维普资讯 http://www.cqvip.com ２００８年７月 第２７卷第７期 ＡＮ总线的汽车电气控制系统设计 廖文良 （集美大学理学院厦门 ３６１０２１） 摘要：本文借鉴计算机网络和现场总线控制技术，将信息技术运用到汽车上，用实时、全面、有效的信息流来驱动汽车系统 的运动，以分布式控制系统为基础构造汽车电气控制系统，简化汽车车身线束，提高电控单元信息利用率，实现共享传输大批 量数据信息。 关键词：ＣＡＮ总线；汽车电气控制单元；通信协议 中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标识码：Ａ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＣＡＮ ｂｕｓ Ｌｉａｏ Ｗｅｎｌｉａｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｊｉｍｅｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｘｉａｍｅｎ ３６１０２１） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ａｎｄ ｆｉｅｌｄ ｂｕｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｐｐｌｉｅｓ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｎ ｔｈｅ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ．Ｉｔ ｄｒｉｖｅｓ ｔｈｅ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ，ｆｕｌｌ ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｌｏｗ．Ｔｈｅ ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｅｐａｒａｔｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔｓ．Ｉｔ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｏ ｓｉｍｐｌｉｆｙ ｔｈｅ ｃａｒ ｗｉｒｅｓ，ａｄｖａｎｃｅ ｔｈｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｆｆｓ ｕｓａｇｅ ｏｆ ｃａｒ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔｓ，ａｎｄ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｓｈａｒｅ ａｎｄ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｄａｔａ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ￣ＣＡＮ ｂｕｓ；ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔ；ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ０引 言 随着汽车技术的飞速发展，汽车电子化程度越来越 高，传统点对点通信方式已经不能适应汽车电子设备控制 和数据通信的要求，汽车总线技术已经势在必行［１］。如何 在汽车上建立作为总线技术基础的汽车电气控制系统问 题自然成为汽车电子领域广受关注的研究热点。而目前 利用ＣＡＮ总线完成汽车综合控制系统中大量控制信号实 时交换的技术，由于其具有抗干扰性强、线路简化、传输速 率高、系统可任意扩展等优点，正受到国内外高度重视。 西门子公司已经利用ＰＬＣ完成ＣＡＮ总线控制系统，但其 成本高，很多国内大型客车厂不能接受Ｌ２］。