基于CAN總線的汽車電氣系統的設計研究

劉金鳳

(煙臺汽車工程職業學院 車輛運用工程系， 煙臺 264000)

0 引言

汽車電子化程度隨著汽車技術的發展而逐漸提高，汽車總線技術更能滿足數據通信的要求，目前在汽車電子領域中，建立基于總線技術的汽車電氣控制系統是研究的熱點，而實時交換大量控制信號在基于CAN總線的綜合控制系統中即可實現，并且表現出了較強的抗干擾性能和較高的傳輸速率，該系統還具備線路簡化、可根據實際需求進行擴展等優勢，逐漸受到國內外汽車行業的高度重視。本文在汽車上運用信息技術，同時借鑒現場總線控制技術，保證信息流的實時、有效、全面，對于汽車系統的驅動則通過這些信息流來實現，汽車采用分布式電氣控制系統，以降低使用成本，提高工作效率[1]。

1 現狀概述

汽車電氣控制系統包含大量的用電器件，這些用電器件能夠實現大功率的驅動，是行車必備的用電設備，包括大型客車中用來給乘客提供服務的用電設備(如飲水機、通道燈、電視機、閱讀燈等)。汽車底盤有數量較多的傳感器，包括速度、水溫、擋位、機油、剎車等傳感器，還需大量的開關包括門、發動機艙及儀表盤等，中央控制器需要通過導線接收或反饋這些設備和傳感器信息，這就導致了大量導線捆成線扎的形成，點對點電氣控制方式，如圖1所示。

圖1 點對點電氣控制方式

電子線路復雜程度逐漸提高，給汽車設計、裝配、維護等工作增加了難度，線路接頭數量的增加不利于安全性的提升，線重和占用空間會一定程度上降低效率。汽車內部相對運動的部分間(如車門窗的線束)會因過大的線路體積而加大過線的難度，為解決不斷增加的電子裝置帶來的問題，對于汽車電氣控制系統的設計，基于串行的信息傳輸成為解決問題的必然選擇[2]。

2 基于CAN總線的汽車電氣系統整體設計

2.1 現場總線的選擇

CAN總線，可以雙絞線、光導纖維或同軸電纜作為通信介質，信號以差分電壓的形式出現，如圖2所示。

圖2 CAN總線位信號

CAN總線通信控制器中可成幀處理通信數據，對CAN協議的數據鏈路層和物理層功能進行了集成，CAN協議通過對通信數據塊進行編碼取代了傳統的站地址編碼，這是該協議的一個最大特點，正是通過這種方法的使用，實現了在理論上不限制網絡內節點的個數，按照不同的 CAN 技術規范(2.0A或2.0B)可定義不同的數據塊(211或229個)，不同節點據此可完成相同數據的同時接收，數據段長度最多為 8個字節，占用總線時間較短，確保了通信的實時性，這對分布式控制系統的實現極為重要，可滿足控制命令、數據測試及工作狀態的一般要求，采用CRC檢驗的CAN 協議提高了數據通信的可靠性，同時具備相應的錯誤處理功能。結合性價比以及應用前景，考慮到其極高的可靠性和獨特的設計，本文系統在開發研究的方向選擇了 CAN 總線[3]。

2.2 系統整體架構設計

以電氣設備配置要求為依據，以金龍大型客車(XML6796E1G)為開發平臺，系統主要由前/左前/右前/后/主5個ECU節點組成，整體架構設計如圖3 所示。

圖3 系統整體架構

CAN總線采用星形拓撲結構，利用前、左前、右前及后4個ECU節點，汽車電氣控制系統實現了就近位置的信息采集(29 路開關量)，將其組成一幀報文信息(按照 CAN 總線通信協議)，主 ECU 節點完成報文信息的接收，并對其進行邏輯分析與判斷，然后將最終分析結果組成四幀報文信息(按照 CAN 通信協議)，各目標 ECU 節點接收并濾波處理反饋回的報文信息，功率負載輸出控制模塊通過UART總線接收到各目標 ECU 節點發送的信息，完成 29 路功率輸出的驅動。由專用單片機(AT89C51)完成開關信息的采集及功率輸出的邏輯控制，每個ECU節點設計開關信息采集和功率負載輸出各29 路，其內部包括P0、P1、P2、P3四個口，共有32個 I/O 口，其中看門狗喂狗信號輸出口為P3.7，通信口為 P3.0 、P3.1[4]。前 ECU 節點主要負責對電控氣/電喇叭，以及左側車燈，雨刮器檔位開關，鑰匙開關的一擋 ACC、二擋ON和三擋STA ，左前側的轉向燈和霧燈等進行檢測和控制；右前 ECU節點主要負責對右側的近光燈、遠光燈、轉向燈、示廓燈、標志燈，前門的控踏步燈、指示燈開關、防夾開關，右前側的轉向燈、霧燈，噴水電機等進行檢測和控制；前 ECU 節點主要負責對ABS、機油壓力報警燈，儀表照明燈、TV 開關、前/后霧燈開關、行李倉燈開關等進行檢測和控制；后 ECU 節點主要負責對熄火電磁閥的電源1和電源2，后側的示闊燈、倒車燈、剎車燈、霧燈，以及空擋、倒車、后倉門限位、水位報警的開關等進行檢測和控制。由CAN總線為系統提供通信介質，實現大批數據信息共享及控制信號的實時交換，顯著提高電控單元信息利用率，從而保證汽車系統的運動是在實時有效的信息流的驅動下完成的[5]。

