基于CAN總線的多ECU通信平臺(tái)設(shè)計(jì)
關(guān)鍵詞：CAN總線 ECN J1939協(xié)議 通信平臺(tái)
引言
隨著集成電路和單片機(jī)在汽車上的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代汽車上的電子控制器的數(shù)量越來(lái)越多，常見的有發(fā)動(dòng)機(jī)的電子燃油噴射裝置、防抱死制動(dòng)裝置（ABS）、安全氣囊裝置、電動(dòng)門窗裝置、主動(dòng)懸架等。電控系統(tǒng)的增加雖然提高了轎車的動(dòng)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。從布線角度分析，傳統(tǒng)的電子氣系統(tǒng)大多采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單一通信方式，相互之間少有聯(lián)系，這樣必然造成寵大的布線系統(tǒng)。因此，一種新的概念——汽車上電子控制器局域網(wǎng)絡(luò)CAN，也就應(yīng)運(yùn)而生。為使不同廠家生產(chǎn)的零部件能在同一輛汽車上協(xié)調(diào)工作，必須制定標(biāo)準(zhǔn)。按照ISO有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，CAN的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線式，因此稱為CAN總線。CAN總線被設(shè)計(jì)作為汽車環(huán)境中的微控制器通信，在車載各電子控制裝置ECN之間交換信息，在車載各電子控制裝置ECN之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。
控制器局域網(wǎng)CAN（Controller Area Network）是一種多主方式的串行通信總線，基本設(shè)計(jì)規(guī)范要求有高的位速率，高抗電磁干擾性，而且能夠檢測(cè)出產(chǎn)生的任何錯(cuò)誤。CAN在汽車上的應(yīng)用，具有很多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或者是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，比如國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）的ISO11992、ISO11783以及汽車工程協(xié)會(huì)（Society of Automotive Engigeers）的SAE J1939。CAN總線已經(jīng)作為汽車的一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備列入汽車的整車設(shè)計(jì)中。
圖1
1 CAN總線特點(diǎn)及其通信協(xié)議
1.1 CAN總線簡(jiǎn)介
CAN通信協(xié)議規(guī)定了4種不同的幀格式，即數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀和超載幀?；谝韵聨讞l基本規(guī)則進(jìn)行通信協(xié)調(diào)：總線訪問、仲裁、編碼/解碼、出錯(cuò)標(biāo)注和超裁標(biāo)注。CAN遵從OSI模型。按照OSI基準(zhǔn)模型只有三層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和哀告層，但應(yīng)用層尚需用戶自己定義。CAN總線作為一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用范圍遍及從高速網(wǎng)絡(luò)到低成本的多線路網(wǎng)絡(luò)。如：CAN在汽車中的發(fā)動(dòng)機(jī)控制部件、ABS、抗滑系統(tǒng)等應(yīng)用中的位速率可高達(dá)1Mbps。同時(shí)，它可以廉價(jià)地用于交通運(yùn)載工具電器系統(tǒng)中，例如電氣窗口、燈光聚束、座椅調(diào)節(jié)等，以替代所需要的硬件連接。其傳輸介制裁為雙絞線，通信速率最高可達(dá)1Mbps/40m，直接傳輸距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km/5kbps，掛接設(shè)備數(shù)最多可達(dá)110個(gè)。CAN為多主工作方式，通信方式靈活，無(wú)需站地址等節(jié)點(diǎn)信息，采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，滿足實(shí)時(shí)要求。另外，CAN采用短幀結(jié)構(gòu)傳輸信號(hào)，傳輸時(shí)間短，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。
CAN總線與其它通信協(xié)議的不同之處主要有兩方面：一是報(bào)文傳送不包含目標(biāo)地址，它是以全網(wǎng)廣播為基礎(chǔ)，各接收站根據(jù)報(bào)文中反映數(shù)據(jù)性質(zhì)的標(biāo)識(shí)符過濾報(bào)文，其特點(diǎn)是可在線上網(wǎng)下網(wǎng)、即插即用和多站接收；另外一個(gè)方面就是特別強(qiáng)化了數(shù)據(jù)安全性，滿足控制系統(tǒng)及其它較高數(shù)據(jù)要求系統(tǒng)的需求。
