《CAN总线技术在现代汽车上的应用与研究》.docx
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《CAN总线技术在现代汽车上的应用与研究》
CAN总线技术在现代汽车上的研究与应用
摘要:
CAN(ControllerAreaNetwork)控制局域网是现场总线的一种,与其他一般总线相比,它的数据通讯具有突出的可靠性、实用性和灵合性。
在国外,欧洲生产的轿车目前已广泛采用了CAN总线来实现数据的通讯;在国内,目前主要是在一些合资品牌的中高档次的轿车上几乎采用了该系统,但几乎都是直接采用国外的成熟技术,并不具备白主的知识产权;国内目前能够白主开发的汽车CAN总线系统主要是基于汽车车身系统来控制,汽车其他系统CAN总线的应用在目前还处于研发阶段。
本文首先介绍CAN总线系统在汽车上应用情况,然后结合我公司车型的特点,介绍了一种高可靠性、低成本的实用型汽车车身CAN总线系统的设计方案。
关键词:
CAN总线、控制器、节点、通讯协议、速率
1.引言
随着计算机、通讯、微电子技术的迅速发展,以全数字式现场总线为代表的控制仪表、设备大量应用,使得传统的现场控制技术及现场控制设备发生了巨大的变化。
繁琐的现场连线被简单的;现场总线网络所代替,系统设计灵活,设备维护简单,信号传输质量也大大提高,为工业现场控制用户带来巨大好处。
经过长时间发展,已形成Hart、Lonworks、
Profibus、Bitbus及CAN等多种现场总线协议。
随着电子技术的迅速发展和在汽车上的广泛应用,汽车电子化程度越来越高,特别是微控制器进入汽车控制领域后,给汽车发展带来了划时代的变化,汽车的动力性、操作稳定性、安全性、燃油经济性都得到了大幅提升。
电子设备的大量应用,必然导致车身布线愈长愈复杂、运行可靠性降低、故障维修难度增大。
特别是电子控制单元的大量引入,为了提高信号的利用率,要求大批的数据信息能在不同的电子单元中共享,汽车综合控
制系统中大量的控制信号也需要实时交换,传统线束已远远不能满足这种需求。
针对上述问题,就选择了网络技术,在借鉴计算机网络技术和现场控制技术的基础上,开发出了各种适用于汽车环境的网络技术。
和其它控制现场相比,汽车内温度变化范围大(-45C〜+120C),电磁干扰和其它电子噪声强,环境恶劣,网络在车内的运行可靠性尤为重要,这不但体现在网络结构白身的容错能力和抗干扰能力上,而且也体现在信
号的编码方式和传输方式上。
汽车局域网无一例外地都采用了同步串行传输方式,数据信号多采用PWM和NRZ编码,通常位速率高于100kbps采用NRZ编码,低于100kbps采用PWM编码方式。
2.汽车中的信息多路传输与控制器局域网(CAN)
汽车中的信息一般是单路传输,随着汽车上电子设备越来越多,许多汽车电子设备可能会需要同一路信号,如组合仪表和发动机ECU都需要车速信号和转速信号,通常情况下,我们会增加传感器的数量或采用信号分配器,而采用控制器局域网(CAN),网络上任何节点都能实现数据共享。
目前存在的多种汽车网络标准,其侧重的功能有所不同,为方便研究和设计应用,SAE车辆网络委员会将汽车数据传输网划分为A、B、CM类。
主要面向传感器和执行器控制的低速网络,通常作为汽车车身CAN总线系统的控制,数据传输位速率通常只有1〜10kbps。
主要应用于电动门窗、座椅调节、灯光照明、雨刮和暖风电机、中央门锁、电动后示镜、倒车雷达、电喇叭等控制。
B类
主要面向独立模块间数据共享的中速网络,位速率一般为10〜
100kbps。
主要应用于电子车辆信息中心、故障诊断、组合仪表显示等系统,以减少传感器和其它电子部件的数量。
C类
主要面向高速、实时闭环控制的多路传输网,位速率一般为100kbps〜1Mbps,主要用于悬架控制、牵引控制、发动机控制、防抱死系统、导航系统、安全气囊等系统,以简化分布式控制和进一步减少车身线束。
3.CAN节点传输协议及硬件系统
CAN是80年代初BOSCH公司为解决现代汽车中众多控制单元、测试仪器之间的实时数据交换而开发的一种串行通信协议,经多次修订,于1991年9月形成技术规范2.0版本。
