羅浚溢,雷 霖,陳二陽(yáng)

(成都大學(xué)電子信息工程學(xué)院,四川 成都 610106)

基于CAN總線的汽車智能系統(tǒng)研究

羅浚溢,雷 霖,陳二陽(yáng)

(成都大學(xué)電子信息工程學(xué)院,四川 成都 610106)

提出了一種基于CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的分布式汽車智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,詳細(xì)討論了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案、硬件搭建,通過(guò)CPLD控制外圍硬件,把采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線傳輸?shù)組CU進(jìn)行處理,并通過(guò)軟件仿真驗(yàn)證了該方案的可行性.

數(shù)據(jù)采集;CAN總線;CPLD;MCU

0 引 言

隨著汽車動(dòng)力性能的提高和人們對(duì)汽車舒適度要求的增加,汽車的電子控制單元和汽車電子裝置也在不斷增加.目前,汽車上通常采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式將電子控制單元和電子裝置進(jìn)行連接,這種傳統(tǒng)通訊方式已經(jīng)滿足不了汽車上分布式系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制的需要[1].同時(shí),由于汽車中電子設(shè)備不斷增加而導(dǎo)致導(dǎo)線數(shù)量的幾何式的增長(zhǎng),也使得在車內(nèi)有限空間里布線越來(lái)越困難,限制了汽車內(nèi)部控制功能的擴(kuò)展,此也使汽車內(nèi)部電子單元的維修變得復(fù)雜[1-2].如何使這些眾多的獨(dú)立功能協(xié)調(diào)統(tǒng)一工作,亦即如何對(duì)整個(gè)車身進(jìn)行控制,已經(jīng)成為整個(gè)汽車電子研究領(lǐng)域中非常重要的課題[3].而科技的發(fā)展使得采用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)汽車的分布式網(wǎng)絡(luò)化控制進(jìn)而對(duì)汽車各部分的實(shí)時(shí)控制成為可能[4].由于控制器局域網(wǎng)絡(luò)CAN總線具有多主方式傳輸、良好的檢錯(cuò)糾錯(cuò)能力、非破壞性仲裁技術(shù)、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特點(diǎn),使得CAN總線在各種汽車控制總線中獨(dú)占鰲頭.本研究利用CPLD控制外圍器件,把采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線傳輸?shù)組CU中進(jìn)行處理,大大提高了汽車智能系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力及抗干擾性能.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本研究的汽車智能系統(tǒng)的控制對(duì)象包括防盜、倒車?yán)走_(dá)、智能天窗、車燈控制及車門控制等模塊,其結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 汽車智能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

智能系統(tǒng)的工作原理是,主控單元接收信號(hào)之后,先進(jìn)行分析處理,然后通過(guò)CAN總線把控制指令發(fā)送給各受控端,各受控端響應(yīng)后做出相應(yīng)的動(dòng)作.汽車智能系統(tǒng)的外部狀態(tài)數(shù)據(jù)的獲取是通過(guò)各種傳感器件,例如攝像頭、位移傳感器、壓力傳感器等,由CPLD控制ADC對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行采樣,并把采樣到的數(shù)據(jù)自動(dòng)向FIFO存儲(chǔ)器中存儲(chǔ),通過(guò)CAN節(jié)點(diǎn)最終將數(shù)據(jù)發(fā)送到中央控制模塊,其結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 汽車智能系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方案示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 A/D轉(zhuǎn)換

外部模擬量的采樣由高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC5510芯片實(shí)現(xiàn).TLC5510是一種采用CMOS工藝制造的8位高阻抗并行A/D芯片,能提供的最小采樣率為20 MSPS.由于TLC5510采用了半閃速結(jié)構(gòu)及CMOS工藝,因而大大減少了器件中比較器的數(shù)量,而且在高速轉(zhuǎn)換的同時(shí)能夠保持較低的功耗,其還帶有內(nèi)部采樣保持電路,從而大大簡(jiǎn)化了外圍電路的設(shè)計(jì).TLC5510的工作時(shí)序如圖3所示.

圖3 TLC5510工作時(shí)序

在圖3所示的工作時(shí)序控制下,當(dāng)?shù)谝粋€(gè)時(shí)鐘周期的下降沿到來(lái)時(shí),模擬輸入電壓將被采樣到高比較器塊和低比較器塊.高比較器塊在第二個(gè)時(shí)鐘周期的上升沿最后確定高位數(shù)據(jù),同時(shí),低基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生與高位數(shù)據(jù)相應(yīng)的電壓;低比較塊在第三個(gè)時(shí)鐘周期的上升沿的最后確定低位數(shù)據(jù).高位數(shù)據(jù)和低位數(shù)據(jù)在第四個(gè)時(shí)鐘周期的上升沿進(jìn)行組合,這樣,第N次采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)2.5個(gè)時(shí)鐘周期的延遲之后,便可送到內(nèi)部數(shù)據(jù)總線上.

圖4為TLC5510硬件電路圖,電源芯片AD584為TLC5510提供5 V穩(wěn)壓電源,以防止模擬量輸入模塊電壓不穩(wěn)而影響轉(zhuǎn)換精度.

