隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展,，對車輛駕駛性能和安全舒適性的要求大為提高，使得車輛上的電子控制單元數(shù)量逐步增加,，但是,，車輛上的電控單元(如，各種開關(guān),、執(zhí)行器,、傳感器等)的連接仍然以傳統(tǒng)的配線束來實現(xiàn)，使得車內(nèi)線束過多且布線復(fù)雜,，從而造成了嚴(yán)重的電磁干擾,，導(dǎo)致系統(tǒng)的可靠性下降。在高級轎車上,，電子元件及其系統(tǒng)占據(jù)了整車超過20％的價格,，而且，有日漸增加的趨勢,。在這種情況下,，車內(nèi)電控線路就會更加復(fù)雜，如何使車內(nèi)的裝置網(wǎng)絡(luò)化,，并降低配線束數(shù)量等成為改善車內(nèi)系統(tǒng)的一個重點研究方向,。

    在車輛的網(wǎng)絡(luò)化與通信系統(tǒng)中，局部網(wǎng)絡(luò)的方法越來越豐富,，其中,，CAN，Profibus,，LON,，ASI，EIB與eBus等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展的相當(dāng)成熟,，各種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化也相繼出臺,，而且，這些成熟的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)完成集成化工作。CAN總線在穩(wěn)定性,、即時性及其性價比等方面在汽車應(yīng)用中都顯示出較強的優(yōu)勢,，作為分布式控制中的局域網(wǎng)技術(shù)具有較強的競爭力。目前,，很多汽車采用CAN總線將整個汽車控制系統(tǒng)聯(lián)系起來統(tǒng)一管理,，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和相互之間協(xié)同工作，使車內(nèi)線束布線方便可靠,，提高了汽車整體的安全性和性價比,，增強了自身的競爭力。
實現(xiàn)車輛系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化控制的前提是網(wǎng)絡(luò)接點的智能化設(shè)計,，包括傳感器,、控制器和執(zhí)行器的智能化。本文以線控電子節(jié)氣門為研究對象,，設(shè)計了腳踏板位置傳感器,、節(jié)氣門位置傳感器和節(jié)氣門位置控制執(zhí)行器的CAN總線智能化接點，以此為基礎(chǔ)組成CAN總線控制網(wǎng)絡(luò),，完成對節(jié)氣門位置的精確控制,。

    1 車輛CAN總線與分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

    控制局域網(wǎng)(controller area network，CAN)屬于工業(yè)現(xiàn)場總線,，是德國Bosch公司20世紀(jì)80年代初作為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種通信協(xié)議,。1993年11月，ISO正式頒布了高速通信CAN的國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO 11898),。CAN總線系統(tǒng)中現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集由傳感器完成，目前,，帶有CAN總線接口的傳感器種類還不多,，價格也較貴。

    車輛控制系統(tǒng)中存在大量傳感器,、電子控制單元,、執(zhí)行機構(gòu)等，通常,，多控制器共享同樣的傳感器信息,，而且，實時性,、快速性的要求較高,，如何將它們連接起來組成分布式控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是現(xiàn)代控制系統(tǒng)的一個重要發(fā)展方向。現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(field control system,，F(xiàn)CS)就是其中的一種典型的控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn),。CAN屬于現(xiàn)場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r控制的多主串行總線，以其短報文幀和優(yōu)異的CSMA／BA逐位仲裁協(xié)議而被受現(xiàn)場設(shè)備互連的青睞,。

    基于CAN總線的車輛分布式控制網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)如圖1所示,，采用現(xiàn)場總線式集散系統(tǒng)(field distributed control system，F(xiàn)DCS)結(jié)構(gòu),，由傳感器,、執(zhí)行器、控制器智能節(jié)點以及CAN現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)組成,。多個智能節(jié)點各自獨立完成數(shù)據(jù)采集,、系統(tǒng)設(shè)定、運行控制等,，通過CAN現(xiàn)場總線,，各智能節(jié)點之間交換各種數(shù)據(jù)和管理控制信息。

    2 線控電子節(jié)氣門系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)

