基于CAN總線和PIC單片機的汽車開關(guān)電器盒設計 - 全文

　　摘 要：以Microchip公司的PIC18F45K80芯片為核心，給出了具有低成本。高擴展性的實用型多功能汽車開關(guān)電器盒的設計方法。該開關(guān)電器盒除了具有對汽車啟動過程和行駛狀態(tài)參數(shù)實時監(jiān)測的功能外，與其他同類產(chǎn)品相比，還更加注重產(chǎn)品的實用性和擴展性，同時具備與汽車其他設備進行通信的特有功能。

　　0 引 言

　　隨著現(xiàn)代汽車工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展進步，車上安裝的電子設備在不斷增加，從而使汽車綜合控制系統(tǒng)中，有大量控制信號需要進行實時交換。CAN 總線作為一種可靠的汽車計算機網(wǎng)絡總線，已經(jīng)被廣泛地推廣到汽車控制系統(tǒng)的各個應用領域。將CAN 總線技術(shù)應用到汽車開關(guān)電器盒中，可使得各汽車計算機控制單元能夠通過CAN 總線得到開關(guān)電器盒中的工作數(shù)據(jù)，又能對開關(guān)電器盒的各個繼電器進行精準的控制，從而達到減少汽車線束、提高通信可靠性、降低系統(tǒng)成本、避免系統(tǒng)功能重復、提高系統(tǒng)工作效率的目的。

　　1 汽車開關(guān)電器盒設計方案

　　本開關(guān)電器盒采用的是基于Microchip 公司生產(chǎn)的PIC18F45K80 芯片作為主芯片的設計方案。該芯片不僅具有一般單片機所具有的全部功能，還集成有硬件CAN 協(xié)議模塊，芯片內(nèi)部即可完成CAN 總線通信。采用本方案具有以下幾點優(yōu)勢：其一是硬件集成了CAN 協(xié)議模塊，無需外接芯片，從而降低了產(chǎn)品制造成本；二是無需編寫SPI 接口驅(qū)動，縮短了開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品競爭力；三是本系統(tǒng)使用主流PIC 芯片，具有強大的可擴展性，程序可移植性高。

　　PIC18F45K80 為主控制芯片，負責系統(tǒng)的綜合事務處理。

　　系統(tǒng)功能主要分為四大部分，分別是模擬信號采樣。數(shù)字信號采集?？刂菩盘栞敵龊虲AN 模塊通信。模擬信號的采集包括電源電壓采樣。溫度傳感器和電流傳感器采樣。數(shù)字信號采集各個熔斷保險絲的通斷?？刂菩盘柕妮敵鍪菍φ囯娫蠢^電器K1。啟動電源繼電器K2。啟動電機繼電器K3 的控制。CAN模塊通信是單片機通過CAN 接口芯片與車上的其他設備進行通信，也是本系統(tǒng)研究的重點。圖1 所示是本系統(tǒng)的整體框圖。

　　2 汽車開關(guān)電器盒的硬件設計

　　2.1 系統(tǒng)主處理器PIC18F45K880

　　PIC18F45K80 系列是Microchip 的PIC18F8680。PIC18F4680 和PIC18F4580 增強型CAN 系列產(chǎn)品的低成本擴展產(chǎn)品。該單片機工作電壓范圍寬，為1。8~5。5 V，且片上內(nèi)置3。3 V 穩(wěn)壓器， 可作為電源基準電壓。工作溫度范圍大：-40~+125 ℃，適合汽車工作環(huán)境。工作速度最高達64 MHz，具有最大64 KB 的片內(nèi)閃存程序存儲器，1 024 字節(jié)的數(shù)據(jù)EEPROM，3。6 KB 的通用寄存器（SRAM）。設有2 個內(nèi)部振蕩器：INTRC （31 kHz） 和INTOSC（16 MHz）。帶擴展的看門狗定時器（WatchdogTimer， WDT），可編程周期為4 ms~131 s。

　　PIC18F45K80 包含一個增強型控制器局域網(wǎng)（EnhancedController Area Network ，ECAN） 模塊。 ECAN 總線模塊符合ISO 11898-1 規(guī)范。具有3 種工作模式：傳統(tǒng)模式（ 與現(xiàn)有PIC18CXX8/FXX8 CAN 模塊完全向下兼容）。增強模式。FIFO 模式或可編程發(fā)送/ 接收緩沖區(qū)。報文比特率最高可達1 Mb/s，具有6 個緩沖區(qū)可用作接收和發(fā)送報文緩沖區(qū)，3 個帶有優(yōu)先級的發(fā)送報文緩沖區(qū)，2 個接收報文緩沖區(qū)和1 個接收報文組合緩沖區(qū)。

　　2.2 CAN 接口電路模塊設計與實現(xiàn)

　　本開關(guān)電器盒采用的是恩智浦半導體公司CAN 總線收發(fā)器芯片TJA1050 作為CAN 協(xié)議控制器和物理總線之間的接口。

　　TJA1050 可以為總線提供不同的發(fā)送性能，為CAN 控制器提供不同的接收性能。TJA1050 完全符合ISO11898 標準，傳送速度高（ 最高可達1M 波特）。具有良好的電磁兼容性和低電磁輻射（EME） 性能，并帶有寬輸入范圍的差動接收器，可抗電磁干擾（EMI）。

　　圖2 所示是TJA1050 的接口應用電路。電路中的一個120 俚牡繾鑂9，對于匹配總線阻抗起著相當重要的作用，否則，數(shù)據(jù)通信的抗干擾性和可靠性將大大降低，甚至無法通信。

