基于CAN的汽车怠速自动启停系统毕业设计（论文）word格式

1、目录 摘 要 .i abstract .ii 1 绪论 .1 1.1 课题研究背景.1 1.2 课题研究现状及意义.2 1.3 基于 can 的汽车怠速自动启停系统简介 .3 1.4 本文课题支撑和主要研究内容.4 1.4.1 本文的课题支撑.4 1.4.2 本文主要研究内容.5 2 can 总线技术分析.6 2.1 can 总线协议概述 .6 2.2 can 总线技术与常规布线技术比较 .6 2.2.1 常规布线技术的优缺点.6 2.2.2 can 总线技术的特点 .7 2.3 can 总线的分层结构及功能 .8 2.4 can 总线的报文 .9 3 基于 can 的汽车怠速自动启停系统总体

2、方案.12 3.1 基于 can 的汽车怠速自动启停系统功能需求分析 .12 3.2 系统构建方法.14 3.3 基于 can 的汽车怠速自动启停系统网络拓扑结构 .14 3.3.1 系统通信协议.14 3.3.2 系统网络拓扑结构.15 4 基于 can 的汽车怠速自动启停系统信号采集装置硬件设计.17 4.1 硬件设计平台.17 4.2 硬件总体结构.17 4.3 蓄电池电量检测电路.18 4.3.1 ne555 芯片介绍.18 4.3.2 蓄电池电量检测电路设计.19 4.4 开关信号处理电路.20 4.4.1 芯片 4n25 介绍.20 4.4.2 开关信号处理电路设计.20 4.5

3、模拟信号处理电路.21 4.5.1 芯片 mc912dp512 介绍.21 4.5.2 模拟信号处理电路设计.23 4.6 脉冲信号处理电路.23 4.6.1 芯片 6n137 介绍.23 4.6.2 脉冲信号处理电路设计.24 5 基于 can 的汽车怠速自动启停系统信号采集装置软件设计.26 5.1 软件开发平台简介.26 5.2 主程序流程图.26 5.3 基于 can 的汽车怠速自动启停装置软件初始化 .27 5.3.1 pll 初始化.27 5.3.2 ect 初始化.28 5.3.3 累加器初始化.29 5.4 报文发送.30 5.5 车速信号采集程序.31 5.6 系统试验平台建

4、立与性能分析.31 6 总结与展望 .33 6.1 全文总结.33 6.2 研究展望.33 参考文献.35 附录.37 致 谢 .40 摘 要 随着我国经济的快速发展，汽车行业呈现出空前繁荣的景象。据相关人员 保守估计，到 2015 年我国汽车保有量至少达到 1.5 亿，这将会加剧交通拥堵状 况，提高汽车消耗的能量，增加汽车排放的污染物。而当汽车遇到红灯、堵塞、 临时停车等路况时，汽车处于怠速状态，此时往往是燃料消耗和污染物排放量 最为严重的工况。 基于 can（controller area network，控制器局域网）的汽车怠速自动启停 系统是以 can 总线为信息共享和传输通道，基于汽

5、车各 ecu（electronic control unit，电子控制单元）和电器装置的信息集成，综合利用车载网络技术、 嵌入式技术、传感检测技术和智能控制技术等，研究并设计了基于 can 的汽 车怠速自动启停系统。该系统可在由于拥堵或红灯等路况而引起临时停车时， 根据汽车运行状态自动停止发动机运转，以达到节能减排的目的，并根据驾驶 员动作信息，快速启动发动机，为车辆再次行进提供动力。本文主要研究工作 如下： （1）了解 can 总线相关技术，对比 can 总线技术与常规布线技术，研 究 can 总线报文结构。 （2）设计基于信号采集系统硬件电路，其中，硬件电路以 mc9s12dp512 微处

6、理器为核心，需要设计的信号处理电路有：蓄电池监测电路、开关信号处 理电路、模拟信号处理电路、脉冲信号处理电路。 （3）设计信号采集系统的软件部分，画出软件流程图，并基于 freescale 的 code warrior 软件，用 c 语言编写软件程序，软件主要包括各个工作模块的 初始化、报文发送和车速信号的采集。 （4）构建实验平台，测试实验系统。 关键词：自动启停系统；信号采集装置；mc9s12dp512；codewarrior abstract as the economy of our country develops so fast, the industry of automobil

