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汽车电子技术CAN网络管理系统

发布时间:2009/7/5 11:48:08 作者:

随着汽车电子技术的发展及汽车性能的不断提高,汽车上的电子装置越来越多。传统的电器系统大多采用点对点的单一通信方式,相互之间很少有联系,这样必然造成庞大的布线系统。目前,国外许多整车制造厂和汽车电器制造厂家在整车管理系统中采用了网络技术,如CAN和LIN、SAEJ1850等。其中,CAN的使用较为广泛。CAN总线是德国BOSCH公司于20世纪80年代初提出的,它将汽车上各种信号的接线只用2根简洁的电缆线取代,汽车上的各种电子装置通过CAN控制器挂到这2根电缆上,设备之间利用电缆进行数据通讯和数据共享,从而大大减少了汽车上的线束。CAN总线结构独特,性能可靠,被公认为是最有前途的现场控制总线之一。

CAN(Controller Area Network)总线是一种有效支持分布式控制实时控制的串行通讯网络。目前已经在国外汽车的电器网络中得到了广泛的应用。为了满足国产汽车车身控制总线的迫切需求,我们设计了一种基于CAN总线的整车管理系统的硬件方案。本方案重点对系统的总体结构、车身控制系统CAN总线的节点设置、节点及中央控制与CAN总线的接口电路进行了设计。

由于客观条件的限制,目前我国的整车制造厂和汽车电子电器厂几乎没有涉及到汽车电器网络化设计的领域。但随着我国汽车工业和电子工业的发展,进行汽车电器的网络化研究与开发已经成为十分重要的课题。

1、整车管理系统总体结构设计

汽车上各种电器对网络信息传输延迟的敏感性差别很大,发动机控制器、自动变速器控制器、ABS控制器、安全气囊控制器等之间的协调关系所要求的实时性很强,而前后车灯的开关、车门开闭、座位调节等简单事件对信息传输延迟的要求要宽松得多(传输延迟允10ms-100ms),如果将这些功能简单的节点都挂在高速总线上,势必会提高对节点的技术要求和成本,故有必要进行多路总线设计。考虑到与国际上标准的一致性这里采用2条CAN总线。

汽车驱动系统中采用高速CAN,信息传输速度达500K-1M bps,其主要连接对象是:发动机、自动变速器、ABS/ASR、安全气囊、主动悬架、巡航系统、电动转向系统及组合仪表信号的采集系统等。驱动系统CAN的控制对象都是与汽车行驶控制直接相关的系统,对信号的传输要求有很强的实时性,它们之间存在着较多的信息交流,而且很多都是连续的和高速的。

车身系统中采用低速CAN,信息传输速率为100Kpbs,主要连接对象是:前后车灯控制开关、电动坐椅控制开关、中央门锁与防盗控制开关、电动后视镜控制开关、电动车窗升降开关、气候(空调)控制开关、故障诊断系统、组合开关及驾驶员操纵信号采集系统、仪表显示器等。车身系统CAN的控制对象主要是低速电机、电磁阀和开关器件,它们对信息传输的实时性要求不高,但数量较多,将这些电控单元与汽车驱动系统分开有利于保证驱动系统的实时性;采用低速CAN总线还能增加总线的传输距离,提高抗干扰能力,降低硬件成本。

两条CAN总线相互独立,通过网关服务器进行数据交换和资源共享。中央控制器是整车管理系统的控制核心,也是整车综合控制的基础,主要功能是对各种信息进行分析处理,并发出指令,协调汽车各控制单元及电器设备的工作。同时,中央控制器也是高速CAN总线和低速CAN总线的网关服务器。

2、节点的设置

本设计以低速CAN总线为基础的车身控制系统为重点,为了将汽车上各类原始信号转换为可在CAN总线上进行传输的数字量信号,同时也为了提高系统的可靠性,在低速总线上设置了节点。节点的功能是:接收传感器输出的模拟信号、数字信号或开关信号,经ECU进行处理,转换为可在CAN总线上通讯的数据报文格式,经ECU内的CAN控制器发送到CAN总线上,同时将从CAN总线上接收到的数据信息转换成能够驱动执行器或照明灯的模拟信号或数字信号.节点的设置原则仅仅考虑各电器元件在汽车上的物理位置。

