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1  引言

    隨著汽車計算機控制技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代汽車上的計算機控制系統(tǒng)越來越多，聯(lián)系也越來越緊密。如發(fā)動機控制、變速控制、制動防抱死控制、安全氣囊控制、照明控制、空調(diào)控制、儀表管理等。以前的汽車上這些計算機控制單元之間往往沒有通過總線構(gòu)成網(wǎng)絡，而是獨立進行控制，或者相關(guān)控制單元通過串行口進行聯(lián)系。現(xiàn)在很多汽車采用CAN（Controller Area Network）總線將它們聯(lián)系起來，但是現(xiàn)代汽車計算機控制單元多，各控制單元對系統(tǒng)響應時間的要求不一樣。有些系統(tǒng)（如制動防抱死控制單元、安全氣囊等）對實時性要求很高，系統(tǒng)指令發(fā)出以后如果得不到執(zhí)行器的及時響應，就可能造成嚴重后果甚至車毀人亡；而有些系統(tǒng)（如照明控制、空調(diào)控制等）對系統(tǒng)的響應時間要求就相對較低。
    由于計算機控制單元越來越多，采用單網(wǎng)絡CAN總線負荷很重，筆者通過分別構(gòu)造高、低速CAN網(wǎng)絡，對實時性要求高的計算機控制單元采用高速CAN網(wǎng)絡傳輸；其它采用低速CAN網(wǎng)絡傳輸，并采用DSP作為微控制器兼作網(wǎng)關(guān)。使得傳輸線束大大簡化，可靠性大大提高。CAN總線是一種串行多主站控制器局域網(wǎng)總線。它具有很高的網(wǎng)絡安全性、通訊可靠性和實時性，簡單實用，網(wǎng)絡成本低，特別適用于汽車計算機控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業(yè)環(huán)境。通訊媒體可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維，數(shù)據(jù)傳輸速率可達 1Mbps（此時通信距離最長為40m）。CAN總線還廣泛應用于汽車、船舶、機器人、樓宇自動化等場合。
    自CAN總線問世以來，為滿足CAN 總線協(xié)議的多種應用需要，相繼出現(xiàn)了幾種高層協(xié)議。目前大多數(shù)基于CAN 總線的網(wǎng)絡都采用CAN 總線的高層協(xié)議。CANopen，DeviceNet 和SDS是通常采用的高層協(xié)議，適用于任何類型的工業(yè)控制局域網(wǎng)應用場合，而CAL則應用于基于標準應用層通訊協(xié)議的優(yōu)化控制場合，SAEJ1939則應用于卡車和重型汽車計算機控制系統(tǒng)。

2  基于TMS320LF2402A的汽車計算機控制

2.1  TMS320LF2402A
    數(shù)字信號處理器（DSP）是一種適合于實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理運算的微處理器，是專門為快速實現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法而設計的、具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器。它們一般具備以下特點：
    (1) 內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛總線結(jié)構(gòu)；
    (2) 具有專門的硬件乘法器；
    (3) 廣泛采用流水線操作；
    (4) 提供特殊的DSP指令集。它相對普通單片機具有運算速度快、集成度高、抗電磁干擾能力強等優(yōu)點。

    根據(jù)汽車計算機控制系統(tǒng)要求高實時性、高可靠性、高抗電磁干擾能力等要求，特采用德州儀器公司（TI公司）開發(fā)的TMS320LF2402A芯片作為主微控制器兼做網(wǎng)關(guān)，TMS320LF2402A是一種16位定點的DSP，它的時鐘頻率為40MHz，運算速度為40MIPS，自帶 1K字節(jié)的RAM，8K字節(jié)的閃速存儲器（具備安全保護電路），21通用輸入輸出口（GPIO），分辨率為10位的8路輸入A/D轉(zhuǎn)換器，還自帶有看門狗定時器。它相對于普通單片機運算速度快，特別適合于像汽車計算機控制等實時性要求很高、電磁干擾嚴重的場合，而且可以采用高級語言編程（C語言編程），可移植性好。

