基于CAN总线的汽车电气系统的设计研究

刘金凤

(烟台汽车工程职业学院 车辆运用工程系， 烟台 264000)

0 引言

汽车电子化程度随着汽车技术的发展而逐渐提高，汽车总线技术更能满足数据通信的要求，目前在汽车电子领域中，建立基于总线技术的汽车电气控制系统是研究的热点，而实时交换大量控制信号在基于CAN总线的综合控制系统中即可实现，并且表现出了较强的抗干扰性能和较高的传输速率，该系统还具备线路简化、可根据实际需求进行扩展等优势，逐渐受到国内外汽车行业的高度重视。本文在汽车上运用信息技术，同时借鉴现场总线控制技术，保证信息流的实时、有效、全面，对于汽车系统的驱动则通过这些信息流来实现，汽车采用分布式电气控制系统，以降低使用成本，提高工作效率[1]。

1 现状概述

汽车电气控制系统包含大量的用电器件，这些用电器件能够实现大功率的驱动，是行车必备的用电设备，包括大型客车中用来给乘客提供服务的用电设备(如饮水机、通道灯、电视机、阅读灯等)。汽车底盘有数量较多的传感器，包括速度、水温、挡位、机油、刹车等传感器，还需大量的开关包括门、发动机舱及仪表盘等，中央控制器需要通过导线接收或反馈这些设备和传感器信息，这就导致了大量导线捆成线扎的形成，点对点电气控制方式，如图1所示。

图1 点对点电气控制方式

电子线路复杂程度逐渐提高，给汽车设计、装配、维护等工作增加了难度，线路接头数量的增加不利于安全性的提升，线重和占用空间会一定程度上降低效率。汽车内部相对运动的部分间(如车门窗的线束)会因过大的线路体积而加大过线的难度，为解决不断增加的电子装置带来的问题，对于汽车电气控制系统的设计，基于串行的信息传输成为解决问题的必然选择[2]。

2 基于CAN总线的汽车电气系统整体设计

2.1 现场总线的选择

CAN总线，可以双绞线、光导纤维或同轴电缆作为通信介质，信号以差分电压的形式出现，如图2所示。

图2 CAN总线位信号

CAN总线通信控制器中可成帧处理通信数据，对CAN协议的数据链路层和物理层功能进行了集成，CAN协议通过对通信数据块进行编码取代了传统的站地址编码，这是该协议的一个最大特点，正是通过这种方法的使用，实现了在理论上不限制网络内节点的个数，按照不同的 CAN 技术规范(2.0A或2.0B)可定义不同的数据块(211或229个)，不同节点据此可完成相同数据的同时接收，数据段长度最多为 8个字节，占用总线时间较短，确保了通信的实时性，这对分布式控制系统的实现极为重要，可满足控制命令、数据测试及工作状态的一般要求，采用CRC检验的CAN 协议提高了数据通信的可靠性，同时具备相应的错误处理功能。结合性价比以及应用前景，考虑到其极高的可靠性和独特的设计，本文系统在开发研究的方向选择了 CAN 总线[3]。

2.2 系统整体架构设计

以电气设备配置要求为依据，以金龙大型客车(XML6796E1G)为开发平台，系统主要由前/左前/右前/后/主5个ECU节点组成，整体架构设计如图3 所示。

图3 系统整体架构

CAN总线采用星形拓扑结构，利用前、左前、右前及后4个ECU节点，汽车电气控制系统实现了就近位置的信息采集(29 路开关量)，将其组成一帧报文信息(按照 CAN 总线通信协议)，主 ECU 节点完成报文信息的接收，并对其进行逻辑分析与判断，然后将最终分析结果组成四帧报文信息(按照 CAN 通信协议)，各目标 ECU 节点接收并滤波处理反馈回的报文信息，功率负载输出控制模块通过UART总线接收到各目标 ECU 节点发送的信息，完成 29 路功率输出的驱动。由专用单片机(AT89C51)完成开关信息的采集及功率输出的逻辑控制，每个ECU节点设计开关信息采集和功率负载输出各29 路，其内部包括P0、P1、P2、P3四个口，共有32个 I/O 口，其中看门狗喂狗信号输出口为P3.7，通信口为 P3.0 、P3.1[4]。前 ECU 节点主要负责对电控气/电喇叭，以及左侧车灯，雨刮器档位开关，钥匙开关的一挡 ACC、二挡ON和三挡STA ，左前侧的转向灯和雾灯等进行检测和控制；右前 ECU节点主要负责对右侧的近光灯、远光灯、转向灯、示廓灯、标志灯，前门的控踏步灯、指示灯开关、防夹开关，右前侧的转向灯、雾灯，喷水电机等进行检测和控制；前 ECU 节点主要负责对ABS、机油压力报警灯，仪表照明灯、TV 开关、前/后雾灯开关、行李仓灯开关等进行检测和控制；后 ECU 节点主要负责对熄火电磁阀的电源1和电源2，后侧的示阔灯、倒车灯、刹车灯、雾灯，以及空挡、倒车、后仓门限位、水位报警的开关等进行检测和控制。由CAN总线为系统提供通信介质，实现大批数据信息共享及控制信号的实时交换，显著提高电控单元信息利用率，从而保证汽车系统的运动是在实时有效的信息流的驱动下完成的[5]。

