摘 要： 隨著CAN/LIN網(wǎng)絡(luò)在汽車(chē)車(chē)身控制系統(tǒng)中廣泛的應(yīng)用，為了滿(mǎn)足國(guó)產(chǎn)汽車(chē)車(chē)身控制總線(xiàn)的迫切需求，設(shè)計(jì)了一種基于CAN/LIN總線(xiàn)的整車(chē)管理系統(tǒng)的硬件方案。方案完成了CAN/LIN網(wǎng)關(guān)接口驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)及CAN/LIN網(wǎng)關(guān)的硬件電路設(shè)計(jì)。對(duì)車(chē)身網(wǎng)絡(luò)控制節(jié)點(diǎn)軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，該車(chē)身網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)通信中充分實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享。
關(guān)鍵詞： 總線(xiàn)協(xié)議；CAN/LIN網(wǎng)關(guān)；接口電路
隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，消費(fèi)者和政府相關(guān)部門(mén)對(duì)于安全、舒適、節(jié)能、環(huán)保等方面的需求促使電子控制單元和系統(tǒng)廣泛地應(yīng)用在汽車(chē)中，而汽車(chē)也隨之日益向電子化、智能化方向發(fā)展[1]。但是日益增多的電子系統(tǒng)也帶來(lái)了新的問(wèn)題，越來(lái)越多的電子控制單元與傳感器必然會(huì)需要越來(lái)越多的連線(xiàn)，除了增加成本、增加車(chē)身自重，更重要的是給布線(xiàn)帶來(lái)了巨大的困難，同時(shí)還增加了安全隱患，降低了整車(chē)可靠性。因此，提高電控單元間互相通信性能和降低導(dǎo)線(xiàn)成本已成為迫切需要解決的問(wèn)題。
目前，車(chē)內(nèi)的電子控制系統(tǒng)主要由CAN/LIN網(wǎng)絡(luò)組成，發(fā)展中的汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)還有高速容錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)FlexRay、用于多媒體和導(dǎo)航的MOST，以及藍(lán)牙、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)等無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。LIN是一種輔助的總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，在不需要CAN總線(xiàn)的場(chǎng)合使用LIN總線(xiàn)可大大降低系統(tǒng)成本。汽車(chē)大量應(yīng)用電子技術(shù)提高汽車(chē)性能水平已是不爭(zhēng)的事實(shí)，CAN總線(xiàn)的應(yīng)用也被人們所認(rèn)同，而CAN、LIN混合網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用也將使汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)的可靠性能和經(jīng)濟(jì)性得到很大提高[1]。
1 CAN/LIN總線(xiàn)概述
1.1 CAN總線(xiàn)協(xié)議
CAN(Controller Area Network)總線(xiàn)是一種有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，目前已經(jīng)在國(guó)外汽車(chē)的電器網(wǎng)絡(luò)中得到了廣泛的應(yīng)用。CAN總線(xiàn)采用了許多新技術(shù)及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，與一般的通信總線(xiàn)相比，CAN總線(xiàn)的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。CAN總線(xiàn)是目前唯一有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)，它為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從；在報(bào)文標(biāo)識(shí)符上，CAN上的節(jié)點(diǎn)分成不同的的優(yōu)先級(jí)，可滿(mǎn)足不同的實(shí)時(shí)要求，優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)最多可在134 μs內(nèi)得到傳輸；CAN總線(xiàn)采用非破壞總線(xiàn)仲裁技術(shù)；CAN節(jié)點(diǎn)只需要通過(guò)對(duì)報(bào)文的標(biāo)識(shí)符濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、1點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)；CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10 