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1、. 睡 洲巨苗 翻 0 o s la N . R 三 5 o A R c ， 中图分类 号: 即3 9 9 ; 以6 9 文献标识码: A文章编号 1 0 0 4 一 舵2 6 ( 2 0 0 7 ) 0 2 一 。 似6 一 0 3 C A N 总线在汽车上的研究与应用 苏平陈无畏王启瑞 合肥工业大学机械与汽车工程学院 安徽合肥 230009 摘 要:采 用Ph币 p s 公司的P 盯c 591 作为微拉制器兼 作网关，构造c A N 通信网络，时汽车控制系统进行控制。讲述 了C AN 总线在汽车控制系统中的应用情况，并列举了实验过程中碰到的主要问题，说明了 汰NJ咨线网络作为一种 极 具潜
2、 力 的 控 制器 局 域网 ， 在汽 车 控 制系 统少 有 着 广阔 的 应 用 前 景. 关键词:微拉制器实验C z 协 网络 划价沁 协卜 扮 w叨袱 沙 咤哪哟 犯 ” 夕 一 ， 、 代 又 扮 ，沙 夕 愁 心 扣 分 升 甲费 朋 哪， 衫 怅 叮 晓 招 ， 之 扮 % 夕 悦一，袱 犷一 ，叹 丫 少，伙 尸 之 ， 浮 沙份 介 决洲 、 改 ， ， 久 宁 泞 一咐川 洲一丫 分分 六 摊妞 沁 1 引官 随着汽车计算机控制技术的不断发展，现代汽车 卜 的计算机控制系统越宋 越多，而且 有些控制单元之间 的参数需要实时共享。如发动机控制、变速控制、制动 防抱死控制、安全
3、气囊控制、照明控制、空调控制、仪 表管理等。然而各控制单元对系统响应时问的要求不 - 样，如制动防袍死控制、安全气囊控制等单元的响应时 间就要快些，照明控制、空调控制等单元的响应要求较 低。 而 控制 器局 域网 C A N (r O n tr o llerA 众 汾 N e 抽 。 rk ) 正是 在 L 述要求下被应用到汽车控制系统 卜 。笔者通过构建 高速、低速C A N 网络， 对实时性要求高的控制单 元采 用高速C A N 网络，其它采用低速C A N 网络，并 采用微 控制器兼做网关，使得传输线束大大简化，可靠性得到 提高。 C AN( C o n tr o l l e r A r
4、 e a N e two T k ) 总线是一种串行 多主站控制器局域网总线。它具有很高的网络安全 性、通讯可靠性和实时性，简单实用，网络成本 低，特别适用于汽车计算机控制系统和环境恶劣、 电磁辐射强和振动大的工业环境。其通讯介质可以 是双绞线、同轴电缆或光纤，数据传输速率最高可 达I M b Ps( 此时通讯路离 最长为 40m ) c A N 总线具 有以下主要特性， :无破坏性的基于优先权竞争的总 线仲裁;可借助接收滤波的多地址帧传送;具有错 误检测与出错帧自 动重发功能;数据传送方式可分 数据广播式和远程数据请求式。 自C A N 总线问世以来，为满足C A N 总线协议的 多种应用需
5、要，相继出现了儿种高层协议。日 前大 多数基于C A N总线的网络都采用C A N总线的高层协 议。c A N o p e n 、 D e v i c 酬e 俐s D s 是通常采用的高层 协议，适用于任何类型的工业控制局域网应用场 合，而C A L 则应用于基于标准应用层通讯协议的优 化控制场合，S A EJ1 9 39则应用于卜车和重型汽车计 算机控制系统。 Z C A N 的应用及接口 设计 2 . 1 汽车网络设计 目前，汽车计算机控制己涉及到动力性、经济 性、安全性、可靠性、净化性和舒适性若诸多方面，具 体包括发动机控制、变速器控制、转向控制、制动控 制、照明控制、空调控制、雨刷控制
6、、仪表管理系统 等，而且各刊控制系统的电控单元 ( E C U ) 相互联系紧 密， 需要随时进行实时数据通信。汽车计算机控制系统 中的所有这些子系统通过C A N 总线构成个实时控制 系统网 络， 各控制单元的指令发出去 之后，必须保证在 一 定时间内 得到响应，要不然就有可能发生重大事故， 这就要求汽车上 的C A N 通信网络有较高的波特率设置 和可靠性 而且， 汽车在实际运行过程中，众多节点之 ji需要进行大量的实时数 据交换。若整辆汽车的所有节 点都挂在一个C A N 网络上，这么多节点通过一条 C A N 总线进行通信，信息管理配置稍有不当，就很容 易出现总线负荷过大，将导致系统实
