基于CAN总线的汽车内部网络系统研究

时间：02-21 来源：武汉理工大学点击：

理系统、故障诊断系统等相对来说对实时性的要求较低，因此这些节点构成中速CAN通信网络、通信波特率设为128 bps。中央门锁系统、座椅调节系统、车灯控制系统对实时性要求不是很严格，它们构成低速通信网络，通信波特率设为30 bps。两个网关跨接高、中、低速三条总线，与各节点进行数据交换。网关通过对CAN总线间待传数据信息的智能化处理，可以确保只有某类特定的信息才能够在网络间传输。

　　2.2 器件选择

　　汽车内部CAN网络主要由两部分组成：面向底层ECU的CAN节点和实现高低速网络数据共享及网络管理的网关。为了减少开发周期，选择Motorola公司一款带CAN模块的中档微处理器MC9S12DP256；CAN收发器以及电源系统是用MC33989来实现的。

　　微控制器MC9S12DP256是基于16位HCS12 CPU及0.25 μm微电子技术的高速、高性能5.0 V Flash存储器产品中的中档芯片。其较高的性能价格比使其非常适合用于一些中高档汽车电子控制系统;同时其较简单的背景开发模式(BDM)也使开发成本进一步降低,使现场开发与系统升级变得更加方便。

　　MC9S12DP256的主频高达25 MHz;片上集成了许多标准模块，包括２个异步串行通信口SCI、3个同步串行通信口SPI、8通道输入捕捉／输出比较定时器、2个10位8通道A/D转换模块、1个8通道脉宽调制模块、49个独立数字I/O口（其中20个具有外部中断及唤醒功能）、兼容CAN2.0A/B协议的5个CAN模块以及1个内部IC总线模块；片内拥有256 KB的Flash EEPROM12 KB的RAM、4 KB的EEPROM。这些丰富的内部资源和外部接口资源可以满足各种ECU数据的处理以及发送和接收。由于有多个CAN模块，所以非常适合做高低速网络之间的网关。

　　Motorola公司的系统级芯片(SBC)MC33989具有二个电源整流器，专为MCU和外围器件提供电源。这个智能化的半导体器件可以提供所有必需的系统电压，内部有一个低噪声的200 mA整流器用来给MCU子系统供电。另外，还有一个控制外部导通晶体管的装置用来给外围设备供电。这个外部导通晶体管允许调整二次电源，使之满足每种特殊应用所需的功耗极限要求。二次供电电源还能根据要求切断所选外围设备的供电，并以此达到降低功耗的目的。

　　除了提供系统电源外，SBC内部还集成了一个1 Mb的CAN收发器。该收发器具有主控状态超时检测、内部热保护以及CAN-H和CAN-L输入端短路保护等功能。收发器内部还对CAN-H和CAN-L输入端进行了跳启、电池反接以及短接至电源或地的保护。

　　4个高压唤醒输入端使器件具备了强大的唤醒功能。这些唤醒输入端的最大耐压能达40 V。输入端的上拉源能在芯片上产生。由于只需用上拉源就能随时检测开关输入的变化，因此能较好地降低功耗。该器件还具有周期性唤醒功能。另外，SBC还提供了针对MCU的复位调节与低压检测功能。

　　2.3 CAN节点的硬件电路设计

　　为了便于调试和演示，节点模块都包括CAN接口、RS232接口和液晶显示器。在调试过程中，液晶显示器用来将本地数据和通过CAN总线接收的数据直观地显示出来，RS232接口在需要的情况下可用来与PC机建立通信。

　　节点的核心芯片是微处理器MC9S12DP256，主要负责CAN的初始化，完成数据的处理及监控数据的传送。

　　图2中MC33989是CAN控制器与物理层总线之间的接口。该器件可以提供对总线的差分发送能力和差分接收能力，具有抗汽车环境下的瞬间干扰、保护总线的功能。除此之外，它还为MCU和外围器件提供电源。CAN节点原理框图如图2所示。

图2 CAN节点原理框图

　　2.4 CAN网关的硬件电路设计

　　网关的主要作用是协调各个网络之间数据的共享，负责各节点之间的通信，其硬件结构与CAN节点非常相似。由于它负责高速与低速网络之间的数据共享，所以，必须同时跨接在两个网络之间。CAN总线网关硬件框图如图3所示。

图3 CAN总线网关硬件框图

　　微处理器MC9S12DP256具有5个CAN模块，这里使用其中的两个：一个通过MC33989与低速网相连，实现与低速网的通信；另一个通过MC33989与高速网相连，实现高、低速网之间的通信以及对网络的管理。

　　2.5 CAN网络通信系统软件设计

　　本设计所需实现的功能是各节点发送接收数据，网关能实现数据的转换，实现高、低速网络之间的通信。在实验过程中，假设速率不同的两个网络，数据刷新周期分别为10 ms的低速网和5 ms的高速网。软件设计由KEIL C编写，主程序完成数据的处理和收发，中断程序负责数据的采集，主程序由CAN总线数据的收发、液晶显示控制、数据帧解析三部分构成。通过中断判断数据的接收或发送，根据高、低速的不同，每隔一段时间（5 ms或10 ms）发送一组新数据。通信程序流程如图4所示。

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