1．2 J1939通信協(xié)議
J1939協(xié)議是在CAN總線通信協(xié)議2.0B（29標(biāo)識(shí)符）之上具體實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用層，是SAE為重載卡車和客車制定的通信協(xié)議；以CAN 2.0B為基礎(chǔ)，物理層標(biāo)準(zhǔn)與ISO11898規(guī)范兼容并采用符合該規(guī)范的CAN控制器及收發(fā)器。J1939協(xié)議將CAN標(biāo)識(shí)符劃分為如下幾個(gè)部分：優(yōu)先級(jí)（P）、數(shù)據(jù)頁(yè)（PGN）、協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）格式、PDU特定域（PS）和源地址（SA）。J1939/71應(yīng)用層文檔定義了車輛控制的各種參數(shù)及命令的PGN。
由此可見，J1939與CAN通信協(xié)議的區(qū)別在于29位標(biāo)識(shí)符（ID），數(shù)據(jù)場(chǎng)相同。J1939將CAN的29位標(biāo)識(shí)符（或稱辨識(shí)別）進(jìn)行了詳細(xì)的物理定義。通過PDU將CAN標(biāo)準(zhǔn)格式封裝為J1939協(xié)議格式。PDU信息幀又由優(yōu)先權(quán)P、保留位R、數(shù)據(jù)頁(yè)DP、協(xié)議數(shù)據(jù)單元PF、擴(kuò)展單元PS、源地址SA和數(shù)據(jù)場(chǎng)DATA七個(gè)部分組成，即CAN的29位標(biāo)識(shí)符加上數(shù)據(jù)。
2 總體設(shè)計(jì)
2.1 汽車電控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
汽車內(nèi)ECU之間的數(shù)據(jù)傳輸特征主要差別在于數(shù)據(jù)傳輸頻率，例如發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)行時(shí)，進(jìn)行的是高頻數(shù)據(jù)傳輸，每隔幾ms就傳輸1次；而在低速運(yùn)行時(shí)，進(jìn)行的是低頻數(shù)據(jù)傳輸，每隔幾十ms乃至幾百ms才傳輸1次。然而為了滿足實(shí)時(shí)性要求，就要求汽車內(nèi)每個(gè)控制單元盡可能實(shí)現(xiàn)汽車公共數(shù)據(jù)共享，但又由于每個(gè)控制單元對(duì)實(shí)時(shí)性的要求是因?yàn)閿?shù)據(jù)的更新速率和控制周期不同而不同的。這就要求其數(shù)據(jù)交換網(wǎng)是基于優(yōu)先權(quán)競(jìng)爭(zhēng)的模式，且本身具有較高的通信速率。CAN總線正是為滿足這些要求而設(shè)計(jì)的。CAN已有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，即高速場(chǎng)合的ISO11898和用于低速場(chǎng)合的ISO11519-3。
通常的汽車網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用多條不同速率的總線分別連接不同類型的節(jié)點(diǎn)，并使用網(wǎng)關(guān)服務(wù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)整車的信息共享和網(wǎng)絡(luò)管理。若按照美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)（SAE）車輛網(wǎng)絡(luò)委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)SAE J2057，將汽車數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)劃分為三類。這里可用圖1簡(jiǎn)單說(shuō)明。其中網(wǎng)關(guān)是汽車內(nèi)部通信的核心，通過它可以實(shí)現(xiàn)在CAN總線上信息的共享以及實(shí)現(xiàn)汽車內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)管理和故障診斷功能；將各個(gè)數(shù)據(jù)總線上的信息反饋到儀表板總成上的顯示屏上，駕駛者通過儀表板上的信息就可以知道各個(gè)電控裝置是否正常工作了。
2.2 通信平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)