7、e shows the scenes of unprecedented prosperity.according to the conservative estimates of concerned people, there will be at least 150 millon cars in 2015, which in turn will lead to more traffic jams，more energy comsumption and more vehicle emissions.when facing with the circumstances of red light,

8、 traffic jams or emergency parking，the cars are in the idle state, and this time is always the conditions when fuel consumption and pollutant emissions reached the peak. the can-based vehicle automatic start-stop system takes the can(controller area network) bus as the channel of sharing and traspor

9、ting information.the system is based on the ecu(electronic control unit) of vehicles and the information integration of electrical installation, and it makes full use of the technology of car network，the technology of embedded, the technology of the sensor detection, the technology of intelligent co

10、ntrolling and so on.the system have researched on and designed the can-based vehicle automatic start-stop system.it can lead to the temporary parking when it is crowed or the lights turn to red.and it can stop the engine automatically according to the state of the vehicle in order to get the effect

11、of energy saving.also it can start the engine quickly on the basis of the action of the driver so as to providing the driving power for the vehicle.the main works of this dissertation are as follows: （1）the related technologies of the can bus should be understood,the technologies differences between

12、 the can bus and the conventional wiring have been compared and we have rearched on the message sructure of the can bus. （2）the hardware circuit of the signal acquisition system has been designed,which mainly contains four parts:the battery monitoring circuit;the switch signal processing circuit;the

13、 analog signal processing circuit and the pulse signal processing circuit.the core device of these circuits is the microprocessor mc9s12dp512. （3）the software of the signal acquisition system has been designed and the software flow chart has been drawed.the program was written with c langugage which

14、 based on the freescales code warrior.the initialzation ，the sending of the message and the signal acquisition of the speed are included. （4）a test platform should be built to test the laboratory system. keywords: automatic start-stop system; information acquisition device; mc9s12dp512; code warrior

15、 1 绪论 1.1 课题研究背景 随着社会经济的发展，我国城市化进程加快，使得城市汽车拥有量快速增 长，导致城市交通拥堵状况加剧，能源消耗上升，汽车排放造成的空气污染在 城市大气污染中的比例越来越高。据相关报道，机动车在给人们带来交通便捷 的同时，也带来许多危害人类健康的环境难题，有些环境问题甚至引起灾难性 事件。 英国报刊曾在一篇题为毒雾笼罩北京一文中说，由于车辆增加速度过 快以及低劣的汽油质量，北京市成为全球机动车尾气污染最严重的城市之一。 上海市的机动车总量虽然只相当于日本东京的 1/12，但空气中主要由机动车排 放的 co、hc 和 nox 的总量却基本相同。广州市空气污染的主要污染来

16、源是： 机动车尾气占 22，被市民评为“最不可忍受的污染物”。我国第一批环保模范 城的深圳市，大气污染中机动车尾气污染已占 70，每年排放的各种有害物质 达 20 多万吨，并且还在以每年超过 20的速度上升1。 鉴于上述严峻的环境形势，治理或减少汽车尾气排放量这一任务迫在眉睫。 而汽车在红灯、堵塞、临时停车等路况时处于怠速状态，此时往往是燃料消耗 和污染物排放最为严重的工况。汽车怠速时不仅消耗了燃料，且 nox 和 co 的 排放量都比正常工况高出很多，增加了污染与排放；同时，电气系统的供电由 蓄电池提供，因此会对蓄电池造成损害，怠速时间过久还会造成蓄电池电量不 足，影响其寿命。调查表明，在城

17、市行车过程中，汽车怠速时间占整个行车时 间的 22%，以北京市目前的汽车保有量计算，堵车时汽车怠速 1 小时所造成的 损失就高达 2000 万元。就武汉市而言，2010 年汽车保有量已经超过了 100 万 辆，等待红绿灯的平均时间早已超过了 30 秒，有的甚至达数分钟，而大多数 司机都采取怠速等待。 据理论分析，火花塞点火发动机燃烧过程中，暖机启动消耗的燃料仅相当 于发动机怠速运转 0.7 秒，因此汽车停止时间只要高于 1 秒，就应当让发动机 熄火，以降低燃料消耗与排放，保护环境，而多数驾驶员并没有此操作习惯2。 因此，汽车怠速自动启停系统非常适合在道路拥堵及等待红灯状态下使用，以 减少堵车和

