CAN总线技术在智能汽车系统中的应用

智能汽车是一种具有自动驾驶功能的汽车，它综合应用了计算机、控制、信息处理、通讯以及传感器等多种技术。使用CAN总线保证了系统内部数据交换的高速性和可靠性。引入了一种带有CAN总线接口的单片机--PIC18F258,介绍了它CAN模块的结构及其在完成通信任务时的工作原理。该方法在人工智能和工业测控领域具有一定的应用价值。

1 引言

CAN总线是控制局域网络（Control Area Network）的简称，它最早由德国BOSCH公司提出。由于它具有传输速率高，抗干扰能力强，硬件连接方便等突出特点，非常适合用于汽车系统中，解决众多测试与控制仪器之间的数据交换问题。

2 智能汽车系统简介

智能汽车主要被用于野外环境中，它可以按照人预先设定的指令，根据地图信息做出全局路径规划，并在行进过程中不断感知周围的环境信息，自主地制定出各种决策，引导自身安全地行使并完成相应的规划和操作任务。

它除具备普通汽车的各类功能外，还增加了测算车身位置，测算车头方向，控制汽车自带有向天线的方向使其与基地之间进行无线通信等功能。如此众多的信息，如果完全采用RS-232总线进行内部数据交换显然有些力不从心。因而采用CAN总线作为其内部数据传输的通道，是理所当然的。

3 系统设计

3.1 概述

智能汽车的控制系统由担负着检测计算功能的下位机系统和担负着控制显示功能的上位机系统组成。图1为该系统的功能框图。

下位机系统各模块及其功能：
〇 GPS数据采集模块，用来测量汽车当前位置。
〇 磁罗盘数据采集模块，用来测量车头的方向。
〇 步进电机控制模块，用来驱动有向天线的旋转。
〇 步进电机转动角度限制模块，用来测量有向天线相对于车头的角度，并防止由于步进电机单方向转动角度过大而造成的线路缠绕。
〇 CAN模块。



注:图1中的电位器用来测量步进电机转过的角度,将它的输出电平转换成频率信号再发往下位机。CAN总线使用共地的双绞线作为其传输介质。

上位机系统各模块及其功能：

〇 LCD模块，用来显示下位机传送来的各种数据。
〇 简易键盘输入模块，通过8键键盘完成对下位机的一些简单控制。
〇 CAN模块。

上位机和下位机通信由CAN模块和CAN总线来完成。其中，下位机要传送给上位机的数据有，汽车当前的GPS坐标，车头当前的方向，有向天线相对于车头的角度；上位机要传送给下位机的数据有，基地的GPS坐标，手动模式下电机旋转的方向和角度。

3.2 硬件实现

系统上下位机均采用PIC18F258单片机，该单片机自带CAN收发接口，它的引脚见图2。CAN模块相对独立，其的主要特征如下：

〇 通过ISO CAN标准测试。
〇 执行CAN协议：CAN1.2 CAN2.0A CAN2.0B。
〇 标准和扩展数据模式。
〇 0-8位数据长度。
〇 可编程速率高达1M bps。
〇 2个数据接收缓冲器
〇 6个完全接收滤波器，2个对应高优先权缓冲器，4个对应低优先权缓冲器。
〇 2 个完全接收掩码器。
〇 3个具有优先权的发送缓冲器

该系统中，上位机与其外围设备键盘和LCD显示器通过标准并行I/O总线相连，下位机与其外围设备GPS接收器、磁罗盘以及电机驱动器通过RS-232串行总线相连，在此不做详细介绍。图3是CAN通信模块硬件简图。



由于单片机的输出电流比较弱，难以驱动光电隔离器，为保险起见，信号输入光偶前要经过74HC573锁存；同样为了增加信号驱动能力，经过隔离的信号要再次经过74HC573锁存。

使用该单片机,无须扩展CAN总线模块，简化了硬件设计，提高了运行效率。

3.3 软件实现

PIC18F258的CAN模块带有众多控制和数据寄存器，为方便起见，可以将它们做以下分类：

〇控制和状态寄存器
〇发送缓冲寄存器
〇接收缓冲寄存器
〇波特率控制寄存器
〇I/O控制寄存器
〇中断标志和控制寄存器

CAN模块可工作于6种模式下，配置模式，禁止模式，正常工作模式，监听模式，自循环模式，错误识别模式。本系统涉及到了2种模式，配置模式和正常工作模式。

首先在配置模式下将控制和状态寄存器，波特率控制寄存器，I/O控制寄存器，中断标志和控制寄存器，接收掩码器和接受滤波器按照系统要求设定好，以保证CAN总线畅通。这些寄存器只能在配置模式下进行设定。设定完毕后，进入正常工作模式。上位机和下位机都将各自的CAN接收中断打开，等待CAN总线传送来的数据。所不同的是，上位机只在需要进行人工干预的情况下，向总线发送控制信号；而下位机是循环向总线发送采集到的信息的。

图4是CAN模块发送数据的程序流程图：





图4 发送程序流程图

CAN模块数据接收是通过中断方式实现的，即每传来一个报文，就发生一个中断，然后将收到的数据从接收寄存器中转移到指定的存储区域内并保存起来 ，最后中断返回。

图5是下位机CAN模块接收数据的中断服务程序流程图：





图5 接收中断服务程序流程图

4 关于设计中的几个问题

（1）下位机是循环发送数据的，在每一个报文发送出去后，要等待充足的时间再发送下一个报文。否则，可能出现上次报文未发送完毕，就装载下一个报文的情况。从而，造成报文丢失，甚至每次报文都不能成功发送。等待的时间与微处理器的时钟频率和报文发送的波特率有关。

（2）报文发送过程中可能会产生种种错误，CAN协议提供了成熟的错误检验机制。这些错误可能包括：CRC错误、应答错误、形式错误、位错误、填充位错误，引起这些错误的原因各不相同。对PIC18F258而言，每发生一次错误，CAN模块内部的错误计数器就会加1，一旦错误计数器的值大于255，就会进入总线关断状态，这时CAN总线将不能用来收发数据。它会等待128组连续的11位隐性位后，再恢复到正常状态。系统运行过程中不允许有间断，所以应当在进入总线关闭状态前，将错误计数器清零或恢复到允许总线正常工作的范围内。

（3）本系统中需要传输的数据，相对于CAN总线强大的功能而言是有限的。但是，考虑到今后系统的改进和扩充，必然需要更多的网络节点，也必然会传输更多的数据，所以，系统在设计时预留了很多软硬件资源，以备日后使用。

5 结束语

本文中的智能汽车系统，在普通汽车系统的基础上，进行了功能扩展，涉及到了人工智能领域的一些技术。上位机与下位机之间由CAN总线来传输数据，RS-232接口只与外围检测和控制设备相连，分工明确，不会造成串行总线过于繁忙，从而引起数据传输错误。

用CAN总线组建的通信网络，扩展性强、可靠性高、而且具有自诊断和监控能力，既提高了通信质量，又方便了软硬件设计。本例中所使用的PIC18F258单片机自带CAN总线接口，性能优越、价格低廉，必然会受到设计师的青睐。