1、引言

CAN（Controller Area Network）是德國 Bosch 公司最先提出的,，是目前汽車控制器局域網(wǎng)中最流行、最常用的總線,。它的主要特點(diǎn)是：CAN 總線為多主站總線，各節(jié)點(diǎn)均可在任意時刻主動向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息,，不分主從,，通信靈活；CAN 總線采用獨(dú)特的非破壞性總線仲裁技術(shù),，優(yōu)先級高的節(jié)點(diǎn)先傳送數(shù)據(jù),，能滿足實(shí)時性要求；CAN 總線具有點(diǎn)對點(diǎn),、一點(diǎn)對多點(diǎn)及全局廣播傳送數(shù)據(jù)的功能,；CAN 總線上每幀有效字節(jié)數(shù)最多為 8 個，并有 CRC 及其他校驗(yàn)措施,，數(shù)據(jù)出錯率極低,，某個節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)嚴(yán)重錯誤，可自動脫離總線,，總線上的其他操作不受影響,；CAN 總線只有 2 條導(dǎo)線，系統(tǒng)擴(kuò)充時可直接將新節(jié)點(diǎn)掛在總線上,，因此走線少，系統(tǒng)容易擴(kuò)充,，改型靈活,；CAN 總線傳輸速度快，在傳輸距離小于 40 m 時,，最大傳輸速率可達(dá) 1 Mb/s,。CAN 總線的應(yīng)用不僅能簡化線束,，實(shí)現(xiàn)傳感器共享，降低系統(tǒng)成本,，而且能大大降低車輛的故障率,。CAN 總線在汽車上的應(yīng)用是現(xiàn)代汽車技術(shù)的發(fā)展趨勢。

2,、CAN 總線在汽車中的應(yīng)用

目前,，汽車中的網(wǎng)絡(luò)連接主要采用 2 條 CAN 總線，一條是驅(qū)動系統(tǒng)的高速 CAN 總線,，速率達(dá) 500 kb/s,，另一條是車身系統(tǒng)的低速 CAN 總線，速率是 100 kb/s,。驅(qū)動系統(tǒng)的 CAN 主要連接對象是發(fā)動機(jī)控制器（ECU）,、ASR 及 ABS 控制器、安全氣囊控制器,、組合儀表等,，其基本特征相同，都是控制與汽車行駛直接相關(guān)的系統(tǒng),。車身系統(tǒng)的 CAN 主要連接對象是 4 門以上的中控門鎖,、電動車窗、后視鏡和車廂內(nèi)照明燈等,。有些先進(jìn)的轎車除了上述 2 條 CAN 總線外,，還會有第 3 條 CAN 總線，它的主要連接對象是衛(wèi)星導(dǎo)航及智能通信系統(tǒng),。

在國外尤其是在歐洲,，CAN 已成為現(xiàn)代汽車中必不可少的裝置，CAN 總線技術(shù)正日趨成熟,，應(yīng)用也越來越廣,，奔馳、寶馬,、大眾,、沃爾沃、雷諾等汽車都采用 CAN 作為控制器聯(lián)網(wǎng)的技術(shù),。國內(nèi)對 CAN 總線的研究剛剛起步,，到目前為止還沒有較成功的應(yīng)用。但我國對車輛局域網(wǎng)絡(luò)總線技術(shù)的研究與開發(fā)非常重視,，最近國家有關(guān)部門對 CAN 總線在豪華大客車上的應(yīng)用做出明確規(guī)定,。相信這一政策的出臺必將大大促進(jìn)相關(guān)企業(yè)和科研單位對汽車 CAN 總線的研究與開發(fā)應(yīng)用。本文討論客車車身 CAN 總線系統(tǒng)中的車燈節(jié)點(diǎn)設(shè)計,，它屬于低速 CAN 總線上的節(jié)點(diǎn)設(shè)計,。

3,、單片機(jī)及其 CAN 總線模塊

NEC 是僅次于 Freescale 的世界第二大車用單片機(jī)制造商，由于其在中國推廣的比較晚,，國內(nèi)企業(yè)使用得并不多,。CAN 總線模塊是μPD780822 型單片機(jī)的一個外設(shè)，是一個完整的 CAN 控制器,?？蓾M足車身 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)的要求。除了具有 CAN 的基本功能外,，還包括一些特有功能,，如時間同步功能、可編程的 CAN 總線喚醒和 CPU 喚醒功能,、可編程的總線關(guān)閉時發(fā)送底層復(fù)位功能等,。對 CAN 總線的訪問分為控制 / 狀態(tài)寄存器的訪問和發(fā)送 / 接收緩沖器的訪問。