18、路口等红灯时因发动机怠速运转而造成的油耗损失和排放。 1.2 课题研究现状及意义 can（controller area network，控制器局域网）总线作为一种可靠的汽车 计算机网络总线已开始在先进的汽车上得到应用，使得各汽车 ecu（electronic control unit，电子控制单元）能够通过 can 总线所共享所有的信息和资源， 达到简化布线、减少传感器数量、避免控制功能重复、提高系统可靠性和可维 护性、降低成本、更好地匹配和协调各个控制系统的目的。这样使得汽车的动 力性、安全性、操作稳定性都上升到新的高度。 技术的先进性是 can 总线在汽车上应用的最大动力，也是各个汽车生

19、产 厂商竞相应用 can 总线的主要原因。在现代轿车的设计中，can 已经成为必 须采用的装置，奔驰、宝马、大众、沃尔沃、雷诺等汽车都采用了 can 作为 控制器联网的手段。据相关报道，中国首辆 can 网络系统混合动力轿车已在 奇瑞公司装配成功，并进行运行。上海大众的帕萨特和 polo 汽车上也开始引 用了 can 总线技术。can 总线控制技术是提高汽车性能的一条很好途径。但 总的来说，目前 can 总线控制技术在我国汽车工业总的应用尚处于试验和起 步阶段，绝大部分的汽车还没有采用汽车总线的设计，因而存在不少弊端。 随着汽车电子技术的发展，具有高度灵活性、简单扩展性、优良抗干扰性 和处理错

20、误能力的 can 总线通信协议必将在汽车电控系统中得到更广泛的应 用。 目前生产“启停系统”的厂商主要是博世这样的零部件厂商，同时整车厂商 也涉足了这一技术。汽车怠速自动启停系统的应用现状具体如下：雪铁龙于 2004 年在 c3 上搭载“启停系统”；奔驰 smart for two 以及路虎的神行者 2 代 都搭载了启停系统；长安 cx30 搭载了博世的启停系统；奇瑞汽车早在 2008 年 的奥运会期间就推出了 a5 bsg，作为奥运期间的服务用出租车，该车搭载有 启停系统（目前已经停产)；宝马也是最早采用“启停系统”的厂商之一，目前 已经在宝马海外车型上大规模应用，各大厂商的新能源车型计划中

21、几乎都包括 “启停系统”；据了解，大众旗下的高尔夫、迈腾在未来都将配备该项技术；福 特的嘉年华与新福克斯、马自达的新款马 3 也将采用该系统。 但是，由于技术不够成熟，以前的“启停系统”的作用并没有发挥出来， 只是增加了车辆成本，却未达到良好的效果，汽车网络控制领域还未出现“启 停系统”。换句话说，中国在汽车启停系统这一块，远远落后于日本，美国， 欧洲等发达地区。这项技术在今天仍没有得到推广，较好的启停系统只用于高 档轿车和豪华轿车上，大部分轿车并没有搭载这个系统。而且，使用了启停系 统的普通车型，其效果不够理想，没能产生足够的经济价值。 搭载“启停系统”的门槛相对较低，同时在其成本上也不会有

22、太大的障碍， 这使得绝大多数厂商都有可能推出搭载“启停系统”的车型，特别是在欧洲市 场，“启停系统”已经成为很多的车型的标准配置。随着更严格排放法规的实 施，更多厂商将会使用这一项配置。目前像博世这样掌握“启停技术”的厂商 也在大力推广这一配置，即使是自身没有投入这项技术研发的整车厂商也可以 通过购买的方式为旗下的产品搭载这一配置。所以一旦国内消费者接受并认可 “启动系统”技术，这一系统的发展空间将会快速增长。 汽车怠速自动启停系统具有很大的发展空间。据相关报道，汽车怠速自动 启停系统可降低汽车约 8%的油耗和排放。对国家和社会来说，如果用 35 年 时间准备，一年装车 500 万辆，则每年可

