基于CAN總線的客車輕便換檔系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

1 引 言

　　隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市交通曰益繁忙，交通安全問題越來越受到人們的重視。在車輛行駛過程中，駕駛員必須根據(jù)道路、交通條件的變化，及時對車輛行駛方向和行駛速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，使汽車獲得良好的行駛性能和燃油經(jīng)濟(jì)性能。頻繁換檔使駕駛員容易疲勞，注意力分散，致使交通事故增加。本文介紹了一種基于CAN總線的客車輕便換檔系統(tǒng)的設(shè)計，利用機(jī)電一體化技術(shù)實現(xiàn)了客車換檔的轎車化。系統(tǒng)主要是結(jié)合客車的換擋系統(tǒng)進(jìn)行的開發(fā)設(shè)計，包括前后兩個節(jié)點，前置節(jié)點為手柄控制發(fā)令節(jié)點，后置節(jié)點為執(zhí)行控制節(jié)點，系統(tǒng)總體框架圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計

　　2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)及控制原理

　　為使系統(tǒng)達(dá)到反應(yīng)靈敏、可靠性高的設(shè)計要求，前后節(jié)點的控制單元均采用Philips公司生產(chǎn)的P87C591單片機(jī)，他成功包括了 Philips半導(dǎo)體 SJAl000 CAN控制器的PelICAN功能，符合系統(tǒng)設(shè)計要求。主控系統(tǒng)CAN通信部分電路圖如圖2所示[1]：

　　系統(tǒng)中擋位、車速和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號的采集由霍爾元件A3144EU來完成，信號經(jīng)過放大后，通過光電耦合器TLP521隔離，被送到CPU中。 CPU經(jīng)過邏輯運(yùn)算后，將輸出信號經(jīng)過光電耦合器隔離后，送至大功率的場效應(yīng)管，由場效應(yīng)管來驅(qū)動電磁閥動作，以控制氣缸動作來完成相應(yīng)檔位的變換。

　　系統(tǒng)的主要控制過程為：前置節(jié)點根據(jù)手柄位置的不同以及離合開關(guān)的開合實時采集信號并經(jīng)過邏輯判斷處理成檔位命令，通過CAN總線傳輸?shù)胶笾霉?jié)點，后置節(jié)點接到檔位命令后，結(jié)合車速、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速及當(dāng)前擋位對換檔時機(jī)進(jìn)行判斷，然后向執(zhí)行器發(fā)出動作指令。執(zhí)行器按指令要求使相應(yīng)的電磁閥開始動作，從而控制對應(yīng)氣缸動作，來實現(xiàn)擋位的變換。在擋位轉(zhuǎn)換完成后，還要對反饋信號處理，確定換擋動作完成后，再做出下一步的操作。車型有5個上擋位和一個倒擋位，采用電控氣操作方式，其具體擋位與電磁閥位置如圖3所示。

　　如圖3所示，當(dāng)閥1通氣、閥2斷氣時，活塞被推到氣缸右端，通過活塞桿把撥叉推到預(yù)定位置，將此位置定義為KA層；當(dāng)閥1斷氣、閥2通氣時，定義為KC 層；當(dāng)兩個閥都斷氣，由于變速箱內(nèi)回位彈簧的作用，將會自動定位到中間層，定義為KB層。層位選定后，再通過相應(yīng)位置上兩個上檔氣閥的作用以實現(xiàn)不同方向的上下檔動作，從而完成預(yù)定的選檔和換檔動作。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　實際應(yīng)用對系統(tǒng)的實時性與可靠性要求較高，在軟件設(shè)計中采用了多任務(wù)實時操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ的編程方法，即將應(yīng)用程序分解為若干個獨(dú)立的進(jìn)程，再另外創(chuàng)建一個監(jiān)控進(jìn)程，監(jiān)視各個進(jìn)程的運(yùn)行情況，這樣就保證系統(tǒng)運(yùn)行的實時性和可靠性[2]。

　　系統(tǒng)采用Keil C51編譯器，結(jié)合所用單片機(jī)P89C591的技術(shù)特點，移植一個支持P89C591的μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)的工作內(nèi)容包括：

　　(1) 在OS_CPU.H中用#define設(shè)置一個常量值用于控制任務(wù)堆棧的增長方向。

　　(2) 在OS_CPU.H中聲明10個數(shù)據(jù)類型。

　　(3) 在OS_CPU.H中用#define定義3個宏。

　　(4) 在OS_CPU.C中編寫6個簡單的C語言函數(shù)，即初始化任務(wù)堆棧、任務(wù)創(chuàng)建鉤掛函數(shù)、任務(wù)刪除鉤掛函數(shù)、任務(wù)切換鉤掛函數(shù)、統(tǒng)計任務(wù)鉤掛函數(shù)和定時鉤掛函數(shù)。

