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。

　　从图2中可以看出，电路主要由3部分组成：单片机AT90CAN128、高速光耦6N137和高速CAN总线收发器。单片机AT90CAN128主要负责传感器信息的采集、内部CAN控制器的初始化并实现数据的接收和发送等通信任务。在ATA6660与CAN总线的接口部分也采用了抗干扰和安全措施，ATA6660的CANH和CANL引脚各自通过5Ω的电阻与CAN总线相连，电阻可起到一定的限流作用，保护ATA6660免受过流冲击。CANH和CANL与地之间并联两个30pF的小电容，可以起到滤除总线上的高频干扰和一定的防电磁辐射的能力。另外，在两根CAN总线与地之间分别接了一个防雷击管，当两输入端与地之间出现瞬变干扰时，通过防雷击管的放电可以起到一定的保护作用。 [page]
　　3.2软件设计
　　系统软件设计主要包括信号采集和CAN接口通信程序。利用AT90CAN128片上集成的ADC模块可以采集一些常规传感器的模拟信号，如油压、水温、气压等信号；利用定时器/计数器模块采集传感器脉冲信号，如转速、行驶里程信号等。对于模拟量信号，在经过放大器处理之后，可以直接控制单片机的ADC模块对其进行采集；对于脉冲信号，在对其进行采集时需要进行整形处理，如转速传感器获取发动机飞轮旋转时轮齿的信号，是正弦交流信号，将其整形为方波信号，利用定时器/计数器模块采集方波的频率来完成速度采集。为提高转速采集的实时性，通常采集脉冲信号的周期（两个脉冲信号上升沿或下降沿之间的时间）来计算其频率，并计算发动机转速，计算公式如如式（1）所示。

    式（1）中为系统时钟周期，为分频系数，为发动机飞轮齿圈齿数（对于康明斯发动机为为轮齿脉冲两次上升（或下降）沿的计数器值。

　　CAN接口通信程序主要包括CAN控制器的初始化、数据接收和数据发送程序。主程序通过调用函数来实现数据的接收和发送，流程图如图3所示，在数据接收程序中，通过查询方式读取相应消息对象中的数据。

　　CAN控制器初始化工作主要包括波特率参数设置、接收屏蔽寄存器及接收代码寄存器的设置、使能允许寄存器的设置等。通过总线定时器寄存器CANBT1、CANBT2、CANBT3来设置波特率参数。AT90CAN128中提供了一组由4个验收码寄存器（CANIDT1～CANIDT4）和4个验收屏蔽寄存器（CANIDM1～CANIDM4）组成的验收滤波器，信息只有通过它的验收滤波才能被接收；所有验收屏蔽寄存器为0的位，验收码寄存器和CAN信息帧的对应位必须相同才能验收通过，而所有验收屏蔽寄存器中为1的位，验收码寄存器对应位的验收滤波功能则被屏蔽。通过设置验收滤波器，既可以实现节点与节点之间的点对点通信，也可以实现一点对多点的广播式通信，使整个数据通信网络更加灵活。
　　4、实验
　　采用本文设计的汽车ECU对车辆上的模拟信号（水温、压力等），脉冲信号（转速、里程等）进行采集，并通过CAN总线发送和接收数据。采用IXXAT公司的CAN分析仪（USBtoCAN）对CAN总线进行监控，利用计算机与CAN分析仪连接，并通过CAN总线采集ECU传输的数据，CAN总线的通信波特率设定为125kbps，实验中测得的总线状态如图4(a)所示，实验中采用CAN2.0B扩展帧协议，采集某ECU节点的CAN总线数据如图4(b)所示，其中节点204060为脉冲信号采集，节点204061为模拟信号采集，数据长度为8字节，空余字节用FF填补，可用来扩展信息量。

　　根据实际测量结果，可以看出总线没有接收到出错帧，接收到数据帧，反映总线工作状态正常。从接收的数据表明，每个ECU节点发送的ID码和数据与预定义的ID码和数据相同，总线接收和发送正常。另外，在软件中加入了异常处理，如果某节点一直向总线发送错误标志，总线会自动终止该节点，其他节点也会检测到错误条件，停止向该节点发送数据，这样可以避免总线瘫痪。
　　5、结论
　　本文设计的基于AT90CAN128单片机的汽车ECU，由于其本身接口丰富，可以采集多种传感器数据，并集成了CAN接口模块，这样提高了EUC的工作可靠性和CAN接口通信的可靠性，非常适宜于组建汽车CAN总线网络。另外，在硬件上做了优化处理，提高了系统的抗干扰能力。实验表明，该ECU能准确采集数据，并能通过CAN总线进行可靠通信