7、时响应速度 降， 这在实时系统中是不允许的 因此在对汽车 卜 各节点的 实时性进行了分析之后， 根据各节点对实时性的要求， 设计了高、低速两个速率不同的C A N 网络，将实时性 要求严格、可靠性要求高的节点组成高速C A N 通信网 收稿日期: 2 0 0 6 一 1 2 一 0 5 作者简介:苏平，男，1981年生，硕士研究生，研究方向为汽车电子技术 O E S IG N R E S E A R c H.毛. 口 翻. 络，将其它实时性要求相对较低的节点组成低速C z 、 N 通 信网络，并架设网关将这两个 速率不同的C A N 通信网 络 连接起来，实现全部节点之间的数据共享。整辆汽车的
8、 通信网络拓扑结 构如图1 所力 孔 时钟速率时实现50O ns指令周期。P 87C 5 91还有如下特 性:增强的C l 、 卜 接收中断;扩展的验收滤波器:验收 滤波器 可 在运 行弓 J 改 变( 0 坦 1 1 g e o n th e F ly ) 。 翼 发动 机控制 F 毛 J 爱 动机 控 创 F el j 主 控制器 网关) 空 黔制 雨喇 控制 祀 U 仪 袅管理 E 飞 图嘴汽车C A 冈 网络拓扑圈 图1 中的发动机控制、变速器控制、安全控制、 防抱死制动控制(AB s)等是现代汽车动作的核心部 件，对时间响应要求严格，因而在本设计中采用传输 速率为1 0 00KbPs
9、的 高速 。 、 卜 通信网 络。空 调控制、 雨刷拧制、照明控制和仪表管理控制等相刘来说对实 时 性要 求较低， 采用传 输速率小 于1 25K b p s 的c A N 通 信网络，主控制器跨接高、低速两条总线，与各节点 进行数据交换，兼起网关作用，实现网络互连 2 2 C A N 接口设计 2 21节点硬件电路设计 目前广泛流行的C A N 总线器件_ 1 要有 二 大类: 独应 一 的 C A N 控制器 女 ! p h i l甲 5 公司的 8 2 C 1 5 0 、 8 2 c 2 0 。 、 S JAI 0 00以及I ntel 公司的8 2 5 2 6 、 8 2 5 2 7
10、等，这类器件在 实际应用中往往需要与微控制器结合才能实现c 八 N 通 信 功能;带 有在片 C AN 功能的 微控制器， 如Ph币 p s 公 司 的 P S X C 5 9 1 、MO t O r O l a 公 司 的 M C 6 8 H C 0 5 X 4 、 1 ” 加 1 公司 的87 cl%c A / C B 等， 这类器 件的最大 优点是 器件本身集成有C A 卜 控制器，这就使得实际应用中构 成的智能节点小型化成为可能 本实验选用了 Phll rp s 公司 的P 87 c 5 91， 它 具有片 内C A 卜 拧制器，从80C 51微控制器家族派生而来。它 采 用了 强大的
11、 8 o c sl 指令 集并 成功 地包 括了 P h i h Ps 半导 体 s JAI O ooC A 卜 控制 器的 Pe h c A N 功 能 全静 态内 核提 供了扩展的节电力式振荡器可停止和恢复而不会丢 失数据。改进的1 : 1 内部时钟预分频器在抢MH z 外部 图2 节点 硬件 系统框圈 C A N 节 点硬件系统框图如图2 所示侧 ，其 中 P 8 7 C 591 利用PZL作为1 6 位地址的高8 位，PO曰依靠锁 存器分时复用作为地址的低8 位和数据总线，最大M K B 外部数据存储器( 2 56字节位于内部辅助R A M) 。传 感器模拟量输入，对于输入范围在。 一
12、S V 之间的，可直 接与Pl口相连 PI口为刀。 转换接口) ，不在此范围的模 拟 量经 过模 拟 量输 入 接日 进 行 相应的 电平 转换 再与 Pl日 连接。D C K电源模块起到电源转换和隔离的双重作 用，将外接电源电压转换成节点硬件电路所需电压值， 同时将节点电源与外部电源进行有效的隔离，防比 有电 源引入的干扰，提高了系统的抗干扰能力咒 8 2 C 250 是C A N 控制器与物理总线之间的接口，提 供 了 C A N 控制器向总线的差动发送、接收能力。如图 3 所示，该芯片依靠引脚8 1派 5 ) 的不同连接，可以选择 三种不同的工作方式:高速、斜率控制和待机方式通 过R S
13、 引脚对地连接的电阻可对总线进行斜率控制，斜 率正比于引脚R S 上的电 流输出。C A N J 空 制器的发送和 接收 端口 分别 通 过 一个 光电 隔离 芯片 6N1 3 7 与 82 c 2 50连 接，有效地抑制了有总线引入的 一 扰。 圈3 P 8 7 C 5 9 1 典型的C A N 应用接口 2 2 2 节点软件设计 本系统软件由总的系统软件和高( 低) 速C A N 总线 . . 毛 娜1曰。 ， 51 。 ， . R o 5 ，R c ， 网络单元软件组成，软件流程如图4 所示。由于高速 C A N 网络实时性要求较高，因此优先让高速C A 卜 网络 中的节点传输数据。低速