    電子節(jié)氣門控制技術(shù)最早出現(xiàn)于20世紀(jì)80年代初期,，起初僅應(yīng)用于高檔轎車上,。隨著電子技術(shù)的日益發(fā)展，能源問題和環(huán)境問題的日益突出以及對汽車性能要求的提高,，電子節(jié)氣門成為全電控發(fā)動機上最重要的控制裝置,，并已開始廣泛應(yīng)用到各種車輛上，其優(yōu)點在于可根據(jù)駕駛員愿望,、排放,、油耗和安全需求，使節(jié)氣門快速精確地控制在最佳開度,，并可設(shè)置多種控制功能來改善駕駛安全性和舒適性,。目前，對這一技術(shù)進(jìn)行研究的有BMW,，BOSCH,，豐田等公司，而且,，BMW,，通用，豐田,，AUDI等廠商在其部分車型上已經(jīng)成功應(yīng)用,。

    如圖2所示，系統(tǒng)由加速踏板位置傳感器和電子節(jié)氣門體組成,，節(jié)氣門體包括執(zhí)行器,、節(jié)氣門閥和節(jié)氣門位置傳感器3部分，它們被封裝為一體,。執(zhí)行器由一個直流電機和相關(guān)的傳動部件組成,。加速踏板是一個高精度線性電位器,，作為駕駛員期望的節(jié)氣門開度的傳感器裝置，其輸出是一個與腳踏板行程成正比的模擬電壓信號,；節(jié)氣門體由正向和反向2只位置傳感器作為控制中節(jié)氣門開度反饋信號,，它通過節(jié)氣門體內(nèi)部的一對高精度電位器獲取當(dāng)前開度下相應(yīng)的電壓反饋值，該反饋值與節(jié)氣門打開角度成線性變化,。

    3 智能化傳感器CAN總線接口設(shè)計

    智能傳感器接點的設(shè)計是基于Microchip公司的PIC16F877A單片機和獨立CAN總線控制器MCP2510和CAN收發(fā)器PCA82C250來完成的,。

    PIC16F877A采用RISC指令系統(tǒng)的高性能8為微處理器，哈佛總線結(jié)構(gòu),、低功耗,、高速度。內(nèi)部集成了ADC,、串行外圍接口(SPI)和Flash程序存儲器,，具有PWM輸出等多種功能。PIC16F877A通過SPI接口可以實現(xiàn)與CAN控制器MCP2510的無縫連接,。

    基于PIC16F877A的CAN智能傳感器節(jié)點的硬件原理圖如圖3所示,。

    智能傳感器CAN節(jié)點的通信模塊由獨立CAN控制器MCP2510和CAN收發(fā)器PCA82C250組成。MCP2510可以完成CAN總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能,，支持高速SPI接口(最高數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到5MB／s),，支持CAN2.0A／CAN2.0B協(xié)議。CAN收發(fā)器PCA82C250是CAN控制器與物理總線之間的接口,，對物理總線提供差動發(fā)送能力,，對CAN控制器提供差動接收能力，同時,，它可增大通信距離,，提高嵌入式CAN智能節(jié)點的抗干擾能力。

    PIC16F877A通過SPI與CAN控制器MCP2510連接,，其串行數(shù)據(jù)輸入(SDI)腳與MCP2510的SO腳相連,，其串行數(shù)據(jù)輸出(SDO)腳與MCP2510的SI腳相連，其串行時鐘(SCK)腳與MCP2510的SCK腳相連,。MCP2510的復(fù)位信號、片選信號由單片機提供,。

    通過設(shè)置PIC16F877A的SPI接口狀態(tài)寄存器和控制寄存器使SPI接口工作于主動方式,。PIC16F877A與MCP2510進(jìn)行通信時的時序是非常重要的。發(fā)送數(shù)據(jù)時,，先發(fā)送寫指令,，再發(fā)送寄存器地址，最后發(fā)送數(shù)據(jù),。當(dāng)MCP2510接收到由總線傳來的數(shù)據(jù)時會產(chǎn)生中斷,，單片機響應(yīng)中斷，讀取數(shù)據(jù)時先發(fā)送讀指令，再發(fā)送寄存器地址,，數(shù)據(jù)會自動寫入單片機SPI接口的緩沖器中,。

