基于CAN總線的汽車車身線束設(shè)計(jì)

李洪陽(yáng) 劉相皓

摘要：電子技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的電器、電子設(shè)備在汽車上安裝使用。在為人們帶來(lái)方便、舒適的同時(shí)，卻使車內(nèi)線束增多、空間緊張、布線復(fù)雜，從而導(dǎo)致車身重量明顯增加、運(yùn)行可靠性降低、故障維修難度增大。另外，各電控單元之間傳遞的大部分信息是可由多個(gè)電控單元共享的，而傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式不能實(shí)現(xiàn)信息共享。相應(yīng)的，將CAN總線技術(shù)運(yùn)用于車身電控單元線束設(shè)計(jì)即可輕松解決問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：CAN總線；汽車車身；線束設(shè)計(jì)

1 CAN總線概述

20世紀(jì)80年代末，德國(guó)BOSCH（博世）公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多控制單元、測(cè)試儀器之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換，提出最初用于汽車電子裝置互聯(lián)的控制器局域網(wǎng)——CAN串行通信總線系統(tǒng)，之后被汽車行業(yè)和控制領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，已成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO11898）。到目前為止，世界上已擁有20多家CAN總線控制器芯片生產(chǎn)商，110多種CAN總線協(xié)議控制器芯片和集成CAN總線協(xié)議控制器的微控制器芯片。CAN總線由于采用了獨(dú)特的設(shè)計(jì)和新的技術(shù)，與一般的通信總線相比，具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。CAN采用多主工作方式，成本低，且具有極高的總線利用率；CAN總線具有可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制，采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低；采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)退出功能。

2 汽車線束的規(guī)格和功能

對(duì)于汽車的線束規(guī)格，我們通常采用電線的標(biāo)稱截面積來(lái)界定，常用的規(guī)格有0.35mm2～16.0mm2不等，例如指示燈等耗電量較小的電器通常采用0.5mm2規(guī)格的電線就可以，而蓄電池搭鐵線則常選用的規(guī)格16mm2。由于汽車中的線束相當(dāng)于人大腦中的神經(jīng)和血管，起著傳輸信號(hào)的作用，加之現(xiàn)代汽車行業(yè)的快速發(fā)展使得汽車中電子電氣元件越來(lái)越多，相應(yīng)的線束也越來(lái)越密集，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，必然修理困難。

3 總體結(jié)構(gòu)

車身網(wǎng)絡(luò)常由車內(nèi)儀表、照明及信號(hào)燈組、自動(dòng)車窗、座椅等電控節(jié)點(diǎn)組成。本系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)中包含車內(nèi)儀表板和四組照明、信號(hào)燈組共五個(gè)節(jié)點(diǎn)。其中，照明、信號(hào)燈組中包括遠(yuǎn)光燈、近光燈、轉(zhuǎn)向燈、霧燈、倒車燈、剎車燈，且不同燈的安裝位置不盡相同。中央控制節(jié)點(diǎn)安裝在汽車儀表板上，接收司機(jī)的操作指令；其余四個(gè)節(jié)點(diǎn)則分別安裝在車頭、尾部的左側(cè)和右側(cè)，與不同車燈相連，控制車燈狀態(tài)。CAN總線將所有節(jié)點(diǎn)連接起來(lái)，組成一個(gè)汽車內(nèi)部控制網(wǎng)絡(luò)。由于每個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)連接只用兩根線：CAN_H線、CAN_L線，從而大大減少了線束使用量。

4 CAN節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)中，CAN節(jié)點(diǎn)采用以下電路結(jié)構(gòu)：ECU（AT89C51）+CAN控制器（SJA1000）+CAN收發(fā)器（PCA82C250）AtmelAT89C51單片機(jī)是一種低功耗、低電壓、高性能的8位CMOS單片機(jī)，片內(nèi)含有4KBFlashROM，4個(gè)I/O口共32個(gè)I/O引腳，都可供用戶使用，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MCS-51兼容，靈活性高且價(jià)廉。獨(dú)立CAN控制器PHILIPSSJAl000主要完成CAN的通信協(xié)議，支持CAN2.0A/B協(xié)議，支持11/29位標(biāo)識(shí)碼，具有擴(kuò)展的64字節(jié)接收緩沖器，通信位速率可達(dá)1Mbps，即使在惡劣環(huán)境中也可正常、穩(wěn)定地工作。PHILIPSPCA82C250是一種通用CAN收發(fā)器，是CAN控制器與物理總線之間的接口，對(duì)總線提供差動(dòng)發(fā)送能力、對(duì)CAN控制器提供差動(dòng)接收能力。

