在同等情況下的發(fā)送順序，協(xié)議中的29位標(biāo)識符的分配如下：

幀類型（4位）＋目的地址（6位）＋源地址（6位）＋命令（或狀態(tài)、報(bào)告）屬性（13位）[或數(shù)據(jù)屬性＋分段標(biāo)志＋分段號（共13位）]。

對所有的命令或狀態(tài)、數(shù)據(jù)、報(bào)告屬性、除定時(shí)采集發(fā)送的數(shù)據(jù)外，原則上均需應(yīng)答（發(fā)送確認(rèn)幀以保證通訊正常）。

幀格式仲裁場和控制場定義

仲裁場由29位標(biāo)識符ID28－ID0以及SRR、IDE和RTR組成，SJA1000中的寄存器17－21用來存放擴(kuò)展幀格式幀信息的標(biāo)識符。發(fā)送時(shí)，SRR＝1，IDE＝1，RTR＝1/0（遠(yuǎn)程幀/數(shù)據(jù)幀）。標(biāo)識符中的ID28－ID25為車身控制模塊交換報(bào)文的幀類型（共4位）。ID24－ID19為車身控制模塊中幀信息使用者的地址（或稱為目的地址，共6位）。ID18－ID13為車身控制模塊中幀信息發(fā)送者的地址或稱為源地址（共6位）。ID12－ID5為車身控制模塊中交換的命令、狀態(tài)、數(shù)據(jù)或報(bào)告屬性（共8位），ID4位需附加命令或狀態(tài)、數(shù)據(jù)、報(bào)告屬性時(shí)的分段標(biāo)志。ID3－ID0為附加命令或狀態(tài)、數(shù)據(jù)、報(bào)告屬性的分段號（共4位）。當(dāng)ID4＝0時(shí)，ID3－ID0控制場、數(shù)據(jù)寄存器0－7有效。對于遠(yuǎn)程幀，則可忽略ID4－ID0以及控制場的值。SJA1000的寄存器16低四位DLC3－DLC0可構(gòu)成控制場，以決定數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)長度。

車身控制模塊CAN2.0B通訊報(bào)文約定

按車身控制模塊的節(jié)點(diǎn)要求，通訊的信息幀分為表1所列的6種，表1中的優(yōu)先級按序號從高到低排列。其目的地址和源地址的分配見表2所列。

其工作方式如下：

（1）開機(jī)后或喚醒時(shí)，從節(jié)點(diǎn)向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送狀態(tài)信息，主節(jié)點(diǎn)發(fā)送廣播信息遠(yuǎn)程幀（兩次），廣播信息為共用信息，包括車速信號，檔位信號，點(diǎn)火開關(guān)位置信號等。

（2）正常情況下，從節(jié)點(diǎn)內(nèi)部巡查各端口狀態(tài)，如有故障則向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送故障代碼3次，主節(jié)點(diǎn)收到三次故障報(bào)警后開始響應(yīng)，從節(jié)點(diǎn)停止發(fā)送，一旦故障消失，再向主節(jié)點(diǎn)發(fā)送正常信息。在主節(jié)點(diǎn)中應(yīng)有一故障表，以用于已診斷模塊的通訊。

（3）主結(jié)點(diǎn)分別發(fā)送自檢信息后，如各從節(jié)點(diǎn)正常，則發(fā)送正常信息，狀態(tài)和數(shù)據(jù)幀。如有故障，則通過分段數(shù)據(jù)幀發(fā)送故障報(bào)警幀。

（4）從節(jié)點(diǎn)監(jiān)測到正常輸入信號的變化（包括開關(guān)量和模擬量采樣級數(shù)的變化）后，便通過報(bào)告幀發(fā)送信息給主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)則發(fā)送命令幀以示響應(yīng)。

通訊報(bào)文定義

表3所列是中央控制模塊與診斷模塊的通訊報(bào)文定義。表中，aaaa為分段號，可在故障代碼多于8個(gè)時(shí)設(shè)置，最多可達(dá)傳送16