基于CAN總線技術(shù)的汽車(chē)ECU設(shè)計(jì)
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控制器局域網(wǎng)（ControllerAreaNetwork，CAN）是Bosch公司于1986年在美國(guó)汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)（SAE）大會(huì)上推出的一種新型串行總線，被廣泛地用于汽車(chē)內(nèi)部測(cè)量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信，其總線規(guī)范已被制訂為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，由于其高性能、高可靠性及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，CAN總線技術(shù)越來(lái)越受到人們的重視[1,2]。隨著現(xiàn)代汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展，電子設(shè)備在汽車(chē)中的比重越來(lái)越高，如電噴發(fā)動(dòng)機(jī)、燃油高壓共軌、制動(dòng)防抱死系統(tǒng)（ABS）、自動(dòng)變速器系統(tǒng)、注油控制以及電動(dòng)門(mén)窗等[3]，這些總成之間需要檢測(cè)并交換大量數(shù)據(jù)，采用CAN總線技術(shù)不僅成本低，而且可靠性明顯提高。從1992年起，Mercedes-Benz（奔馳）公司開(kāi)始在高級(jí)客車(chē)中使用CAN總線技術(shù)，隨后，Volvo、Saab、Volkswagen、BMW、Renault以及Fiat等汽車(chē)公司也分別在自己的汽車(chē)上使用CAN總線技術(shù)[4-6]。國(guó)內(nèi)針對(duì)汽車(chē)的CAN總線技術(shù)研究還處于起步階段，北京航空航天大學(xué)、中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)單片機(jī)公共實(shí)驗(yàn)室、清華大學(xué)以及中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心等單位都開(kāi)展了汽車(chē)CAN總線技術(shù)的研究[7-9]，但目前還不能構(gòu)成系列產(chǎn)品，并沒(méi)有真正組建汽車(chē)CAN總線網(wǎng)絡(luò)。
本文以某即將定型汽車(chē)為原型，設(shè)計(jì)基于CAN總線技術(shù)的汽車(chē)ECU系統(tǒng)，對(duì)于已有CAN接口的總成，可以直接依據(jù)協(xié)議讀取CAN接口的數(shù)據(jù)，對(duì)于沒(méi)有CAN接口的總成，利用AT90CAN128單片機(jī)設(shè)計(jì)汽車(chē)ECU，采集傳感器信息，并通過(guò)CAN接口與其他總成交換數(shù)據(jù)，組建基于CAN總線的汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)，這樣既有利于汽車(chē)本身的數(shù)據(jù)通信，又能方便配套的便攜式診斷儀器讀取汽車(chē)技術(shù)狀態(tài)信息。
2、CAN總線網(wǎng)絡(luò)的組建
CAN是一種串行數(shù)據(jù)通信總線，其通信速率能達(dá)到1Mbps，并已經(jīng)成為一項(xiàng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，其最大特點(diǎn)是，任一節(jié)點(diǎn)所傳送的數(shù)據(jù)信息并不包含傳送節(jié)點(diǎn)或接收節(jié)點(diǎn)的地址，信息內(nèi)容通過(guò)一個(gè)標(biāo)識(shí)符（ID）作上標(biāo)記，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，該標(biāo)識(shí)符是唯一的，網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)接收到信息后，每一節(jié)點(diǎn)都對(duì)這一標(biāo)識(shí)符進(jìn)行測(cè)試，以判斷信息內(nèi)容是否與己有關(guān)，如果是相關(guān)信息，將其接收并進(jìn)行處理，否則，即被忽略。這樣，不同的節(jié)點(diǎn)可以接收到不同的數(shù)據(jù)，保證了通信的實(shí)時(shí)性。
現(xiàn)代汽車(chē)廣泛地采用了電子技術(shù)，而總控模塊能隨時(shí)接收到所需要的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)總成之間的數(shù)據(jù)交換使用CAN總線組成數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)主要用途之一，如發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、自動(dòng)變速器系統(tǒng)、ABS系統(tǒng)、自動(dòng)差速鎖系統(tǒng)、中央充放氣系統(tǒng)、動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以及電動(dòng)門(mén)窗系統(tǒng)等總成之間的數(shù)據(jù)交換。利用CAN總線技術(shù)組建汽車(chē)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。