　　(5) 在OS_CPU_A.ASM中編寫4個匯編語言函數(shù)。

系統(tǒng)共需創(chuàng)建4個任務(wù)，系統(tǒng)任務(wù)分配情況如圖4所示。

　　CAN總線掃描任務(wù)定時掃描CAN總線的各寄存器，用于接收前置節(jié)點發(fā)送的手柄位置信號。

　　顯示任務(wù)主要擔(dān)任顯示、刷新等職責(zé)，用于調(diào)試過程中觀察動作的完成情況。

　　系統(tǒng)主任務(wù)用于執(zhí)行數(shù)據(jù)的邏輯分析判斷及超限報警等功能。數(shù)據(jù)采集任務(wù)將實時掃描各個數(shù)據(jù)采集端口，用于采集車速，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)。

　　主函數(shù)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的初始化以及任務(wù)的創(chuàng)建、啟動等。

　　各個任務(wù)之間通過信號量、消息隊列等途徑可以相互通信，以保證任務(wù)執(zhí)行得實時與同步。

3 系統(tǒng)通信機(jī)制設(shè)計

　　輕便換檔系統(tǒng)對通信系統(tǒng)的要求是：數(shù)據(jù)傳輸可靠，實時性高，傳輸速率高，誤碼率低[3]。CAN總線作為一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)，具有很強(qiáng)的靈活性、簡單的擴(kuò)展可能性、優(yōu)良的通信實時性以及通信的可靠性和檢錯能力，能夠應(yīng)用于各種苛刻的電子環(huán)境，已經(jīng)成為汽車的首選網(wǎng)絡(luò)通訊總線形式。

　　CAN總線的模型結(jié)構(gòu)只有3層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層，傳輸介質(zhì)為雙絞線，通信速率最高可達(dá)1 Mb／s(40 m)，其通信方式靈活，無需站地址等節(jié)點信息，采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，滿足實時要求。

　　在研究CAN 2.0B規(guī)范的基礎(chǔ)上，采用自定義通訊協(xié)議的方案實現(xiàn)了系統(tǒng)前后兩個節(jié)點的通訊。前節(jié)點發(fā)出命令，后節(jié)點接收后不發(fā)確認(rèn)信號，前節(jié)點收到后節(jié)點的信息后判斷是否正確，如果不正確或在規(guī)定的時間內(nèi)收不到，則重新發(fā)命令，重發(fā)超過規(guī)定的次數(shù)為通訊故障；后節(jié)點發(fā)出信息，前節(jié)點接收后不發(fā)確認(rèn)信息，前節(jié)點在規(guī)定的時間內(nèi)收不到則為通訊故障。節(jié)點數(shù)據(jù)幀基本結(jié)構(gòu)定義如下：

系統(tǒng)中每個節(jié)點數(shù)據(jù)幀用ID區(qū)別，每個節(jié)點可定義多個不同的數(shù)據(jù)幀，用以傳送不同的信息。

　　系統(tǒng)抗干擾設(shè)計　

　　系統(tǒng)將從軟硬件兩方面采取措施，綜合防止干擾對單片機(jī)系統(tǒng)工作的影響。

　　硬件方面主要是切斷來自傳輸通道和電源線的干擾，設(shè)計中通過濾波電容、光電耦合器的應(yīng)用以及合理的元件布局和布線，有效地抑制分布電容的干擾、電磁互感、漏磁的干擾等，同時PCB板科學(xué)的接地，很好地解決信號完整性問題，改善了PCB板的電磁兼容性(EMC)。

　　軟件方面則是通過指令冗余、軟件陷阱和看門狗技術(shù)來保證程序的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，有效地解決了程序運(yùn)行過程中的跑飛和死循環(huán)問題。

5 結(jié) 語

　　客車輕便換檔系統(tǒng)將手動換檔改為電控輕便換檔，使車輛得到了更為出色的換檔舒適性與經(jīng)濟(jì)性，徹底實現(xiàn)客車換檔的轎車化，既保留了機(jī)械變速器效率高、成本低、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，又充分利用了電控響應(yīng)速度快，可控性高的特性，符合汽車技術(shù)電子化、智能化、人性化的發(fā)展方向。

　　本文創(chuàng)新點在于摒棄以往單片機(jī)系統(tǒng)軟件編程的單任務(wù)模式，采用嵌入式實時多任務(wù)操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ的編程方法，使系統(tǒng)的實時性得到更大提高。經(jīng)實踐證明，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，通訊正常，并達(dá)到了較高的性能指標(biāo)。系統(tǒng)只需要進(jìn)行少量的調(diào)整，就能適用于各類型的客車，具有廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景。