基于CAN總線技術的汽車ECU設計

　　1、引言
　　控制器局域網(wǎng)（ControllerAreaNetwork，CAN）是Bosch公司于1986年在美國汽車工程師協(xié)會（SAE）大會上推出的一種新型串行總線，被廣泛地用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信，其總線規(guī)范已被制訂為國際標準，由于其高性能、高可靠性及獨特的設計，CAN總線技術越來越受到人們的重視[1,2]。隨著現(xiàn)代汽車技術的發(fā)展，電子設備在汽車中的比重越來越高，如電噴發(fā)動機、燃油高壓共軌、制動防抱死系統(tǒng)（ABS）、自動變速器系統(tǒng)、注油控制以及電動門窗等[3]，這些總成之間需要檢測并交換大量數(shù)據(jù)，采用CAN總線技術不僅成本低，而且可靠性明顯提高。從1992年起，Mercedes-Benz（奔馳）公司開始在高級客車中使用CAN總線技術，隨后，Volvo、Saab、Volkswagen、BMW、Renault以及Fiat等汽車公司也分別在自己的汽車上使用CAN總線技術[4-6]。國內(nèi)針對汽車的CAN總線技術研究還處于起步階段，北京航空航天大學、中國計算機學會單片機公共實驗室、清華大學以及中國汽車技術研究中心等單位都開展了汽車CAN總線技術的研究[7-9]，但目前還不能構成系列產(chǎn)品，并沒有真正組建汽車CAN總線網(wǎng)絡。
　　本文以某即將定型汽車為原型，設計基于CAN總線技術的汽車ECU系統(tǒng)，對于已有CAN接口的總成，可以直接依據(jù)協(xié)議讀取CAN接口的數(shù)據(jù)，對于沒有CAN接口的總成，利用AT90CAN128單片機設計汽車ECU，采集傳感器信息，并通過CAN接口與其他總成交換數(shù)據(jù)，組建基于CAN總線的汽車網(wǎng)絡，這樣既有利于汽車本身的數(shù)據(jù)通信，又能方便配套的便攜式診斷儀器讀取汽車技術狀態(tài)信息。
　　2、CAN總線網(wǎng)絡的組建
　　CAN是一種串行數(shù)據(jù)通信總線，其通信速率能達到1Mbps，并已經(jīng)成為一項國際標準，其最大特點是，任一節(jié)點所傳送的數(shù)據(jù)信息并不包含傳送節(jié)點或接收節(jié)點的地址，信息內(nèi)容通過一個標識符（ID）作上標記，在整個網(wǎng)絡中，該標識符是唯一的，網(wǎng)絡上的其他節(jié)點接收到信息后，每一節(jié)點都對這一標識符進行測試，以判斷信息內(nèi)容是否與己有關，如果是相關信息，將其接收并進行處理，否則，即被忽略。這樣，不同的節(jié)點可以接收到不同的數(shù)據(jù)，保證了通信的實時性。
　　現(xiàn)代汽車廣泛地采用了電子技術，而總控模塊能隨時接收到所需要的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)汽車總成之間的數(shù)據(jù)交換使用CAN總線組成數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡主要用途之一，如發(fā)動機系統(tǒng)、自動變速器系統(tǒng)、ABS系統(tǒng)、自動差速鎖系統(tǒng)、中央充放氣系統(tǒng)、動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)以及電動門窗系統(tǒng)等總成之間的數(shù)據(jù)交換。利用CAN總線技術組建汽車信息傳輸網(wǎng)絡的基本結(jié)構如圖1所示。