23、节约 4.7 亿升燃油和减少 1300 万吨 co2的排放量，累积效应十分可观。本项目预期成果服务于汽车领域，直接应 用于乘用车，以突破国外技术壁垒，推动汽车电子技术的发展，达到汽车节能 减排目的。 1.3 基于 can 的汽车怠速自动启停系统简介 如图 1-1 所示为简化的汽车 can 总线结构，其中，发动机、abs（anti- locked braking system，防抱死刹车系统）系统、自动变速器、安全气囊等都是 现代汽车动力的核心部件，对时间响应要求严格，因而需要采用传输速率高的 can 通信网络。车灯控制、中央门锁控制、照明控制和仪表管理控制等相对来 说实时性要求较低，采用传输速

24、率低的低速 can 通信网络即可满足要求。主 控制器跨接高、低速两条总线，与各节点进行数据交换，建起网关作用，实现 网络互连3。总之，硬件方案软件化实现，简化了设计，降低了成本。 发动 机 自动变速 器 abs系统安全气囊 车灯控制照明控制 中央门锁 控制 仪表管理 控制 中央控制器（网关服 务器） 高速can总 线 低速can总 线 r r 图 1-1 汽车系统 can 总线结构 can 总线在汽车中的应用具有以下优势： 信息共享。采用 can 总线技术可以实现各 ecu 之间的信息共享，减少不 必要的线束和传感器。例如具有 can 总线接口的电喷发动机，其它电器可 共享其提供的转速、水温、

25、机油温度、油量瞬时流速等信息。 减少线束。传统电信系统单一点对点的通信方式已经不能满足现代复杂的 通信要求，不仅浪费布线，增加重量，还不利于系统扩充，因此并不能适 应汽车的发展。而 can 总线可有效减少线束，节省空间。例如某车门-后 视镜、摇窗机、门锁控制等的传统布线需要 20-30 根，应用总线 can 则只 需要 2 根。 易于扩充。传统的布线方式导致系统布线复杂，而且点对点的信息传输方 式导致系统扩充比较复杂。而 can 总线特有的优点使系统的扩充容易实现， 这一更有利于汽车的发展。 本设计考虑到我国城市交通运行的拥堵现状况，并针对汽车节能减排现状 及发展趋势，采用 can 总线，基于

26、汽车各 ecu 和电器装置的信息集成，综合 利用车载网络技术、嵌入式技术、传感检测技术和智能控制技术等，研究并设 计汽车怠速自动启停系统。该系统针对城市道路交通拥堵和汽车怠速停车现状， 在车辆因为拥堵或红灯等因素临时停车时，根据汽车运行状态，自动停止发动 机运转，以达到节能减排的目的；并根据驾驶员动作信息，快速启动发动机， 为车辆再次行进提供动力。 本文主要是针对该系统的信号采集装置进行相关设计。其中，硬件电路主 要以 mc9s12dp512 微处理器为核心，对一系列开关、模拟和高速脉冲信号进 行处理；软件系统的开发平台是 freescale 的 code warrior 软件，该平台通过所

27、采集的信号对汽车启动停止条件进行分析判断，并且发出相应的控制信号。 基于 can 的汽车自动启停系统信号采集装置主要采集一系列开关、模拟 和高速脉冲信号，设计相关信号处理电路将这些信号转化为 mc9s12dp512 微 处理器可接收的标准电平信号或模拟信号，并将这些信号送入 mc9s12dp512 微处理器中进行处理，然后判断汽车是否处于怠速或启动状态，从而发出相关 控制命令。除此之外，由于所用蓄电池电平（12v）跟电路板供电电平（5v） 不兼容，故另需设计电平转换电路。 1.4 本文课题支撑和主要研究内容 1.4.1 本文的课题支撑 本文课题支撑源于以下科研项目： 2011 年武汉理工大学“

28、大学生节能减排社会实践与科技竞赛”项目：“基 于 can 的汽车怠速自动启停系统”（校一等奖）。 1.4.2 本文主要研究内容 本文提出了基于 can 的汽车怠速自动启停装置，主要研究了基于 can 的 汽车怠速自动启停装置的信号采集装置，其中，该装置的硬件电路主要以 mc9s12dp512 微处理器为核心，软件系统的开发平台是 freescale 的 codewarrior 软件。本文共分为五章，其主要内容更如下： 第一章介绍提出基于 can 的汽车怠速自动启停装置的背景以及该装置的 发展现状，提出基于 can 的汽车怠速自动启停系统的基本框架，并阐明了提 出该系统的意义。 第二章对 can

