1 前言
控制局域網(wǎng)CAN(Controller Area Network)是德國Bosch公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而應(yīng)用開發(fā)的一種通信協(xié)議。在國外，尤其是歐洲，CAN網(wǎng)絡(luò)已被廣泛地應(yīng)用在汽車上，如BENZ、BMW、PORSCHE、ROLLS ROYCE、JAGUAR等車。
2 汽車對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的要求
現(xiàn)代汽車典型的控制單元有電控燃油噴射系統(tǒng)、電控傳動(dòng)系統(tǒng)、防抱死制動(dòng)系統(tǒng)(ABS)、防滑控制系統(tǒng)(ASR)、廢氣再循環(huán)控制、巡航系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)。
在一個(gè)完善的汽車電子控制系統(tǒng)中，許多動(dòng)態(tài)信息必須與車速同步。為了滿足各子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，有必要對(duì)汽車公共數(shù)據(jù)實(shí)行共享，如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車輪轉(zhuǎn)速、油門踏板位置等。但每個(gè)控制單元對(duì)實(shí)時(shí)性的要求是因數(shù)據(jù)的更新速率和控制周期不同而不同的。例如，一個(gè)8缸柴油機(jī)運(yùn)行在2 400 r/min，則電控單元控制兩次噴射的時(shí)間間隔為6.25 ms。其中，噴射持續(xù)時(shí)間為30°的曲軸轉(zhuǎn)角(2 ms)，在剩余的4 ms內(nèi)需完成轉(zhuǎn)速測(cè)量、油量測(cè)量、A/D轉(zhuǎn)換、工況計(jì)算、執(zhí)行器的控制等一系列過程。這就意味著數(shù)據(jù)發(fā)送與接收必須在1 ms內(nèi)完成，才能達(dá)到柴油機(jī)電控的實(shí)時(shí)性要求。這就要求其數(shù)據(jù)交換網(wǎng)是基于優(yōu)先權(quán)競爭的模式，且本身具有極高的通信速率，CAN現(xiàn)場總線正是為滿足這些要求而設(shè)計(jì)的。不同參數(shù)應(yīng)具有不同的通信優(yōu)先權(quán) 。
典型參數(shù) 允許響應(yīng)時(shí)間
發(fā)動(dòng)機(jī)噴油量 10ms
發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 300ms
車輪轉(zhuǎn)速 1 s~ 100s
進(jìn)氣溫度 20s
冷卻液溫度 1min
燃油溫度 ≈10min
3 CAN總線的特點(diǎn)及通信協(xié)議
3.1 CAN總線的特點(diǎn)
CAN作為一種多主總線，支持分布式實(shí)時(shí)控制的通信網(wǎng)絡(luò)。其通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制部件、傳感器、抗滑系統(tǒng)等應(yīng)用中，總線的位速率最大可達(dá)1 Mbit/s。CAN光線具有以下主要特性：
a.無破壞性的基于優(yōu)先權(quán)競爭的總線仲裁。
b.可借助接收濾波的多地址幀傳送。
c.具有錯(cuò)誤檢測(cè)與出錯(cuò)幀自動(dòng)重發(fā)送功能。
d.數(shù)據(jù)傳送方式可分?jǐn)?shù)據(jù)廣播式和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求式。
3.2 CAN總線幀格式
CAN和OSI七層參考模式，按照IEEE 802.2和IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)，其通信接口集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)及優(yōu)先級(jí)別等項(xiàng)工作。在系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)按照攜帶的信息類型可分為四種幀格式：
a.數(shù)據(jù)幀。用于節(jié)點(diǎn)間傳遞數(shù)據(jù)，是網(wǎng)絡(luò)信息的主體，其幀格式如圖2所示。一個(gè)數(shù)據(jù)幀由7個(gè)不同位場構(gòu)成：幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC場、ACK場和幀結(jié)束。其中數(shù)據(jù)段長度可編程0～8個(gè)字節(jié)。
b.遠(yuǎn)程幀。由在線單元發(fā)送，用于請(qǐng)求發(fā)送具有相同標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)幀，其幀格式與數(shù)據(jù)幀基本相同，但沒有數(shù)據(jù)場。
