基于CAN總線的EPS通信系統(tǒng)研究 - 全文

　　引言

　　現(xiàn)代汽車電子技術(shù)的發(fā)展使汽車的電子化程度越來越高。電控系統(tǒng)雖然提高了汽車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性，但隨之增加的復(fù)雜電路必然導(dǎo)致車身布線龐大而復(fù)雜。因此提高控制單元間通信的可靠性、實(shí)時(shí)性、安全性已成為需要迫切解決的問題。以研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國(guó)Bosch公司為此開發(fā)了CAN總線協(xié)議，并使其成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向（E1ectric Power Steering System，EPS）是根據(jù)駕駛員意圖和車輛的運(yùn)行工況而進(jìn)行助力的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。EPS的控制過程是動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)綜合控制的過程，所以EPS的電子控制單元與車內(nèi)其他電子控制單元的通信及協(xié)調(diào)控制便很重要。在EPS系統(tǒng)中引入CAN總線技術(shù)，使EPS電子控制單元與其他車載電子控制單元通信，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，并且協(xié)調(diào)EPS與其他系統(tǒng)控制。

　　1 CAN總線簡(jiǎn)介

　　CAN即控制器局域網(wǎng)，是Bosch公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制和數(shù)據(jù)交換問題開發(fā)出的一種現(xiàn)場(chǎng)總線通信結(jié)構(gòu)，最高速率可達(dá)1 Mbps（40 m內(nèi)），以多主方式工作。與一般的通信總線相比，CAN總線數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，是目前使用最廣泛的一種汽車網(wǎng)絡(luò)。CAN總線具有以下特點(diǎn)：

　?、?a href="http://www.ttokpm.com/v/tag/1751/" target="_blank">硬件連接簡(jiǎn)單，具有良好的性能價(jià)格比。

　?、诰哂锌焖夙憫?yīng)能力，非常適合對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)合。

　?、劭煽啃愿摺AN總線的糾錯(cuò)能力非常強(qiáng)，協(xié)議中每一幀數(shù)據(jù)都采用CRC及其他校驗(yàn)措施，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低。若某一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤，可自動(dòng)脫離總線，總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2．1 LPC2129介紹

　　LPC2129 微控制器是NXP公司32位單片機(jī)中的一種，其內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)包括：中央處理器單元（CPU）、2個(gè)16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART、高速I2C接口（400 kHz）、2個(gè)SPI接口、8通道輸入捕捉／輸出比較定時(shí)器，1個(gè)8通道脈寬調(diào)制模塊以及46個(gè)獨(dú)立數(shù)字I／O口，片內(nèi)還有256KB的Flash ROM、16 KB的RAM，CAN功能塊包括2個(gè)兼容CAN2．0B協(xié)議的CAN控制器。這些豐富的內(nèi)部資源和外部接口可以滿足ECU（電子控制單元）對(duì)各種數(shù)據(jù)的處理及CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收的要求。芯片集成了2個(gè)CAN模塊，能夠?qū)崿F(xiàn)高低速CAN網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)功能。

　　CAN模塊遵循CAN2．0B協(xié)議，集成了驗(yàn)收濾波器的CAN總線控制器的所有功能。此外它還采用先進(jìn)的緩沖器布置改善了實(shí)時(shí)性能，簡(jiǎn)化了應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)。

　　2．2 CAN模塊設(shè)計(jì)

