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    0、引言

    隨著車用電氣設(shè)備越來越多，從發(fā)動機控制到傳動系統(tǒng)控制，從行駛、制動、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制到安全保證系統(tǒng)及儀表報警系統(tǒng)，從電源管理到為提高舒適性而作的各種努力，使汽車電氣系統(tǒng)形成一個復雜的大系統(tǒng)，而且這一系統(tǒng)都集中在駕駛室控制。另外，隨著近年來ITS的發(fā)展，以3G（GPS、GIS和GSM）為代表的新型電子通信產(chǎn)品的出現(xiàn)，對汽車的綜合布線和信息的共享交互提出了更高的要求。

    從布線角度分析，傳統(tǒng)的電氣系統(tǒng)大多采用點對點的單一通信方式，相互之間少有聯(lián)系，這樣必然需要龐大的布線系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計，一輛采用傳統(tǒng)布線方法的高檔汽車中，其導線長度可達2 000 m，電氣節(jié)點達1 500個，而且根據(jù)統(tǒng)計，該數(shù)字大約每10年增長1倍，從而加劇了粗大的線束與汽車有限的可用空間之間的矛盾。無論從材料成本還是工作效率看，傳統(tǒng)布線方法都將不能適應汽車的發(fā)展。

    從信息共享角度分析，現(xiàn)代典型的控制單元有電控燃油噴射系統(tǒng)、電控傳動系統(tǒng)、防抱死制動系統(tǒng)（ABS）、防滑控制系統(tǒng)（ASR）、廢氣再循環(huán)控制、巡航系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)。為了滿足各子系統(tǒng)的實時性要求，有必要對汽車公共數(shù)據(jù)實行共享，如發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車輪轉(zhuǎn)速、油門踏板位置等,但每個控制單元對實時性的要求是因數(shù)據(jù)的更新速率和控制周期不同而不同的。這就要求其數(shù)據(jù)交換網(wǎng)是基于優(yōu)先權(quán)競爭的模式，且本身具有較高的通信速率。CAN總線正是為滿足這些要求而設(shè)計的。

    1、CAN簡介

    德國Bosch公司為解決現(xiàn)代車輛中眾多的控制和數(shù)據(jù)交換問題，開發(fā)出一種CAN(Controller Area Network)現(xiàn)場總線通信結(jié)構(gòu)。CAN總線硬件連接簡單，有良好的可靠性、實時性和性能價格比。CAN總線能夠滿足現(xiàn)代自動化通信的需要，已成為工業(yè)數(shù)據(jù)總線通信領(lǐng)域中最為活躍的一支。其主要特點是：

    ① CAN總線為多主站總線，各節(jié)點均可在任意時刻主動向網(wǎng)絡上的其他節(jié)點發(fā)送信息，不分主從，通信靈活； 　　

    ② CAN總線采用獨特的非破壞性總線仲裁技術(shù)，優(yōu)先級高的節(jié)點優(yōu)先傳送數(shù)據(jù)，能滿足實時性要求；    

    ③ CAN總線具有點對點、一點對多點及全局廣播傳送數(shù)據(jù)的功能；

    ④ CAN總線上每幀有效字節(jié)數(shù)最多為8個，并有CRC及其他校驗措施，數(shù)據(jù)出錯率極低，萬一某一節(jié)點出現(xiàn)嚴重錯誤，可自動脫離總線，總線上的其他操作不受影響；

    ⑤ CAN總線只有兩根導線，系統(tǒng)擴充時，可直接將新節(jié)點掛在總線上即可，因此走線少，系統(tǒng)擴充容易，改型靈活；

    ⑥ CAN總線傳輸速度快，在傳輸距離小于40 m時，最大傳輸速率可達1 Mb/s；

    ⑦ CAN總線上的節(jié)點數(shù)主要取決于總線驅(qū)動電路,在CAN2.0B標準中,其報文標識符幾乎不受限制。

    總之,CAN總線具有實時性強、可靠性高、通信速率快、結(jié)構(gòu)簡單、互操作性好、總線協(xié)議具有完善的錯誤處理機制、靈活性高和價格低廉等特點。

