基于CAN總線的汽車電氣控制系統設計

張宇

摘要：在進行CAN總線為基礎的汽車電氣控制系統設計時，需要將實驗平臺分為兩個不同的節點，而在整個實驗的過程中，需要對整體的ECU節點進行研究，保證企業電氣控制系統能夠對汽車的正常運行進行有效的控制，保證汽車電氣控制系統的合理性和科學性。

關鍵詞：CAN 總線；汽車；電氣控制系統

隨著汽車技術的飛速發展，汽車電子化程度越來越高，傳統點對點通信方式已經不能適應汽車電子設備控制和數據通信的要求，汽車總線技術已經勢在必行，在汽車上建立作為總線技術基礎的汽車電氣控制系統問題自然成為汽車電子領域廣受關注的研究熱點。如今，以總線技術為依托，對汽車的電氣控制系統進行有效構建，已經成為當前領域內部關注的重點。而以CAN 為基礎的總線技術，以其線路簡單、擴展方便、抗干擾性強、傳輸速度快等優勢，越來越受到汽車電子領域的重視，但由于該技術的成本相對較高，我國很多大型客車還無法對其廣泛運用，因此，需要對該技術進行進一步研究。

一、汽車電氣控制系統的現狀

汽車電氣控制系統需要許多驅動大功率的用電器件，如遠光燈、近光燈、前后轉向信號燈、剎車燈、前后雨刮器電機、電動車窗、電動后視鏡、空調壓縮機等行車必須的用電設備。大型客車更有電視機、飲水機、通道燈、閱讀燈等服務于乘客的用電設備。汽車底盤也有許多傳感器如速度傳感器、水溫傳感器、機油傳感器、剎車傳感器、擋位傳感器等，加上諸多開關如門開關、發動機艙開關和儀表盤的各種開關等。這些設備和傳感器都需要通過導線送到中央控制器上，或從中央控制器送下來，形成了大量導線捆成的線扎，這種傳統的汽車電氣控制方式稱為點對點的控制方式，

隨著車上電子裝置的增加使連接的電子線路迅速膨脹，線束越來越復雜。在汽車設計、裝配、維護中的負擔甚至到了無法承受的程度，而且線路接頭的增加是引起安全問題的隱患。另外線的重量和占用的空間也都是值得考慮的問題，重量的增加意味著降低效率。線路體積太大在相對運動的部分之間過線非常困難，如車門窗的線束，所以在電子裝置不斷增加的情況下，減少線束成為一個必須解決的問題。傳統上采用點到點平行連接方式顯然無法擺脫這種困境，基于串行信息傳輸的汽車電氣控制系統成為一種必然的選擇。

二、某大型客車以CAN 為基礎的總線技術應用

1、CAN 總線。在眾多現場總線技術中，CAN 總線技術是當前比較先進的技術，屬于多主總線系統，在信號傳輸的過程中，其速度可以達到每秒鐘1Mb，通常的出現形式為差分電壓，其通信介質也相對較多，主要包括光導纖維、雙絞線、同軸電纜等。在CAN 總線中，系統的控制器可以實現CAN 協議中鏈路層與物理層的相關功能，不僅可以使數據完成成幀，還可以實現零位的插入與刪除等相關工作。該協議與傳統系統的最大不同之處便在于，運用數據塊來代替站地址實現編碼，從理論角度來看，網絡節點的個數比較隨意，數據塊標識碼主要是由二進制數組成的，在對數據塊進行制定的過程中，也可以根據實際情況將其定義成211 或229 個。另外，CAN 協議在通信過程中的可靠性與實時性也都相對較高，在運用過程中的綜合性價比較高，有非常廣大的應用前景。