　　汽車的通信系統(tǒng)由EPS控制系統(tǒng)、ABS系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、電動(dòng)車窗系統(tǒng)、車燈控制系統(tǒng)等組成。這些電控系統(tǒng)在整個(gè)控制系統(tǒng)中對(duì)響應(yīng)實(shí)時(shí)性的要求有所不同，另外汽車在實(shí)際運(yùn)行過程中眾多節(jié)點(diǎn)之間需要進(jìn)行大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。若整個(gè)汽車的所有節(jié)點(diǎn)都掛在一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)上，眾多節(jié)點(diǎn)通過一條CAN總線進(jìn)行通信，一旦信息管理配置稍有不妥，就很容易出現(xiàn)總線負(fù)荷過大，導(dǎo)致系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)速度下降的情況。這在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中是不允許的，因此根據(jù)不同的要求，可將汽車網(wǎng)絡(luò)分為高速CAN網(wǎng)絡(luò)和低速CAN網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)速率等級(jí)。ABS、EPS等節(jié)點(diǎn)電控單元個(gè)數(shù)少，實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性要求高，組成傳輸速率為500 kbps的高速CAN網(wǎng)絡(luò)。眾多的車身電機(jī)和車燈節(jié)點(diǎn)電控單元數(shù)量多，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)紛繁復(fù)雜，對(duì)準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性的要求勝于實(shí)時(shí)性，組成傳輸速率為125 kbps的低速CAN網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于不同速率網(wǎng)絡(luò)之間的通信，必須有相應(yīng)的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)過濾和速率轉(zhuǎn)換，以實(shí)現(xiàn)不同速率網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)通信。高低速CAN 網(wǎng)關(guān)用LPC2129實(shí)現(xiàn)，其通信網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

　　2．3 CAN節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

　　CAN節(jié)點(diǎn)硬件電路主要包括帶有CAN控制器的微控制器和用于數(shù)據(jù)收發(fā)的CAN收發(fā)器。本設(shè)計(jì)使用的是NXP公司的32位微控制器LPC2129，它帶有 CAN控制器，主要負(fù)責(zé)CAN的初始化和數(shù)據(jù)處理。CAN收發(fā)器種類有很多，本設(shè)計(jì)使用Philips公司的CAN高速收發(fā)器TJAl050。CAN基本節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　2．4 高低速CAN網(wǎng)關(guān)的硬件電路設(shè)計(jì)

　　網(wǎng)關(guān)的主要作用是協(xié)調(diào)各網(wǎng)絡(luò)之間數(shù)據(jù)的共享，負(fù)責(zé)各節(jié)點(diǎn)之間的通信。其硬件結(jié)構(gòu)與CAN節(jié)點(diǎn)非常相似，由于它負(fù)責(zé)高速與低速網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)共享，所以必須同時(shí)跨接兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)。CAN總線網(wǎng)關(guān)硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　3 高低速CAN網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)

　　網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計(jì)部分主要實(shí)現(xiàn)的功能是各節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收發(fā)，特別是網(wǎng)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)高低速網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的車燈控制和車窗控制電路采用低速CAN 網(wǎng)絡(luò)，波特率為125 kbps；對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的ABS系統(tǒng)和EPS系統(tǒng)等采用高速CAN網(wǎng)絡(luò)，波特率為500 kbps。

　　CAN初始化程序如下：

　　為了降低網(wǎng)絡(luò)資源的占用率，提高網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)時(shí)性性能，在高低速CAN網(wǎng)絡(luò)之間除了必要的通信外，各自的報(bào)文是相互獨(dú)立傳輸?shù)?。這就需要使用CAN中的標(biāo)識(shí)符通過驗(yàn)收過濾器進(jìn)行報(bào)文過濾，可以通過對(duì)過濾器寄存器的設(shè)置實(shí)現(xiàn)這一功能。CANO與CAN4寄存器的驗(yàn)收寄存器與屏蔽寄存器的設(shè)置如下：

　　由于傳輸速率不同，高低速CAN網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸是不同的。當(dāng)高速CAN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)向低速CAN傳輸時(shí)，生需要加入軟緩存暫時(shí)存儲(chǔ)；當(dāng)?shù)退貱AN網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)向高速CAN網(wǎng)路數(shù)傳輸時(shí)，可直接傳輸。通信流程如圖4所示。

　　結(jié)語

　　采用CAN總線技術(shù)的EPS控制系統(tǒng)不儀可以減少傳感器數(shù)量、降低成本、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，同時(shí)還可以提高EPS的性能。本方案是針對(duì)國(guó)家自然基金資助項(xiàng)目 “基于廣義集成的汽車底盤系統(tǒng)控制方法與關(guān)鍵技術(shù)研究”提出的改進(jìn)方案，實(shí)驗(yàn)證明采用CAN網(wǎng)絡(luò)的EPS控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)性好、可靠性高，運(yùn)行情況良好。