2.3 ECU節點設計

ECU節點不同應用程序的寫入以所在位置為依據，具體設計如圖4所示。

圖4 ECU節點設計

ECU節點中：功率負載輸出驅動口實現對汽車上所有功率負載的直接驅動，避免了繼電器工作帶來的安全隱患；汽車上各種開關量信息由29 路開關量輸入口采集；CAN 通信接口可采用帶屏蔽的雙絞線，該接口提供兩根通信線(CANH 和 CANL)，正是通過良好外圍接口的提供，提高了各ECU 節點間的通信效果[6]。

CAN通信模塊對總線上(CAN)出現的報文信息進行驗收濾波，由主處理器讀取完報文信息后，主處理器將其釋放到接收緩沖區并對其進行格式轉換，功率輸出控制模塊實現串口信息的接收(通過 UART 總線)，再按照一定的順序將其發送到單片機上各 I/O口，實現對各負載功率輸出的控制；對于各開關輸入點的狀況，將通過開關信息采集模塊完成循環檢測的過程，按照控制命令，將當前采集的開關狀態信息傳送至主處理器(通過 UART 總線)，主控模塊進行分析比較后，將同上一次有異同的開關狀態信息組成一幀報文信息(按照一定格式)，CAN 總線通過 CAN 通信模塊接收這些報文信息，并對其作出進一步處理，完成對各開關輸入點的循環檢測。

3 系統軟件架構設計

本文根據系統實際的功能將軟件架構設計為驅動層、轉換層和通信層3個層次，具體軟件結構如圖5所示。

系統通過3類消息的具體定義，即定義狀態消息，接口消息，器件消息，以實現各層模塊之間良好的通信效果。

引腳的電平變化情況輸入后，在發送給轉換層之前需將其轉換為輸入狀態信息，這一部分由輸入驅動模塊負責；轉換層接收到狀態信息后，需通過輸出驅動模塊將其轉變為實際引腳的電平變化；驅動層接收輸入狀態信息后，在發送給規則處理層供其進行邏輯分析之前，需通過輸入轉換模塊將其轉換為輸入器件消息；規則處理層接收到狀態信息(輸出器件)后，在發送給驅動層之前，需通過輸出轉換模塊將其轉換(或由輸入轉換模塊發送來的接口消息直接轉換)為輸出狀態信息，對于輸入器件消息(由輸入轉換模塊接收的消息)，通過規則處理層模塊進行邏輯關系分析，并在發送給輸出轉換模塊之前，將其映射為輸出器件消息；信息在各轉換層和規則處理層間的交換過程，由通過通信模塊負責完成[7]。

4 系統測試

為驗證本文系統的功能實現情況，在系統實驗平臺上完成了對本系統的測試，實驗嚴格按照 CAN2.0 協議，實驗平臺分為兩個階段：分別在汽車電氣模擬實驗臺和金龍大型客車(XML6796E1G)進行測試，由主ECU節點，左前和右前 ECU 節點，前、后 ECU 節點構成，完成對汽車電氣設備的控制，和對各種 ECU 傳感器信號的采集，并實現了儀表顯示，測試結果表明基于 CAN 總線的汽車電氣控制系統的設計，實現了在不同電子單元中對大批數據信息的共享，使系統內復雜控制信號的實時交換需求得以有效滿足，顯著提高了數據在不同功能電子單元間的通信能力，實現了高性能和高可靠性等獨特的設計目標，對汽車總線電氣控制系統改善具有現實意義。

5 總結

汽車行業發展迅速，其電氣控制系統也在不斷更新和完善，本文主要對汽車電氣控制系統進行設計，設計該系統的目的在于提高電氣系統的利用率，該系統基于CAN總線，可以將控制信號轉換為信息流，汽車的電氣控制系統通過分布式的控制模式，進一步提高了控制的效率，分布式的控制模式突破了傳統的單一線束限制，實現了汽車電氣控制系統使用效率的顯著提高。