摘? 要: 針對汽車控制系統(tǒng)中各控制單元" title="控制單元">控制單元對系統(tǒng)響應時間要求不一致的實際情況,提出建立雙速CAN總線網絡以連接汽車的各控制單元的方法。在系統(tǒng)中,對實時性" title="實時性">實時性要求高的計算機控制" title="計算機控制">計算機控制單元采用高速CAN網絡傳輸;其他采用低速CAN網絡傳輸。結果表明,采用高、低速兩條CAN總線網絡的設計思路,既方便地實現了整個系統(tǒng)的數據共享,又有效地緩解了整個總線的通信負擔,從而提高了控制的可靠性。?
關鍵詞: 雙速CAN總線; 網關; 汽車控制系統(tǒng); TMS320LF2407?
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隨著汽車計算機控制技術的不斷發(fā)展,現代汽車上的電子裝置越來越多,聯系也越來越緊密。如發(fā)動機控制、變速控制、制動防抱死控制、安全氣囊控制、照明控制、空調控制、儀表管理等。在原來的汽車上,這些計算機控制單元之間往往沒有通過總線構成網絡,而是獨立進行控制,或者相關控制單元通過串行口進行聯系,目前,大多數汽車都使用串行總線構成網絡控制,各汽車公司都制定各自的協(xié)議。如克萊斯勒公司的CCD協(xié)議;福特、馬自達的PWM協(xié)議;英國的GE協(xié)議;標致、雷諾的VAN協(xié)議;Bosch、奔馳的CAN協(xié)議;通用公司的J1850協(xié)議等。目前ISO組織批準采用的汽車多路傳輸系統(tǒng)的技術標準通信協(xié)議有VAN、CAN、SCP(J1850)三種。其中CAN協(xié)議實際上己成為最具代表性的汽車高速協(xié)議。在歐洲,CAN總線已成為汽車制造業(yè)的主體行業(yè)標準,代表著汽車電子控制網絡的主流發(fā)展趨勢。?
現代汽車計算機控制單元多,而各控制單元對系統(tǒng)響應時間的要求也不一樣。有些控制單元對實時性要求很高,系統(tǒng)指令發(fā)出以后如果得不到執(zhí)行器的及時響應,就可能造成嚴重后果甚至車毀人亡,如制動防抱死控制單元、安全氣囊等;而有些控制單元如照明控制、空調控制等對系統(tǒng)的響應時間要求就相對較低。計算機控制單元越來越多,若采用單網絡,CAN總線負荷很重,本文通過分別構造高、低速CAN網絡,對實時性要求高的計算機控制單元采用高速CAN網絡傳輸;而其他則采用低速CAN網絡傳輸,并采用DSP作為微控制器" title="微控制器">微控制器兼作網關,使得傳輸線束大大簡化,可靠性大大提高。?
1 CAN總線的技術特性?
CAN(Controller Area Network)總線是一種串行多主站控制器局域網總線。它具有很高的網絡安全性、通信可靠性和實時性,并且簡單實用、網絡成本低,特別適用于汽車計算機控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業(yè)環(huán)境。通信媒體可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維,數據傳輸速率可達 1Mb/s(此時通信距離最長為40m)。?
自CAN總線問世以來,為滿足CAN總線協(xié)議的多種應用的需要,相繼出現了幾種高層協(xié)議。目前大多數基于CAN 總線的網絡都采用CAN 總線的高層協(xié)議。 CANopen、DeviceNet 和SDS是通常采用的高層協(xié)議,適用于任何類型的工業(yè)控制局域網應用場合,而 CAL 則應用于基于標準應用層通信協(xié)議的優(yōu)化控制場合,SAEJ1939 則應用于卡車和重型汽車計算機控制的系統(tǒng)。?
2 基于TMS320LF2407的汽車控制系統(tǒng)?
2.1? TMS320LF2407?
根據汽車計算機控制系統(tǒng)對高實時性、高可靠性、高抗電磁干擾能力要求,采用TI公司開發(fā)的TMS320LF2407芯片作為主微控制器兼做網關。該DSP芯片將高性能的DSP內核和豐富的微控制器外設集成于單片中,指令采用四級流水線操作,能使數字控制系統(tǒng)實時地進行運算,能大大減小硬件對控制算法的限制。芯片具有六套16位內部總線,544字節(jié)的片內DARAM、2K字的片內SARAM和32K字的片內Flash程序存儲器、16通道10位A/D轉換器、1個異步串行口SCI, 2個事件管理器EV。每個事件管理器都有各自可編程的死區(qū)單元和功率驅動保護中斷引腳,可產生獨立的PWM波,便于汽車內部各種電機的控制。TMS320LF2407DSP的片上CAN模塊全面兼容CAN2.0B協(xié)議,可以利用它開發(fā)帶CAN總線接口的汽車控制儀。?
2.2? 系統(tǒng)硬件設計?