    由于單片機本身帶有10位A／D轉(zhuǎn)換器，因此,，腳踏板位置傳感器和節(jié)氣門位置傳感器輸出的模擬信號直接接入單片機進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換,，不需要增加新的A／D轉(zhuǎn)換裝置，在圖3中,，傳感器經(jīng)由RA0／AN0輸入,，為了濾掉高頻噪聲，在模數(shù)輸入口接了一個RC濾波電路,。同時,，電子節(jié)氣門裝置執(zhí)行器直流電機的控制中，PIC16F877A有PWM口,，通過連接驅(qū)動電路可以對直流電機進(jìn)行驅(qū)動,，本裝置驅(qū)動器采用L298。

    整套CAN總線控制網(wǎng)絡(luò)由腳踏板智能位置傳感器節(jié)點,、節(jié)氣門體位置傳感器和執(zhí)行器節(jié)點以及控制器節(jié)點組成,，其中，腳踏板智能位置傳感器節(jié)點,、節(jié)氣門體位置傳感器和執(zhí)行器節(jié)點由單片機CAN總線機構(gòu)完成,，其主要功能是向控制器傳遞腳踏板位置和反饋信號節(jié)氣門位置信號，同時,，接收控制器向執(zhí)行器發(fā)出的驅(qū)動指令信號,。控制器采用微機通過研華公司PCL-841卡實現(xiàn)CAN總線通信和相應(yīng)的控制算法完成對線控電子節(jié)氣門的控制,。

    4 系統(tǒng)控制原理與實驗結(jié)果

    系統(tǒng)控制流程如圖4所示,。

    控制系統(tǒng)是一個閉環(huán)控制的過程，腳踏板位置傳感器作為系統(tǒng)的輸入,，A／D轉(zhuǎn)換后通過CAN總線發(fā)送到控制器,。同樣，節(jié)氣門位置傳感器作為反饋信號,，A／D轉(zhuǎn)換后通過CAN總線發(fā)送到控制器,，兩信號在控制器中進(jìn)行比較，并由控制器采用相應(yīng)的控制算法(如PID等)進(jìn)行決策,，決策結(jié)果由CAN總線發(fā)送到節(jié)氣門體位置傳感器和執(zhí)行器節(jié)點,，該節(jié)點微處理器產(chǎn)生相應(yīng)的PWM信號經(jīng)由驅(qū)動裝置驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)的運行。

    為了驗證控制系統(tǒng)的性能,，采用自適應(yīng)PID控制算法進(jìn)行了實驗平臺和實車實驗,，實驗結(jié)果如圖5,。其中，PPS表示腳踏板位置,，TPS1表示實驗平臺下節(jié)氣門位置實驗結(jié)果,，TPS2表示實車情況下節(jié)氣門位置實驗結(jié)果。從控制結(jié)果來看,，能夠滿足電子節(jié)氣門控制的實時性和精度要求,，同時，經(jīng)過實車環(huán)境的測試,，系統(tǒng)具有一定的抗噪能力,。

    5 結(jié)論
    CAN總線作為一種可靠的汽車計算機網(wǎng)絡(luò)總線已在許多先進(jìn)汽車上得到應(yīng)用，將CAN總線應(yīng)用于智能傳感器中,，使傳感器獲得的信號能通過總線實時地,、可靠地、高速而準(zhǔn)確地進(jìn)行傳輸,，使得各汽車計算機控制單元能夠通過CAN總線共享所有信息和資源,，達(dá)到簡化布線、減少傳感器數(shù)量,、避免控制功能重復(fù),、提高系統(tǒng)可靠性、降低成本,、更好地匹配和協(xié)調(diào)各個控制系統(tǒng)的目的,。同時，由于整個智能傳感器網(wǎng)絡(luò)采用全數(shù)字化的通信,，因此,，總線也具有很好的抗干擾能力，是未來智能化傳感器和智能化控制網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢,。