c.出錯(cuò)幀。出錯(cuò)幀是檢測(cè)總線出錯(cuò)的一個(gè)信號(hào)標(biāo)志，由兩個(gè)不同場構(gòu)成。第一場由來自不同節(jié)點(diǎn)的錯(cuò)誤標(biāo)志疊加，第二個(gè)場為錯(cuò)誤界定符。CAN協(xié)議采用CRC檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，保證數(shù)據(jù)通信的可靠性。
d.超載幀。由超載標(biāo)識(shí)和超載界定符組成，表明邏輯鏈路控制層要求的內(nèi)部超載狀態(tài)，并將由媒體訪問控制層的一些出錯(cuò)條件而被啟動(dòng)發(fā)送。用于擴(kuò)展幀序列的延遲時(shí)間。
3.3 CAN數(shù)據(jù)鏈路控制
系統(tǒng)中，CAN總線以報(bào)文為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)點(diǎn)對(duì)總線的訪問采取位仲裁方式。報(bào)文起始發(fā)送節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)符分為功能標(biāo)識(shí)符(如轉(zhuǎn)速信號(hào))和地址標(biāo)識(shí)符(如控制單元節(jié)點(diǎn)地址)。CAN協(xié)議的最大特點(diǎn)是打破了傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)地址編碼方式，而擴(kuò)展了對(duì)通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼方式。采用這種方法可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識(shí)符可用11位或29位二進(jìn)制表示，即可定義211或229個(gè)不同的數(shù)據(jù)類型。即使對(duì)未來更復(fù)雜的汽車控制網(wǎng)絡(luò)其容量也足夠了。標(biāo)識(shí)符的值越小，幀數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)越高。通過數(shù)據(jù)鏈路控制，每個(gè)接收器完成幀接收濾波確定此幀數(shù)據(jù)是否有效，實(shí)際汽車應(yīng)用中一般采用不冗余的通信線路，而CAN協(xié)議提供強(qiáng)大的出錯(cuò)診斷機(jī)制，在保證數(shù)據(jù)通信的可靠性方面起了重要作用。
電控單元(ECU)連接至總線的電路是通過CAN物理層實(shí)現(xiàn)的，在實(shí)際應(yīng)用中ECU的總數(shù)將受限于總線上的電氣負(fù)載。物理層按照網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范模型劃分有三種功能：物理信號(hào)完成與位表示、定時(shí)和同步相關(guān)的功能；物理媒體附屬裝置完成總線發(fā)送/接收功能并提供總線故障檢測(cè)方法；媒體相關(guān)接口完成物理層的機(jī)械和電氣接口。
4 CAN總線的應(yīng)用及其接口設(shè)計(jì)
4.1 汽車網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)
除了命令和清求信息外，汽車的一些基本狀態(tài)信息(如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車輪轉(zhuǎn)速、冷卻水溫度等)是大部分控制單元必須獲取的數(shù)據(jù)，控制單元采用廣播發(fā)式向總線發(fā)送。如果在同一時(shí)刻所有控制單元都向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，將發(fā)生總線數(shù)據(jù)沖突，此時(shí)，CAN總線協(xié)議提出用標(biāo)識(shí)符識(shí)別數(shù)據(jù)優(yōu)先權(quán)的總線仲裁。表2列出了汽車各電控單元產(chǎn)生及發(fā)送的數(shù)據(jù)類型，及其他各單元對(duì)這些信息共享地程序。
優(yōu)先權(quán) 信號(hào)類型 電控燃油噴射系統(tǒng) 電控傳動(dòng)系統(tǒng) ABS系統(tǒng) ASR系統(tǒng) 廢氣再循環(huán)系統(tǒng) 空調(diào)系統(tǒng)
1 實(shí)際噴油量 發(fā)送 接收 — — — —
2 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 發(fā)送 接收 接收 接收 — 接收
3 油量設(shè)置 接收 — — 發(fā)送 — —
4 車輪轉(zhuǎn)速 接收 接收 發(fā)送 接收 — —
5 油門踏板位置 發(fā)送 接收 接收 接收 — —
6 變速比 接收 發(fā)送 — 接收 接收 —