14、C A 卜 网络中的数据可以在高 速C A N 空闲时传输过去数据的发送和接收有两种方 式阴 ， ， 种是查询方式，即查询状态寄存器的发送缓 冲区状态标志(TB s)，以确定是否可以将 一 个新报文 写入发送缓冲区，查询接收缓冲区状态标志( RB s)， 以确定是否接收到报文:另一种是中断方式，若发送 中断位和接收中断位允许，则CPu 产生触发中断。本 实验用的是中断发送和中断接收 圈 心总的软件魂租圈 软件的编写主要包括对寄存器的配置、硬件初 始化、中断调用、数据通信几大模块。中断调用包 括数据中的中断接收、中断发送、以及错误处理、 报警等模块。通信模块又分为数据的发送、接收、 请求等川 程
15、序流程见图5 、图6 中断 入口: t F L 八 G 为中 3 实脸问皿分析 31问题现象 把以N n 创 们 1 ( C A N 总线通讯适配卡，可以作为 C A N 测 试工具 ) 和目 做的 节点 连到网 络中 ， 发现 数据 通 讯正常。当把C A N l l石 11 1 断开，节点通讯出错， 用示波器 测试， 发现节点可以 发出数据，但接收不到数据 3 _2 解决途径 先检查了三个方面:C A N 的模式寄存器、节点 的波特率设置及C A N 的终端电阻与总线连接方式， 未能解决问题。最后从82C 2 50着手，由于所设的波 特率是I O 00K b Ps， 属于 高速 模式，因
16、此把和 R s 引 脚 连接的电阻去掉.直接接地，故障解决。 4 绪束语 C A N 总线作为一种可靠的汽车计算机网络总线己 经在许多先进汽车上得到应用，使得各汽车计算机校 制印元能够通过C A N 总线共享所有信息和资源，达到 简化布线、减少传感器数量、避免控制功能重复、提 高系统可靠性和维护性、降低成本、更好地匹配和协 调各个控制系统的目的。日 前，国外有关这力面研究 越来越成熟，而国内在这方面的起步较晚，但是市场 潜力很大，相信在不久的将来，随着汽车计算机控制 系统数月的不断增加，C A N 总线必定会在国内汽车计 算机控制系统网络中得到更广泛的应用。 今 考文献 1 饶运涛，邹继军，郑
17、勇芸.现场总线c A N 凉理与 应j 滋支 术 M 北京 北京航空航天大学出版社，2 o 03 2 刘松，来志芹，王渝_C A N 总线智能侧控节 点的设计与实 现 J现代电 子技术， 20o 3 ，2 以 45)52一5 屯 3 J 周立功增强型8 0C5 1 单片机速j友 与实战 M北京:北京 航空航天大学出版社， 2 0 0 3 7 仁 4 J李水强， 宋希庚，薛冬新 C A N 局域网及J 9 3 9 协议在货车 和客车上 的运用 Jl汽车J不 式2 0 o 3 _ 2 5 ( 4 ) : 3 77一 3 79 图5主穆 序流 程圈图6 中断服 务祖序流 租 R 肺一rch 二dA
18、p p l 正c a t io . 0 C A Nn u 吕 o n Au 它 o m 比u e S UP i n g e 吐 . 1 A h ， 扮 . t t 仆 e p 8 7 C 5 9 1 o f P h j ll P s 伪 m 下x u l， 1 、 1 巧 倒 a s 阮 M C U 朋d g “ e w aytoc 哪1 田 C C J、 卜c 印 1 1川 unlc 践 lj 。 。 n 比 劝 rk叻I ch咖n 劝 卜 the con trn mg 邓tc m s aft 比a u 卜 ，m obil eT 址用 邓 1i c at l( 扔。 f C A Nb u s 吐此 c 。 们 lr o ll m gs ys忆 mo f a 咖咖bi lea r ldth e l 幻 。 卫 l p ro b le mw e ll l吧 I ln俪 e 义 沐川 力 印 u娜 d b 团. As apor日 立 汤 I c o n tro 1 砂 r n e t 切 印 k ， C A N b u s 后 5 p 印忱 dtolla v eth c以p 璐1化 a PPI， c 皿 lo nm阮 伽而llm gs y 业 e mo f 翻 叻 m叫 i l e K 卿 圳 叮ds MC 口 : e 翔 义 川n C m :C 八 N 胆加 叨k )