由于一些總成生產(chǎn)廠家在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮了信息交互的接口問(wèn)題，在生產(chǎn)時(shí)已將CAN總線技術(shù)集成到總成上。對(duì)于這類(lèi)總成（如高壓共軌發(fā)動(dòng)機(jī)、自動(dòng)變速器以及ABS等系統(tǒng)），只需通過(guò)ECU讀取其CAN總線協(xié)議即可完成數(shù)據(jù)信息交換。對(duì)于其他總成，通過(guò)設(shè)計(jì)汽車(chē)ECU，采集相應(yīng)傳感器的信息，并利用CAN接口向總線廣播式發(fā)送數(shù)據(jù)，可完成信息交換。
3、汽車(chē)ECU的設(shè)計(jì)
為了設(shè)計(jì)帶有CAN接口的汽車(chē)ECU，較為常見(jiàn)的方法是用單片機(jī)與CAN控制器相結(jié)合，如使用8051單片機(jī)與CAN控制器芯片SJA1000來(lái)組合使用[4][6]。由于CAN總線技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，一些芯片生產(chǎn)廠家（如Motorola、Intel、Philip、Atmel、Microchip以及NEC等公司）紛紛在自己的芯片中集成了CAN接口模塊，這樣將大大提高CAN接口通信的可靠性。本文采用Atmel公司的一款內(nèi)嵌CAN控制器的AVR型單片機(jī)AT90CAN128來(lái)實(shí)現(xiàn)CAN節(jié)點(diǎn)。
AT90CAN128單片機(jī)具有以下特點(diǎn)：128K字節(jié)FLASH，4K字節(jié)EEPROM和4K字節(jié)的SRAM，帶有硬件乘法器功能，53個(gè)通用的I/O口，32個(gè)通用工作寄存器，4個(gè)具有比較模式的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，2通道8位的PWM，6通道2到16位精度的PWM，2個(gè)USART和1個(gè)主從SPI串行口，1個(gè)兩線(I2C)串行接口，一個(gè)8通道10位具有可選增益差分輸入的A/D轉(zhuǎn)換器，1個(gè)帶內(nèi)部振蕩器的可編程看門(mén)狗定時(shí)器[10]。同時(shí)還集成了CAN控制器，與CAN標(biāo)準(zhǔn)幀2.0A和擴(kuò)展幀2.0B完全兼容，具有15個(gè)獨(dú)立的信息對(duì)象，能夠處理所有的幀類(lèi)型，具有8位靜態(tài)分配的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，晶振頻率8MHz時(shí)數(shù)據(jù)傳送速率可達(dá)到1Mbps。
3.1硬件設(shè)計(jì)
在本文的設(shè)計(jì)中，利用AT90CAN128的A/D轉(zhuǎn)換器采集相關(guān)傳感器的電壓信號(hào)（如水溫、振動(dòng)、位置、氣壓以及油壓等信號(hào)），利用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器模塊采集相關(guān)傳感器的脈沖信號(hào)（如轉(zhuǎn)速、里程等信號(hào)），由于AT90CAN128集成了CAN控制器功能，因此，結(jié)合CAN總線收發(fā)器即可完成CAN總線的接收和發(fā)送任務(wù)。CAN總線收發(fā)器采用了ATA6660芯片，它是CAN控制器與物理傳輸媒體之間的物理連接子層接口。為提高系統(tǒng)的抗干擾性，在AT90CAN128與ATA6660芯片之間加入高速光耦芯片6N137，其接口電路如圖2所示。
從圖2中可以看出，電路主要由3部分組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)AT90CAN128、高速光耦6N137和高速CAN總線收發(fā)器。單片機(jī)AT90CAN128主要負(fù)責(zé)傳感器信息的采集、內(nèi)部CAN控制器的初始化并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務(wù)。在ATA6660與CAN總線的接口部分也采用了抗干擾和安全措施，ATA6660的CANH和CANL引腳各自通過(guò)5Ω的電阻與CAN總線相連，電阻可起到一定的限流作用，保護(hù)ATA6660免受過(guò)流沖擊。CANH和CANL與地之間并聯(lián)兩個(gè)30pF的小電容，可以起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射的能力。另外，在兩根CAN總線與地之間分別接了一個(gè)防雷擊管，當(dāng)兩輸入端與地之間出現(xiàn)瞬變干擾時(shí)，通過(guò)防雷擊管的放電可以起到一定的保護(hù)作用。
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