本文借鉴计算 机网络和现场总线控制技术，将信息技术运用到汽车上， 用实时、全面、有效的信息流来驱动汽车系统的运动，以分 布式控制系统为基础构造汽车电气控制系统，促进产品的 国产化和低成本化。 如远光灯、近光灯、前后转向信号灯、刹车灯、前后雨刮器 电机、电动车窗、电动后视镜、空调压缩机等行车必须的用 电设备。大型客车更有电视机、饮水机、通道灯、阅读灯等 服务于乘客的用电设备。汽车底盘也有许多传感器如速 度传感器、水温传感器、机油传感器、刹车传感器、挡位传 感器等等，加上诸多开关如门开关、发动机舱开关和仪表 盘的各种开关等。这些设备和传感器都需要通过导线送 到中央控制器上，或从中央控制器送下来，形成了大量导 线捆成的线扎，这种传统的汽车电气控制方式称为点对点 的控制方式，如图１所示。 １ 汽车电气控制系统的现状 汽车电气控制系统需要许多驱动大功率的用电器件， 图１汽车电气控制系统的点对点控制方式 作者简介：廖文良（１９８２一），男，助教，硕士，研究方向为嵌入式系统设计。 中国科技核心期刊 维普资讯 http://www.cqvip.com ２ＯＯＢ年７月 第２７卷第７期 随着车上电子装置的增加使连接的电子线路迅速膨 胀，线束越来越复杂。在汽车设计、装配、维护中的负担甚 至到了无法承受的程度，而且线路接头的增加是引起安全 问题的隐患。另外线的重量和占用的空间也都是值得考 虑的问题，重量的增加意味着降低效率［３］。线路体积（直 径）太大在相对运动的部分之间过线非常困难，如车门窗 的线束，所以在电子装置不断增加的情况下，减少线束成 为一个必须解决的问题。传统上采用点到点平行连接方 式显然无法摆脱这种困境，基于串行信息传输的汽车电气 控制系统成为一种必然的选择。 ３系统整体架构设计 系统选择ＸＭＬ６７９６Ｅ１Ｇ金龙大型客车为开发平台， 根据电气设备配置要求，系统由前ＥＣＵ节点、左前ＥＣＵ 节点、右前ＥＣＵ节点、后ＥＣＵ节点和主ＥＣＵ节点，如图 ３所示。整个汽车电气控制系统采用ＣＡＮ总线／星形拓 扑结构，前ＥＣＵ节点、左前ＥＣＵ节点、右前ＥＣＵ节点及 后ＥＣＵ节点完成就近位置的２９路开关量信息采集，并将 其按照ＣＡＮ总线通信协议组成一帧报文信息，发送给主 ＥＣＵ节点；主ＥＣＵ节点对接收到的报文信息进行逻辑分 ２现场总线的选择 自２０世纪８Ｏ年代末以来，有几种现场总线技术已逐 渐形成其影响并在一些特定的应用领域显示了自己的优 势，如基金会现场总线（￣ｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｉｅｌ￣ｕｓ）、ＰＲＯＦＩＢＵＳ 现场总线、￣ｎＷｏｒｋｓ现场总线、ＣＡＮ现场总线。它们具 有各自的优点，也显示了较强的生命力［４］。其中ＣＡＮ总 析与判断，并将分析结果按照ＣＡＮ通信协议组成四帧报 文信息发送给各个目标ＥＣＵ节点；各目标ＥＣＵ节点对接 收到的报文信息进行滤波，通过ＵＡＲＴ总线发送给该节 点的功率负载输出控制模块，驱动２９路功率的输出。功 率输出逻辑控制以及开关信息采集都是由一片专用的 ＡＴ８９Ｃ５１单片机完成，其内部有Ｐ０口、Ｐ１口、Ｐ２口、Ｐ３ 口，共３２个Ｉ／Ｏ口，其中Ｐ３．Ｏ、Ｐ３．１为通信口，Ｐ３．７为看 线是德国为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间 的数据交换而开发的一种串行数据通信总线，它是一种多 主总线系统，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤 维，通信速率可达１ Ｍｂ／ｓ，信号以差分电压的形式出现， 如图２所示。ＣＡＮ总线通信控制器中集成了ＣＡＮ协议 的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处 门狗喂狗信号输出口，因此每个ＥＣＵ节点设计２９路开关 信息采集和２９路功率负载输出。 莹誊萤 理，包括零位的插入／删除、数据块编码、循环冗余检验、优 先级判别等项工作。ＣＡＮ协议的一个最大特点是废除了 传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。