km(速率在5 Kb/s以下)，通信速率最高可達(dá)1 Mb/s(此時(shí)通信距離最長(zhǎng)為40 m)；報(bào)文采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，保證了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低；CAN的每幀信息都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，具有極好的檢錯(cuò)效果；CAN總線(xiàn)的通信介質(zhì)可為雙絞線(xiàn)、同軸電纜或光纖，選擇靈活；CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線(xiàn)上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響[1-2]。
1.2 LIN總線(xiàn)協(xié)議
LIN是由BMW、AUDI等7家公司聯(lián)合發(fā)起的1個(gè)專(zhuān)門(mén)用于汽車(chē)控制網(wǎng)絡(luò)的低成本的串行通信協(xié)議。LIN總線(xiàn)是一種輔助的總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，在不需要CAN總線(xiàn)的帶寬和多功能場(chǎng)合，如智能傳感器和抽動(dòng)裝置之間的通信，使用LIN總線(xiàn)可大大節(jié)省成本。LIN總線(xiàn)為單主節(jié)點(diǎn)/多從節(jié)點(diǎn)模式，即沒(méi)有總線(xiàn)仲裁；能保證信號(hào)傳輸?shù)难舆t時(shí)間；它是帶時(shí)間同步的多點(diǎn)廣播接收，從節(jié)點(diǎn)無(wú)需石英或陶瓷諧振器；基于UART接口，幾乎所有的單片機(jī)都具備LIN必需的硬件；極少的信號(hào)線(xiàn)即可實(shí)現(xiàn)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO9141規(guī)定；不需要改變LIN從節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件就可以在網(wǎng)上增加節(jié)點(diǎn)；通常1個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)數(shù)目小于12個(gè)，共有64個(gè)標(biāo)志符。每個(gè)報(bào)文幀包括報(bào)頭和響應(yīng)兩部分，報(bào)頭由主節(jié)點(diǎn)發(fā)送，內(nèi)有同步間歇信號(hào)、同步字段信號(hào)和標(biāo)識(shí)字段信號(hào)；而響應(yīng)部分可能由主節(jié)點(diǎn)或者從節(jié)點(diǎn)發(fā)送，包含報(bào)文長(zhǎng)度1~8個(gè)字節(jié)的有效載荷和1個(gè)校驗(yàn)字節(jié)。對(duì)于從節(jié)點(diǎn)，它需要檢測(cè)報(bào)頭數(shù)據(jù)，并根據(jù)報(bào)頭內(nèi)容決定是否接收后續(xù)數(shù)據(jù)內(nèi)容或者發(fā)送數(shù)據(jù)到總線(xiàn)上[1]。
2 網(wǎng)關(guān)硬件實(shí)現(xiàn)
1個(gè)車(chē)身控制網(wǎng)絡(luò)有很多CAN和LIN節(jié)點(diǎn)，如天窗、雨刮、座椅、車(chē)燈及組合開(kāi)關(guān)等，這些模塊節(jié)點(diǎn)可通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的相互通信。圖1為網(wǎng)關(guān)的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋱D，CAN節(jié)點(diǎn)信號(hào)通過(guò)CAN驅(qū)動(dòng)接口傳送到MCU，并經(jīng)MCU處理后把CAN信號(hào)轉(zhuǎn)換成LIN信號(hào)，通過(guò)LIN驅(qū)動(dòng)接口把信號(hào)發(fā)送到LIN總線(xiàn)，控制相應(yīng)的LIN模塊動(dòng)作；同樣的LIN信號(hào)經(jīng)MCU后可轉(zhuǎn)換為CAN信號(hào)，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制功能。
2.1 中央控制器電路實(shí)現(xiàn)
中央控制模塊的核心是80C51單片機(jī)，在CAN通信接口中CAN控制器選用SAJ1000，如圖2所示。微處理器負(fù)責(zé)SJA1000的初始化，并負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)關(guān)的監(jiān)控任務(wù)及CAN總線(xiàn)與LIN總線(xiàn)的通信任務(wù)。SJA1000是一種獨(dú)立的CAN控制器，主要用于移動(dòng)目標(biāo)和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制，它是Philips半導(dǎo)體公司PCA82C200 CAN 控制器的替代產(chǎn)品，而且還增加了1種新的操作模式—PeliCAN，這種模式支持CAN2.0B協(xié)議。在邊線(xiàn)上，SAJ1000的AD0～AD7連接到80C51的P0口，CS連接到80C51的P2.7口。P2.7為0時(shí)，CPU片外存儲(chǔ)器地址可選中SJA1000，CPU通過(guò)這些地址可對(duì)SJA1000執(zhí)行相應(yīng)的讀/寫(xiě)操作。SJA1000的RD、WR、ALE分別與80C51單片機(jī)的對(duì)應(yīng)引腳相連。INT引腳接80C51單片機(jī)的INT0，可通過(guò)中斷方式訪(fǎng)問(wèn)SJA1000。80C51單片機(jī)的10和11管腳連到LIN接口電路，實(shí)現(xiàn)與LIN總線(xiàn)的通信[3]。
