基于CAN总线的汽车电气控制系统设计

张宇

摘要：在进行CAN总线为基础的汽车电气控制系统设计时，需要将实验平台分为两个不同的节点，而在整个实验的过程中，需要对整体的ECU节点进行研究，保证企业电气控制系统能够对汽车的正常运行进行有效的控制，保证汽车电气控制系统的合理性和科学性。

关键词：CAN 总线；汽车；电气控制系统

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，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。如今，以总线技术为依托，对汽车的电气控制系统进行有效构建，已经成为当前领域内部关注的重点。而以CAN 为基础的总线技术，以其线路简单、扩展方便、抗干扰性强、传输速度快等优势，越来越受到汽车电子领域的重视，但由于该技术的成本相对较高，我国很多大型客车还无法对其广泛运用，因此，需要对该技术进行进一步研究。

一、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，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，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，

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。线路体积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。

二、某大型客车以CAN 为基础的总线技术应用

1、CAN 总线。在众多现场总线技术中，CAN 总线技术是当前比较先进的技术，属于多主总线系统，在信号传输的过程中，其速度可以达到每秒钟1Mb，通常的出现形式为差分电压，其通信介质也相对较多，主要包括光导纤维、双绞线、同轴电缆等。在CAN 总线中，系统的控制器可以实现CAN 协议中链路层与物理层的相关功能，不仅可以使数据完成成帧，还可以实现零位的插入与删除等相关工作。该协议与传统系统的最大不同之处便在于，运用数据块来代替站地址实现编码，从理论角度来看，网络节点的个数比较随意，数据块标识码主要是由二进制数组成的，在对数据块进行制定的过程中，也可以根据实际情况将其定义成211 或229 个。另外，CAN 协议在通信过程中的可靠性与实时性也都相对较高，在运用过程中的综合性价比较高，有非常广大的应用前景。

2、整体架构。所选用的系统平台为比较有代表性的某品牌大型客车，以汽车的电气设备配置需求为基础，系统主要分为主、前、后、左、右ECU 节点，在运用CAN 总线的过程中，选用的是星形拓扑结构，前、后、左、右四个节点主要实现的是对就近29 路相关开关信息的有效采集，在完成采集工作以后，需要以通信协议为基础，形成一帧报文信息，并将其向主节点传输。主节点需要对接收到的信息进行有针对性的判断与分析，得出相应结果，并将此结果一通信协议为基础，分别反馈给其余四个节点。四个节点需要对反馈信息进行滤波，以UART 总线为依托，向相关的控制模块中传输功率负载，从而实现对功率输出的有效驱动。单片机是控制功率输出过程中相关逻辑的重要装置，该装置也能够实现对开关信息的有效采集，其中包含了32个I/O 口，如通信口、输出口等，所以，节点的设计是实现信息采集与负载输出的关键。对于整个汽车电气控制系统来说，CAN 总线是通信介质的主要提供平台，汽车运行过程中所产生的大量数据信息，可以以CAN 总线为基础，在不同电子单元中实现相互共享，也可以实现对控制信号的有效交换，从而在很大程度上提升了汽车电控对信息的利用率，达到通过信息流对汽车系统实现驱动的最终目的。

3、ECU 节点。ECU 节点是整个系统中不可或缺的组成部分，主要由CAN 通信、信息采集、功率输出以及处理器等部分组成，在软件设计过程中，需要根据实际情况在相应位置写入有针对性的应用程序，在运用过程中表现出非常强大的移植性。ECU 节点中主要以下几种端口：第一，功率负载输出驱动口，在运行过程中，最高可以实现30A 电流的有效输出，对汽车上的所有负载都能够进行直接驱动，避免了传统控制中产生的安全隐患。第二，开关量输出口，实现对汽车运行中所有开关量的有效采集，如果开关处于闭合状态，则输出口的电平相对较低；如果开关处于断开状态，则输出口的电平相对较高。第三，CAN 通信接口，为整个系统的运行提供通信线，创造相对稳定的外围接口。第四，电源输入口，主要是为系统提供有效的电源输入，让所有控制单元都能够运用发电机或车载电池来实现发电。

如果在CAN 总线中存在相关的报文信息，则通信模块便会对这些信息进行验收滤波，在完成这项工作以后，便可以触发中断，这些信号便可以传输到主处理器中进行读取，之后将接收缓冲区释放出来，实现对报文信息的格式转换，在运用UART 总线，将信息向功率输出控制模块中发送，然后这些信息便可以以一定的顺序为基础，传入到单片机中的I/O 口中，实现对负载功率输出的有效控制。开关信息采集可以实现对开关输入点的循环检测，并将开关状态向主处理器传输，如果发现开关状态信息存在问题，还可以通过报文信息的方式，以通信模块为基础，向CAN 总线上进行发送。

4、软件架构。从功能的角度上来看，整个系统的软件架构大致可以分成驱动、转换、处理通信等三个主要层次。其中，驅动层中主要包含了输入与输出两方面驱动，同样的，转换层中也主要可以分为输出与输出两方面转换。为了完成每一层之间的有效通信，系统中主要包含了以下三种消息：其一，状态消息，主要实现的是驱动层与转换层之间的通信；其二，接口消息，主要实现的是输入与输出转换层之间的通信；第三，器件消息，主要实现的是处理通信层与转换层之间的通信。驱动层中输入驱动的主要任务是转换输入引脚的电平，便能够将转换所得到的信息向转换层中发送；驱动层中输出驱动的主要任务是将转换层中得到的信息，重新转换成实际引脚。转换层中输入转换的主要任务是将驱动层中得到的状态信息，转换成器件消息，向处理层进行发送，从而分析其逻辑状态；转换层中输出转换的主要任务是将处理层中得到的器件消息转换为输出信息，向驱动层中进行发送。通信层可以以通信模块为基础，实现每个转换层与处理层的信息交换。

总之，系统实验平台在运行过程中主要分为两个主要节点，其一为汽车电气模拟实验，其二为某品牌大型客车。整个实验过程严格以CAN 协议为基础，主要的构造内容为主、前、后、左、右ECU 节点，可以实现汽车在运行过程中，各种信号的采集、汽车仪表的显示以及电气设备的控制。

参考文献：

[1] 闫茂德，陈金平，马安丽.汽车网络总线技术发展分析[J] .汽车科技，2012（3）：39.

[2] 饶运涛，邹继军，郑勇芸.现场总线CAN 原理与应用技术[M] .北京：北京航空航天大学出版社，2013 .

[3] 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，2014，32（6）：76.