1、汽车驱动系统的CAN总线设计汽车驱动系统的CAN总线设计信息科学与工程学院毕业(设计)论文 题目 汽车驱动系统的CAN总线设计 学院 信息科学与工程学院 专业 电气工程与自动化 班级 学号 学生姓名 指导教师 完成日期 信息科学与工程学院毕业(设计)论文 汽车驱动系统的CAN总线设计 【摘要】 CAN总线是现今非常流行的一种现场总线技术，其主要工作在链路层和物理层，但在使用过程中还需要添加应用层协议来实现具体的功能(目前应用最为广泛的应用层协议是DeviceNet和CANopen，但是这些协议比较复杂，更适用于大型的节点网络。本文制定了一个简单的应用层协议，模拟了了汽车网络的框架，构建了一个简
2、易CAN网络。 系统采用MagicARM2410实验箱作为主控结点，用89C51的单片机系统作为一个子结点，通过高速CAN网络能够顺利实现通信，并且能够与超声波测距系统交换数据，与LIN网络互连。 所以本系统的主要功能是两个子结点，lin网络，都能够通过高速CAN网络与主控结点通信。【关键词】 CAN总线;SJA1000;单片机; 信息科学与工程学院毕业(设计)论文 【summary】 CAN bus is now a very popular field bus technology, the link layer and physical laye is its main work, bu
3、t also in the process of using it is needed to add application layer protocol to achieve specific functions. Currently the most widely used application level agreement is DeviceNet and CANopen, but these agreements are complex, they are applicable to large-scale network of nodes. This paper has deve
4、loped a simple application of the agreement, to simulate the framework of the automobile network, constructed a simple CAN network. MagicARM2410 experimental system used as a master node, 89C51 Microprocessor System as a sub-node, it can achieve smooth communications in high-speed CAN network , and
5、it can exchange data with ultrasonic measuring system and can make interconnection with lin and low-speed CAN network. Therefore, the systems main function is two-node, lin network, low-speed CAN network can communicat with control node through high-speed CAN network . key word 【】CAN bus; SJA1000; M
6、icroprocessor; 信息科学与工程学院毕业(设计)论文 第一章 引言 . 1 1.1 选题背景与意义 . 1 1.2 车载网络的发展现 . 1 1.3 本课题主要研究的目标和主要内容 . 3 第二章 CAN 2.0 技术规范 . 5 2.1 CAN 的基本概念 . 5 2.2 CAN节点的分层结构 . 7 2.3 报文传送及其帧结构 . 9 2.4 错误类型和界定 . 15 2.5 位定时与同步 . 16 第三章 驱动系统总体设计 . 19 3.1 整个系统拓扑结构 . 19 第四章 硬件电路设计 . 21 4.1 主控机硬件电路 . 21 4.2 单片机部分CAN接口电路设计 .
7、23 4.2.1 方案比较 . 23 4.2.2 SJA1000 CAN 控制器 . 24 4.2.3 CTM1050总线驱动器 . 25 4.2.4 单片机部分通信电路设计 . 26 第五章 软件设计 . 29 5.1 主控机系统软件设计 . 29 5.1.1 打开CAN函数 . 29 信息科学与工程学院毕业(设计)论文 5.1.2 关闭CAN函数 . 30 5.1.3 CAN接收线程 . 30 5.1.4 CAN发送数据函数 . 32 5.1.5 对话框关闭处理函数. 33 5.2 CAN 通信程序模块 . 33 5.2.1 SJA1000初始化 . 34 5.2.2 SJA1000发送