　　由于一些總成生產(chǎn)廠家在設計時已經(jīng)考慮了信息交互的接口問題，在生產(chǎn)時已將CAN總線技術集成到總成上。對于這類總成（如高壓共軌發(fā)動機、自動變速器以及ABS等系統(tǒng)），只需通過ECU讀取其CAN總線協(xié)議即可完成數(shù)據(jù)信息交換。對于其他總成，通過設計汽車ECU，采集相應傳感器的信息，并利用CAN接口向總線廣播式發(fā)送數(shù)據(jù)，可完成信息交換。
　　3、汽車ECU的設計
　　為了設計帶有CAN接口的汽車ECU，較為常見的方法是用單片機與CAN控制器相結(jié)合，如使用8051單片機與CAN控制器芯片SJA1000來組合使用[4][6]。由于CAN總線技術應用領域廣泛，一些芯片生產(chǎn)廠家（如Motorola、Intel、Philip、Atmel、Microchip以及NEC等公司）紛紛在自己的芯片中集成了CAN接口模塊，這樣將大大提高CAN接口通信的可靠性。本文采用Atmel公司的一款內(nèi)嵌CAN控制器的AVR型單片機AT90CAN128來實現(xiàn)CAN節(jié)點。
　　AT90CAN128單片機具有以下特點：128K字節(jié)FLASH，4K字節(jié)EEPROM和4K字節(jié)的SRAM，帶有硬件乘法器功能，53個通用的I/O口，32個通用工作寄存器，4個具有比較模式的定時器/計數(shù)器，2通道8位的PWM，6通道2到16位精度的PWM，2個USART和1個主從SPI串行口，1個兩線(I2C)串行接口，一個8通道10位具有可選增益差分輸入的A/D轉(zhuǎn)換器，1個帶內(nèi)部振蕩器的可編程看門狗定時器[10]。同時還集成了CAN控制器，與CAN標準幀2.0A和擴展幀2.0B完全兼容，具有15個獨立的信息對象，能夠處理所有的幀類型，具有8位靜態(tài)分配的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，晶振頻率8MHz時數(shù)據(jù)傳送速率可達到1Mbps。
　　3.1硬件設計
　　在本文的設計中，利用AT90CAN128的A/D轉(zhuǎn)換器采集相關傳感器的電壓信號（如水溫、振動、位置、氣壓以及油壓等信號），利用定時器/計數(shù)器模塊采集相關傳感器的脈沖信號（如轉(zhuǎn)速、里程等信號），由于AT90CAN128集成了CAN控制器功能，因此，結(jié)合CAN總線收發(fā)器即可完成CAN總線的接收和發(fā)送任務。CAN總線收發(fā)器采用了ATA6660芯片，它是CAN控制器與物理傳輸媒體之間的物理連接子層接口。為提高系統(tǒng)的抗干擾性，在AT90CAN128與ATA6660芯片之間加入高速光耦芯片6N137，其接口電路如圖2所示。

　　從圖2中可以看出，電路主要由3部分組成：單片機AT90CAN128、高速光耦6N137和高速CAN總線收發(fā)器。單片機AT90CAN128主要負責傳感器信息的采集、內(nèi)部CAN控制器的初始化并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務。在ATA6660與CAN總線的接口部分也采用了抗干擾和安全措施，ATA6660的CANH和CANL引腳各自通過5Ω的電阻與CAN總線相連，電阻可起到一定的限流作用，保護ATA6660免受過流沖擊。CANH和CANL與地之間并聯(lián)兩個30pF的小電容，可以起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射的能力。另外，在兩根CAN總線與地之間分別接了一個防雷擊管，當兩輸入端與地之間出現(xiàn)瞬變干擾時，通過防雷擊管的放電可以起到一定的保護作用。
　　3.2軟件設計
　　系統(tǒng)軟件設計主要包括信號采集和CAN接口通信程序。利用AT90CAN128片上集成的ADC模塊可以采集一些常規(guī)傳感器的模擬信號，如油壓、水溫、氣壓等信號；利用定時器/計數(shù)器模塊采集傳感器脈沖信號，如轉(zhuǎn)速、行駛里程信號等。對于模擬量信號，在經(jīng)過放大器處理之后，可以直接控制單片機的ADC模塊對其進行采集；對于脈沖信號，在對其進行采集時需要進行整形處理，如轉(zhuǎn)速傳感器獲取發(fā)動機飛輪旋轉(zhuǎn)時輪齒的信號，是正弦交流信號，將其整形為方波信號，利用定時器/計數(shù)器模塊采集方波的頻率來完成速度采集。為提高轉(zhuǎn)速采集的實時性，通常采集脈沖信號的周期（兩個脈沖信號上升沿或下降沿之間的時間）來計算其頻率，并計算發(fā)動機轉(zhuǎn)速，計算公式如如式（1）所示。