7 怠速設(shè)置 接收 — — — 發(fā)送 發(fā)送
8 冷卻液溫度 發(fā)送 接收 — — — 接收
9 空氣溫度 發(fā)送 — — — — 接收
油量位置和轉(zhuǎn)速信號(hào)具有較高的優(yōu)先級(jí)，是因?yàn)樗鼈兊膶?shí)時(shí)性要求強(qiáng)，并直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性能。
4.2 CAN接口設(shè)計(jì)
本研究中，CAN總線被成功地用于電控柴油機(jī)標(biāo)定系統(tǒng)，采用單片機(jī)系統(tǒng)與CAN控制器組成CAN標(biāo)準(zhǔn)接口。
目前，CAN總線芯片有很多種，如PHILIPS SJA1000、INTEL82526、MOTOROLA 68HC05、SIEMENS C167C等。本文電路設(shè)計(jì)中選用SJA1000作為CAN控制器芯片，ECU的應(yīng)用層由微處理器提供。連接各種類型微處理器的CAN控制器SJA1000可完成物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所用功能，適用于汽車及一般工業(yè)環(huán)境，不但可以減少導(dǎo)線連接，并能增強(qiáng)診斷和監(jiān)控能力。
CAN節(jié)點(diǎn)通信接口的硬件設(shè)計(jì)如圖3所示。設(shè)計(jì)中，分別將微處理器的地址線、數(shù)據(jù)線和控制線引出，通過地址分配與片選對(duì)CAN控制器SJA1000進(jìn)行操作?？偩€數(shù)據(jù)信號(hào)采用高速線性光耦6N137隔離，電源信號(hào)為＋5 V的DC－DC隔離模塊，增強(qiáng)系統(tǒng)硬件利用抗干擾措施。圖3中82C250是CAN控制器和物理層總線之間的接口，具有抗汽車環(huán)境下的瞬間干擾、保護(hù)總線的能力。該器件可以提供對(duì)總線的差分發(fā)送能力和差分接收能力，與ISO/DIS11898標(biāo)準(zhǔn)完全兼容。
CAN接口硬件電路設(shè)計(jì)
當(dāng)通過濾波驗(yàn)收的數(shù)據(jù)報(bào)文被接收后，將有兩種操作方式。一種是查詢方式，查詢接收狀態(tài)位被置高表示接收緩存器有數(shù)據(jù)；另一種是中斷方式，若接收中斷開放位允許，則產(chǎn)生觸發(fā)中斷。由于SJA1000內(nèi)部具有64 bit接收緩沖器，對(duì)總線數(shù)據(jù)具有一定的緩存能力。通常系統(tǒng)采用主程序查詢方式對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并用廣播方式發(fā)送，對(duì)特殊數(shù)據(jù)采用遠(yuǎn)程幀申請(qǐng)方式，這樣更有利于程序?qū)Χ鄠€(gè)任務(wù)的結(jié)構(gòu)化管理。
通訊程序流程
CAN總線具有通信速率高、可靠性高、連接方便和性能價(jià)格比高等諸多優(yōu)勢(shì)。并且CAN應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO 11898)，各生產(chǎn)廠商的控制器有標(biāo)準(zhǔn)的輸入/輸出接口，所以該網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)具有開放性和靈活性的系統(tǒng)，可以在不要求所有節(jié)點(diǎn)及其應(yīng)用層改變?nèi)魏诬浖陀布那闆r下，自由地增加或減少控制器節(jié)點(diǎn)。
5 結(jié)束語
為了充分發(fā)揮電控單元在汽車控制中的作用，CAN通信網(wǎng)絡(luò)為全局優(yōu)化控制提供了條件。通過實(shí)際運(yùn)用表明，CAN總線與其他通信方式相比具有顯著的優(yōu)點(diǎn)：
a.組網(wǎng)自由，擴(kuò)展性強(qiáng)，對(duì)復(fù)雜的汽車網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)；
b.可根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容確定通信優(yōu)先權(quán)，解決了轉(zhuǎn)速實(shí)時(shí)性和共享性的問題；
c.自動(dòng)的錯(cuò)誤界定功能，簡化了電控單元對(duì)通信的操作。
d.由于數(shù)據(jù)通信協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)性和開放性，故本文中的接口電路具有一定的推廣意義。
此外，CAN網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)用于汽車車身檢測(cè)系統(tǒng)，并且被眾多工業(yè)控制系統(tǒng)采用，尤其是傳輸速率較高而對(duì)實(shí)時(shí)性及可靠性要求高的場合，它是一種十分有效的通信方式。
（轉(zhuǎn)載）
