基于CAN/LIN總線的車身網絡控制系統設計

　　摘要：隨著汽車電子技術及網絡技術的不斷發展，汽車上的電子設備越來越多，人們對汽車安全性、可靠性的要求也越來越高，為解決由汽車電子元器件的增加而帶來的通信問題，要求采用一種高速、多路、共享的汽車通信網絡，文章主要從車身網絡控制系統方面介紹了CAN總線的應用。
　　關鍵詞：CAN/LIN總線；總線網絡設計；CAN/LIN總線軟硬件設計
　　
　　一、CAN/LIN總線介紹
　　1.CAN總線
　　20世紀80年代末，德國BOSCH（博世）公司為解決現代汽車中眾多控制單元、測試儀器之間的實時數據交換，提出最初用于汽車電子裝置互聯的控制器局域網——CAN串行通信總線系統，之后被汽車行業和控制領域廣泛應用，已成為國際標準（ISO11898）。到目前為止，世界上已擁有20多家CAN總線控制器芯片生產商，110多種CAN總線協議控制器芯片和集成CAN總線協議控制器的微控制器芯片。
　　CAN總線由于采用了獨特的設計和新的技術，與一般的通信總線相比，具有突出的可靠性、實時性和靈活性。CAN采用多主工作方式，成本低，且具有極高的總線利用率；CAN總線具有可靠的錯誤處理和檢錯機制，采用短幀結構，傳輸時間短，受干擾的概率低；采用非破壞性總線仲裁技術，節點在錯誤嚴重的情況下具有自動退出功能。
　　2.LIN總線
　　1998年，Audi、Motorola、BMW、DaimlerChrysler、VCT、Volvo和Volkswagen七家公司聯合提出了新型A類總線——LIN（Local Interconnect Network）。LIN是一種低成本短距離的低速網絡，旨在傳送開關設置和傳感器輸入等狀態的變化，并對這種變化做出響應，因此它只適用于對傳送時間要求不高的低速事件，并不適用于發動機控制等高速事件。
　　LIN總線成本低，基于通用的UART/SCI接口，LIN的傳輸速率可高達20Kb/s，總線長度最大可以達到40m；采用單主多從模式，不需要總線仲裁；在從節點中不需要晶體振蕩器和陶瓷振蕩器時鐘就能實現自同步；可預先計算確定性信號的傳播時間；無需改變LIN從節點的硬件和軟件就可以在網絡上增加或刪除節點等等。
　　二、整車系統通信網絡設計
　　因汽車上各種電器對網絡信息傳輸延遲敏感性差別很大，整車系統通信網絡以CAN總線為主，LIN總線為輔，其中發動機控制器、自動變速器控制器、ABS控制器、安全氣囊控制器等之間協調關系所要求實時性很強，需要采用高速CAN總線，其傳輸速率高達500kbps～1Mbps；而空調控制、儀表控制、雨刷控制、門窗控制、前后車燈開關、車門開閉、座位調節等簡單事件對信息傳輸延遲要求要寬松得多（傳輸延遲允10ms-100ms），可采用低速LIN總線，其傳輸速率為20kbps。
　　低速LIN總線對信息傳輸的實時性要求不高，但子系統數量較多，將這些低速子系統與高速子系統分開，有利于保證高速子系統的實時性，同時還可以降低成本。因為CAN和LIN總線相互獨立，通過主控制器（CAN/LIN網關）即可進行數據共享和數據交換。主控制器也是整車管理系統的核心，它的主要功能就是分析處理各種信息并發出指令，還起到協調汽車各個控制單元及電器設備工作的作用。
　　三、CAN/LIN總線硬件設計
　　1.CAN/LIN總線接口設計
　　CAN網絡中有很多的CAN節點，CAN節點就是車上的各種控制器單元（ECU），它們通過一個CAN接口網關實現CAN網絡的數據通信。通過CAN/LIN總線的接口，CAN、LIN數據通過中央控制器可以相互轉換，當LIN數據幀需要傳輸到CAN網絡時，控制器網關收到LIN總線數據幀后就會將LIN標志符轉換成CAN標志符，這樣數據就從LIN總線傳輸到了CAN總線，反之數據也可以從CAN總線傳輸到LIN總線。CAN/LIN總線接口設計如下圖所示：
　　目前的發展趨勢是把CAN接口、發送/接收器與微控制器集成到一個芯片上，也就是單芯片CAN節點。例如：一個芯片加上一點輔助電路構成的控制單元，這種結構比較適合功能較簡單的控制單元。
　　2.CAN通信網絡硬件設計
　　圖3為CAN總線通信接口卡電路原理圖，系統采用P87C591芯片作為主控制器。電控單元的微控制器（P87C591）通過數據總線經過光電隔離器（6N137）與CAN總線控制器（SJA1000）直接相連。CAN總線控制器帶有一個接收緩沖器和一個發送緩沖器，CAN總線控制器的發送端口Tx0，接受端口Rx0、Rx1分別與CAN總線發送接收器的TxD、RxD、Vref端口直接相連，CAN總線的兩條差分接收發送線CAN_L和CAN_H各接一個120Ω的總線匹配電阻。當CAN總線被某個節點占用的時候，該節點的發送端接CAN_H，電平為3.5V，接收端接CAN_L，電平為1.5V，當CAN總線空閑時，CAN_H和CAN_L上的電平均為2.5V。
　　四、CAN/LIN總線軟件設計
　　CAN通信接口模塊程序主要包括三部分：初始化子程序、發送子程序（包括中斷服務程序）和接收子程序。程序開始時即進入程序初始化，進入初始化程序有三種方式：一是硬件復位，二是軟件復位，三是上電復位。初始化程序會對所有的報文對象進行初始化操作（所有值設置為0）。初始化結束之后，程序開始讀取開關狀態，進入CAN發送子程序，在CAN發送子程序中，只有當發送緩沖器為空時才可以發送數據，否則，將會等待直到發送緩沖器為空。接收子程序從接收緩沖器中讀取接收數據，經程序處理后即可接收。
　　LIN通信接口模塊程序也主要包括三部分：LIN初始化子程序、發送子程序（包括中斷服務程序）和接收子程序。在初始化階段，對LIN收發器進行配置并將協議處理其變量賦初值。同CAN主節點軟件發送子程序一樣，只有在發送緩沖器為空時才可以發送數據。中央控制器節點是LIN總線的主節點，其他的都為從節點，所有的LIN幀都由主節點發送，且主節點負責LIN節點的監控和管理。
　　五、結論
　　目前，CAN總線作為一種可靠的汽車計算機網絡總線已經在許多汽車上得到應用，并且我國許多的學者和廠家也都在研究開發國產的CAN總線。與CAN相比，LIN的成本較低，可作為低速CAN總線的替代產品，在汽車總線控制中也得到了應用。
　　參考文獻：
　　［1］ 袁文燕，遲瑞娟.基于CAN-LIN總線的汽車車身網絡的設計［J］.拖拉機與農用運輸車，2006，33（6）.
　　［2］ 任哲，尹智勇，等.汽車CAN總線控制器的設計［J］.微計算機信息，2007，3-2：262-263.