式（1）中為系統(tǒng)時鐘周期，為分頻系數(shù)，為發(fā)動機飛輪齒圈齒數(shù)（對于康明斯發(fā)動機為為輪齒脈沖兩次上升（或下降）沿的計數(shù)器值。

　　CAN接口通信程序主要包括CAN控制器的初始化、數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)發(fā)送程序。主程序通過調(diào)用函數(shù)來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，流程圖如圖3所示，在數(shù)據(jù)接收程序中，通過查詢方式讀取相應消息對象中的數(shù)據(jù)。

　　CAN控制器初始化工作主要包括波特率參數(shù)設置、接收屏蔽寄存器及接收代碼寄存器的設置、使能允許寄存器的設置等。通過總線定時器寄存器CANBT1、CANBT2、CANBT3來設置波特率參數(shù)。AT90CAN128中提供了一組由4個驗收碼寄存器（CANIDT1～CANIDT4）和4個驗收屏蔽寄存器（CANIDM1～CANIDM4）組成的驗收濾波器，信息只有通過它的驗收濾波才能被接收；所有驗收屏蔽寄存器為0的位，驗收碼寄存器和CAN信息幀的對應位必須相同才能驗收通過，而所有驗收屏蔽寄存器中為1的位，驗收碼寄存器對應位的驗收濾波功能則被屏蔽。通過設置驗收濾波器，既可以實現(xiàn)節(jié)點與節(jié)點之間的點對點通信，也可以實現(xiàn)一點對多點的廣播式通信，使整個數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡更加靈活。
　　4、實驗
　　采用本文設計的汽車ECU對車輛上的模擬信號（水溫、壓力等），脈沖信號（轉(zhuǎn)速、里程等）進行采集，并通過CAN總線發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。采用IXXAT公司的CAN分析儀（USBtoCAN）對CAN總線進行監(jiān)控，利用計算機與CAN分析儀連接，并通過CAN總線采集ECU傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，CAN總線的通信波特率設定為125kbps，實驗中測得的總線狀態(tài)如圖4(a)所示，實驗中采用CAN2.0B擴展幀協(xié)議，采集某ECU節(jié)點的CAN總線數(shù)據(jù)如圖4(b)所示，其中節(jié)點204060為脈沖信號采集，節(jié)點204061為模擬信號采集，數(shù)據(jù)長度為8字節(jié)，空余字節(jié)用FF填補，可用來擴展信息量。

　　根據(jù)實際測量結(jié)果，可以看出總線沒有接收到出錯幀，接收到數(shù)據(jù)幀，反映總線工作狀態(tài)正常。從接收的數(shù)據(jù)表明，每個ECU節(jié)點發(fā)送的ID碼和數(shù)據(jù)與預定義的ID碼和數(shù)據(jù)相同，總線接收和發(fā)送正常。另外，在軟件中加入了異常處理，如果某節(jié)點一直向總線發(fā)送錯誤標志，總線會自動終止該節(jié)點，其他節(jié)點也會檢測到錯誤條件，停止向該節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣可以避免總線癱瘓。
　　5、結(jié)論
　　本文設計的基于AT90CAN128單片機的汽車ECU，由于其本身接口豐富，可以采集多種傳感器數(shù)據(jù)，并集成了CAN接口模塊，這樣提高了EUC的工作可靠性和CAN接口通信的可靠性，非常適宜于組建汽車CAN總線網(wǎng)絡。另外，在硬件上做了優(yōu)化處理，提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。實驗表明，該ECU能準確采集數(shù)據(jù)，并能通過CAN總線進行可靠通信。