CAN 控制器發(fā)送的信息幀分為二種：發(fā)送數(shù)據(jù)幀和發(fā)送遠(yuǎn)程幀,。有二個發(fā)送緩沖器,，其中一個為 16 字節(jié)，一個為 8 字節(jié),。16 字節(jié)的緩沖器可以存儲標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀二種格式的數(shù)據(jù)幀,，8 字節(jié)的緩沖器可以用來存儲要發(fā)送的數(shù)據(jù)。發(fā)送數(shù)據(jù)幀時,，在數(shù)據(jù)寫到發(fā)送緩沖器后,，如果相應(yīng)的發(fā)送請求位使能，則數(shù)據(jù)被發(fā)送到 CAN 總線上,，數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)可以用軟件設(shè)置成 1～8 個字節(jié),。數(shù)據(jù)幀的格式如圖 1 所示。

CAN 控制器接收信息時首先要將接收信息的標(biāo)識符與相應(yīng)緩沖器的標(biāo)識符進(jìn)行比較,，只有標(biāo)識符相同的信息才能被接收,。μPD780822 型單片機(jī)的 CAN 模塊有 2 個獨(dú)立的發(fā)送緩沖器，2 個緩沖器共用 1 個 16 字節(jié)的數(shù)據(jù)區(qū)來存儲最多 8 字節(jié)數(shù)據(jù)的 CAN 幀,。發(fā)送區(qū)和接收區(qū)的結(jié)構(gòu)相似,，當(dāng)標(biāo)志位和控制位沒有設(shè)置為 CAN 專用時，CPU 可以把其作為普通的數(shù)據(jù)存儲區(qū)使用,。

控制器接收緩沖器有 16 個,，接收信息幀時用的緩沖器區(qū)由信息數(shù)量寄存器（MCNT）決定。從總線上接收的信息被直接存儲在發(fā)送緩沖區(qū)中,。工作中沒有使用的接收緩沖區(qū)可以被 CPU 作為普通的 RAM 使用,。每個接收緩沖器都有其可編程的中斷使能位。

4,、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)

客車車身 CAN 系統(tǒng)包括主控節(jié)點(diǎn),、燈光節(jié)點(diǎn)、空調(diào)節(jié)點(diǎn),、車門節(jié)點(diǎn)和儀表節(jié)點(diǎn)等,，如圖 2 所示。其中,，前車燈節(jié)點(diǎn)控制包括前左,、右示廓燈，前左,、右位燈,，前左、右遇險報警燈,，前左,、右駐車燈，左,、右前照燈遠(yuǎn)光,，左、右前照燈近光,，前左,、右霧燈和前左、右轉(zhuǎn)向燈等 16 個控制單位,。后車燈節(jié)點(diǎn)控制包括后左,、右示廓燈，后左,、右轉(zhuǎn)向燈,，后左、右制動燈,，后左,、右位燈，后左,、右霧燈和后左,、右倒車燈等 12 個控制單位。主控節(jié)點(diǎn)主要接收來自駕駛員的一些開關(guān)輸入信號,。儀表節(jié)點(diǎn)主要通過接收總線上的數(shù)據(jù)來控制方向,、水溫、機(jī)油壓力,、制動,、車門、車燈、ABS/ARS 和除霜等指示燈和控制儀表,，以顯示車速,、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、水溫,、燃油,、機(jī)油、電壓,、步進(jìn)電機(jī)等數(shù)值,。空調(diào)節(jié)點(diǎn)控制空調(diào)的開關(guān)和車內(nèi)溫度的設(shè)定等,。車門和后視鏡節(jié)點(diǎn)控制車門電磁閥開關(guān),、后視鏡調(diào)整開關(guān)和后視鏡加熱開關(guān)。安全節(jié)點(diǎn)監(jiān)控 ABS 和 ECAS 的電源,。

