基于CAN總線的汽車電氣控制系統設計

李利飛 閆瑞杰 李海香

摘 要：本文主要探討了汽車電氣控制系統中CAN總線技術的設計和應用的相關問題。文章首先從兩個方面分析了之所以要基于CAN總線設計汽車電氣控制系統的原因;然后從總體架構設計、ECU節點設計以及軟件架構設計三個方面探討了基于CAN總線的汽車電氣控制系統的設計與實現。

關鍵詞：CAN總線;電氣控制系統;汽車

1 基于CAN總線汽車電氣控制系統的必要性

CAN通信協議是德國公司博世于一九八六年開發出來的面向汽車的通信協議，在其進行了標準化之后不僅在歐洲汽車網絡中廣為應用，而且在美國和日韓等國家也得到了廣泛的采用。選擇基于CAN總線技術構建汽車電氣控制系統符合當前國際汽車發展的潮流，其必要性主要體現在以下兩個方面。

一方面，CAN總線技術是一種成熟的技術。自1986年誕生以來，CAN經過了幾十年的發展，相關的技術標準已經非常成熟，而且在汽車領域也得到了全面的推廣。在其發展的早期就已經得到了歐洲汽車領域的大力支持，之后又在世界范圍內的競爭中戰勝了其他總線標準，成為日本和韓國汽車商的首選，而且在美國CAN也淘汰了本土的J1850，攻占了美國市場。這無疑使其兼容性和通用性得到巨大的提升，對于汽車電氣控制系統的設計提供巨大的便利。

另一方面，CAN總線技術還擁有巨大的技術優勢。相較于其他一些總線技術，CAN總線使用的是更加先進的編碼技術以及總線仲裁技術，可以更有效地應付125Kbps以上的傳輸。雖然在125Kbps以下時CAN的優勢并不明顯，但是在汽車領域電氣化不斷提高的背景下，125Kbps的帶寬已經遠遠達不到相關的要求，而CAN傳輸率可以達到11Mbps，可以很好地滿足傳輸的需要。CAN當前汽車電氣控制系統的傳輸需求，同時成本也更低，因此基于CAN總線設計電氣控制系統也更加實際、可行。

2 基于CAN總線汽車電氣控制系統的設計與實現

2.1 整體架構設計

在汽車的電氣控制系統設計中，CAN總線可以起到為通信介質提供平臺的作用。由于汽車在運行中各個設備會生產大量數據，通過CAN總線就可以將這些數據信息在不同電子單元中進行共享，并且實現控制信號的交換，使得汽車電控的信息利用率大大提升，從而利用信息流實現對于汽車系統的控制。

具體來說，汽車的電氣控制系統可以劃分為五個ECU節點，即前、后、主、左和右，基于CAN總線的汽車電氣控制系統可以采用星型拓撲結構。其中左、右、前、后這四個節點負責采集開關信息，然后依托于通信協議生成報文信息，同時傳輸到主節點。而主節點則負責信息的分析和判斷，并在此基礎上輸出相應的分析結果，同時依托于通信協議反饋給左、右、前、后這四個節點。最后，這四個節點再針對反饋信息進行濾波，依托于UART總線將功率負載反饋給控制模塊，并最終完成了功率輸出的有效驅動。

2.2 ECU節點設計

在汽車電氣控制系統中，ECU節點是一個重要的組成部分，它主要包括用于通信的安設模塊，負責開關信息的信息采集模塊，進行功率管控的輸出模塊，進行電氣控制的軟件，以及處理器。在ECU節點中，開關量輸出接口、功率負載驅動口、電源端口以及CAN互通接口是幾種最重要的接口。首先，負責功率負載的驅動口必須能夠符合30A的電流。而開關量輸入接口主要進行開關信息的處理，如果開關處于閉合的狀態，輸入電平將被擬定為偏低電平;如果開關斷開輸入電平則會替換為偏高電平。其次，開關量輸出接口則負責開關量信息的采集工作。當開關閉合的時候，電平被擬定為偏低電平;而當開關斷開電平則被替換為偏高電平。再次，CAN互通接口則主要負責為ECU與外圍的銜接提供接入點，實現整個系統的通信。最后，電源端口主要負責系統電源的輸入，滿足控制系統運行所需的電力供應。

ECU的運行如下： 當CAN總線接收到報文信息的時候系統會進行濾波驗證，留下有用的信息傳輸給控制模塊。隨后信息會通過傳輸線路輸送給處理器，處理器在對其進行讀取和信息識別，并釋放擬定的緩沖區段。之后，CAN會將報文的格式進行轉換，并利用UART規格下的總線將其傳輸給分支模塊。總線會接納串口傳輸的信息然后依據一定的次序將信息傳輸到單片機的裝置上，從而實現了對于功率輸出的有序管控。

2.3 軟件架構設計

基于CAN總線汽車電氣控制系統的軟件重要包括轉換層、驅動層以及通信層三個層次。驅動層中包括了輸出驅動以及輸入驅動;轉換層則有輸出轉換和輸入轉換組成。通信層負責的是系統各層之間的信息傳輸，主要分為轉換和驅動層間通信的狀態消息，輸出和輸入轉換層間通信的接口消息，以及轉換和通信層間通信的器件消息。在整個軟件架構中，不同的層次負責不同的功能。在驅動層，輸入驅動負責把輸入引腳電平進行轉換并將其信息輸送到轉換層，而輸出驅動則把從轉化層中獲得的信息轉換為引腳。在轉換層，輸入轉換把驅動層中的狀態信息進行轉換變成器件信息發送給處理層進行邏輯狀態分析，而輸出轉換則把處理層的器件信息進行轉換得到輸出信息發送給驅動層。在通信層主要通過通信模塊來負責處理與轉換層的信息交換。

3 結語

總之，依托于CAN總線設計汽車電氣控制系統是符合汽車發展潮流的選擇，能夠更好地滿足汽車功能日益多樣化的需求。通過基于CAN總線技術對系統的整體架構進行合理規劃，對ECU節點各個接口進行設計以及軟件架構的配置從而使整個電氣控制系統的性能得到更好的保障。

參考文獻：

[1]路燕.基于CAN總線的汽車電氣控制系統設計[J].科技創新導報，2016（02）.

[2]郭長勇.基于CAN總線的汽車控制系統的研究[D].河北：河北工業大學，2007.

作者簡介：李利飛（1984-），男，山西廣靈人，本科，助理工程師，研究方向：車輛電氣自動化、車輛電子檢測、計算機編程。