安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院 張文康 馬曉晴

基于CAN總線的電動汽車車燈控制系統(tǒng)研究

安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院 張文康 馬曉晴

【摘要】CAN是德國博世公司于1980年開發(fā)的一種用于汽車的串行數(shù)據(jù)總線，滿足SAE對C類高速汽車網(wǎng)絡(luò)的要求，適合傳動動力和底座電子系統(tǒng)的信息傳輸，還應(yīng)用在車載系統(tǒng)的信息傳輸。在車燈系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，利用CAN總線，可以顯著提升汽車的應(yīng)用性。本文提出了CAN總線設(shè)計(jì)車燈的方法：主節(jié)點(diǎn)通過CAN總線控制若干個從節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而達(dá)到對汽車上各種類型的燈的控制。實(shí)驗(yàn)表明：這個方法對于車燈的控制具有實(shí)時(shí)性，準(zhǔn)確性的特點(diǎn)，有效的降低了車內(nèi)線路的復(fù)雜性，提高了車燈控制系統(tǒng)的使用性能和自動化性能。

【關(guān)鍵詞】CAN總線；電動汽車；車燈控制系統(tǒng)

1 車燈系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

車燈系統(tǒng)由照明，信號系統(tǒng)兩部分組成。包括前燈（遠(yuǎn)視燈，近視燈），轉(zhuǎn)向燈，霧燈，制動燈（左，右制動等），倒車燈和警示燈等等，不同類型的燈功能也不一樣，安裝位置也不一樣。根據(jù)車燈的安裝位置可以分為主節(jié)點(diǎn)和從節(jié)點(diǎn)。

通過控制節(jié)點(diǎn)向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制指令，其他節(jié)點(diǎn)接到控制指令后，控制相應(yīng)位置的車燈。CAN總線觸發(fā)協(xié)議是有優(yōu)先級的，根據(jù)行駛過程中的安全程度，設(shè)定各節(jié)點(diǎn)的安全級。開關(guān)控制模塊起到發(fā)送指令的作用，因此需要很高的安全程度。左右后模塊起到制動與行駛的作用，因此，安全級稍微低于控制開關(guān)模塊。

2 硬件設(shè)計(jì)

本方案的自動化節(jié)點(diǎn)以單片機(jī)STC12C5A60S2和SJA1000 CAN總線控制器為核心。CAN控制器是PHILIPS公司最近的新產(chǎn)品功能上同時(shí)支持CAN2.0B 和CAN 2.0A。它與82C200的CAN控制器在硬件和軟件系統(tǒng)上的兼容性良好。

本方案的CAN總線的收發(fā)器SN65HVD230的電壓為3.3V，起到連接物理層總線的作用，這個部件可以在較寬的范圍內(nèi)避免電磁波的干擾，對不同的速度傳輸?shù)腃AN總線的收發(fā)能力很好。硬件設(shè)計(jì)時(shí)，通過SN65HVD230和CAN總線之間的信息傳送，STC12C5A60S2對車燈繼電器具有驅(qū)動性。輸入比較器和STC12C5A60S2之間的信息交流是間斷的。

PCA82C250起到連接CAN控 制器和物理總線的作用，為汽車中的通訊而設(shè)計(jì)。這個部件可以實(shí)現(xiàn)對總線信息的發(fā)送和接收功能。PCA82C250主要的特點(diǎn)有，和ISO11898的兼容性良好，速度快，作用是抗干擾和保護(hù)總線。控制斜率的功能良好，對周圍環(huán)境的干擾很小，熱度過量的保護(hù)作用，總線與地線之間短路保護(hù)的作用，電流較小的保護(hù)作用。節(jié)點(diǎn)若未通電源則不會干擾總線，總線的連接節(jié)點(diǎn)數(shù)可達(dá)110個。

PCA82C250的8號引腳比較特殊，這個引腳的作用是可以選擇PCA82C250的工作方式。一共有三種工作方法：速度高，斜率控制性好和待機(jī)性好。

對于速度很快的工作方法，發(fā)送器的晶體管的輸出可以很快的開啟和關(guān)閉。在高速工作方式下，對上升和下降的斜率不做限制。這個時(shí)候，可以采用電纜屏蔽的方式來減少射頻的干擾性，通過將引腳8接地可以選擇高速的工作方式。對于速度較低的工作方式或比較短的總線的情況，通過使用非屏蔽雙絞線或平行線作為總線，為了降低射頻的干擾性，盡量控制上升和下降的速度。這個速度可以通過對引腳8到地線處的電阻控制，斜率隨著通過引腳8的電流增大而升高。

如果引腳8接高電壓，電路進(jìn)入低電壓的休眠模式。在這種工作方式的作用下，發(fā)送器不工作，將接收器中的電流控制在低水平。檢測時(shí)如果發(fā)現(xiàn)顯性的電位（引腳4，接收數(shù)據(jù)的輸出）將轉(zhuǎn)化為低電壓。控制器通過引腳8將驅(qū)動器的狀態(tài)調(diào)為正常工作狀態(tài)以做出響應(yīng)。