5,、硬件電路設(shè)計

燈光節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖 3 所示，它包括燈光控制模塊和 CAN 接口模塊,。燈光控制模塊由 TLP521-4 型光電隔離器和 BTS442,、BTS740 型智能開關(guān)組成。

TLP521-4 是 4 路光電隔離器,，8 個 TLP521-4 組成 32 路光電隔離,，把傳遞到開關(guān)和開關(guān)反饋的信號與單片機(jī)連接起來。BTS442 是 Infineon 公司生產(chǎn)的單路輸出智能開關(guān)（PROFET）,，具有允許較大瞬態(tài)電流（140 A 以上）和較寬泛的溫度范圍（-55℃～+150℃）等優(yōu)點(diǎn),，6 個 BTS442 組成 6 路控制開關(guān)，控制大燈和霧燈等 6 個大電流負(fù)載,。BTS740 是 lnfineon 公司生產(chǎn)的 4 路輸出智能開關(guān),，把輸出的 2 路并作 1 路用，使其通過較大的瞬時電流,。5 個 BTS740 組成 10 路控制開關(guān)用以控制其余的小電流負(fù)載,。BTS442 和 BTS740 都有診斷反饋功能，如果出現(xiàn)錯誤,，BTS442 的第 4 引腳和 BTS740 的第 4 引腳與第 8 引腳上會出現(xiàn)一個低電平信號,，通過光電隔離器把該信號接入單片機(jī)，實(shí)現(xiàn)端點(diǎn)檢測功能,，并通過 CAN 信息幀反饋到儀表節(jié)點(diǎn)上,。所有節(jié)點(diǎn)的硬件 CAN 接口模塊都相同，包括燈光節(jié)點(diǎn)在內(nèi),。由于這種單片機(jī)帶有 CAN 總線模塊,，所以不需專門的 CAN 控制器,，單片機(jī)沒有 CAN 收發(fā)器，需要外接 82C250 型收發(fā)器,，中間是 6N137 型光電隔離器,。單片機(jī)、光電隔離器和 CAN 收發(fā)器硬件接口電路如圖 4 所示,。

6,、節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

節(jié)點(diǎn)軟件流程如圖 5 所示。程序采用查詢方式,，節(jié)點(diǎn)初始化并報告正常工作后將一直處于查詢狀態(tài)，直到主控節(jié)點(diǎn)發(fā)送的燈光控制命令到達(dá)燈光節(jié)點(diǎn)時,，單片機(jī)才可判斷控制的是哪一路燈光或哪幾路燈光,，并通過開關(guān)的診斷反饋功能檢測相應(yīng)的開關(guān)是否正常。如果正常,，則向相應(yīng)的高 / 低端開關(guān)發(fā)送相應(yīng)的控制命令,，然后回到查詢狀態(tài)。如果不正常,，則向儀表節(jié)點(diǎn)發(fā)送相應(yīng)端點(diǎn)的不正常信息幀,，繼續(xù)檢測相應(yīng)的端點(diǎn)。

節(jié)點(diǎn)初始化主要是單片機(jī)初始化,，包括端口初始化和 CAN 控制模塊的初始化,。單片機(jī)端口初始化主要對用到的 I/O 口上電復(fù)位。CAN 模塊的初始化主要是設(shè)置所用的特殊功能寄存器,，主要包括協(xié)議模式,、驗(yàn)收濾波方式、CAN 通信速率和中斷寄存器的設(shè)置等,。將驗(yàn)收代碼和驗(yàn)收屏蔽代碼寫入驗(yàn)收代碼寄存器和驗(yàn)收屏蔽寄存器,。

CAN 總線的軟件設(shè)計主要包括 CAN 節(jié)點(diǎn)的初始化、數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收程序,，掌握了這 3 個模塊的設(shè)計,，基本上就完成了 CAN 通信的軟件設(shè)計。

7 ,、結(jié)束語

雖然本節(jié)點(diǎn)是為控制客車車燈設(shè)計的,，但對其他一些節(jié)點(diǎn)也有借鑒作用，尤其是 CAN 總線的硬件接口部分,，可以通用到客車其他 CAN 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上,，甚至可以用在其他非汽車領(lǐng)域的 CAN 網(wǎng)絡(luò)上，如工業(yè)自動化等領(lǐng)域,。