基于汽車CAN總線的汽車電氣控制系統設計

石德恩

摘要：算機網絡和現場總線控制技術，將信息技術運用到汽車上，用實時、全面、有效的信息流來驅動汽車系統的運動，以分布式控制系統為基礎構造汽車電氣控制系統，簡化汽車車身線束，提高電控單元信息利用率，實現共享傳輸大批量數據信息。

關鍵詞：CAN總線；汽車電氣控制

在當前，電子信息技術的發展越來越成熟，其在各行各業中的應用也越來越廣泛，而其在汽車領域中的應用結束了汽車電氣控制系統的單束運營模式，這為汽車行業的發展迎來了新的發展高潮。通過CAN總線作為汽車電氣控制系統的基礎，其實現了對電氣控制系統的有效構建，這對我國的汽車行業發展具有非常大的促進作用。

一、汽車電氣控制系統的現狀

汽車電氣控制系統需要許多驅動大功率的用電器件，如遠光燈、近光燈、前后轉向信號燈、剎車燈、前后雨刮器電機、電動車窗、電動后視鏡、空調壓縮機等行車必須的用電設備。汽車底盤也有許多傳感器如速度傳感器、水溫傳感器、機油傳感器、剎車傳感器、擋位傳感器等等，加上諸多開關如門開關、發動機艙開關和儀表盤的各種開關等。這些設備和傳感器都需要通過導線送到中央控制器上，或從中央控制器送下來，形成了大量導線捆成的線扎，這種傳統的汽車電氣控制方式稱為點對點的控制方式，如圖1所示。隨著車上電子裝置的增加使連接的電子線路迅速膨脹，線束越來越復雜。在汽車設計、裝配、維護中的負擔甚至到了無法承受的程度，而且線路接頭的增加是引起安全問題的隱患。另外線的重量和占用的空間也都是值得考慮的問題，重量的增加意味著降低效率。線路體積（直徑）太大在相對運動的部分之間過線非常困難，如車門窗的線束，所以在電子裝置不斷增加的情況下，減少線束成為一個必須解決的問題。傳統上采用點到點平行連接方式顯然無法擺脫這種困境，基于串行信息傳輸的汽車電氣控制系統成為一種必然的選擇。

二、CAN總線

在許多現場總線技術中，CAN總線技術是目前較為先進的技術，屬于多主總線系統。在信號傳輸過程中，其速度可以達到每秒1Mb，而通常的外觀形式是差分電壓和其通信媒介，主要包括光纖、雙絞線、同軸電纜等。在CAN總線中，系統的控制器可以實現CAN協議中鏈路層和物理層的相關功能，數據不僅可以成幀，還可以執行零插入和刪除操作。協議與傳統系統最大的區別在于使用數據塊代替站地址來實現編碼。從理論上講，網絡節點的數量是比較隨意的，數據塊識別碼主要由二進制數組成。根據實際情況，配制數據塊的過程也可以定義為211或229。另外，CAN協議在通信過程中的可靠性和實時性也較高，應用過程中整體成本效益較高，具有很廣的應用前景。

三、整體架構

本文所選用的系統平臺為比較有代表性的某品牌大型客車，以汽車的電氣設備配置需求為基礎，系統主要分為主、前、后、左、右五個ECU節點，在運用CAN總線的過程中，選用的是星形拓撲結構，前、后、左、右四個節點主要實現的是對就近29路相關開關信息的有效采集，在完成采集工作以后，需要以通信協議為基礎，形成一幀報文信息，并將其向主節點傳輸。主節點需要對接收到的信息進行有針對性的判斷與分析，得出相應結果，并將此結果一通信協議為基礎，分別反饋給其余四個節點。四個節點需要對反饋信息進行濾波，以UART總線為依托，向相關的控制模塊中傳輸功率負載，從而實現對功率輸出的有效驅動。單片機是控制功率輸出過程中相關邏輯的重要裝置，該裝置也能夠實現對開關信息的有效采集，其中包含了32個I/O口，如通信口、輸出口等，所以，節點的設計是實現信息采集與負載輸出的關鍵。對于整個汽車電氣控制系統來說，CAN總線是通信介質的主要提供平臺，汽車運行過程中所產生的大量數據信息，可以以CAN總線為基礎，在不同電子單元中實現相互共享，也可以實現對控制信號的有效交換，從而在很大程度上提升了汽車電控對信息的利用率，達到通過信息流對汽車系統實現驅動的最終目的。

