王丹

（西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710089）

引言

隨著車(chē)輛電子設(shè)備性能的不斷更新和進(jìn)步，汽車(chē)中的控制系統(tǒng)數(shù)量也在增加，而連接這些電子設(shè)備的導(dǎo)線(xiàn)也越來(lái)越多。這些粗大線(xiàn)束給汽車(chē)的空間造成了影響。為了減輕汽車(chē)重量，提高汽車(chē)的通訊控制系統(tǒng)，及時(shí)解決這些問(wèn)題非常重要[1-2]。目前，多數(shù)汽車(chē)都有網(wǎng)絡(luò)裝置系統(tǒng)，但是因?yàn)殡姎夥N類(lèi)比較多，關(guān)于網(wǎng)絡(luò)速度的需求也是不同的，所以目前市場(chǎng)中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議比較多。本文主要分析BOSCH公司開(kāi)發(fā)的CAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，對(duì)汽車(chē)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)輸送率進(jìn)行分析。

1 CAN總線(xiàn)的特點(diǎn)

傳統(tǒng)的接線(xiàn)方法一般是在ECU上直接進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接，但是處于不同的數(shù)據(jù)頻繁交換環(huán)境下，這種接線(xiàn)方式不僅會(huì)增加車(chē)內(nèi)空間，同時(shí)也會(huì)因?yàn)榫€(xiàn)束過(guò)多，增加成本，影響其他線(xiàn)路信號(hào)。CAN可以實(shí)現(xiàn)對(duì)串行的多控制器進(jìn)行分布式、實(shí)時(shí)的局域網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)控制，具有很高的速率以及可靠性，對(duì)于車(chē)輛計(jì)算系統(tǒng)、電磁輻射等惡劣的環(huán)境下比較適合使用。主要特點(diǎn)表現(xiàn)：網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)達(dá)到110個(gè)，通信的速率距離是5 kbps/10 km～1Mbps/40m，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)傳輸，一般是通過(guò)同軸電纜、雙絞線(xiàn)、光纖等介質(zhì)進(jìn)行通信。還有其具有總線(xiàn)非破壞性競(jìng)爭(zhēng)裁決功能，可以避免兩個(gè)節(jié)點(diǎn)一同進(jìn)行信息發(fā)送，系統(tǒng)會(huì)將優(yōu)先級(jí)別比較低節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸停止，實(shí)現(xiàn)優(yōu)先級(jí)高的數(shù)據(jù)傳輸；CAN使用的是短幀結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)受到的干擾性比較低，傳輸時(shí)間很短，具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)抗干擾功能[3-4]。如果節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)錯(cuò)誤，這時(shí)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)切斷與總線(xiàn)的聯(lián)系，從而減少給系統(tǒng)的影響。數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞接幸稽c(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、多主方式、多點(diǎn)全局廣播方式等，同時(shí)具有很高的CRC校驗(yàn)功能，可以在很大程度上減少數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤率，提高通信的穩(wěn)定性。

2 CAN幀結(jié)構(gòu)分析

CAN的數(shù)據(jù)幀是實(shí)現(xiàn)CAN總線(xiàn)上的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層數(shù)據(jù)交換的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是屬于技術(shù)規(guī)范內(nèi)的幀定義結(jié)構(gòu)，但是對(duì)接受和發(fā)送信息沒(méi)有定義功能，這些需要用戶(hù)按照系統(tǒng)規(guī)則進(jìn)行數(shù)據(jù)以及數(shù)據(jù)接口的設(shè)定，及時(shí)賦予數(shù)據(jù)不同的幀位。用戶(hù)可以直接通過(guò)通信軟件，連接數(shù)據(jù)接口與CAN總線(xiàn)的通信協(xié)議，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。

CAN協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)幀格式是CAN2.0A，其擴(kuò)展版是CAN2.0B；這兩種模式的數(shù)據(jù)幀有7個(gè)組成部分。其中擴(kuò)展版ID是29位，有5.12×108個(gè)不同的信息，標(biāo)準(zhǔn)的ID碼有11位，存在2048個(gè)不同識(shí)別信息。

攜帶數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)幀是從發(fā)送器傳輸給接收器的幀，關(guān)于CAN總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)幀如表1所示。

