基于CAN总线技术的汽车ECU设计

1、引言
　　控制器局域网（ControllerAreaNetwork，CAN）是Bosch公司于1986年在美国汽车工程师协会（SAE）大会上推出的一种新型串行总线，被广泛地用于汽车内部测量与执行部件之间的数据通信，其总线规范已被制订为国际标准，由于其高性能、高可靠性及独特的设计，CAN总线技术越来越受到人们的重视[1,2]。随着现代汽车技术的发展，电子设备在汽车中的比重越来越高，如电喷发动机、燃油高压共轨、制动防抱死系统（ABS）、自动变速器系统、注油控制以及电动门窗等[3]，这些总成之间需要检测并交换大量数据，采用CAN总线技术不仅成本低，而且可靠性明显提高。从1992年起，Mercedes-Benz（奔驰）公司开始在高级客车中使用CAN总线技术，随后，Volvo、Saab、Volkswagen、BMW、Renault以及Fiat等汽车公司也分别在自己的汽车上使用CAN总线技术[4-6]。国内针对汽车的CAN总线技术研究还处于起步阶段，北京航空航天大学、中国计算机学会单片机公共实验室、清华大学以及中国汽车技术研究中心等单位都开展了汽车CAN总线技术的研究[7-9]，但目前还不能构成系列产品，并没有真正组建汽车CAN总线网络。
　　本文以某即将定型汽车为原型，设计基于CAN总线技术的汽车ECU系统，对于已有CAN接口的总成，可以直接依据协议读取CAN接口的数据，对于没有CAN接口的总成，利用AT90CAN128单片机设计汽车ECU，采集传感器信息，并通过CAN接口与其他总成交换数据，组建基于CAN总线的汽车网络，这样既有利于汽车本身的数据通信，又能方便配套的便携式诊断仪器读取汽车技术状态信息。
　　2、CAN总线网络的组建
　　CAN是一种串行数据通信总线，其通信速率能达到1Mbps，并已经成为一项国际标准，其最大特点是，任一节点所传送的数据信息并不包含传送节点或接收节点的地址，信息内容通过一个标识符（ID）作上标记，在整个网络中，该标识符是唯一的，网络上的其他节点接收到信息后，每一节点都对这一标识符进行测试，以判断信息内容是否与己有关，如果是相关信息，将其接收并进行处理，否则，即被忽略。这样，不同的节点可以接收到不同的数据，保证了通信的实时性。
　　现代汽车广泛地采用了电子技术，而总控模块能随时接收到所需要的数据，实现汽车总成之间的数据交换使用CAN总线组成数据传输网络主要用途之一，如发动机系统、自动变速器系统、ABS系统、自动差速锁系统、中央充放气系统、动力转向系统以及电动门窗系统等总成之间的数据交换。利用CAN总线技术组建汽车信息传输网络的基本结构如图1所示。

　　由于一些总成生产厂家在设计时已经考虑了信息交互的接口问题，在生产时已将CAN总线技术集成到总成上。对于这类总成（如高压共轨发动机、自动变速器以及ABS等系统），只需通过ECU读取其CAN总线协议即可完成数据信息交换。对于其他总成，通过设计汽车ECU，采集相应传感器的信息，并利用CAN接口向总线广播式发送数据，可完成信息交换。
　　3、汽车ECU的设计
　　为了设计带有CAN接口的汽车ECU，较为常见的方法是用单片机与CAN控制器相结合，如使用8051单片机与CAN控制器芯片SJA1000来组合使用[4][6]。由于CAN总线技术应用领域广泛，一些芯片生产厂家（如Motorola、Intel、Philip、Atmel、Microchip以及NEC等公司）纷纷在自己的芯片中集成了CAN接口模块，这样将大大提高CAN接口通信的可靠性。本文采用Atmel公司的一款内嵌CAN控制器的AVR型单片机AT90CAN128来实现CAN节点。
　　AT90CAN128单片机具有以下特点：128K字节FLASH，4K字节EEPROM和4K字节的SRAM，带有硬件乘法器功能，53个通用的I/O口，32个通用工作寄存器，4个具有比较模式的定时器/计数器，2通道8位的PWM，6通道2到16位精度的PWM，2个USART和1个主从SPI串行口，1个两线(I2C)串行接口，一个8通道10位具有可选增益差分输入的A/D转换器，1个带内部振荡器的可编程看门狗定时器[10]。同时还集成了CAN控制器，与CAN标准帧2.0A和扩展帧2.0B完全兼容，具有15个独立的信息对象，能够处理所有的帧类型，具有8位静态分配的数据缓冲区，晶振频率8MHz时数据传送速率可达到1Mbps。
　　3.1硬件设计
　　在本文的设计中，利用AT90CAN128的A/D转换器采集相关传感器的电压信号（如水温、振动、位置、气压以及油压等信号），利用定时器/计数器模块采集相关传感器的脉冲信号（如转速、里程等信号），由于AT90CAN128集成了CAN控制器功能，因此，结合CAN总线收发器即可完成CAN总线的接收和发送任务。CAN总线收发器采用了ATA6660芯片，它是CAN控制器与物理传输媒体之间的物理连接子层接口。为提高系统的抗干扰性，在AT90CAN128与ATA6660芯片之间加入高速光耦芯片6N137，其接口电路如图2所示。