采 用这种方法的优点是可使网络内的节点个数在理论上不 受限制，数据块的标识码可由１１位（按ＣＡＮ技术规范２． ０Ａ）或２９位（按ＣＡＮ技术规范２．０Ｂ）二进制数组成，因此 可以定义２“或２。。个不同的数据块 。这种按数据块编码 的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据，这一 点在分布式控制系统中非常重要。数据段长度最多为８ 个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测 试数据的一般要求。同时，８个字节不会占用总线时间过 长，从而保证了通信的实时性［６］。ＣＡＮ协议采用ＣＲＣ检 验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠 性。ＣＡＮ的这些卓越特性，极高的可靠性和独特的设计， 结合性价比以及应用前景，系统选择ＣＡＮ总线作为开发 研究 图３系统整体架构 左前ＥＣＵ节点检测和控制对象有：电喇叭、电控气喇 叭、左近光灯、左远光灯、左示廓灯、左侧标志灯、左前转向 灯、左侧转向灯、左前雾灯、雨刮器１档开关、雨刮器２档 开关、雨刮器间歇档开关、雨刮器喷水档开关、钥匙开关一 挡ＡＣＣ、钥匙开关二挡ＯＮ、钥匙开关三挡ＳＴＡ等。 右前ＥＣＵ节点检测和控制对象有：右近光灯、右远光 灯、右示廓灯、右侧标志灯、右前转向灯、右侧转向灯、右前 雾灯、前门控踏步灯、喷水电机、前门开指示灯开关、前门 防夹开关等。 ！、 ， 前ＥＣＵ节点检测和控制对象有：仪表照明灯、ＡＢＳ 报警灯、水温报警灯、机油压力报警灯、气压报警灯１、气 压报警灯２、手制动指示灯、行李仓灯开关、前雾灯开关、 后雾灯开关、危急报警开关、ＴＶ开关等。 后ＥＣＵ节点检测和控制对象有：后示阔灯、后刹车 灯、后倒车灯、后雾灯、熄火电磁阀电源１、熄火电磁阀电 中国科技核心期刊 一３７— ： ｆ 图２ ＣＡＮ总线位的数值表示 维普资讯 http://www.cqvip.com ２００Ｂ年７月 第己７卷第７期水位报警开关、后仓门限位开 提供通信介质，使得大批的数 据信息能在不同的电子单元中共享，大量的控制信号能进 行实时交换，提高了电控单元信息利用率，达到用实时、全 面、有效的信息流来驱动汽车系统的运动。 —一 同，将其按照一定格式组成一帧报文信息通过ＣＡＮ通信 模块发送到ＣＡＮ总线上。 ５系统软件架构设计 按照功能，系统软件架构分为３个层次，即驱动层、转 ４ ＥＣＵ节点设计 ＥＣＵ节点由主处理器、ＣＡＮ通信模块、开关信息采 集模块、功率输出控制模块组成，软件上根据所在位置写 入不同的应用程序，具有较强的移植性，如图４所示。每 个从ＥＣＵ节点包含２９路功率负载输出驱动口、２９路开 关量输入口、ＣＡＮ通信接口以及电源输入口。２９路功率 负载输出驱动口允许输出高达３ＯＡ的电流，可以直接驱 动汽车上的所有功率负载，取代传统上通过继电器间接控 制，避免了因大电流流过时继电器内部铜片接触产生火花 而带来的安全隐患［８］。２９路开关量输入口主要是采集汽 车上各种开关量信息，开关闭合时，输入口为低电平；开关 换层、规则处理层及通信层，如图５所示。其中，驱动层包 括输入驱动和输出驱动，转换层包括输入转换和输出转 换。为了实现各层模块之间的通信，系统定义了３类消 息：驱动层和转换层的消息称为状态消息，转换层的输入 转换和输出转换间的消息称为接口消息，转换层和规则处 理层的消息称之为器件消息。 断开时，输入口为高电平，如ＡＣＣ挡信息、ＯＮ挡信息、 ＳＴＡＲＴ挡信息等。ｃＡＮ通信接口提供ＣＡＮＨ和ＣＡＮＬ 两根通信线（可采用带屏蔽的双绞线），为各个ＥＣＵ节点 之间的通信提供良好的外围接口。电源输入口提供＋ ２４Ｖ电源输入，使得各个ＥＣＵ节点电子控制单元共用车 上蓄电池或者由发电机发电。 