關(guān)于數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)包括：

表1 CAN總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)版格式數(shù)據(jù)幀

1）仲裁段：是由遠(yuǎn)程、11位標(biāo)識(shí)符發(fā)送求程序（RTR）構(gòu)成，而RTR的顯位是數(shù)據(jù)幀，隱位是遠(yuǎn)程幀。標(biāo)識(shí)符則是從高到低進(jìn)行發(fā)送，其中總線(xiàn)訪問(wèn)和傳送保溫具有優(yōu)先權(quán)，數(shù)據(jù)值小的優(yōu)先權(quán)比較高，而ID0～I(xiàn)D4是不完全的隱性位；

2）數(shù)據(jù)段：構(gòu)成部分是被發(fā)送數(shù)據(jù)，控制數(shù)目是0~8個(gè)字節(jié)，在第一個(gè)最高位字節(jié)是優(yōu)先發(fā)送的；

3）起始位：具有同步作用，在總線(xiàn)空閑時(shí)發(fā)送，由1位顯性位組成；

4）證實(shí)段：是由應(yīng)答界定符、間隙應(yīng)答符構(gòu)成，總共有2位；

5）CRC段：是有學(xué)IE15位CRC（冗余循環(huán)碼校驗(yàn)）、1個(gè)隱位界定符構(gòu)成，對(duì)幀進(jìn)行校驗(yàn)；

6）結(jié)束段：有隱性位7位構(gòu)成，在這個(gè)期間沒(méi)有位填充。

3 CAN總線(xiàn)在汽車(chē)控制系統(tǒng)的使用

CAN總線(xiàn)協(xié)議在汽車(chē)控制系統(tǒng)中使用比較廣泛，它是具有很大使用價(jià)值的控制局域網(wǎng)絡(luò)總線(xiàn)。

3.1 系統(tǒng)最小節(jié)點(diǎn)構(gòu)成

關(guān)于汽車(chē)控制系統(tǒng)中的最小系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)原理框架圖如圖1所示。

圖1 最小系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)原理框架圖

該節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)上核心部分是SJA1000控制器和80C196KC微控制器。其中，82C250是作為CAN總線(xiàn)上的收發(fā)器，它的作用就是將物理總線(xiàn)和CAN器件進(jìn)行連接。SJA1000一般是在工業(yè)和汽車(chē)環(huán)境中作為高集成的局域網(wǎng)（CAN）獨(dú)立控制器，它可以實(shí)現(xiàn)高性能的網(wǎng)絡(luò)通信的各種需求，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)和物理系統(tǒng)的功能[5-6]。

3.2 CAN總線(xiàn)通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)

CAN總線(xiàn)協(xié)議是存在優(yōu)先節(jié)點(diǎn)占用總線(xiàn)的功能，這樣是為了避免過(guò)多的節(jié)點(diǎn)占線(xiàn)影響重要數(shù)據(jù)的傳輸，CAN控制器是通過(guò)識(shí)別大小標(biāo)識(shí)碼來(lái)判斷總線(xiàn)情況，它也是一種非破壞性的協(xié)議仲裁總線(xiàn)。在具有不同格式且標(biāo)識(shí)碼相同的總線(xiàn)上，信息的傳送具有標(biāo)準(zhǔn)格式幀優(yōu)于擴(kuò)展格式幀的規(guī)則。

根據(jù)CAN總線(xiàn)相關(guān)協(xié)議，在網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，需要網(wǎng)絡(luò)通過(guò)標(biāo)識(shí)碼來(lái)制定信息的優(yōu)先級(jí)[7-8]。見(jiàn)表2中使用擴(kuò)展方式的CAN總線(xiàn)協(xié)議下汽車(chē)控制系統(tǒng)的ID幀定義。假如某個(gè)節(jié)點(diǎn)上的CPU想要給另外一個(gè)節(jié)點(diǎn)或是多個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，需要將這些標(biāo)識(shí)碼和待發(fā)信息給CAN總控制器發(fā)送過(guò)去，CAN總線(xiàn)控制器負(fù)責(zé)整理和發(fā)送信息。這時(shí)某個(gè)節(jié)點(diǎn)會(huì)獲得CAN總線(xiàn)控制器給予的總線(xiàn)控制權(quán)，而網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點(diǎn)就會(huì)收到該節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息，同時(shí)完成檢驗(yàn)信息的功能，并建立收到的信息和節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)系，再進(jìn)行處理。