节点1: 主要控制前部车灯和汽车喇叭,位于驾驶室前部。

节点2: 采集组合开关及其他位于仪表板附近的操纵开关的信号,位于仪表板附近。

节点3: 将需要在仪表上显示的内容处理后,输出并显示,位于仪表板内部。

节点4:采集空调、中央门锁、驾驶室翻转等开关的状态信号,控制空调、防盗与遥控门锁、刮雨器等的动作,位于驾驶室内手套箱附近。

节点5: 驾驶员车门控制节点,采集各开关信号,控制驾驶员一侧的门锁、车窗和电动后视镜的动作,位于驾驶员车门上。

节点6: 乘客侧车门控制节点,位于乘客侧车门上。

节点7:采集仪表显示信号及驾驶员操纵信号,包括燃油量、冷却液温度、机油压力、电源电压、空挡开关、倒车开关等,位于仪表板附近。

节点8: 整车管理系统的中央控制器,协调和管理整车各系统的工作,并起网关的作用,连接高速和低速总线,位于仪表板附近。

节点9: 采集驱动系统中与仪表显示有关的信号,如车速、发动机转速、冷却液温度等,位于驾驶室内手套箱附近。

节点10:电动坐椅节点,采集坐椅开关信号并控制坐椅动作,位于驾驶员坐椅上。

节点11:控制汽车后部车灯,倒车喇叭和防撞雷达监视器,位于汽车后部。

3、节点与CAN总线的接口设计

整车管理系统是由许多节点通过CAN总线相连而组成的一个局域网,因此CAN总线的设计就显得极为重要。其中CAN控制器、CAN收发器的选取以及抗干扰措施将成为设计的关键。

(1) CAN控制器的选取

为了满足系统功能和进一步扩展的需要,CAN控制器采用MICROCHIP公司内部带CAN引擎的微控制器(单片机)PIC18F248,其片上带5路10bit A/D转换器、1个8bit,两个16bit 定时/计数器、1-4路PWM输出控制器以及22个I/O端口,它除了可以进行模拟、数字量的采集、控制外,还可以通过脉冲宽度调制(PWM)方式控制各种执行电机的速度。

(2) CAN收发器的选取

CAN收发器选用MICROCHIP公司的MCP2551,这是一种应用广泛的CAN控制器与物理总线间的接口芯片,能够对总线的信息进行差动发送和接收。它能增大通信距离、提高系统的瞬间抗干扰能力、保护总线、降低射频干扰等。

(3)光电隔离

汽车上电磁干扰较厉害,对系统的抗干扰能力要求较高,为了进一步提高系统的抗干扰能力,在CAN控制器(单片机)和驱动总线的CAN收发器MCP2551之间增加了由高速隔离器件6N137构成的光电隔离电路,电源也采用微型DC/DC模块来进行隔离。

4、中央控制器(网关服务器)与CAN总线的接口设计

中央控制器选用:

选用带两路CAN控制器、支持CAN2.0B通信协议的数字信号处理(DSP)芯片作为节点控制核心。这样可以增加系统的控制速度,增强系统控制的灵活性以及提高系统的可靠性。这里选用MICROCHIP公司的dsPIC30F系列的16位定点DSP芯片:dsPIC30F6010,其最高处理能力可达30MIPS,工作温度范围可达(-40--+125)的汽车级别,具有16通道的10bit高速A/D转换器、5个16bit定时/计数器、8个通用的PMW控制器和8个专用的马达控制PWM控制器。此外该芯片还具有MCU+DSP双CPU内核以及多达68个I/O端口。

由于dsPIC30F6010内部具有双CAN引擎,所以可以很好地在高速CAN通道和低速CAN通道之间担当起网关的功能,同时其DSP的处理速度和丰富的外围接口资源,使得它足以应付汽车电控单元不断升级的需求。

5、结束语

该整车管理系统是针对国产轿车、越野车以及轻型货车而设计的。重点设计了基于CAN总线的整车管理系统的总体结构、车身控制系统、CAN总线的节点布置、节点与CAN总线的接口及中央控制器与CAN总线的接口电路。将该系统应用于汽车控制系,可明显减少汽车上的线束,更好地控制和协调汽车的各个系统,以减少对驾驶者本身素质的依赖性,使国产汽车跟上国际技术潮流,在未来市场角逐中具有更强的竞争力。

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