基于汽车CAN总线的汽车电气控制系统设计

石德恩

摘要：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

在当前，电子信息技术的发展越来越成熟，其在各行各业中的应用也越来越广泛，而其在汽车领域中的应用结束了汽车电气控制系统的单束运营模式，这为汽车行业的发展迎来了新的发展高潮。通过CAN总线作为汽车电气控制系统的基础，其实现了对电气控制系统的有效构建，这对我国的汽车行业发展具有非常大的促进作用。

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。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。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（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。

二、CAN总线

在许多现场总线技术中，CAN总线技术是目前较为先进的技术，属于多主总线系统。在信号传输过程中，其速度可以达到每秒1Mb，而通常的外观形式是差分电压和其通信媒介，主要包括光纤、双绞线、同轴电缆等。在CAN总线中，系统的控制器可以实现CAN协议中链路层和物理层的相关功能，数据不仅可以成帧，还可以执行零插入和删除操作。协议与传统系统最大的区别在于使用数据块代替站地址来实现编码。从理论上讲，网络节点的数量是比较随意的，数据块识别码主要由二进制数组成。根据实际情况，配制数据块的过程也可以定义为211或229。另外，CAN协议在通信过程中的可靠性和实时性也较高，应用过程中整体成本效益较高，具有很广的应用前景。

三、整体架构

本文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、右五个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。

四、ECU节点

通过研究可以得知，ECU是当前汽车的控制系统中最为重要的组成部分之一，其组成包括CAN通信以及功率的输出等，而在对汽车电气控制系统的控制软件进行设计时，需要对不同ECU节点的作用和位置进行研究和了解，然后针对性地进行相关控制程序的应用，而在对ECU进行使用的过程中，其体现了强大的移植性。对于当前汽车电气控制系统来说，其ECU节点存在着几种不同的端口，首先是对功率的负载进行输出的驱动口，这一端口能够实现对所有负载的驱动，而最高的输出电流可以达到将近30 A，这一端口的应用保证了汽车使用过程中的安全控制。然后是开关量的输出端口，这一端口主要是为了对开关量的相关信息进行有效的输出，且不同的开关状态对应的输出口电平不同。然后是CAN

通信接口，这是为汽车的整个运行系统提供充足的通信线，从而保证外围接口的稳定性。最后则是电源的输入口，这是为控制系统的正常运行提供有效的电能供应。假如在CAN总线中具有一些相关的报文信息，该系统则会通过相关的通信部分来对这些信息进行有效的检查和过滤，将其中存在着影响的信息过滤掉，剩下有用的信息传输到对应的控制模块中。而在这一工作完成之后，其往往便会出现中断，但对于这些收集的信息，其能够通过传输线路将其输送到对应的处理器中对其进行读取，然后则是对接收缓冲区进行信号的释放处理，通过这种控制模式能够对报文信息进行充分的处理和筛选，然后通过信息的格式转换来对信息进行处理，最后通过UART总线来实现对信息的输出，在输出的过程中，需要对得到的信息进行顺序的排列，这样才能保证信息传输对功率输出的有效控制。而对于开关信息的采集，其能够通过控制系统来对收集到的开关状态进行反复检测，同时将检测到的开关状态信息传输到主处理器中，这样在发现其开关的状态和应有的状态信息之间存在着不同时，需要通过对应的信息传输方式将其向着CAN总线上进行传输和发送，然后通过CAN总线系统来实现对开关状态的有效控制。

五、系统软件架构设计

根据该功能，系统软件体系结构分为驱动层、转换层、规则处理层和通信层四个层次，如图2所示。其中，驱动层包括输入驱动和输出驱动，转换器层包括输入转换器和输出转换器。为了实现模块各层之间的通信，系统定义了三种类型的消息：驱动层和转换层的消息为状态消息；转换层的输入转换和输出转换之间的消息为界面消息；转换层和规则处理层的消息为设备消息。

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并发送给转换层；输出驱动模块将从转换层接收到的状态信息更改为实际引脚的电平变化； 输入转换模块将从驱动层接收到的输入状态信息转换为输入设备消息后，发送至规则处理层进行逻辑分析或转换为接口消息发送至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或输入接收输出设备的状态信息，转换成输出状态信息并发送到驱动层；规则处理层模块对从输入转换模块接收到的输入设备消息执行逻辑关系分析，并将其作为输出设备消息映射到输出转换模块；通信层通过通信模块完成规则处理层和每个翻译层之间的信息交换。

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。整个實验过程严格以CAN协议为基础，主要的构造内容为主、前、后、左、右五个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]易广文.基于ARM的汽车电子控制系统研究.2016

[2]李琳.浅析汽车总线技术.2016

[3]林茜.汽车网络总线技术发展分析.2016