该版本包括2.0A和2.0B两部分。
其中2.0A给出了报文标准格式,2.0B给出了报文的标准和扩展两种格式。
推出2.0B是为了满足美国汽车制造商对C类网应用的要求。
随后,SAE的货车客车控制和通信网络委员会J1939投票通过了将CAN作为C类数据交换网应用于客车、货车、农业及建筑车辆。
目前,支持CAN协议的有INTEL、MOTOROLA、PHILIPS、
SIEMENS、
NEC、HONEYWELL等百余家国际著名公司集成电路,其中CAN应用器件也琳琅满目、层出不穷,已经逐步形成产品系列,以下主要针对汽车车身CAN总线系统的电路加以介:
开关/数字量,模拟量检测电路:
汽车节点的开关器件(车内外灯光、雨刮、暖风、空调、车窗玻璃、电动后视镜、中央门锁、车门、喇叭等等的开关)特别复杂和繁多;采用电流检测的信号,如水温、油位、机油压力传感器信号都是非线性的模拟信号,而采用频率检测的信号,如发动机转速、车速是脉冲数字信号,所以可靠实时地对这些开关、模拟量、数字量进行检测成为汽车电子硬件必须解决的问题。
传统的分立元件保持电路存在可靠性差,尤其是开关触点氧化严重,浪费大量的微处理器I/O口等问题,推荐采用MOTOROLA公司的多路开关检测芯片MC33993o其突出优点如下:
•3.3/5.0V的SPI序列读写(SO,SI,SCLK);
•8路可编程开关输入检测(接地或接电源),14路接地开关输入检测,每路开关状态改变均能够产生中断;
•开关输入电压从-14V〜Vpwr(工作电源),Vpwr最大可达40V;
•开关状态改变时的可选择唤醒;
•可选择的湿性电流(16mA或2mA);
•22对1的模拟量输出;
•Vpwr的低功耗电流(standbycurrent)小于100uA,VDD的低功耗电流
(standbycurrent)小于10uA。
可见只需要四个CPU口线(SPI序列线和片选),就能够完成22路开关量(其中有8路可编程为对接电源开关)的检测,还可以进行串行和并行的多片MC33993级连。
所谓的湿性电流(wettingcurrent),指的是MC33993内部提供的输入口的上拉和下拉恒流源,可以编程选择为16mA或2mA,这对于保证开关的可靠闭合,去除金属触点的氧化物有着良好的作用。
输入口的恒流源,可以直接驱动MOSFET以及LED。
每一个输入口都可以编程为模拟量输出状态,从而在AMUX引脚输出所
选输入口的电压。
利用MC33993恒流源和模拟量输出可以组成线性的传感器检测电路。
ADC芯片选用AD公司生产的并行数据采样集成芯片AD1674。
它从引脚到功能都与AD574/674完全兼容,但内部增加了采样/保持电路,采样频率为100kHZ,并且有全控模式和单一工作模式。
其采样精度可达0.05%,符合高速数据采集的要求。
功率器件驱动电路:
汽车车身控制系统需要驱动大功率的用电器件,比如车内外照明信号灯,前后雨刮器电机,暖风电机、冷凝散热电机、电动车窗电机、电动后视镜、电喇叭、中央锁执行器等等。
功率驱动器件考虑采用MOTOROLA公司的汽车专用功率器件。
MC33286为汽车电气专用智能的双路控制驱动芯片,与传统的机械继电器相比,白身提供过流和过热保护,响应时间更短,稳定性更高。
MC33286设有两路驱动通道,每路最大工作电流可达15A,通过两路输入端口将CPU引脚电平信号引入,经过内部的逻辑处理模块转换成输出通道的电平变化。
特别适合信号灯以及阻性负载的驱动。
MC33887是带反馈的H桥型驱动芯片,专用来驱动需要正反转的电机负载。
MC33486与MC33887类似,但内部只有半桥须外加CMOS管以构成全桥驱动电路,稳定输出可达10A,尤其适用于电动车窗电机之
类的大功率并伴有冲击电流的正反相控制要求。
3软件结构
系统的程序结构分为四个部分:
CAN通讯程序(包括应用层协议的SJA1000通讯),外围接口程序(所有检测芯片和驱动芯片的驱动),中断服务程序(处理开关信号以及故障报警等消息),主程序(完成系统初始化和任务调度等)。
4CAN总线系统在东风卡车上的应用方案
4.1整车总线系统总体结构设计
我公司生产车型主要以卡车为主,相对于轿车来说,卡车的附加值