2.3 ECU节点设计

ECU节点不同应用程序的写入以所在位置为依据，具体设计如图4所示。

图4 ECU节点设计

ECU节点中：功率负载输出驱动口实现对汽车上所有功率负载的直接驱动，避免了继电器工作带来的安全隐患；汽车上各种开关量信息由29 路开关量输入口采集；CAN 通信接口可采用带屏蔽的双绞线，该接口提供两根通信线(CANH 和 CANL)，正是通过良好外围接口的提供，提高了各ECU 节点间的通信效果[6]。

CAN通信模块对总线上(CAN)出现的报文信息进行验收滤波，由主处理器读取完报文信息后，主处理器将其释放到接收缓冲区并对其进行格式转换，功率输出控制模块实现串口信息的接收(通过 UART 总线)，再按照一定的顺序将其发送到单片机上各 I/O口，实现对各负载功率输出的控制；对于各开关输入点的状况，将通过开关信息采集模块完成循环检测的过程，按照控制命令，将当前采集的开关状态信息传送至主处理器(通过 UART 总线)，主控模块进行分析比较后，将同上一次有异同的开关状态信息组成一帧报文信息(按照一定格式)，CAN 总线通过 CAN 通信模块接收这些报文信息，并对其作出进一步处理，完成对各开关输入点的循环检测。

3 系统软件架构设计

本文根据系统实际的功能将软件架构设计为驱动层、转换层和通信层3个层次，具体软件结构如图5所示。

系统通过3类消息的具体定义，即定义状态消息，接口消息，器件消息，以实现各层模块之间良好的通信效果。

引脚的电平变化情况输入后，在发送给转换层之前需将其转换为输入状态信息，这一部分由输入驱动模块负责；转换层接收到状态信息后，需通过输出驱动模块将其转变为实际引脚的电平变化；驱动层接收输入状态信息后，在发送给规则处理层供其进行逻辑分析之前，需通过输入转换模块将其转换为输入器件消息；规则处理层接收到状态信息(输出器件)后，在发送给驱动层之前，需通过输出转换模块将其转换(或由输入转换模块发送来的接口消息直接转换)为输出状态信息，对于输入器件消息(由输入转换模块接收的消息)，通过规则处理层模块进行逻辑关系分析，并在发送给输出转换模块之前，将其映射为输出器件消息；信息在各转换层和规则处理层间的交换过程，由通过通信模块负责完成[7]。

4 系统测试

为验证本文系统的功能实现情况，在系统实验平台上完成了对本系统的测试，实验严格按照 CAN2.0 协议，实验平台分为两个阶段：分别在汽车电气模拟实验台和金龙大型客车(XML6796E1G)进行测试，由主ECU节点，左前和右前 ECU 节点，前、后 ECU 节点构成，完成对汽车电气设备的控制，和对各种 ECU 传感器信号的采集，并实现了仪表显示，测试结果表明基于 CAN 总线的汽车电气控制系统的设计，实现了在不同电子单元中对大批数据信息的共享，使系统内复杂控制信号的实时交换需求得以有效满足，显著提高了数据在不同功能电子单元间的通信能力，实现了高性能和高可靠性等独特的设计目标，对汽车总线电气控制系统改善具有现实意义。

5 总结

汽车行业发展迅速，其电气控制系统也在不断更新和完善，本文主要对汽车电气控制系统进行设计，设计该系统的目的在于提高电气系统的利用率，该系统基于CAN总线，可以将控制信号转换为信息流，汽车的电气控制系统通过分布式的控制模式，进一步提高了控制的效率，分布式的控制模式突破了传统的单一线束限制，实现了汽车电气控制系统使用效率的显著提高。