高低速CAN总线在汽车控制系统中的研究与应用

摘要:采用TI 公司的TMS320LF2402A 作为微控制器兼作网关,构造高低速CAN 通信网络,对汽车控制系统进行控制,讲述了CAN 总线在汽车计算机控制系统中的应用情况,指出高低速CAN 总线网络作为一种极具潜力的控制器局域网,在汽车计算机控制系统中有着广阔的应用前景。对CAN 总线和DSP 进行了简要介绍。

主题词:CAN总线;控制系统;汽车;研究

引言

随着汽车计算机控制技术的不断发展,现代汽车上的计算机控制系统越来越多,联系也越来越紧密。现在很多汽车采用CAN (Cont roller Area Network) 总线将它们联系起来。

由于计算机控制单元越来越多,采用单网络CAN 总线负荷很重,笔者通过分别构造高、低速CAN 网络,对实时性要求高的计算机控制单元采用高速CAN 网络传输;其它采用低速CAN 网络传输,并采用DSP 作为微控制器兼作网关,使传输线束大大简化,可靠性大大提高。

CAN总线的技术特性

CAN总线是一种串行多主站控制器局域网总线。它具有很高的网络安全性、通讯可靠性和实时性,简单实用,网络成本低。特别适用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。

基于TMS320L F2402A 的汽车计算机控制

TMS320LF2402A

数字信号处理器(DSP) 是一种适合于实现各种数字信号处理运算的微处理器,是专门为快速 实现各种数字信号处理算法而设计的,具有特殊结构的微处理器。

根据汽车计算机控制系统高实时性、高可靠性、高抗电磁干扰能力等要求,特采用TMS320LF2402A 芯片作为主微控制器兼做网关,它相对于普通单片机运算速度快,特别适合于像汽车计算机控制等实时性要求很高、电磁干扰严重的场合,而且可以采用高级语言编程(C 语言编程) ,可移植性好。

系统实现

目前,汽车计算机控制已经涉及到动力性、经济性、安全性、可靠性、净化性和舒适性等诸多方面,具体包括发动机控制,变速器控制、巡航控制,制动控制,照明控制,空调控制,雨刷控制,仪表管理系统等,而且各种控制系统的电控单元( ECU)相互联系紧密,需要随时进行实时数据通信,CAN总线作为一种极具应用潜力的控制器局域网总线,近年来在汽车计算机控制系统中得到越来越广泛的应用,并已成为欧洲汽车制造业主体行业标准,代表着汽车电子控制网络的主流发展趋势。

汽车计算机控制系统中的所有这些子控制系统通过CAN 总线构成一个实时控制系统网络,各控制单元的指令发出去之后,必须保证在一定时间内得到响应,要不然就有可能发生重大事故,这就要求汽车上的CAN 通信网络有较高的波特率设置和可靠性。而且,汽车在实际运行过程中,众多节点之间需要进行大量的实时数据交换。若整 辆汽车的所有节点都挂在一个CAN 网络上,这么多节点通过一条CAN 总线进行通信,信息管理配置稍有不当,就很容易出现总线负荷过大,将导致系统实时响应速度下降,这在实时系统中是不允许的。因此我们在对汽车上各节点的实时性进行了分析之后,根据各节点对实时性的要求,设计了高、低速两个速率不同的CAN 通信网络。将实时性要求严格、可靠性要求高的节点组成高速CAN通信网络,将其它实时性要求相对较低的节点组成低速CAN 通信网络,并架设网关将这两个速率不同的CAN 通信网络连接起来,实现全部节点之间的数据共享。整辆汽车的通信网络拓扑结构如图1 所示。

图1 中的发动机控制、变速器控制、安全控制、ABS 等控制单元节点是现代汽车动作的核心部件,对时间响应要求严格,因而在本设计中采用传输速率为500 Kbps的高速CAN 通信网络。空调控制、雨刷控制、照明控制和仪表管理控制等相对来说对实时性的要求较低,采用传输速率小于125Kbps的CAN 通信网络,主控制器跨接高、低速两条总线,与各节点进行数据交换,兼起网关的作用,实现网络互连。