2、整體架構。所選用的系統平臺為比較有代表性的某品牌大型客車，以汽車的電氣設備配置需求為基礎，系統主要分為主、前、后、左、右ECU 節點，在運用CAN 總線的過程中，選用的是星形拓撲結構，前、后、左、右四個節點主要實現的是對就近29 路相關開關信息的有效采集，在完成采集工作以后，需要以通信協議為基礎，形成一幀報文信息，并將其向主節點傳輸。主節點需要對接收到的信息進行有針對性的判斷與分析，得出相應結果，并將此結果一通信協議為基礎，分別反饋給其余四個節點。四個節點需要對反饋信息進行濾波，以UART 總線為依托，向相關的控制模塊中傳輸功率負載，從而實現對功率輸出的有效驅動。單片機是控制功率輸出過程中相關邏輯的重要裝置，該裝置也能夠實現對開關信息的有效采集，其中包含了32個I/O 口，如通信口、輸出口等，所以，節點的設計是實現信息采集與負載輸出的關鍵。對于整個汽車電氣控制系統來說，CAN 總線是通信介質的主要提供平臺，汽車運行過程中所產生的大量數據信息，可以以CAN 總線為基礎，在不同電子單元中實現相互共享，也可以實現對控制信號的有效交換，從而在很大程度上提升了汽車電控對信息的利用率，達到通過信息流對汽車系統實現驅動的最終目的。

3、ECU 節點。ECU 節點是整個系統中不可或缺的組成部分，主要由CAN 通信、信息采集、功率輸出以及處理器等部分組成，在軟件設計過程中，需要根據實際情況在相應位置寫入有針對性的應用程序，在運用過程中表現出非常強大的移植性。ECU 節點中主要以下幾種端口：第一，功率負載輸出驅動口，在運行過程中，最高可以實現30A 電流的有效輸出，對汽車上的所有負載都能夠進行直接驅動，避免了傳統控制中產生的安全隱患。第二，開關量輸出口，實現對汽車運行中所有開關量的有效采集，如果開關處于閉合狀態，則輸出口的電平相對較低；如果開關處于斷開狀態，則輸出口的電平相對較高。第三，CAN 通信接口，為整個系統的運行提供通信線，創造相對穩定的外圍接口。第四，電源輸入口，主要是為系統提供有效的電源輸入，讓所有控制單元都能夠運用發電機或車載電池來實現發電。

如果在CAN 總線中存在相關的報文信息，則通信模塊便會對這些信息進行驗收濾波，在完成這項工作以后，便可以觸發中斷，這些信號便可以傳輸到主處理器中進行讀取，之后將接收緩沖區釋放出來，實現對報文信息的格式轉換，在運用UART 總線，將信息向功率輸出控制模塊中發送，然后這些信息便可以以一定的順序為基礎，傳入到單片機中的I/O 口中，實現對負載功率輸出的有效控制。開關信息采集可以實現對開關輸入點的循環檢測，并將開關狀態向主處理器傳輸，如果發現開關狀態信息存在問題，還可以通過報文信息的方式，以通信模塊為基礎，向CAN 總線上進行發送。

4、軟件架構。從功能的角度上來看，整個系統的軟件架構大致可以分成驅動、轉換、處理通信等三個主要層次。其中，驅動層中主要包含了輸入與輸出兩方面驅動，同樣的，轉換層中也主要可以分為輸出與輸出兩方面轉換。為了完成每一層之間的有效通信，系統中主要包含了以下三種消息：其一，狀態消息，主要實現的是驅動層與轉換層之間的通信；其二，接口消息，主要實現的是輸入與輸出轉換層之間的通信；第三，器件消息，主要實現的是處理通信層與轉換層之間的通信。驅動層中輸入驅動的主要任務是轉換輸入引腳的電平，便能夠將轉換所得到的信息向轉換層中發送；驅動層中輸出驅動的主要任務是將轉換層中得到的信息，重新轉換成實際引腳。轉換層中輸入轉換的主要任務是將驅動層中得到的狀態信息，轉換成器件消息，向處理層進行發送，從而分析其邏輯狀態；轉換層中輸出轉換的主要任務是將處理層中得到的器件消息轉換為輸出信息，向驅動層中進行發送。通信層可以以通信模塊為基礎，實現每個轉換層與處理層的信息交換。

總之，系統實驗平臺在運行過程中主要分為兩個主要節點，其一為汽車電氣模擬實驗，其二為某品牌大型客車。整個實驗過程嚴格以CAN 協議為基礎，主要的構造內容為主、前、后、左、右ECU 節點，可以實現汽車在運行過程中，各種信號的采集、汽車儀表的顯示以及電氣設備的控制。

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