8、. 36 5.2.3 SJA1000接收 . 36 5.3 单片机高速CAN节点软件设计 . 37 5.4 与超声波测距系统的通信 . 38 5.5 与CAN/LIN网关的通信 . 40 第六章 调试 . 42 6.1 硬件调试 . 42 6.2 软件调试 . 42 6.3 整体调试 . 44 第七章 总结 . 46 致 谢 . 47 参考文献 . 48 附 录 . 49 信息科学与工程学院毕业(设计)论文 第1页 第一章 引言 1.1 选题背景与意义 随着车用电气设备越来越多，从发动机控制到传动系统控制，从行驶、制动、转向系统控制到安全保证系统及仪表报警系统，从电源管理到为提高舒适性而作的各
9、种努力，使汽车电气系统形成一个复杂的大系统，并且都集中在驾驶室控制。另外，随着近年来ITS的发展，以3G(GPS. GIS和GSM)为代表的新型电子通讯产品的出现，它对汽车的综合布线和信息的共享交互提出了更高的要求。 从布线角度分析，传统的电气系统大多采用点对点的单一通信方式，相互之间少有联系，这样必然造成庞大的布线系统。据统计，一辆采用传统布线方法的米，电气节点达1500个，而且，根据统计，该高档汽车中，其导线长度可达2000数字大约每十年增长1倍，从而加剧了粗大的线束与汽车有限的可用空间之间的矛盾。无论从材料成本还是工作效率看，传统布线方法都将不能适应汽车的发展。 从信息共享角度分析，现代
10、典型的控制单元有电控燃油喷射系统、电控传动系统、防抱死制动系统(ABS)、防滑控制系统(AS助、废气再循环控制、巡航系统和空调系统。为了满足各子系统的实时性要求，有必要对汽车公共数据实行共享，如发动机转速、车轮转速、油门踏板位置等。但每个控制单元对实时性的要求是因数据的更新速率和控制周期不同而不同的.这就要求其数据交换网是基于优先权竞争的模式，且本身具有较高的通信速率，CAN总线正是为满足这些要求而设计的。 CAN总线是一种多主方式的串行通讯总线基本设计规范要求有高的位速率高抗电磁干扰性而且能够检测出产生的任何错误当信号。传输距离达到10Km 时CAN-bus 仍可提供高达5Kbps 的数据传
11、输速率。由于CAN 串行通讯总线具有这些特性它很自然地在汽车制造业以及航空工业中受到广泛应用。 在汽车中ECU的设计，应该首先从安全的角度来考虑，所以对于关键控制部分如:汽车引擎、刹车装置、安全气囊等单元应该采用分散式高速CAN控制;而对于那些与安全无关的单元如:灯控单元、门控单元、座椅控制单元等出于成本的考虑可以采用低速CAN与LIN混合的集中控制方式。所以中高档汽车上都采用高速CAN总线，低速CAN总线，lin总线相结合的方式构成了汽车总线网络。1.2 车载网络的发展现 信息科学与工程学院毕业(设计)论文 第2页 汽车电子化是现代汽车发展的重要标志。随着信息技术的发展，电子技术为解决汽车所
12、面临的诸多问题提供了最佳方案。但当汽车内部电子设备之间采用传统的一对一连线方式时，电子设备的数量增加将导致连线大幅度增多，致使车辆重量随之增加，并削弱车辆性能。为适应汽车电子设备迅速增加的应用需要，汽车电子网络应运而生。 目前与汽车动力、底盘和车身密切相关的车载网络主要有CAN,L IN和FlexRay等。从全球车载网络的应用现状来看，通过20多年的发展，CAN己成为目前全球产业化汽车应用车载网络的主流，目前CAN己由过去仅服务中、高级轿车，逐渐渗透到6万人民币以下的家用轿车之中，近两年在国内新下线的合资品牌的轿车全部都采用了CAN。作为CAN低成本替代的LIN还处于产业化的初级阶段，据调查，
13、目前在国内上市的轿车中，只在2005年年初上市的Volvo的540和2005年4月上市的长安铃木雨燕中得到应用121。而2004年才向全球公开发布的FlexRay还处于应用研究的前期阶段，与FlexRay 2.0配套的部分集成电路还未正式上市，其产业化应用还需要一定的时间。 从国内车载网络的发展来看，我国己掌握了CAN应用关键技术。在2005年9月18日国家“十五”重大科技成就展在北京海淀展览馆向社会公众所有展示的新能源汽车全采用了自主研发基于CAN的车载网络。其中，由北京理工大学主持研发的纯电动公交车、二汽主持研发的混合动力公交车己进入试运营阶段。在传统汽车方面，一汽在展会上展示了自主研发的
14、大客车，在这辆大客车中安装有一汽车自主研发的AMT，其中AMT控制器采用了自主研发基于CAN的车载网络，AMT通过车载网络与车上的其他零部件进行信息交互131自主研发基于CAN车载网络在新能源汽车和传统汽车上的成功应用，标志着自主研发的车载网络已深入到汽车控制的核心一一汽车动力系统之中。 为了规范国内的车载网络，全国汽车标准化技术委员会在2005年开始持续在网上公布商用车控制系统局域网络(CAN)通信协议系列国家标准征求意见稿，基于CAN的车载网络开始纳入标准化规范化管理，自主研发的车载网络在技术上走向成熟，并开始了它的产业化进程。 在LIN总线应用研究上，我国已跨越单纯的学习阶段，迈入与全球
15、同步发展阶段。从1999年7月LIN 1.0公布到2002年11月LIN 1.3的公布，在这3年多的时间信息科学与工程学院毕业(设计)论文 第3页 里，中国的汽车电子刁起步，作为汽车电子关键技术之一的车载网络技术国内还处于萌芽状态，国内只有少数科研院所在跟踪LIN的发展趋势。在2003年9月LIN 2.0公布时，中国的汽车电子产业已处于自主研发的高潮，国内从事车载网络的相关企业与全球同步获得了LIN 2.0的协议文本，并根据LIN 2.0协议，修正其前期在LIN方面的研发工作，以符合LIN 2.0的要求。 车载网络技术的发展趋势主要有以下几方面. 1. 网络技术迅速在汽车应用中普及 短短几年内