相对较低,汽车上各系统采用的电子控制器还比较少,目前已经知道在汽车上采用有,在动力系统上采用了发动机ECU控制系统(包括柴油发动机预热控制器、EGR废气循环控制器)、在制动系统采用了ABS防抱死控制系统、在车身系统则采用得较多,主要有电子组合仪表、无级暖风、灯光亮度调节、中央门锁、电动玻璃升降、电动后示镜、倒车雷达等,基于整个成本的考虑,我们可以采用的网络架构如下图所示:
卡车CAN总线系统网络架构
从该图可以看出,该系统有两条不同速度CAN总线系统,这是因为汽车上各种电器对网络信息传输延迟的敏感性差别很大,发动机控制器、ABS防抱死控制器等之间的协调关系所要求的实时性很强,而前后车灯的开关、车门开闭、玻璃升降等简单事件对信息传输延迟的要求要宽松得多(传输延迟允10ms-100ms),如果将这些功能简单的节点都挂在高速总线上,势必会提高对节点的技术要求和成本,故有必要进行多路总线设计。
考虑到与国际上标准的一致性,可采用2条CAN总线。
汽车驱动系统中采用高速CAN,信息传输速度达500K-1Mbps,其主要连接对象是:
发动机、ABS防抱死控制器及组合仪表信号采集系统等。
驱动系统CAN的控制对象都是与汽车行驶控制直接相关的系统,对信号的传输要求有很强的实时性,它们之间存在着较多的信息交流,而且很多都是连续的和高速的。
车身系统中采用低速CAN,信息传输速率为100Kpbs,主要连接对象是:
前后及车内灯光控制开关、雨刮控制、暖风控制、中央门锁电动后视镜控制开关、电动车窗升降开关、气候(空调)控制开关、故障诊断系统、
组合开关及驾驶员操纵信号采集系统等。
车身系统CAN的控制对象主要
是低速电机、电磁阀和开关器件,它们对信息传输的实时性要求不高,但数量较多,将这些电控单元与汽车驱动系统分开有利于保证驱动系统的实时性;采用低速CAN总线还能增加总线的传输距离,提高抗干扰能力,降低硬件成本。
两条CAN总线相互独立,通过网关服务器进行数据交换和资源共享。
在这里车身前模块相当于中央控制器,是整车管理系统的控制核心,也是整车综合控制的基础,主要功能是对各种信息进行分析处理,并发出指令,协调汽车各控制单元及电器设备的工作。
同时,中央控制器也是高速CAN总线和低速CAN总线的网关服务器。
4.2节点的设置
根据卡车的特点,我认为在车身系统拟采用两个CAN总线控制器对车身电器进行控制,前模块可以安装在驾驶室中央配电盒或保险丝盒处,控制对象包括内部和前部灯光、暖风、雨刮及喷水、遥控中央门锁、电动车窗、电动后视镜、电喇叭等;后模块则安装在车的尾部,控制对象主要包括后部灯光、倒车雷达,另外对其他没有实现智能控制的电器设备,包括点烟器、收放机、石英钟、空调、电熄火器等,所需的继电器和保险丝则包含在前模块内部,并在电气上与总线控制部份分开,避免对控制器产生干扰,这样就可取消中央配电盒或保险丝盒,并且大大减少了继电器和保险丝的数量,原来所需的中央门锁、倒车雷达、预热控制、综合报警等控制器,则可完全由前后两个模块来实现,虽然由于增加两个模块增加了成本,但由于取消了中央配电盒和其他控制器,因而总体成本不会增加多少,完全可以在汽车上得到实际应用。
4.3控制的输入量和输出量
4.3.1控制输出量
)丁与
输出特性
控制设备
取电位置
建议控
制方式
O1
大电流
前部
左远光灯
常电
继电器
O2
大电流
右远光灯
常电
继电器
O3
大电流
左近光灯
常电
继电器
O4
大电流
右近光灯
常电
继电器
O5
常电流
左前位置
灯
常电
HSD
O6
电流
右前位置
灯
常电
HSD
O7
常电流
前左转向
灯
ON(危险报警取自常电)
HSD
O8
常电流
前右转向
灯
ON(危险报警取自常电)
HSD
O9
常电流
左前雾灯
常电
继电器
O10
常电流
右前雾灯
常电
继电器
O11
常电流
侧面
左侧转向
灯
ON(危险报警取自常电)
HSD
O12
常电流
右侧转向
灯
ON(危险报警取自常电)
HSD
O13
常电流
车内
顶灯
直接常电
LSD
O14
常电流
车牌
牌照灯
常电
HSD
O15
常电流
左倒车灯
ON
HSD
O16
常电流
尾部
右倒车灯
ON
HSD