DA是CAN總線(xiàn)的接收數(shù)據(jù)包的地址。PF屬于數(shù)據(jù)類(lèi)的代碼，而PS則是擴(kuò)展型的數(shù)據(jù)類(lèi)或是目標(biāo)地址，如果PS的目標(biāo)是DA地址（DA＝255廣播時(shí)的信息），這時(shí)PS則是數(shù)據(jù)類(lèi)的擴(kuò)展碼。SA是CAN總線(xiàn)發(fā)送數(shù)據(jù)包的地址。CAN的數(shù)據(jù)包使用ID28－26作為優(yōu)先級(jí)，其值越小表示有越高的優(yōu)先級(jí)。在ID幀中的DA、PS、PF取值是選擇 CAN數(shù)據(jù)包中的DA、PF、PS值。

關(guān)于數(shù)據(jù)接受步驟如下：

1）子程序進(jìn)入查詢(xún)狀態(tài)；

2）判斷是否有故障，如果沒(méi)有直接進(jìn)行下一步，如果有返回到開(kāi)始部分；

3）沒(méi)有故障需要通過(guò)SJA1000讀取CPU中的數(shù)據(jù)；

4）之后從接受數(shù)據(jù)中找出時(shí)標(biāo)序號(hào)、PGN、源地址；

5）然后判斷這些信息是該節(jié)點(diǎn)需要反應(yīng)的指令嗎？如果不是，將不正常相應(yīng)的信息發(fā)送到開(kāi)始程序，如果是，就將信息發(fā)送出去；

6）之后根據(jù)信息完成各種相應(yīng)命令，結(jié)束。

在該接受流程中，PGN是PS和PF的組合，它是根據(jù)不同的物理意義將信息按照不同的規(guī)則轉(zhuǎn)為代碼，作為CAN數(shù)據(jù)包類(lèi)型、意義的指定。

關(guān)于汽車(chē)控制系統(tǒng)中的CAN通信流程如下：

1）初始化SJA1000：將驗(yàn)收碼、發(fā)送錯(cuò)誤、設(shè)置控制、輸出、發(fā)送錯(cuò)誤、接收屏蔽、總線(xiàn)定時(shí)等寄存器都進(jìn)入到工作的狀態(tài)；

2）發(fā)送命令：給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址發(fā)送相應(yīng)的命令；

3）發(fā)送廣播的數(shù)據(jù)：從制定的地址處得到相應(yīng)數(shù)量的廣播數(shù)據(jù)并發(fā)送；

4）發(fā)送數(shù)據(jù)：分析CAN總線(xiàn)是否處于給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)地址發(fā)送數(shù)據(jù)要求，比如：工作狀態(tài)、時(shí)間、工作信息等；

5）接收命令：提取命令碼，之后分析并完成執(zhí)行操作，比如：查詢(xún)、系統(tǒng)自檢等；

6）接收數(shù)據(jù)：通過(guò)CAN讀取接收的數(shù)據(jù)，長(zhǎng)度控制在0～8，之后將這些數(shù)據(jù)保存在單片機(jī)緩沖位置，之后再釋放接收數(shù)據(jù)的緩沖區(qū)。

表2 車(chē)輛控制系統(tǒng)的ID幀定義

7）復(fù)位節(jié)點(diǎn)：將節(jié)點(diǎn)復(fù)位，并設(shè)置寄存器。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文將該系統(tǒng)在實(shí)車(chē)和臺(tái)架上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，證明了這個(gè)系統(tǒng)具有很大的可靠性及正確性。本文主要是對(duì)CAN的幀格式、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、數(shù)據(jù)交換的運(yùn)作原理進(jìn)行分析，同時(shí)分析了汽車(chē)控制系統(tǒng)中小系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的構(gòu)建以及電原理，還有CAN通信協(xié)議的具體實(shí)現(xiàn)流程，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有很強(qiáng)的實(shí)用性。