29、 总线进行了详细的分析，介绍了 can 总线的技术规范、特 点与结构，着重分析了 can 总线的报文，并将其与常规布线技术做比较。 第三章对基于 can 的汽车怠速自动启停系统作了简单的总体介绍，分析 了系统的功能需求，提出了系统的总体构建方法，介绍了系统的通信协议，并 提出了系统的网络拓扑结构。 第四章对基于 can 的汽车怠速自动启停系统信号采集装置硬件设计作了 详细说明，信号采集装置主要包括蓄电池电量检测电路、开关信号处理电路、 模拟信号处理电路和脉冲信号（车速信号）处理电路。 第五章主要对信号采集装置的软件部分作了详细说明，软件设计主要包括 工作模块初始化、报文发送和车速信号采集处理。

30、其中，工作模块主要包括 pll(phase locked loop，锁相环)模块、ect（ehanced capture timer，增强型 捕捉定时器）模块。 第六章主要对全文进行总结，并且就该系统的未来应用前景进行了展望。 2 can 总线技术分析 2.1 can 总线协议概述 can 是 controller area network（控制器局域网）缩写，是 iso 国际标准 化的串行通信协议。can 总线属于现场总线的范畴，是一种有效支持分布式控 制系统的串行通信网络。can 最初是由德国的 bosch（博士）公司为汽车的监 测与控制设计的，但由于 can 总线本身的突出特点，其应用领

31、域目前已不再 局限于汽车行业，而向过程工业、机械工业、机器人、数控机床、医疗器械及 传感器等领域发展。由于其高性能、高可靠性及独特的设计，can 总线越来越 受到人们的重视，国际上已经有很多大公司的产品采用了这一技术。can 已经 形成国际标准（iso11898），并已成为工业数据通信的主流技术之一。 can 总线又称作汽车总线，它能将各个单一的控制单元以某种形式（总线 形、环形、星形、网形等）连接起来，形成一个完整的系统。在该系统中，各 控制单元都以相同的规则进行数据传输交换和共享，称为数据传输协议。 can 总线主要由四部分组成：导线、控制器、收发器和终端电阻。其中导 线为由两根普通铜导线

32、绞在一起的双绞线。控制器的作用是对收到和发送的信 号进行翻译。收发器负责接收和发送网络上共享的信息。电阻是阻止 can 总 线信号产生变化电压的发射，当电阻出现故障，控制单元的信号无效4。 2.2 can 总线技术与常规布线技术比较 2.2.1 常规布线技术的优缺点 如图 2-1 所示，这是汽车内简单的常规方法布线图。常规布线方法即电线 一端与开关连接，另一端与用电设备相通，这样将导致车上电线数目急剧增加， 使得电线的质量占整车质量的 4左右，这样会增加汽车布线中所用铜线，从 而增加成本以及汽车重量。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车辆

33、的可靠性，点对点布线 法使得故障的查找相当麻烦，增加了维修的难度。最后，对系统进行扩充也是 一个比较困难的问题。 仪表板 电机控 制 防抱死 变速系 统 主动悬 挂 空调电动锁灯具组 安全气 囊 电机座椅 电机窗 图 2-1 常规方法布线网络图 2.2.2 can 总线技术的特点 can总线与一般的通信总线相比，其数据通信具有突出的可靠性、实时性 和灵活性。本项目采用can构建汽车怠速自动启停系统，可有效减少线束、消 除信号冗余、易于扩展功能，最终实现信息集成控制5。其特点如下： 总线访问采用基于优先权的多主方式。can 总线的最大特点是任一节 点所发送的数据信息不包括发送节点或接收节点的物理

34、地址。信息的 内容通过一个标识符（id）作标记，在整个网络中，该标识符是唯一 的。网络上的其他节点收到信息后，每一节点都对这个标识符进行检 测，以判断此信息是否与自己有关。若是相关信息，则它将得到处理； 否则被忽略。这一方式称为多主方式。标识符还决定了信息的优先权。 id 值越小，其优先权越高。 can 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息 时，优先级较低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点可不受 影响的继续传输数据。can 总线采用带有冲突检测的载波侦听多路访 问方法，它能通过无破坏性仲裁解决冲突。can 总线上数据采用非归 零编码，数据位可以具有两种互补的逻辑值，即显

