CAN总线技术在汽车ECU中的开发

摘　要：介绍了由单片机89C52和SJA1000以及82C250等芯片组成的CAN总线系统软硬件设计方法，给出了CAN总线技术在汽车开发中的应用框图。

关键词：CAN总线；SJA1000；数据通讯；分布式控制

CAN是ControlAreaNetwork的缩写，该项技术最早由德国BOSCH公司推出，用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信。其总线规范现已被ISO国际标准组织制订为国际标准。由于得到了Motorola，Intel，Philip，Siemence，NEC等公司的支持，它广泛应用在离散控制领域。由于其高性能、高可靠性、及独特的设计，CAN越来越受到人们的重视。国外已有许多大公司的产品采用了这一技术。现代汽车越来越多地采用电子装置控制，如发动机的定时、注油控制，加速、刹车控制(ASC)及复杂的抗锁定刹车系统(ABS)等。由于这些控制需检测及交换大量数据，采用硬接信号线的方式不但烦琐、昂贵，而且难于解决问题，采用CAN总线上述问题便得到很好的解决。早在80年代，众多国际知名的汽车公司就积极致力于汽车总线技术的研究及应用，如博世的CAN、SAE的J1850、马自达的PALMNET、德国大众的ABUS、美国商用机器的AUTOCAN、ISO的VAN等。目前，国外的汽车总线技术已经成熟，采用总线系统的车辆有BENZ、BMW、RORSCHE、ROLLSROYCE、JAGUAR、VOLVO等。

目前，在国内还没有我们自己开发研制的基于CAN总线的ECU产品。本文是以一汽大众为合作伙伴，共同开展的基于CAN总线汽车控制系统研究工作的一部分，主要攻克了工程化关键技术，所做的汽车分布式电子控制系统具有完全自主产权。文中对CAN总线的原理及性能进行详细分析的基础上，深入研究了CAN总线控制器SJA1000，并设计了一套由单片机89C52和SJA1000以及82C250等芯片组成的CAN总线系统，该系统模拟了汽车中的仪表盘以及照明系统，各个ECU之间通过CAN总线实现相互通讯，从而达到减少汽车中的线束的目的，证实了CAN总线作为一个局域网应用在汽车中的极大优势。该项研究将对我国汽车工业技术水平的提高起到促进作用。

图1 SJA1000与单片机硬件接口电路

CAN总线技术的优越性

CAN总线与一般的通信总线相比，它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其具有以下主要特性：CAN是目前为止唯一有国际标准的现场总线；CAN为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动的向网络上其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息；CAN网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在134us内得到传输；CAN采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况(以太网则可能)；CAN只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据，无需专门的“调度”；CAN的直接通信距离最远可达10km (速率5kbps以下)；通信速率最高可达1Mbps(此时通信距离最长为40m)；CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达成110个。采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。CAN的每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据出错率极低。CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。CAN总线具有较高的性能价格比。它结构简单，器件容易购置，每个节点的价格较低，而且开发过程中，能充分利用现在的单片机开发工具。

CAN控制器与单片机的接口电路

SJA1000可以与不同类型的单片微型计算机接口，再加上收发器就组成了一个CAN应用系统的核心。系统硬件连接如图2所示，硬件电路的设计主要是CAN通信控制器与微处理器之间和CAN总线收发器与物理总线之间的接口电路的设计。CAN通信控制器是CAN总线接口电路的核心，主要完成CAN的通信协议，而CAN总线收发器的主要功能是增大通信距离，提高系统的瞬间抗干扰能力，保护总线，降低射频干扰(RFI)，实现热防护等。微控制器的时钟采自SJA1000的振荡器。通过SJA1000的时钟分频寄存器CDR，它决定了SJA1000的CLKOUT 脚的输出和它的工作方式。SJA1000的AD0- AD7 连接到89C52的P0口，CS片选信号连接到89C51 的P2. 7。P2. 7 为0时CPU片外存储器地址可选中SJA1000，CPU通过这些地址可对SJA1000执行相应的读/写操作。SJA1000的RD、WR、ALE分别与89C52的对应引脚相连，INT接89C52的P3. 2(INTO)，89C52



也可以通过中断方式访问SJA1000。82C250与CAN总线的接口部分也采用了一定的安全和抗干扰措施。82C250的CANH和CANL引脚各自通过一个5Ω的电阻与CAN总线相连，电阻可起到一定的限流作用，保护82C250免受过流的冲击。CANH和CANL与地之间并联了两个30pF的小电容，可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力。另外，在两根CAN总线输入端与地之间分别接了一个防雷击管，当两输入端与地之间出现瞬变干扰时，通过防雷击管的放电可起到一定的保护作用。瞬变干扰(Transient Interference)是电磁兼容领域中主要的一种干扰方式，特别是雷击浪涌波，由于持续时间短，脉冲幅值高，能量大，给电子电气设备的正常运行带来极大的威胁。82C250的Rs脚上接有一个斜率电阻，电阻大小可根据总线通信速度适当调节，一般在16—140kΩ之间。

软件设计

本文主要设计了汽车的舒适系统，其中包括了车门系统和车灯系统以及仪表盘之间通过CAN总线的通讯，用来实现各个节点之间的相互控制。如图2所示，当仪表盘上的钥匙门启动时，仪表盘上的点火指示灯会亮起来，同时车门系统和车灯系统的ECU分别在总线上接到这个信息，也分别让各自的电源指示灯亮起来，这就表示各个系统在钥匙门打开的同时已经都准备好了，等待总线发出命令，以便做出相应的动作。当车门要打开时，仪表盘上的车门指示灯亮；当大灯打开时，仪表盘上的大灯指示亮；当转向灯开关打开时，转向灯亮；当双闪开关打开时，左右转向灯同时闪动。

模拟实验

本论文采用了VectoR公司生产的CANoe软件对CAN总线进行了实时监控。通过一个CAN卡--CANcardX (PCMCIA接口卡)以及一根CANcabs-CANcardX总线驱动电缆，可以把系统中的CAN总线数据通过计算机编程采集出来。下位机与上位机设定相同的通讯波特率(本论文中设定为100kbps)，通过建立相应的数据库，就可以互相通讯了。测得的总线状态如图3 所示：



根据实际测量的结果，可以看出总线负载符合要求，没有接收到出错帧，接受状态处于激活中，接收到数据帧，总线工作状态正常。从总线上测得的数据表明，对于每个ECU节点发送的ID码以及数据与预定的ID码及数据相同，总线接收和发送正常、准确，完全符合预期研究的目标。该模拟系统可以随意向总线上正确的发送数据帧、远程帧，而且一旦某个ECU节点出现故障，总线会进行自动处理(在单片机软件中进行处理)，如果该节点一直在向总线发送错误标志，总线就会自动中断该节点，其他节点也会检测到错误条件，停止向给节点发送数据，这样就可以避免总线瘫痪。所以某个ECU节点出现错误，不会影响其他节点的正常工作，不会造成整个总线的瘫痪。

结束语

CAN总线技术，是工业控制与计算机网络两者边缘的产物。无论是从网络的结构、协议、实时性、还是适应性、灵活性、可靠性乃至成本等，工业控制的底层都有它的特殊性，特别是汽车工业中，要传输的信息帧都短小，要求实时性很强、可靠性高。因此，CAN总线在汽车ECU中的研究具有进一步推广应用的价值和良好的开发前景。