引言

現代汽車電子技術的發展使汽車的電子化程度越來越高。電控系統雖然提高了汽車的動力性和經濟性，但隨之增加的復雜電路必然導致車身布線龐大而復雜。因此提高控制單元間通信的可靠性、實時性、安全性已成為需要迫切解決的問題。以研發和生產汽車電子產品著稱的德國Bosch公司為此開發了CAN總線協議，并使其成為國際標準。電動助力轉向(E1ectric Power Steering System，EPS)是根據駕駛員意圖和車輛的運行工況而進行助力的轉向系統。EPS的控制過程是動力轉向系統綜合控制的過程，所以EPS的電子控制單元與車內其他電子控制單元的通信及協調控制便很重要。在EPS系統中引入CAN總線技術，使EPS電子控制單元與其他車載電子控制單元通信，可以實現數據共享，并且協調EPS與其他系統控制。

1 CAN總線簡介

CAN即控制器局域網，是Bosch公司為解決現代汽車中眾多的控制和數據交換問題開發出的一種現場總線通信結構，最高速率可達1 Mbps(40 m內)，以多主方式工作。與一般的通信總線相比，CAN總線數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性，是目前使用最廣泛的一種汽車網絡。CAN總線具有以下特點：

①硬件連接簡單，具有良好的性能價格比。

②具有快速響應能力，非常適合對實時性要求較高的應用場合。

③可靠性高。CAN總線的糾錯能力非常強，協議中每一幀數據都采用CRC及其他校驗措施，數據出錯率極低。若某一節點出現嚴重錯誤，可自動脫離總線，總線上其他節點的操作不受影響。

2 系統硬件設計

2．1 LPC2129介紹

LPC2129 微控制器是NXP公司32位單片機中的一種，其內部基本結構包括：中央處理器單元(CPU)、2個16C550工業標準UART、高速I2C接口(400 kHz)、2個SPI接口、8通道輸入捕捉/輸出比較定時器，1個8通道脈寬調制模塊以及46個獨立數字I/O口，片內還有256KB的Flash ROM、16 KB的RAM，CAN功能塊包括2個兼容CAN2．0B協議的CAN控制器。這些豐富的內部資源和外部接口可以滿足ECU(電子控制單元)對各種數據的處理及CAN網絡數據發送和接收的要求。芯片集成了2個CAN模塊，能夠實現高低速CAN網絡的網關節點功能。

CAN模塊遵循CAN2．0B協議，集成了驗收濾波器的CAN總線控制器的所有功能。此外它還采用先進的緩沖器布置改善了實時性能，簡化了應用軟件的設計。

2．2 CAN模塊設計

汽車的通信系統由EPS控制系統、ABS系統、發動機系統、電動車窗系統、車燈控制系統等組成。這些電控系統在整個控制系統中對響應實時性的要求有所不同，另外汽車在實際運行過程中眾多節點之間需要進行大量的實時數據交換。若整個汽車的所有節點都掛在一個CAN網絡上，眾多節點通過一條CAN總線進行通信，一旦信息管理配置稍有不妥，就很容易出現總線負荷過大，導致系統實時響應速度下降的情況。這在實時系統中是不允許的，因此根據不同的要求，可將汽車網絡分為高速CAN網絡和低速CAN網絡兩個速率等級。ABS、EPS等節點電控單元個數少，實時性和穩定性要求高，組成傳輸速率為500 kbps的高速CAN網絡。眾多的車身電機和車燈節點電控單元數量多，傳輸的數據紛繁復雜，對準確性、穩定性的要求勝于實時性，組成傳輸速率為125 kbps的低速CAN網絡。對于不同速率網絡之間的通信，必須有相應的網關進行數據過濾和速率轉換，以實現不同速率網絡節點之間的數據通信。高低速CAN 網關用LPC2129實現，其通信網絡如圖1所示。



　　2．3 CAN節點硬件設計

CAN節點硬件電路主要包括帶有CAN控制器的微控制器和用于數據收發的CAN收發器。本設計使用的是NXP公司的32位微控制器LPC2129，它帶有 CAN控制器，主要負責CAN的初始化和數據處理。CAN收發器種類有很多，本設計使用Philips公司的CAN高速收發器TJAl050。CAN基本節點結構如圖2所示。



　　2．4 高低速CAN網關的硬件電路設計

網關的主要作用是協調各網絡之間數據的共享，負責各節點之間的通信。其硬件結構與CAN節點非常相似，由于它負責高速與低速網絡之間的數據共享，所以必須同時跨接兩個網絡。CAN總線網關硬件結構如圖3所示。



3 高低速CAN網關的軟件設計

網關軟件設計部分主要實現的功能是各節點的數據收發，特別是網關可以實現高低速網絡數據的轉換。對實時性要求不高的車燈控制和車窗控制電路采用低速CAN 網絡，波特率為125 kbps；對實時性要求較高的ABS系統和EPS系統等采用高速CAN網絡，波特率為500 kbps。

CAN初始化程序如下：



為了降低網絡資源的占用率，提高網絡通信實時性性能，在高低速CAN網絡之間除了必要的通信外，各自的報文是相互獨立傳輸的。這就需要使用CAN中的標識符通過驗收過濾器進行報文過濾，可以通過對過濾器寄存器的設置實現這一功能。CANO與CAN4寄存器的驗收寄存器與屏蔽寄存器的設置如下：



由于傳輸速率不同，高低速CAN網絡之間的數據傳輸是不同的。當高速CAN網絡數據向低速CAN傳輸時，生需要加入軟緩存暫時存儲；當低速CAN網絡數據向高速CAN網路數傳輸時，可直接傳輸。通信流程如圖4所示。



結語

采用CAN總線技術的EPS控制系統不儀可以減少傳感器數量、降低成本、實現數據共享，同時還可以提高EPS的性能。本方案是針對國家自然基金資助項目 “基于廣義集成的汽車底盤系統控制方法與關鍵技術研究”提出的改進方案，實驗證明采用CAN網絡的EPS控制系統實時性好、可靠性高，運行情況良好。