16、，汽车网络技术的发展速度之快令人瞳目结舌。从目前的情况来看，世界各大汽车公司的车身网络控制和动力系统网络控制的技术平台均已基本建立，在新推出的车型中，全面采用网络控制技术己成为可能。国此可以断言，近几年内，网络技术在汽车中的应用将会迅速普及。 2. 网络性能不断提升 线控作为一项全新的汽车工程概念，必将促进控制系统网络向高速、实时、容错方向发展。同时，要实现完善的车内办公和娱乐功能，信息处理和多媒体网络的带宽必将越来越高。此外，网络的安全性和可靠性也会不断提高。 3. 网络协议逐渐统一 目前在汽车行业中存在很多网络通信协议，由于缺乏全世界统一的标准，实际上增加了汽车的制造成本。虽然建立一个统一
17、的汽车网络协议体系是一件十分复杂和困难的工作，但在汽车制造商和供应商之间已逐渐对这一问题达成一致。 1.3 本课题主要研究的目标和主要内容 1. 系统总体方案的设计:根据目前汽车网络的结构，同时考虑到成本和现实条MagicARM241089C51件等因素，采用了实验箱作为主控结点，用的单片机系统CAN作为一个子结点，通过高速网络能够顺利实现通信，并且能够与超声波测距LIN 系统交换数据，与网络互连，模拟汽车网络的通信构架。2. MagicARM2410系统硬件的设计与实现:主要包括两部分，由于实验箱已经带CAN有控制器、收发器和液晶等，所以这部分硬件无需设计;另一部分是基于单CAN片机的收发电
18、路的设计，主要用于与主控结点通信，根据主控结点的命令将ledCAN 当前的亮灯状态通过总线发送给主控结点。3. MagicARM2410Wince系统软件的设计与实现:在主控结点实验箱上编写操作信息科学与工程学院毕业(设计)论文 第4页 CANCAN系统下的驱动程序，并设计好人性化的收发界面;在单片机上编写基SJA1000CANCAN/LIN 于的设备驱动程序;编写转换程序，实现网关功能。信息科学与工程学院毕业(设计)论文 第5页 第二章 CAN 2.0 技术规范 1983 年德国BOSCH 公司开始研究新一代的汽车总线，1986 年第一块 CAN-bus 芯片交付应用， 1991 年由BOS
19、CH 公司制订并发布了CAN 技术 规范(Version 2.0)，1993 年国际标准(ISO11898)正式出版。1995 年ISO11898 进行了扩展，从而能够支持29 位CAN 标识符。CAN 2.0 技术规范包含A 和B 两部分。CAN 2.0A 支持标准的11 位标识符。而CAN 2.0B 同时支持 标准的11 位标识符和扩展的29 位标识符。CAN 2.0 规范的目的是为了在 任何两个基于CAN-bus 的仪器之间建立兼容性，定义了传输层，并定义了 1CAN 协议在周围各层当中所发挥的作用。 2.1 CAN 的基本概念 CAN 具有以下的属性: 报文的优先权 设置灵活 时间同步
20、的多点接收 系统宽数据的连贯性 错误检测和标定 将节点的暂时性错误和永久性错误区分开来，并且可以自动关闭 错误的节点 (1)CAN节点的层结构(Layered Structure of a CAN node) * 物理层定义实际信号的传输方法。本技术规范没有定义物理层，以 便允许根据它们的应用，对发送媒体和信号电平进行优化。 * 传输层是CAN协议的核心。它把接收到的报文提供给对象层，以及 接收来自对象层的报文。传输层负责位定时及同步、报文分帧、仲裁、应 答、错误检测和标定、故障界定。 * 对象层的功能是报文滤波以及状态和报文的处理。 CAN节点的层结构如图2.1所示。 信息科学与工程学院毕业
21、(设计)论文 第6页 应用层 对象层 报文滤波 报文和状态的处理 传输层 故障界定 错误检测和标定 报文校验 应答 仲裁 报文分帧 传输速率和定时 物理层 信号电平和位表示 传输媒体 图2.1 CAN节点的层结构 (2)报文(Messages):总线上的信息以不同的固定报文格式发送，但长度受限(见第3节的报文传输)。当总线空闲时任何连接的单元都可以开始发送新的报文。 (3)信息路由(Information Routing)在CAN 系统里，节点不使用任何关于系统配置的信息(比如:站地址)。 (4)系统灵活性:不需要改变任何节点的应用层及相关的软件或硬件，就可以在CAN 网络中直接添加节点。 (
22、5)报文路由:报文的内容由识别符命名。识别符不指出报文的目的地，但解释数据的含义。因此，网络上所有的节点可以通过报文滤波确定是否应对该数据做出反应。 (6)多播:由于引入了报文滤波的概念，任何数目的节点都可以接收报文，并同时对此报文做出反应。 (7)数据连贯性:在CAN网络内，可以确保报文同时被所有的节点接收(或同时不被接收)。因此，系统的数据连贯性是通过多播和错误处理的原理实现的。 信息科学与工程学院毕业(设计)论文 第7页 (8)仲裁(Arbitration):只要总线空闲，任何单元都可以开始发送报文。如果2个或2个以上的单元同时开始传送报文，那么就会有总线访问冲突。通过使用识别符的位形式仲裁可以解决这个冲突。仲裁的机制确保信息和时间均不会损失。当具有相同识别符的数据帧和远程帧同时初始化时，数据帧优先于远程帧。仲裁期间，每一个发送器都对发送位的电平与被