5 報(bào)文傳輸

CAN2.0B給出了標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀兩種報(bào)文格式，二者的主要區(qū)別在于報(bào)文所含標(biāo)識(shí)符的位數(shù)不同，標(biāo)準(zhǔn)幀包含11位標(biāo)識(shí)符，擴(kuò)展幀包含29位標(biāo)識(shí)符。考慮到系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和與其它系統(tǒng)的兼容性，本系統(tǒng)使用擴(kuò)展幀格式。報(bào)文中的標(biāo)識(shí)符描述數(shù)據(jù)的含義，不同的幀的標(biāo)識(shí)符不同。每個(gè)節(jié)點(diǎn)的接收器通過(guò)對(duì)幀進(jìn)行接收濾波來(lái)確定此幀是否與自己有關(guān)，接收有關(guān)的，濾掉無(wú)關(guān)的。標(biāo)識(shí)符同時(shí)定義了報(bào)文的靜態(tài)優(yōu)先權(quán)。總線空閑時(shí)，任何單元都可以開(kāi)始傳送報(bào)文，具有較高優(yōu)先權(quán)報(bào)文的單元可以獲得總線的訪問(wèn)權(quán)。車輛駕駛過(guò)程中，駕駛員根據(jù)需要控制儀表板上的車燈開(kāi)關(guān)。中央控制節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每個(gè)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)變化，若發(fā)生變化則向總線上發(fā)出控制信號(hào)；其它節(jié)點(diǎn)對(duì)信號(hào)報(bào)文進(jìn)行有選擇地接收、處理，并產(chǎn)生對(duì)相應(yīng)車燈狀態(tài)的控制。表1中，每種車燈信號(hào)擁有一種報(bào)文標(biāo)識(shí)符（除ID.20-ID.13外，其它位均為0）。

由于不同車燈在保障車輛安全行駛方面的重要性有輕重之分，車燈對(duì)應(yīng)信號(hào)的優(yōu)先級(jí)也應(yīng)有所區(qū)別。表1中各報(bào)文的優(yōu)先級(jí)由高到低排列為：剎車燈、倒車燈、應(yīng)急燈、轉(zhuǎn)向燈、近光燈、遠(yuǎn)光燈、霧燈。由于在同一時(shí)間總線上最多只能傳輸一個(gè)信號(hào)，當(dāng)有多個(gè)信號(hào)同時(shí)發(fā)送時(shí)，優(yōu)先級(jí)高的報(bào)文先傳輸，優(yōu)先級(jí)低的報(bào)文后傳輸。

6 軟件流程

中央控制節(jié)點(diǎn)的流程：變量STATE存儲(chǔ)AT89C51的P1端口的狀態(tài)。從P1.0至P1.7，程序順序檢查每一位是否與STATE的對(duì)應(yīng)位相同。若不同，表示與該端口相連的開(kāi)關(guān)發(fā)生狀態(tài)變化，則根據(jù)變化的實(shí)際情況向總線發(fā)送報(bào)文。P1.7檢查完畢后重新對(duì)P1.0進(jìn)行下一輪檢查。主節(jié)點(diǎn)的P1端口連接如表1。其余節(jié)點(diǎn)的軟件流程：程序不斷查詢狀態(tài)寄存器（SR），監(jiān)視RXFIFO中是否有新報(bào)文。若已收到新報(bào)文，首先根據(jù)報(bào)文標(biāo)識(shí)符確定操作對(duì)象是哪個(gè)車燈；其次根據(jù)報(bào)文數(shù)據(jù)域的內(nèi)容確定操作內(nèi)容（開(kāi)啟/關(guān)閉/閃爍）；最終實(shí)施操作并開(kāi)始重新查詢SR。其中，當(dāng)使車燈（轉(zhuǎn)向燈、應(yīng)急燈）閃爍時(shí)，車燈每?jī)纱吸c(diǎn)亮之間的時(shí)間間隔為1s，即需要設(shè)定0.5s的延時(shí)，每到0.5s產(chǎn)生中斷，中斷服務(wù)程序?qū)④嚐舻臓顟B(tài)（P1.0）置反。由于AT89C51定時(shí)器無(wú)法產(chǎn)生長(zhǎng)達(dá)0.5s的延時(shí)，程序使用定時(shí)器T0（定時(shí)0.1s）和變量N（初值5）配合使用產(chǎn)生0.5s延時(shí)。T0中斷服務(wù)程序流程圖見(jiàn)圖1。

7結(jié)語(yǔ)

在國(guó)外，汽車總線技術(shù)已經(jīng)基本形成了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，硬件接口也已統(tǒng)一，芯片也已定型、量產(chǎn)。目前國(guó)內(nèi)許多汽車電子廠商都在開(kāi)發(fā)CAN總線系統(tǒng)，各個(gè)產(chǎn)品正在陸續(xù)推出。就中國(guó)而言，汽車總線更是一項(xiàng)朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，有著無(wú)限的前景；相信總線系統(tǒng)在中國(guó)的普及應(yīng)用為期不遠(yuǎn)，因此，我國(guó)對(duì)CAN總線的汽車車身線束設(shè)計(jì)研究勢(shì)在必行，預(yù)期目標(biāo)達(dá)到與國(guó)際接軌。

參考文獻(xiàn)：

[1]張運(yùn)濤，現(xiàn)場(chǎng)總線CAN原理與應(yīng)用技術(shù).2016.

[2]王興平.探討基于CAN總線的車身網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì).2017.

[3]王貴和，梁瑋.淺談基于CAN總線的汽車車身線束設(shè)計(jì).2017.

（作者單位：歐立騰（北京）技術(shù)咨詢有限公司上海分公司1

長(zhǎng)城汽車股份有限公司-哈弗技術(shù)中心2）

第一作者簡(jiǎn)介：李洪陽(yáng)，男，漢，河北張家口，本科，初級(jí)工程師，汽車電子電器開(kāi)發(fā)。