2.2  系統(tǒng)實現(xiàn)
    目前，汽車計算機控制已經(jīng)涉及到動力性、經(jīng)濟性、安全性、可靠性、凈化性和舒適性等諸多方面，具體包括發(fā)動機控制、變速器控制、巡行控制、制動控制、照明控制、空調(diào)控制、雨刷控制、儀表管理系統(tǒng)等，而且各種控制系統(tǒng)的電控單元（ECU）相互聯(lián)系緊密，需要隨時進行實時數(shù)據(jù)通信，CAN總線作為一種極具應用潛力的控制器局域網(wǎng)總線，近年來在汽車計算機控制系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應用。
    汽車計算機控制系統(tǒng)中的所有這些子控制系統(tǒng)通過CAN總線構(gòu)成一個實時控制系統(tǒng)網(wǎng)絡，各控制單元的指令發(fā)出去之后，必須保證在一定時間內(nèi)得到響應，要不然就有可能發(fā)生重大事故，這就要求汽車上的CAN通信網(wǎng)絡有較高的波特率設置和可靠性。而且，汽車在實際運行過程中，眾多節(jié)點之間需要進行大量的實時數(shù)據(jù)交換。若整輛汽車的所有節(jié)點都掛在一個CAN 網(wǎng)絡上，這么多節(jié)點通過一條CAN總線進行通信，信息管理配置稍有不當，就很容易出現(xiàn)總線負荷過大，將導致系統(tǒng)實時響應速度下降，這在實時系統(tǒng)中是不允許的。因此筆者在對汽車上各節(jié)點的實時性進行了分析之后，根據(jù)各節(jié)點對實時性的要求，設計了高、低速兩個速率不同的 CAN 通信網(wǎng)絡。將實時性要求嚴格、可靠性要求高的節(jié)點組成高速CAN通信網(wǎng)絡，將其它實時性要求相對較低的節(jié)點組成低速CAN通信網(wǎng)絡，并架設網(wǎng)關(guān)將這兩個速率不同的CAN通信網(wǎng)絡連接起來，實現(xiàn)全部節(jié)點之間的數(shù)據(jù)共享。整輛汽車的通信網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

    本系統(tǒng)軟件由總的系統(tǒng)軟件和高（低）速CAN總線網(wǎng)絡單元軟件組成，軟件流程圖如圖4和圖5所示。其中圖5高速CAN總線網(wǎng)絡單元負責對實時性要求高的發(fā)動機控制、變速控制、安全控制和制動防抱死控制（ABS）單元的控制動作的采集和傳送，一旦有這些控制單元動作信號，經(jīng)過微控制器對它們進行處理后將以最快的速度通過高速CAN網(wǎng)絡傳給相應控制單元的ECU，由控制單元ECU對控制對象進行控制；低速CAN總線網(wǎng)絡的控制方法與此類似，但是由于它們的實時性要求相對前者不高，因此它們的傳輸優(yōu)先級相對較低。
    在這里只介紹了高速CAN總線網(wǎng)絡單元軟件流程圖，低速CAN總線網(wǎng)絡單元軟件流程圖與此類似。

2.4  抗干擾措施
    考慮到汽車計算機控制的工作條件比較惡劣，電磁干擾嚴重，在本設計中筆者還加強了防干擾措施：
    (1) 考慮汽車工作環(huán)境電磁干擾嚴重在選用微控制器時特選用自帶看門狗定時器的數(shù)字信號處理器TMS320LF2402A作為微控制器，并選用4片高速光電隔離芯片6N137，將I/O信號與SJA1000隔離，有效防止了噪聲信號通過SJA1000傳入微控制器，提高了系統(tǒng)可靠性；
    (2) 本設計還對整個系統(tǒng)進行了金屬屏蔽，傳輸線采用屏蔽雙絞線，以減少電磁干擾。試驗結(jié)果表明，效果明顯。

3  結(jié)語

    CAN 總線作為一種可靠的汽車計算機網(wǎng)絡總線已在許多先進汽車上得到應用，各汽車計算機控制單元能夠通過 CAN 總線共享所有信息和資源，達到簡化布線、減少傳感器數(shù)量、避免控制功能重復、提高系統(tǒng)可靠性和維護性、降低成本、更好地匹配和協(xié)調(diào)各個控制系統(tǒng)的目的。在本設計中采用了數(shù)字信號處理器（DSP）TMS320LF2402A作主控制器，它相對于一般普通單片機，具有運算速度快、系統(tǒng)集成度高、電磁兼容性強等優(yōu)點，用它作微控制器兼作網(wǎng)關(guān)，比較大的提高了系統(tǒng)的實時性和可靠性，另外還采用了一些抗干擾措施。
    目前，國外有關(guān)這方面研究越來越多也越來越成熟，而國內(nèi)在這方面的應用研究起步較晚，但是市場潛力很大，相信在不久的將來，隨著汽車計算機控制系統(tǒng)數(shù)目的不斷增加，CAN 總線必定會在國內(nèi)汽車計算機控制系統(tǒng)網(wǎng)絡中得到更廣泛應用。