目前,汽車計算機控制已經涉及到動力性、經濟性、安全性、可靠性、凈化性和舒適性等諸多方面,具體包括發(fā)動機控制、變速器控制、巡行控制、制動控制、照明控制、空調控制、雨刷控制,儀表管理控制等,而且各種控制系統(tǒng)的電控單元(ECU)相互聯系緊密,需要隨時進行實時數據通信。?
汽車計算機控制系統(tǒng)中的所有這些子控制單元通過CAN總線構成一個實時控制系統(tǒng)網絡,各控制單元的指令發(fā)出去之后,必須保證在一定時間內得到響應,否則就有可能發(fā)生重大事故。這就要求汽車上的CAN通信網絡" title="通信網絡">通信網絡有較高的波特率設置和可靠性。而且,汽車在實際運行過程中,眾多節(jié)點之間需要進行大量的實時數據交換。若整輛汽車的所有節(jié)點都掛在一個CAN 網絡上,這么多節(jié)點通過一條CAN總線進行通信,信息管理配置稍有不當,就很容易出現總線負荷過大現象,將導致系統(tǒng)實時響應速度下降,這在實時系統(tǒng)中是不允許的。因此,本文在對汽車上各節(jié)點的實時性進行分析之后,根據各節(jié)點對實時性的要求,設計了高、低速兩個速率不同的 CAN 通信網絡。將實時性要求嚴格、可靠性要求高的節(jié)點組成高速CAN通信網絡,將其他實時性要求相對較低的節(jié)點組成低速CAN通信網絡,并架設網關將這兩個速率不同的CAN通信網絡連接起來,實現全部節(jié)點之間的數據共享。整輛汽車的通信網絡拓撲結構如圖1 所示。?
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圖1中的發(fā)動機控制、變速器控制、安全控制、防抱死制動控制(ABS)等控制單元節(jié)點是現代汽車動作的核心部件,對時間響應要求嚴格,因而在本設計中采用傳輸速率為500Kb/s的高速CAN通信網絡。空調控制、雨刷控制、照明控制和儀表管理控制等對實時性的要求相對較低,采用傳輸速率小于125Kb/s的CAN通信網絡,主控制器跨接高、低速兩條總線,與各節(jié)點進行數據交換,兼起網關的作用,實現網絡互連。?
根據系統(tǒng)設計要求,采用TMS320LF2407DSP芯片作為主控制器。該芯片內部集成了CAN總線控制器,不用外擴總線控制器芯片(如SJA1000)。汽車計算機控制系統(tǒng)電控單元與CAN總線接線圖如圖2所示。?
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為滿足CAN總線協(xié)議,需要利用TMS320LF2407來制作CAN通信接口。CAN通信接口由光電隔離電路和CAN 總線收發(fā)器以及TMS320LF2407內部的CAN總線控制器組成。在接口設計中,TMS320LF2407的CAN總線控制器帶有一個接收緩沖器和一個發(fā)送緩沖器,因此,CAN總線控制器的發(fā)送端口CANTX、接收端口 CANRX分別與 CAN總線發(fā)送接收器的TxD和RxD端口相通。但為了提高CAN節(jié)點的抗干擾能力,電控單元的微控制器(TMS320LF2407)通過數據總線經過高速光電隔離器(6N137)與 CAN 總線收發(fā)器(PCA82C250)相連,以實現總線上各CAN節(jié)點間的電氣隔離。光耦部分電路所采用的兩個電源應該完全隔離。在實際使用中,可采用多電源輸出模塊供電實現電源隔離。PCA82C250的CAN_H和CAN_L與CAN總線之間的二個5Ω電阻用于限流,以免PCA82C250受到過流的沖擊。芯片PCA82C250的引腳RS用于選擇PCA82C250的工作模式(高速、斜率控制或等待),RS腳接地(須串接一個電阻),則PCA82C250工作于高速方式。參考電壓輸出VR的輸出電壓是額定電源電壓VCC的0.5倍,其中收發(fā)器的額定電源電壓是5V。CAN_L和CAN_H是CAN總線的兩條差分接收發(fā)送線,它們的端點間各接一個120Ω的總線匹配電阻,當有節(jié)點占用CAN總線時,該節(jié)點的發(fā)送端(電平為3.5V)接CAN_H,接收端(電平為1.5V)接CAN_L;當無節(jié)點占用CAN總線時,CAN_L和 CAN_H上的電平均為 2.5V。CAN通信接口的原理電路如圖3所示。?
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2.3 軟件設計?
本系統(tǒng)軟件由主系統(tǒng)軟件和高(低)速CAN總線網絡單元軟件組成,軟件流程圖分別如圖4、圖5所示。其中,高速CAN總線網絡單元負責對實時性要求高的發(fā)動機控制、變速控制、安全控制和制動防抱死控制等單元的控制動作的采集和傳送,一旦有這些控制單元的動作信號,經過微控制器對它們進行處理后將以最快的速度通過高速CAN網絡傳給相應控制單元的ECU,由控制單元ECU對控制對象進行控制;低速CAN總線網絡的控制方法與此類似(在此不作介紹),但是由于它們的實時性要求相對不高,因此其傳輸優(yōu)先級相對也較低。?
