基于CAN总线的汽车电气控制系统设计

刘明磊

摘要：随着汽车行业的高速发展，其电气控制系统的发展也在逐渐加快，各种控制系统的更新换代促进了我国汽车行业的发展。在该文中介绍的是CAN总线为基础的汽车电气控制系统，通过该系统的应用能够将企业的控制信号转变为信息流，然后通过分布式的控制模式来对汽车的电气控制系统进行更加高效的控制，这种控制模式打破了传统的汽车电气控制系统单一线束限制，保证了汽车电气控制系统在使用的过程中具有更高的利用率。

关键词：CAN 总线；汽车；电气控制系统

引言：

现阶段，电子信息技术逐渐应用到了汽车领域中，而汽车总线技术的实现与发展，为汽车通信方式带来了新的发展途径，如今，怎样以总线技术为依托，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。

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，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.

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。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。

2 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。

3整体架构设计

在此次研究中，主要是对当前比较常见的一些汽车产品进行研究，其系统的整体结构分为前、后、左、右等5个ECU节点，而在进行CAN总线技术的应用时，首先需要选择一个星形的拓扑结构，而其中的前后左右4个位置处的节点，其主要的功能就是对每个节点附近的开关信息进行全面的收集，并将其形成一帧报文形式的信息，并将其向着CAN总线的主节点进行输送。而主节点在得到信息之后会对其进行判断和分析，從而在此结果的基础上将其反馈到对应的输送节点。而4个节点在接收到信息之后通过UART总线来将结果传输到对应的控制模块中，对汽车的电气控制系统进行输出功率的控制。在该传输模式中，单片机起着重要的作用，能够对得到的信息进行逻辑运算并对其进行输出的顺序进行控制。对于汽车电气控制系统来说，CAN总线技术主要的作用是为其信息的传递提供一个高效运行的平台，该平台通过通信介质来将传输和处理的信息进行高效的传输，而对于汽车在行进过程中产生的大量数据信息，通过CAN总线技术能够实现汽车不同的电子单元之间的的共享，从而保证信息的高效传输，这对汽车的运行过程中的信息利用率来说是一种非常大的促进作用。

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1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30A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。29路开关量输人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；开关断开时，输入口为高电平，如ACC挡信息、0N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。

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，并将该信息按照一定的顺序发送到单片机上各个I/O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，驱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。

结束语：

综合上述所说，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5个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。

参考文献：

[1]王玉成，黄超.基于CAN总线的消防联动控制系统设计[J].智慧工厂.2017（12）

[2]张莉.基于CAN总线的通信系统设计研究[J].自动化与仪器仪表.2018（04）

[3]高利杰，苏通，许馥丽.一种基于CAN总线的误码测试方法[J].电子制作.2018（11）