基于CAN总线的车辆强制限速系统研究

田晓鸿

（西安航空职业技术学院 陕西 西安 710089）

引言

随着我国经济的快速发展，汽车保有量在较短时间内急剧增加，由此而产生的道路安全问题成为当前十分突出的问题。据相关统计数据显示[1]，车辆超速、违章超车、酒驾以及疲劳驾驶等是我国各类交通事故的主要诱发原因，尤其以车辆超速行驶最为常见。对此，广大汽车生产企业及研究机构纷纷展开相关研究。目前，研究热点着重于汽车总线技术以及智能技术的应用[2]。在此背景下，本文设计了一种基于CAN总线的车辆强制限速系统，以期通过智能化的汽车安全系统对车辆行驶速度进行有效控制，解决车辆超速行驶等道路安全问题。

1 CAN总线概述

目前，车载电子控制系统已在汽车行业中逐步普及，通过CAN、LIN等为主的汽车总线，可以将各个车载电控系统整合为统一的网络，还可实现对各车载电控系统的调试、维护及升级。在汽车总线中，CAN（controller area network，控制器局域网络）总线比其他通信总线成本更低，在利用率以及传输速率方面具有明显的优势[3]。由于采用报文传送机制，CAN总线的可靠性更高、灵活性更好。图1为CAN系统结构。

2 基于CAN总线的车辆强制限速系统整体结构设计

本文基于CAN总线而设计的车辆强制限速系统的主要工作原理如下：采用相关传感器实时采集油门踏板、车辆行驶速度以及挡位等信号，并将信号传输至控制芯片；控制芯片基于当前车速与油门比例系数之间的曲线关系，计算出油门比例系数；控制芯片根据油门比例系数对油门踏板信号进行修正，并将其传输至发动机ECU；发动机ECU对车辆行驶速度进行控制，避免车速超过预设值。

图1 CAN系统结构

本文所设计的基于CAN总线的车辆强制限速系统的结构如图2所示。

从图2可以看出，本文所设计的基于CAN总线的车辆强制限速系统的主要模块包括：传感器、车辆强制限速器以及发动机ECU等。其中，传感器负责实时采集车辆相关信号，并通过CAN总线实现信息共享。车辆强制限速器是该车辆强制限速系统的核心模块，负责将当前车辆行驶速度、挡位等信号传输至发动机ECU，发动机ECU根据这些信号控制节气门开度。

图2 基于CAN总线的车辆强制限速系统结构示意图

3 车辆强制限速器设计

车辆强制限速器是基于CAN总线的车辆强制限速系统的核心硬件，因此，本文重点针对车辆强制限速器进行详细设计。

3.1 车辆强制限速器的硬件设计

车辆强制限速器是油门踏板与发动机ECU之间的联系纽带，本文所设计的车辆强制限速器主要是由主控芯片、CAN收发器、输出转换电路以及电源等模块构成，通过调整PWM波形占空比，调节油门踏板信号，从而间接利用发动机控制节气门开度，限制车辆的行驶速度。车辆强制限速器的硬件结构如图3所示。

图3 车辆强制限速器的硬件结构

在图3所示的车辆强制限速器硬件结构中，电源负责为其他各模块提供工作电压；CAN收发器负责采集油门踏板、车速等信息，并传输至主控芯片；主控芯片通过对信息进行分析，判断车辆当前是否超速，根据判断结果调节油门踏板电压，并输出计算结果；输出转换电路负责将主控芯片所输出的信号进行D/A转换，然后将其传输至发动机ECU。

3.2 主控芯片的选择

本文所设计的车辆强制限速器的主控芯片采用飞思卡尔公司生产的MC9S08DZ系列的8位DZ60芯片，该芯片在基于CAN的电控系统中已得到较为广泛的应用。MC9S08DZ60芯片的管脚图如图4所示。

图4 MC9S08DZ60芯片的管脚图

3.3 CAN收发器选型及其电路设计

本文所设计的车辆强制限速器中，CAN通信模块主要包括CAN控制器与CAN收发器。由于MC9S08DZ60主控芯片集成了CAN控制器，因此，需对CAN收发器进行选型。

通过比较发现，飞利浦公司生产的PCA82C250芯片能完美兼容ISO11898标准，具有1Mb/s的通信传输速率，并且工作温度上限高达125℃。此外，该芯片还具有防短路、低电流待机等优点。基于PCA82C250芯片的上述特性，本文采用该芯片作为CAN收发器，并设计了相应的硬件电路，如图5所示。