O17
常电流
左后雾灯
ON
HSD
O18
常电流
右后雾灯
ON
HSD
O19
常电流
左制动灯
ON
HSD
O20
常电流
右制动灯
ON
HSD
O21
常电流
左后转向
灯
ON(危险报警取自常电)
HSD
O22
常电流
右后转向
灯
ON(危险报警取自常电)
HSD
O23
常电流
左后位置
灯
ON
HSD
O24
常电流
右后位置
灯
ON
HSD
O25
常电流
照明
控制面板
及开关照
明
常电
HSD
O26
电流沉
雨刮块档
ACC
继电器
O27
常电机
雨刮
喷水
雨刮慢档
ACC
继电器
O28
常电机
喷水电机
ACC
继电器
O29
常电流
电喇叭电
源
常电
继电器
O31
常电流
石英钟
直接常电
FUSE
O32
常电流
收放机电
源
ACC后直接有电
FUSE
O33
常电流
点烟器
ACC后直接有电
FUSE
O37
常电流
暖风
暖风电机
ACC
继电器
O38
常电流
空调
散热电机
ACC
FUSE+继电器
O39
常电流
压缩机、
提升电磁
阀
ACC
FUSE+继电器
O40
常电流
中控锁
(2~4个)
中控锁电
机正反
常电
继电器
O41
常电流
中控锁电
机正反
常电
继电器
O42
常电流
电动车窗
(2~4个)
电动车窗
电机
ON
继电器
从上述表格可以看出,在选择功率器件驱动方面,由于成本的考虑,对如远近光、前雾灯等电流比较大的器件,可以采用继电器,而对另外如转向灯、位置灯等工作电流比较小的器件,可以采用功率驱动芯片,另对
一些象收放机、石英钟等没有必要采用智能控制的设备则直接采用保险丝供电,以降低整个成本。
由于其他功能扩展需要,可以在前模块上可预留5~10个保险备用。
在后模块上,由于尾部灯光功率较小,需要具备防水
功能,因此全部采用功率驱动芯片控制
4.3.2开关输入量:
)丁与
特性
名称
备注
K1
控火
充电指示输入信号
K2
控火
钥匙ACC档
K3
控火
钥匙ON档
K4
控火
钥匙ST档
K6
控地
小灯一档开关
K7
控地
双向压力
K8
控地
远光幻开乂
K9
控地
超车开关
K10
控地
前雾幻开美
K11
控地
后雾幻开美
K12
控地
危险报警开关
常电
K13
控地
左转向开美
K14
控地
右转向开关
K15
控地
近光幻开美
K16
控地
雨刮复位开关
K17
控地
暖风开关
暖风开关和空调开关同时闭
K18
控地
AC开关
合后,空调开始工作
K19
控地
雨刮慢档开关
K20
控地
雨刮快档开关
K21
控地
间歇档开关
间歇时间为6S
K22
控地
喷水开关
喷水开关接通后雨刮动作2次
K23
控地
制动幻开乂
K24
控地
倒车开关
K25
控地
车门开关
常电
K26
控地
喇叭开关
常电
K27
控地
油水分离
到仪表
K28
控地
机油压力
到仪表
K29
控地
真空压力
到仪表
K30
控地
制动液面过低
到仪表
K31
控地
摩擦片开关
到仪表
K32
控地
驻车制动
到仪表
K33
控地
手动上锁开锁
常电
K34
遥控上锁(遥控距离8m)
遥控器
K35
遥控开锁(遥控距离8m)
遥控器
从上述表格可以看出,除点火锁的ACC、ON、ST外,对其他一些开关信号,我们全部采用了接地控制,这主要是从安全角度来考虑,由于整车负极搭铁,采用接地控制可以有效避免由于导线磨损或铜芯外露引起的
接地短路,从而可以减少火灾隐患,因而在输入端无需串接保险。
4.4组合仪表和中央显示器
组合仪表采用步进电机机芯结构,仪表中央有一块小LCD液晶显示
屏,除了显示小计和累计里程外,还可显示出故障设备的位置或故障代码,此外在一些较为高档的车上,还可显示倒车雷达和室内外温度等信息。
4.5通讯协议
对于各节点之间数据的通讯协议,CAN的底层协议可以完全按照
SAEJ1939来实现,而对应用层协议,SAEJ1939-71对车身部分并没有规定,因此必需为总线系统编制网络通讯协议代码,我们可以根据
SAEJ1939-21专用B的格式来制订,以下对该协议作一个简要介绍:
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