在設(shè)計(jì)中，主控芯片CPU選用51系列的單片機(jī)。CAN通信控制器執(zhí)行完整的CAN協(xié)議，完成通信功能，包括信息緩沖和接收濾波，故CAN控制器選用Philips的SJA1000。選用PCA82C250作為CAN總線的收發(fā)器，PCA82C250是CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，在運(yùn)行環(huán)境中具有抗瞬變、抗射頻和抗電磁干擾性能，內(nèi)部的限流電路具有電路短路時(shí)對(duì)傳送輸出級(jí)進(jìn)行保護(hù)的功能。傳輸介質(zhì)采用屏蔽電費(fèi)，在測(cè)控節(jié)點(diǎn)與介質(zhì)之間加入光耦電路，以提高總線接口的抗干擾能力。圖2為通信平臺(tái)硬件框圖，圖3為控制器與收發(fā)器連接接口。
為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性，需要考慮到系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)。由于汽車環(huán)境惡劣且干擾因素較多，在CAN_H和CAN_L信號(hào)線與地線之間分別并聯(lián)了兩個(gè)電容，濾去噪聲，使信號(hào)傳輸平穩(wěn)。雙屏蔽電費(fèi)可設(shè)兩套，在兩套介質(zhì)上同時(shí)進(jìn)行信息傳輸。接收方只用一個(gè)介質(zhì)，在冗余和非冗余段的連接臨界點(diǎn)進(jìn)行總線切換。
2.3 軟件設(shè)計(jì)
簡(jiǎn)單地說(shuō)，本通信平臺(tái)所要實(shí)現(xiàn)的功能就是，使各個(gè)節(jié)點(diǎn)（ECU）通過CAN總線實(shí)現(xiàn)相互通信，發(fā)送接收命令、信息等，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，從而提高各自的控制性能和運(yùn)行效率。汽車上CAN數(shù)據(jù)總線的每個(gè)節(jié)點(diǎn)（ECU）都有自己的地址和名稱相對(duì)應(yīng)。ECU地址指出了數(shù)據(jù)傳送的目的地，而其名稱則標(biāo)識(shí)了ECN的基本功能。節(jié)點(diǎn)連續(xù)監(jiān)視著總線上發(fā)出的各種數(shù)據(jù)。當(dāng)所收到的數(shù)據(jù)地址值與自身地址吻合時(shí)，該節(jié)點(diǎn)就獲得令牌。在通信規(guī)約中，唯一獲得令牌的該節(jié)點(diǎn)有權(quán)發(fā)送數(shù)據(jù)，以防止兩個(gè)或兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)引起混亂。同時(shí)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有機(jī)會(huì)得到令牌，完成數(shù)據(jù)傳輸。
本軟件設(shè)計(jì)是基于Keil C語(yǔ)言編寫的。程序主要由主模塊、中斷處理模塊及數(shù)據(jù)通信模塊等組成，如圖4所示。
圖4
主模塊完成對(duì)硬件初始化、寄存器的配置、SJA1000初始化等；中斷處理模塊包括數(shù)據(jù)中斷的發(fā)送、接收、錯(cuò)誤處理及報(bào)警處理等；數(shù)據(jù)通信模塊完成數(shù)據(jù)的請(qǐng)求、發(fā)送、接收等。
當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)A發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求報(bào)文（遠(yuǎn)程幀），向另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)B請(qǐng)求報(bào)文（應(yīng)答幀）時(shí)，節(jié)點(diǎn)B接收到請(qǐng)求后，經(jīng)過判別，而后發(fā)送數(shù)據(jù)（應(yīng)答幀）。由于數(shù)據(jù)請(qǐng)求沒有數(shù)據(jù)場(chǎng)，所以相對(duì)數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度小很多。經(jīng)分析驗(yàn)證之后與節(jié)點(diǎn)B收到的數(shù)據(jù)相同，請(qǐng)求數(shù)據(jù)程序得到驗(yàn)證。
結(jié)語(yǔ)
在現(xiàn)代汽車的設(shè)計(jì)中，CAN總線已經(jīng)成為構(gòu)建汽車網(wǎng)絡(luò)的一種趨勢(shì)；而汽車網(wǎng)絡(luò)作為直接與汽車內(nèi)部各個(gè)ECU連接并負(fù)責(zé)命令的傳遞、數(shù)據(jù)的發(fā)送及共享，其可靠性和穩(wěn)定性與整車的性能緊密相關(guān)。本文的設(shè)計(jì)開發(fā)是在基于試驗(yàn)條件下搭建的仿真平臺(tái)，節(jié)點(diǎn)之間的通信是通過對(duì)等的CAN通信節(jié)點(diǎn)進(jìn)行的。試驗(yàn)表明其運(yùn)行性能穩(wěn)定可靠，但實(shí)用化仍需要進(jìn)一步的研究和改進(jìn)，且程序的通信處理能力、糾錯(cuò)和容錯(cuò)能力有待進(jìn)一步的提高。
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