35、性（“0”）和隐 性（“1”）。总线按照线与机制对任一潜在冲突进行仲裁，显性电 平覆盖隐性电平。 can 程序通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几 种方式传送接收数据，无需专门的“调度”。利用接收滤波对帧实现了 多点传送。在 can 系统中，节点可以不用任何有关系统配置（如节 点地址）的信息。接收器对信息的接受或拒绝时建立在一种称为帧接 收滤波的处理方法上的。该处理方法能判断出接收到的信息是否和接 收器有关联，所以接收器没必要判别出谁是信息的发送器，反过来也 是如此。 can 的直线通信距离最长可达 10km（速率 5kbps 以下），通信速率 最高可达 1mbps（此时通信距

36、离最长为 40m） 采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有良好的检错效果。 can 的每帧信息都有 crc（cyclic redundancy check，循环冗余校验 码）校验及其它检错措施，保证了数据出错率极低。 can 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 can 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出的功能，以使总线上 其它节点的操作不受限制。 2.3 can 总线的分层结构及功能 can 遵循 iso/osi 标准模型，定义了 osi（open system interconnect，开 放系统互连）模型的数据链路层（包括逻辑链路控制子层 llc 和媒体访问子层 m

37、ac）和物理层。如图 2-2 所示，逻辑链路子层 llc 子层的主要功能是报文 滤波、超载通知和恢复管理。媒体访问控制子层 mac 子层的功能主要是传送 规则，以及控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定。mac 子层也要确定为开始一次新的发送，总线是否开放或者是否马上开始接收，位 定时也是 mac 子层的一部分。物理层是实现 ecu 与总线相连的电路6。 数数据据链链路路层层 逻逻辑辑链链子子层层 接接收收滤滤波波 超超载载通通知知 恢恢复复管管理理 媒媒体体访访问问控控制制子子层层 数数据据封封装装/拆拆装装 帧帧编编码码（填填充充/解解除除填填充充） 媒媒体体访访问问管管理理层

38、层 错错误误检检测测 出出错错界界定定 应应答答 串串行行化化/解解除除串串行行化化 物物理理层层 位位编编码码/解解码码 位位定定时时 同同步步 驱驱动动器器/接接收收器器特特性性 监监控控器器 故故障障界界定定 总总线线故故障障 管管理理 图 2-2 can 层级式体系结构 2.4 can 总线的报文 can 总线的报文传送由 4 种不同类型的帧表示和控制，分别是： 数据帧，携带数据由发送器至接收器； 远程帧，通过总线单元发送，以请求发送具有相同标识符的数据帧； 出错帧，由检测出总线错误的任何单元发送； 超载帧，用于提供当前和后续数据帧的附加延迟。数据帧和远程帧借 助帧间空间和当前帧分开。

39、 （1）数据帧 数据帧由 7 个通的位场组成，即帧起始、仲裁场、控制场、数据场、crc 场、应答场和帧结束。can 总线技术规范 2.0 数据帧的组成如图 2-3 所示。在 can 总线技术规范 2.0 中存在两种不同的帧格式，其主要区别在于标识符的长 度，具有 11 位标识符的帧称为标准帧，而包括 29 位标识符的称为扩展帧。标 准格式的数据帧结构如图 2-4 所示。扩展格式的数据帧结构如图 2-5 所示。 图 2-3 can 总线技术规范 2.0 数据帧的组成 图 2-4 标准格式的数据帧 图 2-5 扩展格式的数据帧 其中，srr 为代替远程请求位，ide 为标识位扩展位，rtr 为远程

40、发送请 求位。 （2）远程帧 接收数据的节点可以通过发送远程帧要求源节点发送数据，它由 6 个不同 位场组成：帧起始、仲裁帧、控制场、crc 场、应答场和帧结束。远程帧和数 据帧的结构基本相同，其中 rtr 位为隐形，且不存在数据场，远程帧组成如图 2-6 所示。 图 2-6 远程帧的组成 （3）出错帧 出错帧由错误标志和错误界定符两个域组成。接收节点发现总线上的报文 有错误时，将自动发出活动错误标志，它是六个连续的显性位。其他节点检测 到活动错误标志后发送错误认可标志，它由六个连续的隐性位组成。当错误标 志发生后，每一个 can 节点监视总线，直至检测到一个显性电平的跳变。此 时表示所有的节