图５系统软件架构 输入驱动模块负责将输入引脚的电平变化转换为输 入状态信息发送给转换层，输出驱动模块将从转换层接收 的状态信息转变为实际引脚的电平变化；输入转换模块将 从驱动层接收的输入状态信息转换为输入器件消息发送 给规则处理层进行逻辑分析，或者转换为接口消息送交输 出转换模块进行转换输出；输出转换模块将从规则处理层 接收输出器件状态信息或者直接由输入转换模块来的接 图４ ＥＣＵ节点 口消息转换为输出状态信息发送给驱动层；规则处理层模 块把从输入转换模块接收到的输入器件消息进行逻辑关 系分析，并将其映射为输出器件消息发送给输出转换模 块。通信层通过通信模块完成规则处理层与各转换层之 间信息交换。 当ＣＡＮ总线上出现报文信息时，ＣＡＮ通信模块对其 进行验收滤波，验收滤波通过之后，触发中断使能信号通 知主处理器读取该报文信息。主处理器读取ＣＡＮ模块中 的报文信息，并释放接收缓冲区，然后将该报文信息进行 格式转换，通过ＵＡＲＴ总线发送给功率输出控制模块。 功率输出控制模块通过ＵＡＲＴ总线接收串口信息，并将 ６结束语 整个系统实验平台分为２个阶段，第１阶段为汽车电 气模拟实验台，第２阶段为ＸＭＬ６７９６Ｅ１Ｇ金龙大型客车， 如图６、７所示。２个阶段的实验严格按照ＣＡＮ２．０协议， 由主ＥＣＵ节点、左前ＥＣＵ节点、右前ＥＣＵ节点、前ＥＣＵ 节点、后ＥＣＵ节点构成，实现汽车各种ＥＣＵ传感器信号 采集和电气设备控制以及仪表显示。 （下转第４８页） 该信息按照一定的顺序发送到单片机上各个Ｉ／０口，控制 各个负载功率的输出。开关信息采集模块对各个开关输 入点进行循环检测，当接收到主控模块发出的控制命令字 时，将当前采集的开关状态信息通过ＵＡＲＴ总线发送给 主处理器。主控模块对接收到的开关状态信 息进行分析 比较，如果发现当前采集的开关状态信息与前一次有异 ３８— 中国科技核心期刊 维普资讯 http://www.cqvip.com ｉ￣ＯＯＦ１年７月 第２７卷第７期—一 ［４］陈雷，席泽敏．基于ＤＰＣＡ技术的ＳＡＲ杂波抑制研究 ［８］陈芳，方大纲．雷达通道接收机的研制［Ｄ］．南京：南京 ［Ｊ］．电子测量技术，２００６，２９（３）：１３８—１３９． 理工大学，２００４． ［５］张卫杰，候孝民．高速大容量数据采集系统设计与实 ［９］ ＧＲＩＦＦＩＴＨＳ Ｈ Ｄ，ＢＡＫＥＲ Ｃ Ｊ，ＢＡＩ ＢＥＲＴ Ｊ．Ｂｉｓｔａｔｉｃ 现［Ｊ］．电子测量与仪器学报，２００５，１９（４）：５１—５５． ｒａｄａｒ ｕｓｉｎｇ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ－ｂｏｒｎｅ ｉｌｌｕｍｉｎａｔｏｒｓ［Ｃ］．Ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉ— ［６］马亮，何子述．信道化数字接收机硬件实现技术研究 ｔｕｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，２００２；１－５ ［Ｄ］．西安：电子科技大学，２００６． ［１Ｏ］王勇，李智君．网络化测控设备间的时间同步［Ｊ］．仪 ［７］唐海啸，张玉兴．Ｘ波段ＳＡＲ接收机方案论证及ＬＮＡ 器仪表学报，２００６，２７（９）：１０８５—１０８９． 的设计与实现［Ｄ］．西安：电子科技大学，２００６． …¨¨－ 一一’ｌｌ¨ － ¨¨Ｉ－ … －一 “ （上接第３８页） 参考文献 ［１］廖文良，褚艺斌，陈文芗．基于删的汽车电子控制 系统单元［Ｊ］．中国仪器仪表，２００５（０３）：９９—１０１． ［２］龚进峰．浅析汽车总线技术［Ｊ］．智能交通研究，２００３ （７）：１—４． ［３］马安丽，刘兴华，林菁．汽车网络总线技术发展分析 ［Ｊ］．汽车科技，２ＯＯ２（３）：６－８，３９． ［４］甘永梅．现场总线技术及其应用［Ｍ］．北京：机械工业 图６汽车电器模拟实验台 出版社，２００４． ［５］饶运涛，邹继军，郑勇芸．现场总线ＣＡ２ｑ原理与应用 技术［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，２００３． ［６］魏学哲，孙泽昌，陈觉晓．汽车网络分类方法及其主流 协议发展趋势［Ｊ］．同济大学学报：自然科学版，２００４， ３２（６）：７６２－７６６． 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