根据系统设计要求,采用TMS320LF2402A芯片作为主控制器。汽车计算机控制系统电控单元与CAN 总线接线图如图2 所示。

电控单元的微控制器( TMS320LF2402A) 通过数据总线经过光电隔离器(6N137) 与CAN 总线控制器(SJA1000) 直接相连。由于CAN 总线控制器带有一个接收缓冲器和一个发送缓冲器,因此,CAN 总线控制器的发送端口Tx0、接收端口Rx0、Rx1 分别与CAN 总线发送接收器的TxD 和RxD、Vref 端口直接相连,CAN_L 和CAN_ H 是CAN 总线的两条差分接收发送线。它们的端点间各接一个120Ω 的总线匹配电阻,当有节点占用CAN 总线时,该节点的发送端(电平为3. 5V) 接CAN_H ,接收端(电平为1. 5V) 接CAN_L ;当无节点占用CAN 总线时,CAN_L 和CAN_ H 上的电平均为2. 5V。

TMS320LF2402A 配置了两个CAN 通信接口卡。该接口卡以SJA1000 作为通信控制器,SJA1000 是PCA82C200 的替代产品, 它实现了CAN 总线物理层和数据链路层的所有功能。

CAN 通信接口卡由CAN 控制芯片、CAN 驱动芯片以及光电隔离电路组成。SAJ 1000 可以完成CAN 的物理层和数据链路层的所有协议功能。SJA1000 为CAN 总线收发接口,具有抗汽车恶劣电气环境下的瞬间干扰、保护总线的能力。它是CAN 控制器与物理总线之间的接口,可提供对总线的差动发送和接收。为了进一步提高抗干扰措施,在两个CAN 器件之间使用了高速隔离器件6N137 构成隔离电路。

软件设计

本系统软件由总的系统软件和高( 低) 速CAN 总线网络单元软件组成,软件流程图如图3和图4 所示。其中图4 高速CAN 总线网络单元负责对实时性要求高的发动机控制、变速控制、安全控制和ABS 单元的控制动作的采集和传送,一旦有这些控制单元动作信号,经过微控制器对它们进行处理后将以最快的速度通过高速CAN 网络传给相应控制单元的ECU ,由控制单元ECU对控制对象进行控制;低速CAN 总线网络的控制方法及单元软件流程图与此类似,但是由于它们的实时性要求相对前者不高,因此它们的传输优先级相对较低。

　 抗干扰措施

考虑到汽车计算机控制的工作条件比较恶劣,电磁干扰严重,在本设计中还加强了防干扰措施: (1) 考虑汽车工作环境电磁干扰严重,在选用微控制器时特选用自带看门狗定时器的数字信号处理器TMS320LF2402A 作为微控制器,并选用4 片高速光电隔离芯片6N137 ,将I/ O 信号与SJA1000 隔离, 有效防止了噪声信号通过SJA1000 传入微控制器,提高了系统可靠性; (2)还对整个系统进行了金属屏蔽,传输线采用屏蔽双绞线,以减少电磁干扰。试验结果表明,效果明显。

　 小结

CAN总线作为一种可靠的汽车计算机网络总线已在许多先进汽车上得到应用,使得各汽车计算机控制单元能够通过CAN 总线共享所有信息和资源,达到简化布线、减少传感器数量、避免控制功能重复、提高系统可靠性和维护性、降低成本、更好地匹配和协调各个控制系统的目的。在本设计中采用了数字信号处理器TMS320LF2402A 作主控制器,它相对于一般普通单片机,具有运算速度快、系统集成度高、电磁兼容性强等优点,用它作微控制器兼作网关,较大地提高了系统的实时性和可靠性,另外还采用了一些抗干扰措施。

目前,国外有关这方面研究越来越多也越来越成熟,而国内在这方面的应用研究起步较晚,但是市场潜力很大,相信在不久的将来,随着汽车计算机控制系统数目的不断增加,CAN 总线必定会在国内汽车计算机控制系统网络中得到更广泛应用。