2.2 CAN接口驅(qū)動(dòng)電路
CAN控制器和系統(tǒng)物理總線(xiàn)之間的接口采用Philips公司的CAN收發(fā)器TJA1050，它具有對(duì)CAN總線(xiàn)的差動(dòng)發(fā)送和接收功能。TJA1050總線(xiàn)收發(fā)器與ISO11898標(biāo)準(zhǔn)完全兼容，優(yōu)化了CANH與CANL之間的耦合，因此大大降低了信號(hào)的電磁輻射，具有強(qiáng)電磁干擾下寬共模范圍的輸送接收能力，適用于汽車(chē)和工業(yè)應(yīng)用[2]。為了增強(qiáng)CAN通信的可靠性，CAN總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的2個(gè)端點(diǎn)通常均接有抑制反射的終端匹配電阻，如圖3所示。匹配電阻連接在CAN-H和CAN-L之間，終端匹配電阻的大小由傳輸電纜的特性阻抗所決定。例如雙絞線(xiàn)的特性阻抗為120 Ω，則總線(xiàn)上的2個(gè)端點(diǎn)應(yīng)集成120 Ω終端電阻。
2.3 LIN接口驅(qū)動(dòng)電路
LIN總線(xiàn)接口驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示。TJA1020是1個(gè)物理媒體連接，它是LIN主機(jī)/從機(jī)協(xié)議控制器和LIN傳輸媒體之間的接口，通過(guò)在LIN和BAT引腳之間串聯(lián)反向電流二極管和電阻實(shí)現(xiàn)主機(jī)應(yīng)用，如圖4所示。協(xié)議控制器輸入引腳TXD的發(fā)送數(shù)據(jù)流被LIN收發(fā)器轉(zhuǎn)換為總線(xiàn)信號(hào)，而且電平翻轉(zhuǎn)速率和波形都受到限制，以減少電磁輻射。TJ1020的接收器檢測(cè)到LIN總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)流并通過(guò)RXD引腳將它傳送到協(xié)議控制器。收發(fā)器有低功耗管理模式，它在睡眠模式中幾乎不消耗電流，并在錯(cuò)誤模式中減少功率消耗[4]。
3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)
CAN/LIN網(wǎng)關(guān)軟件主要實(shí)現(xiàn)CAN與LIN總線(xiàn)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，即將接收到的CAN格式報(bào)文用LIN協(xié)議進(jìn)行封裝并發(fā)送到相應(yīng)的控制節(jié)點(diǎn)，同時(shí)把接收到的LIN格式的報(bào)文用CAN協(xié)議進(jìn)行封裝并發(fā)送到相應(yīng)節(jié)點(diǎn)及車(chē)身BCM模塊等完成相應(yīng)的動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)CAN與LIN節(jié)點(diǎn)的一致、透明通信傳輸[4]。
為了實(shí)現(xiàn)上述通信任務(wù)，其軟件設(shè)計(jì)主要包括以下幾個(gè)部分：主監(jiān)控程序、CAN和LIN接口芯片的初始化、CAN報(bào)文的接收和發(fā)送及LIN報(bào)文的接收和發(fā)送。主監(jiān)控程序負(fù)責(zé)對(duì)CAN和LIN報(bào)文的接收緩沖區(qū)進(jìn)行監(jiān)視，若某一路緩沖區(qū)非空，則向另一路轉(zhuǎn)發(fā)。程序開(kāi)始時(shí)即進(jìn)入程序初始化，進(jìn)入初始化程序有3種方式:硬件復(fù)位、軟件復(fù)位、上電復(fù)位。初始化程序?qū)λ械膱?bào)文對(duì)象進(jìn)行初始化操作。初始化后，中央控制器采取查詢(xún)與中斷方式監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)報(bào)文協(xié)議轉(zhuǎn)換、接收與發(fā)送。
基于CAN/LIN網(wǎng)關(guān)的汽車(chē)CAN、LIN混合網(wǎng)絡(luò)，不僅可以有效地降低汽車(chē)整車(chē)成本，而且可減小總線(xiàn)的使用率，并可實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的一致性、透明性。隨著汽車(chē)電子技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展趨勢(shì)，低成本的CAN/LIN混合網(wǎng)絡(luò)將會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。
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