CAN总线在汽车车身控制中的应用

一、引言

20世纪80年代以来，随着集成电路和单片机在汽车上的广泛应用，汽车上的电子控制单元越来越多，例如电子燃油喷射装置、防抱死制动装置（ABS）、安全气囊装置、电控门窗装置和主动悬架等等。在这种情况下，如果仍采用常规的布线方式，即电线一端与开关相接，另一端与用电设备相通，将导致车上电线数目的急剧增加，使得电线的质量占整车质量的4％左右。另外，电控系统的增加虽然提高了轿车的动力性、经济性和舒适性，但随之增加的复杂电路也降低了汽车的可靠性，增加了维修的难度。为此，改革汽车电气技术的呼声日益高涨。因此，一种新的概念--车用控制器局域网络CAN应运而生。

CAN是控制器局域网络（Controller Area Network）的简称，它是由德国Bosch公司及几个半导体生产商开发出来的，CAN总线是一种串行多主站控制器局域网总线。它具有很高的网络安全性、通讯可靠性和实时性，而且简单实用，网络成本低。特别适用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。

二、CAN总线的技术特点

CAN总线可有效支持分布式控制或实时控制。该总线的通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤，其主要特点如下：

* CAN总线为多主站总线，各节点可在任意时刻向网络上的其他节点发送信息，且不分主从；
* CAN总线采用独特的非破坏性总线仲裁技术，高优先级节点优先传送数据，故实时性好；
* CAN总线具有点对点、一点对多点及全局广播传送数据的功能；
* CAN总线采用短帧结构，每帧有效字节数最多为8个，数据传输时间短，并有CRC及其它校验措施，数据出错率极低；
* CAN总线上某一节点出现严重错误时，可自动脱离总线，而总线上的其他操作不受影响；
* CAN总线系统扩充时，可直接将新节点挂在总线上，因而走线少，系统扩充容易，改型灵活；
* CAN总线的最大传输速率可达1Mb/s，直接通信距离最远可达到10km（速率在5kbps以下）；
* CAN总线上的节点数取决于总线驱动电路。在标准帧（11位报文标识符）时可达到110个，而在扩展帧（29位报文标识符）时，个数不受限。

三、车身系统的CAN控制设计

1. CAN总线网络系统架构

现代汽车典刑的控制单元有发动机控制模块、变速器控制模块、多媒体控制模块、气囊控制模块、空调控制模块、巡航控制模块、车身控制模块（包括照明指示和车窗、刮雨器等）、防抱死制动系统（ABS）防滑控制系统（ASR）等。完善的汽车CAN总线网络系统架构如图1所示。

图1 汽车CAN总线网络系统架构

2. CAN节点的硬件架构

本系统中，CAN节点采用：

ECU（AT89C51）＋CAN控制器（SJA1000）＋CAN收发器（PCA82C250）的电路结构以下是其核心芯片简介：

（1）CAN控制器

为了系统进一步扩展的需要，可选取支持CAN 2.0B通讯协议的芯片SJA1000。SJA1000是PHILIPS公司生产的既支持CAN 2.0B，又支持CAN 2.0A的CAN控制器，它与仅支持CAN 2.0A的CAN控制器PCA82C200在硬件和软件上完全兼容。

（2）CAN收发器

PCA82C250是PHILIPS推出的CAN控制器和物理总线接口芯片，可提供对总线的差分发送和接收。它与ISO 11898标准完全兼容，并有高速、斜率控制和待机3种不同的工作方式，可根据实际情况选择。

（3）单片机AT89C51

AT89C51是ATMEL公司的单片机。它是一种低功耗、高性能、内含4KB闪速存储器的8位CMOS微控制器，与工业标准MCS－51指令系统和引脚完全兼容。AT89系列的优越性在于其片内闪速存储器可进行1000次的编程与擦除，且数据不易丢失，数据可保存10年。

CAN总线控制器、总线驱动器和单片机连接基本方法如图2所示。

图2 CAN总线控制器、总线驱动器和单片机连接图

三、车身控制模块中的CAN应用层协议

1. 协议原则

本协议遵循CAN2.0B规范，根据车身控制模块的特点，采用源→目的方法，每个节点都有自己固定的标识地址，且节点数小于64，设计时可将中央控制模块设为主节点，而将车门、电动座椅子模块及自检子模块设置为从节点。本协议可完成以下功能：

（1）特定信息的广播；
（2）主从节点之间的连接；
（3）主从节点之间的信息交换（包括故障信息）。

本协议采用帧优先原则分配标识符，每一帧标识符中的高四位表示帧类型，不同帧类型有不同的优先权，优先权决定了各种信息帧在同等情况下的发送顺序，协议中的29位标识符的分配如下：
帧类型（4位）＋目的地址（6位）＋源地址（6位）＋命令（或状态、报告）属性（13位）[或数据属性＋分段标志＋分段号（共13位）]。

对所有的命令或状态、数据、报告属性、除定时采集发送的数据外，原则上均需应答（发送确认帧以保证通讯正常）。