41、点已经完成了错误标志的发送，并开始发送八个隐性电平的界 定符。如图 2-7 所示。 图 2-7 出错帧的组成 （4）超载帧 超载帧包括两个位场：超载标志和超载界定符，如图 2-8 所示。存在两种 导致超载标志的超载条件：一个是要求延迟下一个数据帧或远程帧的接收器的 内部条件；另一个是在间隙场检测到显性位。超载标志由 6 个显性位组成。 图 2-8 超载帧的组成 3 基于 can 的汽车怠速自动启停系统总体方案 3.1 基于 can 的汽车怠速自动启停系统功能需求分析 为了解决上述问题，本系统的设计需要满足如下几点要求： 能实现对大多数手动档与自动档汽车的兼容，通过对现有汽车的改 装来安装本系统

42、并正常工作，以提高本系统的适用性及可推广性。 针对汽车怠速自动启停需求，充分考虑各种情况，并提出实际可行、 符合大多数人驾驶习惯的控制方法，在保证不会因系统误操作而影响 司机正常驾驶的情况下，实现系统功能。 以汽车怠速自动启停关联信息的网络传输为目标，提出基于can的 汽车怠速自动启停系统构建方法，并合理控制系统的成本。 模拟汽车在路过一个交通路口时启停系统的工作过程 如下：驾驶员坐在 驾驶舱内，前方路口的红灯亮起，驾驶员踩下制动踏板，停车摘 档。这时候， 汽车怠速自动启停系统自动检测：发动机空转且没有挂 档；车轮转速传感器 显示为零且车速在一定时间内逐渐减为零 ；电池电量显示有足够的能量进行

43、 下一次启动；控制开关处于开启状态 。满足这几个条件后，系统将发出熄火 指令，使得发动机自动停止转动。 同时红色信号灯亮提示驾驶员发动机已熄 火。 而当信号灯变绿后， 对于手动动挡汽车，只要驾驶员踩下离合器，随即 该系统就可以立即感知此变化信号并且发出指令快速地启动发动机。 对于自 动挡汽车，驾驶员只需要挂档或者踩下油门踏板 ，该系统就能立即采集到信 号并且立即启动发动机， 车辆即可迅速移动，完全不影响驾驶乐趣 。 但是，在某些情况下，汽车怠速自动启停系统是不发出信号的， 比如 蓄电池电量很低时， 或者汽车处于斜坡上时，这样的话 发动机在很短暂的停 车后马上继续工作；或者如果空调系统设在为挡风

44、玻璃 “防冰”、“防雾”挡上 的时候发动机也不会熄火 。另外，在发动机关闭的时候，一旦出现蓄电池电 量低于限定值、制动系统内压力下降到某一点之下、车辆出现向前或者向后 “溜车”等情况，发动机将会被毫无延迟地重新 启动。 针对手动档汽车与自动档汽车分别设计汽车怠速自动启停系统系统功能 流程图如图 3-1 和图 3-2 所示。 发发动动机机熄熄火火，红红灯灯亮亮 电电池池电电量量信信号号电电量量是是否否足足够够下下一一次次启启动动 中中央央处处理理器器 离离合合器器信信号号 车车速速信信号号 档档位位信信号号 车车速速是是否否逐逐渐渐减减为为零零 档档位位是是否否处处于于空空档档 离离合合器器是是

45、否否被被踩踩下下 开开关关 无无输输出出信信号号 发发动动机机启启动动，绿绿灯灯亮亮 记记忆忆芯芯片片 发发动动机机信信号号发发动动机机是是否否处处于于运运转转状状态态 图 3-1 手动档汽车的系统功能示意图 如图 3-1 所示，系统一共有 6 个输入量：主控开关、档位信号、发动机信 号、车速信号、离合器信号和电池电量信号，这些信号的处理都是通过信息采 集模块完成的，通过记录变化过程或是状态的改变来决定系统能否作出反应。 发发动动机机熄熄火火，红红灯灯亮亮 电电池池电电量量信信号号 电电量量是是否否足足够够下下一一次次启启动动 中中央央处处理理器器 脚脚刹刹信信号号 车车速速信信号号 档档位位