圖4 TLC5510硬件電路

2.2 CAN總線節(jié)點(diǎn)

CAN總線節(jié)點(diǎn)的主要作用是把從FIFO存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線傳輸?shù)街醒肟刂颇K中.CAN總線節(jié)點(diǎn)硬件部分由CAN控制器、CAN收發(fā)器和單片機(jī)組成,其接口電路圖如圖5所示.

圖5 CAN總線節(jié)點(diǎn)硬件電路

CAN控制器選用SIA1000,該芯片新增了一種PeliCAN工作模式,支持CAN2.0B協(xié)議.CAN收發(fā)器選用TJA1050,該芯片是CAN協(xié)議控制器和物理介質(zhì)之間的接口.TJAl050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,而且它與IS011898標(biāo)準(zhǔn)完全兼容.單片機(jī)選用的是AT89S51,該單片機(jī)的引腳和功能與8051兼容,并且內(nèi)部含有 4 KB的FLASHROM,支持在系統(tǒng)編程(ISP).

本智能系統(tǒng)中,CAN控制器SJA1000的中斷引腳INT與單片機(jī)AT89S51的中斷引腳直接相連,這樣能夠在數(shù)據(jù)發(fā)送、接收以及總線報(bào)錯(cuò)時(shí)及時(shí)產(chǎn)生中斷,交由單片機(jī)進(jìn)行處理.SIA1000的SOF信號(hào)需要被引出,接入單片機(jī)的中斷引腳.這樣,當(dāng)SIA1000檢測(cè)到一個(gè)幀起始信號(hào)時(shí),在SOF引腳上就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)脈沖,并在單片機(jī)一端產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求.單片機(jī)響應(yīng)SOF中斷后,會(huì)判斷報(bào)文是否為參考幀,如果是,則將本地計(jì)時(shí)器的值清零,并保存主節(jié)點(diǎn)分配給自己的時(shí)間片的起始值,當(dāng)計(jì)時(shí)器運(yùn)行到該值后,發(fā)送報(bào)文.如果收到的幀不是主節(jié)點(diǎn)的參照時(shí)間信息幀,系統(tǒng)繼續(xù).

為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)的抗干擾能力,TJAl050的TX0和RX0并不是直接與SIA1000相連接的,而是通過(guò)高速光耦6N137后與之相連,這樣就很好地實(shí)現(xiàn)了電氣隔離.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 A/D轉(zhuǎn)換

本智能系統(tǒng)采用有限狀態(tài)機(jī)完成A/D轉(zhuǎn)換和FIFO中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)(見(jiàn)圖6).

圖6 采樣控制狀態(tài)機(jī)示意圖

如圖6所示,在狀態(tài)S0處,在時(shí)鐘上升沿對(duì)信號(hào)采樣;在狀態(tài)S1處,把采樣輸出的同步信號(hào)作為FIFO的寫入信號(hào).CPLD接受到A/D芯片傳輸?shù)?位二進(jìn)制數(shù),轉(zhuǎn)換成電壓數(shù)字量.A/D芯片的參考電壓為5 V,而且8位A/D芯片的最大輸出為255,這樣A/D轉(zhuǎn)換的最小輸出單位大約為0.02 V,所以可近似地將A/D輸出的8位二進(jìn)制數(shù)乘以2,即得到所需要的3位電壓值.圖7所示為在MAX+PLUS II中的仿真結(jié)果.

圖7 A/D仿真結(jié)果

3.2 CAN總線節(jié)點(diǎn)

CAN總線節(jié)點(diǎn)接口程序設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)就是實(shí)現(xiàn)對(duì)控制器SJA1000初始化和收發(fā)中斷處理等操作.SJA1000的初始化就是對(duì)其通信參數(shù)的設(shè)置,需要初始化的CAN控制寄存器有模式寄存器(MOD)、驗(yàn)收代碼寄存器(ACR)、驗(yàn)收屏蔽寄存器(AMR)、總線定時(shí)寄存器(RTR)、輸出控制寄存器(OC)、中斷寄存器(IR)和中斷使能寄存器(IER)等.CAN總線節(jié)點(diǎn)部分接口程序如下:

4 結(jié) 論

本研究提出的基于CAN總線的汽車智能系統(tǒng),其數(shù)據(jù)采集部分采用CPLD芯片,使用自動(dòng)狀態(tài)機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣與自動(dòng)存儲(chǔ),采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線傳輸?shù)街醒肟刂颇K進(jìn)行處理.該技術(shù)解決方案顯著提高了系統(tǒng)的反應(yīng)速度和性能,具有較強(qiáng)的應(yīng)用前景.

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Study of Automotive Intelligent Instruments Based on CAN Bus

LUO Junyi,LEI Lin,CHEN Eryang
(School of Electronic and Information Engineering,Chengdu University,Chengdu,610106,China)

The design method of distributed automotive intelligent system based on CAN bus is discussed.This paper describes the system's scheme and hardware structure in detail.The method uses CPLD to control the peripheral chips to construct a kind of universal multi-channel data acquisition module,and then transports the acquired data to MCU by CAN bus.The method is verified to be feasible by software simulation.

data acquisition;CAN bus;CPLD;MCU

TP273+.5

A

1004-5422(2013)01-0047-04

2012-12-05.

四川省科技廳科技支撐計(jì)劃(2011CZ0260)資助項(xiàng)目.

羅浚溢(1980—),男,博士,從事汽車電子技術(shù)研究.