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在CAN網絡系統(tǒng)中,下位節(jié)點也就是各種類型的ECU,它們的主要功能是采集數據并向總線發(fā)送報文以及從總線接收報文并向相連的電子設備發(fā)送控制指令。這里以汽車儀表ECU為例,此節(jié)點的主要任務是從總線接收報文并驅動相連的油量表、轉速表、車速表、水溫表以及控制儀表上的方向燈、照明燈、報警燈的開啟與關閉。同時,此節(jié)點應定時向總線發(fā)送有關汽車儀表工作狀態(tài)的報文。因此,下位節(jié)點的軟件包括CAN初始化程序、CAN報文接收程序、CAN報文發(fā)送程序、電子設備控制程序和數據采集程序等部分。本文簡要介紹CAN初始化、CAN報文處理等部分的軟件設計思路。?
(1)CAN初始化程序設計?
對CAN控制器進行初始化,實際上就是對CANC、BRPRS、SYNC0、SYNC1、MCNT、MASKC等寄存器進行初始化設置,并對報文接收緩沖區(qū)進行設置。CAN初始化程序代碼如下:?
??? CANINIT:…?
??? ??? DI????????????? ??????????????????????????? ;關中斷?
??? ??? SET1 CANC.O?
?? ???? MOV? BRPRS,#09H?
??? ??? MOV? SYNCO,#OA7H?
??? ??? MOV? SYNC1,#04H?
? ???? ?Receive Buffer Init???????? ?? ;接收緩沖區(qū)初始化?
????? ? …?
??? ??? MOV? MCNT,#ODOH? ?? ??? ??;16個Receive Buffer?
??? ??? MOV? MASKC,#02H?
??? ??? CLR1 CANC.O?
??? EI????????????????? ??????????????????????? ;開中斷?
(2)CAN報文處理程序設計?
CAN協(xié)議只關心報文內容,而不必關心報文的目的地址。因此,下位節(jié)點采集數據后或收到數據發(fā)送請求報文后,以廣播方式向總線發(fā)送報文。當通過濾波驗收的數據報文被接收時,將有兩種操作方式:一種是中斷方式,若接收中斷開放位允許,則產生中斷;另一種是查詢方式,若查詢接收狀態(tài)位DN=1,則表示接收緩沖區(qū)所有數據。由于汽車控制網絡實時性要求較高,因此系統(tǒng)采用中斷方式對接收數據進行處理。?
2.4 抗干擾措施?
考慮到汽車計算機控制的工作條件比較惡劣,電磁干擾嚴重,在本設計中還加強了防干擾措施:(1)提高了穩(wěn)壓電源的抗干擾性能。因為蓄電池與汽車交流發(fā)電機、起動機、點火線圈相連,不僅電壓波動大,而且含有尖峰脈沖,對微機干擾很大,因此對穩(wěn)壓電源進行了精心設計。(2)考慮汽車工作環(huán)境電磁干擾嚴重,在選用微控制器時特選用自帶看門狗定時器的數字信號處理器TMS320LF2407作為微控制器,并選用4片高速光電隔離芯片6N137,將控制器與CAN總線收發(fā)器隔離,有效防止了噪聲信號傳入微控制器,提高了系統(tǒng)可靠性。(3)本設計還對整個系統(tǒng)進行了金屬屏蔽,傳輸線采用屏蔽雙絞線,以減少電磁干擾。(4)在軟件抗干擾方面,CAN總線MAC層采用CSMA/CD協(xié)議及非破壞性優(yōu)先權的逐位仲裁規(guī)則實現對媒體的訪問,總線狀態(tài)取決于顯性位‘0’,而不是取決于隱性位‘1’,因此,當兩個節(jié)點同時向網絡上發(fā)送報文時,優(yōu)先級低的報文主動停止發(fā)送,而不會影響優(yōu)先級高的報文的發(fā)送。同時,采用CRC校驗,具有錯誤檢測與出錯幀自動重發(fā)功能。?
智能芯片價格的下降使得各種汽車局域網的成本相差無幾,性能已成為影響網絡選擇的最主要因素。目前,CAN以其優(yōu)異的品質具有明顯的優(yōu)勢,高速、低速兩條CAN總線網絡的設計,既方便地實現了整個系統(tǒng)的數據共享,又有效地緩解了整個總線的通信負擔。目前雙速CAN的模式已經在一些大的汽車生產廠得到應用。?
如今,一些公司(如神龍公司)提出采用三速網絡作為汽車的控制網絡,高速與低速網絡用CAN總線,而中速網絡用VAN總線,兩種總線用一個智能控制盒加以協(xié)調。三速雙總線網絡模式的控制可靠性尚需要進一步加以驗證。但是可以相信,隨著汽車控制技術的發(fā)展,三速雙總線網絡不久也將會成功地得到應用。?
參考文獻?
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