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引言
現(xiàn)代汽車電子技術的發(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力性和經濟性，但隨之增加的復雜電路必然導致車身布線龐大而復雜。因此提高控制單元間通信的可靠性、實時性、安全性已成為需要迫切解決的問題。以研發(fā)和生產汽車電子產品著稱的德國Bosch公司為此開發(fā)了CAN總線協(xié)議，并使其成為國際標準。電動助力轉向(E1ectric Power Steering System，EPS)是根據駕駛員意圖和車輛的運行工況而進行助力的轉向系統(tǒng)。EPS的控制過程是動力轉向系統(tǒng)綜合控制的過程，所以EPS的電子控制單元與車內其他電子控制單元的通信及協(xié)調控制便很重要。在EPS系統(tǒng)中引入CAN總線技術，使EPS電子控制單元與其他車載電子控制單元通信，可以實現(xiàn)數據共享，并且協(xié)調EPS與其他系統(tǒng)控制。
1 CAN總線簡介
CAN即控制器局域網，是Bosch公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制和數據交換問題開發(fā)出的一種現(xiàn)場總線通信結構，最高速率可達1 Mbps(40 m內)，以多主方式工作。與一般的通信總線相比，CAN總線數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性，是目前使用最廣泛的一種汽車網絡。CAN總線具有以下特點：
①硬件連接簡單，具有良好的性能價格比。
②具有快速響應能力，非常適合對實時性要求較高的應用場合。
③可靠性高。CAN總線的糾錯能力非常強，協(xié)議中每一幀數據都采用CRC及其他校驗措施，數據出錯率極低。若某一節(jié)點出現(xiàn)嚴重錯誤，可自動脫離總線，總線上其他節(jié)點的操作不受影響。
2 系統(tǒng)硬件設計
2．1 LPC2129介紹
LPC2129 微控制器是NXP公司32位單片機中的一種，其內部基本結構包括：中央處理器單元(CPU)、2個16C550工業(yè)標準UART、高速I2C接口(400 kHz)、2個SPI接口、8通道輸入捕捉/輸出比較定時器，1個8通道脈寬調制模塊以及46個獨立數字I/O口，片內還有256KB的Flash ROM、16 KB的RAM，CAN功能塊包括2個兼容CAN2．0B協(xié)議的CAN控制器。這些豐富的內部資源和外部接口可以滿足ECU(電子控制單元)對各種數據的處理及CAN網絡數據發(fā)送和接收的要求。芯片集成了2個CAN模塊，能夠實現(xiàn)高低速CAN網絡的網關節(jié)點功能。
CAN模塊遵循CAN2．0B協(xié)議，集成了驗收濾波器的CAN總線控制器的所有功能。此外它還采用先進的緩沖器布置改善了實時性能，簡化了應用軟件的設計。
2．2 CAN模塊設計
汽車的通信系統(tǒng)由EPS控制系統(tǒng)、ABS系統(tǒng)、發(fā)動機系統(tǒng)、電動車窗系統(tǒng)、車燈控制系統(tǒng)等組成。這些電控系統(tǒng)在整個控制系統(tǒng)中對響應實時性的要求有所不同，另外汽車在實際運行過程中眾多節(jié)點之間需要進行大量的實時數據交換。若整個汽車的所有節(jié)點都掛在一個CAN網絡上，眾多節(jié)點通過一條CAN總線進行通信，一旦信息管理配置稍有不妥，就很容易出現(xiàn)總線負荷過大，導致系統(tǒng)實時響應速度下降的情況。這在實時系統(tǒng)中是不允許的，因此根據不同的要求，可將汽車網絡分為高速CAN網絡和低速CAN網絡兩個速率等級。ABS、EPS等節(jié)點電控單元個數少，實時性和穩(wěn)定性要求高，組成傳輸速率為500 kbps的高速CAN網絡。眾多的車身電機和車燈節(jié)點電控單元數量多，傳輸的數據紛繁復雜，對準確性、穩(wěn)定性的要求勝于實時性，組成傳輸速率為125 kbps的低速CAN網絡。對于不同速率網絡之間的通信，必須有相應的網關進行數據過濾和速率轉換，以實現(xiàn)不同速率網絡節(jié)點之間的數據通信。高低速CAN 網關用LPC2129實現(xiàn)，其通信網絡如圖1所示。
2．3 CAN節(jié)點硬件設計
CAN節(jié)點硬件電路主要包括帶有CAN控制器的微控制器和用于數據收發(fā)的CAN收發(fā)器。本設計使用的是NXP公司的32位微控制器LPC2129，它帶有 CAN控制器，主要負責CAN的初始化和數據處理。CAN收發(fā)器種類有很多，本設計使用Philips公司的CAN高速收發(fā)器TJAl050。CAN基本節(jié)點結構如圖2所示。
2．4 高低速CAN網關的硬件電路設計
網關的主要作用是協(xié)調各網絡之間數據的共享，負責各節(jié)點之間的通信。其硬件結構與CAN節(jié)點非常相似，由于它負責高速與低速網絡之間的數據共享，所以必須同時跨接兩個網絡。CAN總線網關硬件結構如圖3所示。
3 高低速CAN網關的軟件設計
網關軟件設計部分主要實現(xiàn)的功能是各節(jié)點的數據收發(fā)，特別是網關可以實現(xiàn)高低速網絡數據的轉換。對實時性要求不高的車燈控制和車窗控制電路采用低速CAN 網絡，波特率為125 kbps；對實時性要求較高的ABS系統(tǒng)和EPS系統(tǒng)等采用高速CAN網絡，波特率為500 kbps。
CAN初始化程序如下：
為了降低網絡資源的占用率，提高網絡通信實時性性能，在高低速CAN網絡之間除了必要的通信外，各自的報文是相互獨立傳輸的。這就需要使用CAN中的標識符通過驗收過濾器進行報文過濾，可以通過對過濾器寄存器的設置實現(xiàn)這一功能。CANO與CAN4寄存器的驗收寄存器與屏蔽寄存器的設置如下：
由于傳輸速率不同，高低速CAN網絡之間的數據傳輸是不同的。當高速CAN網絡數據向低速CAN傳輸時，生需要加入軟緩存暫時存儲；當低速CAN網絡數據向高速CAN網路數傳輸時，可直接傳輸。通信流程如圖4所示。
結語
采用CAN總線技術的EPS控制系統(tǒng)不儀可以減少傳感器數量、降低成本、實現(xiàn)數據共享，同時還可以提高EPS的性能。本方案是針對國家自然基金資助項目 “基于廣義集成的汽車底盤系統(tǒng)控制方法與關鍵技術研究”提出的改進方案，實驗證明采用CAN網絡的EPS控制系統(tǒng)實時性好、可靠性高，運行情況良好。