為了增強(qiáng)CAN總線節(jié)點(diǎn)抗周圍環(huán)境干擾的能力，P87C591和PCA82C259的RXD和TXD沒有直接相連，通過高速率光電耦合器6N137后和PCA82C250的連接，實(shí)現(xiàn)了總線上各個節(jié)點(diǎn)之間的電氣隔離。然而，需要強(qiáng)調(diào)的是，光耦部分電路所用到的兩個電源Vcc 和Vdd必須隔離完全，否則光耦將喪失使用的功能。

PCA82C250與CAN總線連接部分也具有安全性，抗干擾功能。PCA28C250的CANH和CANL上的引腳通過5歐姆的電阻連接CAN總線，電阻可以控制電流的大小，從而免于PCA82C250上的電流過大。CANH，CANL和地線之間并聯(lián)了兩個30pF的電容，從而可以控制總線上高頻率的電磁波干擾和輻射性。此外，在兩個CAN總線的輸入側(cè)和地線之間出現(xiàn)瞬時(shí)的電磁干擾時(shí)，防雷管的放電可以對它進(jìn)行保護(hù)。

3 試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺采用整車車身電器，這種部件主要用于轎車，包括車燈，大燈的自動調(diào)節(jié)，收音機(jī)音響，后視鏡，中央門鎖等。

4 軟件設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)軟件的計(jì)算機(jī)程序采用C語言設(shè)計(jì)，程序結(jié)構(gòu)為模塊結(jié)構(gòu)，各部分的模塊的分工比較明確。對于STC12C5A60S2和CAN控制器SJA1000復(fù)位設(shè)計(jì)，對于中央節(jié)點(diǎn)和不同車燈上的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)不同的程序，中央節(jié)點(diǎn)的功能通過發(fā)送信號到CAN總線，車燈上的節(jié)點(diǎn)接收從CAN總線傳送過來的信號。

CAN 2.0B協(xié)議規(guī)定了CAN物理層與數(shù)據(jù)層之間的傳輸協(xié)議，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)的過程中，根據(jù)總線系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的功能，確定總線系統(tǒng)上的節(jié)點(diǎn)功能不同，確定相互間交流的數(shù)據(jù)，根據(jù)各節(jié)點(diǎn)所需要的信息，制定CAN傳輸?shù)男畔?，最后對CAN總線中傳導(dǎo)的信息進(jìn)行分配和標(biāo)識。優(yōu)先級通過CAN協(xié)議中標(biāo)示符的數(shù)值所確定。在確定ID時(shí)，應(yīng)該先分析該信息的緊急程度，根據(jù)車燈的安裝位置和行駛過程中的安全性，最后確定標(biāo)示符ID。

根據(jù)不同作用的軟件設(shè)計(jì)不同的程序，每個程序具有獨(dú)立性，完成各自不同的作用，包括初始化CAN節(jié)點(diǎn)，發(fā)送信息，接收。和處理數(shù)據(jù)等。同時(shí)，程序之間通過互相調(diào)用，分享數(shù)據(jù)，重復(fù)使用代碼，達(dá)到簡化代碼的目的。

CAN發(fā)送信號的流程如圖1所示，發(fā)送信號時(shí)只需要將未發(fā)送的數(shù)據(jù)按照指定格式組合成信息，然后送入SJA1000中發(fā)送。發(fā)送過程中要注意在向SJA1000中的緩存區(qū)發(fā)送信息的時(shí)候，首先要做一些判斷。發(fā)送程序分為發(fā)送遠(yuǎn)程信息和數(shù)據(jù)信息兩種。

接收作用的節(jié)點(diǎn)可以對信息進(jìn)行接收和處理其它的情況。CAN接收程序的流程圖如圖1所示。接收功能要比發(fā)送功能的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜性大的多。節(jié)點(diǎn)接收信息時(shí)，要關(guān)閉總線，分析報(bào)警信息的正確性，超量接收等處理情況。SJA1000的接收方式有兩個：中斷和查詢的接收方法。這2個方法的編程思想大體相同。由于對通信的實(shí)時(shí)性要求不高，本文應(yīng)用查詢接收的方式。

圖1 CAN總線發(fā)送和接收信號的程序

軟件的可靠性的設(shè)計(jì)在整個設(shè)計(jì)過程中發(fā)揮著重要的作用。如果軟件一旦失去作用，產(chǎn)生的后果將會非常嚴(yán)重。主要控制器的使用可靠性可以影響到整個電路控制系統(tǒng)的可靠性和汽車在運(yùn)行時(shí)候的安全。合理的軟件設(shè)計(jì)可以減少開發(fā)所用的時(shí)間，提高工作效率，提高控制器的電磁兼容性和工作可靠性。

盡管硬件采取了抗干擾措施，由于干擾信號產(chǎn)生原因的復(fù)雜性和隨機(jī)性，很難保證系統(tǒng)不容外界環(huán)境的干擾。所以，在硬件抗干擾的基礎(chǔ)上，需要對軟件進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)，作為硬件抗干擾的補(bǔ)充。軟件抗干擾的方法簡單，操作靈活，硬件資源利用比較小。

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作者簡介：

張文康（1994—），男，安徽蚌埠人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，主要研究方向：汽車安全控制及新能源汽車。