图5中，PCA82C250芯片接收CAN总线上传来的数据，经2N137光耦合器连接MC9S08DZ60芯片的14号引脚，并将数据传输至MC9S08DZ60芯片集成的CAN控制器，完成信息采集过程。

3.4 数/模转换电路设计

本文所设计的基于CAN总线的车辆强制限速系统中，车辆强制限速器对采集到的信号进行存储、计算后输出PWM波形。由于PWM波形为数字信号，而发动机ECU支持模拟信号，需将PWM波形转换为模拟信号。对此，本文以RC电路与双运算放大器芯片共同构成转换电路，如图6所示。

图5 CAN收发器硬件电路图

图6 D/A转换电路

4 车辆强制限速器软件设计与实现

本文所设计的车辆强制限速器的软件部分由主控程序与PC软件构成。其中，主控程序通过模块初始化、功能函数设置等实现车辆强制限速功能；而PC软件仅作为辅助性工具。因此，本文对PC软件的具体设计不再敖述。

4.1 车辆强制限速器软件设计

基于上述各模块选型及硬件设计，进一步对软件部分进行设计。本文所设计的车辆强制限速器的工作流程如图7所示。

图7 车辆强制限速器的工作流程图

基于上述工作流程，将油门控制情况分为以下3种类型：

1）输出信号跟随当前油门踏板的位置信号；

2）按一定比例修正油门信号的输出模拟量；

3）限速器输出怠速电压以限制车速。

针对上述3种情况，本文所设计的车辆强制限速器通过控制油门比例系数，调节对发动机ECU的输出信号，从而间接控制节气门开度。车辆强制限速器的输出和输入之间的比例关系如下：

式中：A为油门输出信号值；A0为油门信号基准值；kA1为油门踏板所对应的增量值；k为对油门踏板信号进行修正的比例系数。

当前车速v与油门比例系数k之间的关系为：

式中：vS，vS1，vS2分别表示3种情况下的车辆限速值，km/h，三者的值由大到小。

4.2 CAN通信模块软件设计

CAN通信模块的软件设计包括初始化、CAN接收以及CAN发送的相关程序。

初始化程序的主要设计工作是配置CAN控制器的控制、计时、接收中断使能等寄存器，具体如下：

1）进入初始化模式；

2）设置位时间和时间段长度；

3）使能CAN控制器模块；

4）退出初始化，进入正常模式。

CAN接收以及CAN发送采用CAN2.0A/B版本的通信协议，通过报文的形式实现数据传输。具体过程如下：接收缓冲器接收到报文后，若此时接收缓冲器已满，则接收寄存器中的RXF位置为1，MSCAN发出接收中断，主控芯片根据CAN协议解析读取数据内容并保存；若此时发送缓冲器空闲，主控芯片选择发送缓冲器，然后将标识符、控制字符以及数据等存储于发送缓冲器中，同时删除标志位，最终进行报文发送。

5 仿真实验验证

通过仿真实验验证本文所设计的基于CAN总线的车辆强制限速系统的可行性。采用USBCAN-1以及ZLGCANTest模拟实车与车辆强制限速器间的CAN通信，并对车辆强制限速器发送数据，以此构成一个CAN网络。电源方面由微机电源提供。

仿真实验时，设定模拟车速限值为70 km/h，利用ZLGCANTest向本文所设计的车辆强制限速器发送模拟车速等CAN数据。当模拟车速为66 km/h时，控制芯片根据输出油门比例系数与车速之间的函数关系，计算出油门输出的大信号及小信号分别为2.5 V及1.6 V，即此时为第2种油门控制情况—输出电压值跟随输入电压值。通过示波器测得油门输出的实际值分别为2.53 V及1.58 V，可知，误差在允许范围内。

6 结论

本文基于目前应用广泛的汽车CAN总线技术，针对车辆超速行驶的问题，设计了一种主控芯片采用飞思卡尔MC9S08DZ60的车辆强制限速系统。仿真实验的测试结果表明，本文所设计的基于CAN总线的车辆强制限速系统能基于CAN总线实现各模块间的有效通信，并能可靠有效地控制车辆行驶速度，对解决车辆超速行驶的道路安全问题具有一定价值。