　　2.3 信號采集及輸出控制電路設計

　　汽車的各種電氣工作狀態(tài)檢測是開關(guān)電器盒的重要工作職能之一，主要是由保險絲狀態(tài)采集電路。電源電壓和溫度采集電路。啟動電動機電流檢測電路組成。

　　汽車保險絲的工作狀態(tài)檢測。為了可靠。準確地檢測各保險絲的通斷情況，本系統(tǒng)采用了光耦隔離的方式檢測保險絲的通斷。該電器盒共有充電保險絲。暖風1~2 保險絲。開關(guān)電源保險絲。?；痣娫幢ｋU絲。ON 檔1~10 號保險絲。?；?~8 號保險絲等共24 路保險絲。保險絲檢測采用了光耦隔離的檢測方式，避免車上其他用電設備對電器盒系統(tǒng)的干擾。

　　開關(guān)電器盒需對電源電壓進行實時監(jiān)測。通過電壓監(jiān)測來實現(xiàn)高壓。低壓和發(fā)電機充電異常等三種異常報警：電壓過高報警是當電壓超過32 V 時，通過CAN 總線向儀表發(fā)出系統(tǒng)電壓過高報警；低電壓報警則是在車輛未啟動時，當系統(tǒng)電壓低于設定值23。5 V 時，要發(fā)出低電壓報警，同時超過4 min切斷電源總開關(guān)；發(fā)電機充電異常報警是指車輛啟動后，如充電正常，則當前電源電壓應大于26 V，如充電異常（ 電源電壓超過32 V 或低于26 V），則通過CAN 總線向儀表發(fā)出報警。

　　由于電壓報警僅需檢測3 個電壓值，為降低系統(tǒng)成本，本設計采用電阻分壓的方式來進行檢測。

　　本開關(guān)電器盒需檢測電器盒內(nèi)的溫度，并通過CAN 總線將溫度數(shù)據(jù)發(fā)給儀表。系統(tǒng)采用的是3899 200K 的NTC（ 負溫度系數(shù)熱敏電阻） 來檢測溫度，通過與一標準電阻分壓后采樣AD 值，最后根據(jù)阻值- 溫度表格查得實際測量溫度值。

　　另外就是啟動電動機電流檢測。汽車啟動系統(tǒng)將蓄電池電能轉(zhuǎn)化為機械能，由啟動機帶動發(fā)動機旋轉(zhuǎn)并啟動發(fā)動機。汽車在啟動時，啟動電動機的工作電流非常大，一般可達300~600 A。為防止啟動電機的過電流對汽車電瓶及其他電路造成損壞，對啟動電動機加入了電流檢測電路。系統(tǒng)中選用了BYD BLY2-IOV2M電流傳感器，在開關(guān)電器盒中采用金屬銅片穿過電流傳感器腔體。該傳感器采用霍爾效應的測量原理，完全隔離式的測量方法，具有低功耗。寬測量范圍等特點。

　　3 汽車開關(guān)電器盒的軟件設計與實現(xiàn)

　　本開關(guān)盒電器軟件主要由兩大部分組成，包括用戶功能定義設計和CAN 驅(qū)動程序設計，其程序整體架構(gòu)圖如圖3 所示。

　　圖3 中的用戶功能定義程序主要包括過壓監(jiān)測。欠壓監(jiān)測。保險絲斷路監(jiān)測。過流監(jiān)測。蓄電池充電監(jiān)測。模塊自檢等。

　　SAE_J1939 協(xié)議驅(qū)動程序主要作用是對CAN 模塊中的接收緩存的CAN 報文加以解析以及對發(fā)送緩存中的CAN 報文加以翻譯。

　　SAE_J1939 協(xié)議的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與CAN 報文結(jié)構(gòu)有很大不同之處。它將CAN 報文的11 位標準幀以及29 位擴展 幀重新定義，對每一位都賦予特殊意義，其結(jié)構(gòu)定義如下：

　　其中，PDUFormat 為PDU 格式，PDUSpecific 為特定域，SourceAddress 為設備地址，DataLength 為數(shù)據(jù)長度，Priority 為優(yōu)先級， 而Data［J1939_DATA_LENGTH］ 則為SAE_J1939 協(xié)議的數(shù)據(jù)域。

　　根據(jù)SAE_J1939 協(xié)議在整個系統(tǒng)所處的位置和作用，本設計給出如圖4 所示的基于SAE_J1939 協(xié)議對接收和發(fā)送報文的翻譯和解析流程圖。

　　在CAN 模塊工作之前，必須先對其進行必要的初始化。

　　CAN 驅(qū)動程序在入口處設計為進入CAN 模塊的配置模式，以便在CAN 模塊工作前對波特率。屏蔽器。過濾器等進行配置。

　　4 結(jié) 語

　　基于CAN 總線的汽車開關(guān)電器盒是一種網(wǎng)絡化的汽車電器控制系統(tǒng)，對汽車電器設備網(wǎng)絡化發(fā)展有著重要的意義。它能最大限度地減少汽車線束，將開關(guān)電器盒的工作數(shù)據(jù)實時傳送給各個儀表，具有較高的數(shù)據(jù)傳輸可靠性和安裝便捷性，擴展了汽車功能。目前，隨著CAN 總線技術(shù)的快速普及，支持CAN 總線標準的汽車廠家越來越多，汽車電子產(chǎn)品的網(wǎng)絡化發(fā)展趨勢是必然的。車輛裝配基于CAN 總線的汽車開關(guān)電器盒有助于提高汽車產(chǎn)品競爭力，而增加的成本并不會太多，所以是未來汽車開關(guān)電器盒的發(fā)展方向。