    2、總體方案設(shè)計

    2.1 汽車內(nèi)部CAN網(wǎng)絡設(shè)計

    正是由于CAN總線具有這些其他通信方式無法比擬的優(yōu)點，使之成為電動汽車控制系統(tǒng)的理想總線。

    現(xiàn)代汽車典型的電控單元主要有主控制器、發(fā)動機控制系統(tǒng)、懸架控制系統(tǒng)、制動防抱死控制系統(tǒng)(ABS)、牽引力控制系統(tǒng)、ASR控制系統(tǒng)、儀表管理系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)、中央門鎖系統(tǒng)、座椅調(diào)節(jié)系統(tǒng)、車燈控制系統(tǒng)等。所有這些子控制系統(tǒng)連接起來構(gòu)成一個實時控制系統(tǒng)――指令發(fā)出去之后，必須保證在一定時間內(nèi)得到響應，否則，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(shè)置。另外，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。若整個汽車的所有節(jié)點都掛在一個CAN網(wǎng)絡上，眾多節(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，導致系統(tǒng)實時響應速度下降的情況。這在實時系統(tǒng)中是不允許的，因此在對汽車上各節(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(shè)計了高、中、低速三個速率不同的CAN通信網(wǎng)絡，將實時性要求嚴格的節(jié)點組成高速CAN通信網(wǎng)絡，將其他實時性要求相對較低的節(jié)點組成中速CAN通信網(wǎng)絡，將剩下實時性要求不是很嚴格的節(jié)點組成低速CAN通信網(wǎng)絡。并架設(shè)網(wǎng)關(guān)將這三個速率不同的三個通信網(wǎng)絡連接起來，實現(xiàn)全部節(jié)點之間的數(shù)據(jù)共享。整個汽車的CAN通信網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 汽車CAN總線網(wǎng)0絡拓撲圖

    發(fā)動機控制系統(tǒng)、懸架控制系統(tǒng)、制動防抱死控制系統(tǒng)(ABS)、牽引力控制系統(tǒng)、ASR控制系統(tǒng)這五個節(jié)點是汽車運行的核心部件，對時間響應要求嚴格，因此將這五個節(jié)點組成高速CAN通信網(wǎng)絡，通信波特率設(shè)為500 bps。儀表管理系統(tǒng)、故障診斷系統(tǒng)等相對來說對實時性的要求較低，因此這些節(jié)點構(gòu)成中速CAN通信網(wǎng)絡、通信波特率設(shè)為128 bps。中央門鎖系統(tǒng)、座椅調(diào)節(jié)系統(tǒng)、車燈控制系統(tǒng)對實時性要求不是很嚴格，它們構(gòu)成低速通信網(wǎng)絡，通信波特率設(shè)為30 bps。兩個網(wǎng)關(guān)跨接高、中、低速三條總線，與各節(jié)點進行數(shù)據(jù)交換。網(wǎng)關(guān)通過對CAN總線間待傳數(shù)據(jù)信息的智能化處理，可以確保只有某類特定的信息才能夠在網(wǎng)絡間傳輸。 　

    2.2 器件選擇

    汽車內(nèi)部CAN網(wǎng)絡主要由兩部分組成：面向底層ECU的CAN節(jié)點和實現(xiàn)高低速網(wǎng)絡數(shù)據(jù)共享及網(wǎng)絡管理的網(wǎng)關(guān)。為了減少開發(fā)周期，選擇Motorola公司一款帶CAN模塊的中檔微處理器MC9S12DP256；CAN收發(fā)器以及電源系統(tǒng)是用MC33989來實現(xiàn)的。

    微控制器MC9S12DP256是基于16位HCS12 CPU及0.25 μm微電子技術(shù)的高速、高性能5.0 V Flash存儲器產(chǎn)品中的中檔芯片。其較高的性能價格比使其非常適合用于一些中高檔汽車電子控制系統(tǒng);同時其較簡單的背景開發(fā)模式(BDM)也使開發(fā)成本進一步降低,使現(xiàn)場開發(fā)與系統(tǒng)升級變得更加方便。

    MC9S12DP256的主頻高達25 MHz;片上集成了許多標準模塊，包括２個異步串行通信口SCI、3個同步串行通信口SPI、8通道輸入捕捉／輸出比較定時器、2個10位8通道A/D轉(zhuǎn)換模塊、1個8通道脈寬調(diào)制模塊、49個獨立數(shù)字I/O口（其中20個具有外部中斷及喚醒功能）、兼容CAN2.0A/B協(xié)議的5個CAN模塊以及1個內(nèi)部IC總線模塊；片內(nèi)擁有256 KB的Flash EEPROM