四、ECU節點

通過研究可以得知，ECU是當前汽車的控制系統中最為重要的組成部分之一，其組成包括CAN通信以及功率的輸出等，而在對汽車電氣控制系統的控制軟件進行設計時，需要對不同ECU節點的作用和位置進行研究和了解，然后針對性地進行相關控制程序的應用，而在對ECU進行使用的過程中，其體現了強大的移植性。對于當前汽車電氣控制系統來說，其ECU節點存在著幾種不同的端口，首先是對功率的負載進行輸出的驅動口，這一端口能夠實現對所有負載的驅動，而最高的輸出電流可以達到將近30 A，這一端口的應用保證了汽車使用過程中的安全控制。然后是開關量的輸出端口，這一端口主要是為了對開關量的相關信息進行有效的輸出，且不同的開關狀態對應的輸出口電平不同。然后是CAN

通信接口，這是為汽車的整個運行系統提供充足的通信線，從而保證外圍接口的穩定性。最后則是電源的輸入口，這是為控制系統的正常運行提供有效的電能供應。假如在CAN總線中具有一些相關的報文信息，該系統則會通過相關的通信部分來對這些信息進行有效的檢查和過濾，將其中存在著影響的信息過濾掉，剩下有用的信息傳輸到對應的控制模塊中。而在這一工作完成之后，其往往便會出現中斷，但對于這些收集的信息，其能夠通過傳輸線路將其輸送到對應的處理器中對其進行讀取，然后則是對接收緩沖區進行信號的釋放處理，通過這種控制模式能夠對報文信息進行充分的處理和篩選，然后通過信息的格式轉換來對信息進行處理，最后通過UART總線來實現對信息的輸出，在輸出的過程中，需要對得到的信息進行順序的排列，這樣才能保證信息傳輸對功率輸出的有效控制。而對于開關信息的采集，其能夠通過控制系統來對收集到的開關狀態進行反復檢測，同時將檢測到的開關狀態信息傳輸到主處理器中，這樣在發現其開關的狀態和應有的狀態信息之間存在著不同時，需要通過對應的信息傳輸方式將其向著CAN總線上進行傳輸和發送，然后通過CAN總線系統來實現對開關狀態的有效控制。

五、系統軟件架構設計

根據該功能，系統軟件體系結構分為驅動層、轉換層、規則處理層和通信層四個層次，如圖2所示。其中，驅動層包括輸入驅動和輸出驅動，轉換器層包括輸入轉換器和輸出轉換器。為了實現模塊各層之間的通信，系統定義了三種類型的消息：驅動層和轉換層的消息為狀態消息；轉換層的輸入轉換和輸出轉換之間的消息為界面消息；轉換層和規則處理層的消息為設備消息。

輸入驅動模塊負責將輸入引腳的電平變化轉換為輸入狀態信息并發送給轉換層；輸出驅動模塊將從轉換層接收到的狀態信息更改為實際引腳的電平變化； 輸入轉換模塊將從驅動層接收到的輸入狀態信息轉換為輸入設備消息后，發送至規則處理層進行邏輯分析或轉換為接口消息發送至輸出轉換模塊進行轉換輸出；輸出轉換模塊將從規則處理層或輸入接收輸出設備的狀態信息，轉換成輸出狀態信息并發送到驅動層；規則處理層模塊對從輸入轉換模塊接收到的輸入設備消息執行邏輯關系分析，并將其作為輸出設備消息映射到輸出轉換模塊；通信層通過通信模塊完成規則處理層和每個翻譯層之間的信息交換。

系統實驗平臺在運行過程中主要分為兩個主要節點，其一為汽車電氣模擬實驗，其二為某品牌大型客車。整個實驗過程嚴格以CAN協議為基礎，主要的構造內容為主、前、后、左、右五個ECU節點，可以實現汽車在運行過程中，各種信號的采集、汽車儀表的顯示以及電氣設備的控制。

參考文獻：

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