46、信信号号 车车速速在在一一定定时时间间内内的的变变化化情情况况 变变速速箱箱处处于于哪哪个个档档位位上上 制制动动情情况况 开开关关 无无输输出出信信号号 发发动动机机启启动动，绿绿灯灯亮亮 记记忆忆芯芯片片 节节气气门门信信号号 节节气气门门开开度度情情况况 图 3-2 自动档汽车的系统功能示意图 自动挡和手动档的工作原理相同，只是自动挡在档位为 p（停车档）档位 时，系统同样是不起作用的，这与自动挡汽车的起动机与点火系统有关。 3.2 系统构建方法 从汽车运行特征和驾驶员驾车特征入手，分析汽车怠速自动启停系统特征， 基于面向对象技术，建立汽车怠速自动启停系统需求模型；从网络传输速率、 数据

47、传输距离、媒体访问控制方式、报文调度方法、应用领域和成本等方面分 析 can 网络协议；基于功能驱动方法，选用合适的网络类型（总线结构，单 网络），构建基于 can 的汽车怠速自动启停系统；针对 can 网络特点，设计 基于 can 的汽车怠速自动启停系统报文调度方法，设计应用层协议；基于嵌 入式单片机技术，选择合适的通信模块，采用单芯片开发解决方案，开发基于 can 的汽车怠速自动启停系统网络通信接口。 3.3 基于 can 的汽车怠速自动启停系统网络拓扑结构 3.3.1 系统通信协议 can 总线与一般的通信总线相比，其数据通信具有突出的可靠性、实时性 和灵活性。本项目采用 can 构建汽

48、车怠速自动启停系统，可有效减少线束、 消除信号冗余、易于扩展功能，最终实现信息集成控制。关于 can 总线的相 关技术在前面第二章已经作了详细介绍，下面主要介绍基于 can 的 sae j1939 协议。 由于 can 协议仅定义了物理层和数据链路层，为了使汽车电子控制系统 在一个标准网络架构下实现不同 ecu 间的通信，美国 sae（society of automotive engineer，汽车工程师协会）在 can2.0b 的基础上制定了 sae j1939 协议。因此，本系统基于 sae j1939 设计并实现网络应用层功能。sae j1939 的物理层和数据链路层是以 can2.0

49、b 协议为基础的，因此它和 can 网 络一样，波特率可达 250kb/s，任何节点在空闲时可向总线上传输报文，每个报 文都包含标识符，采用非破坏仲裁机制解决冲突。sae j1939 的分层结构如图 3-3 所示。 从图中可以看出，can 协议在 osi(开放式系统互连)模型中只定义了物理 层和数据链路层的 mac 层，sae j1939 以 can2.0b 为基础，它在此基础上还 定义了网络层和应用层的协议。但是，sae j1939 为传输层、会话层和表示层 预留了位置，以便将来进行扩展7。 应用层 物理层 数据链路层llc mac 网络层 网 络 管 理 + osi（开放式系统互连)七层模

50、型 can 2.0b sae j1939分层结构 应用层 数据链路层 网络层 传输层 会话层 表示层 物理层 图 3-3 与 osi 模型相对应的 sae j 1939 分层结构模型 3.3.2 系统网络拓扑结构 基于 can 的汽车怠速自动启停系统以屏蔽双绞线为信息传输通道，以 can 为信息传输协议，按照区域自治原则进行模块划分，即根据几何位置相近、 功能相似、性能要求基本一致的原则对汽车怠速启停相关信息进行集成控制。 该系统拓扑结构为总线式，由 3 个模块构成，分别是前控模块、后控模块和主 控模块。系统网络拓扑原理如图 3-4 所示。 图 c ca an nh h c ca an nl

51、l h hl lh hl l h hl l 前前控控模模块块 主主控控模模块块后后控控模模块块 电电源源 vcc gnd 开开关关、档档位位、手手刹刹信信号号 输输出出信信号号：指指示示灯灯、起起动动 机机 车车速速信信号号：高高速速脉脉冲冲信信号号 pb0pb7 pe0pe2 pj0 mc9s12dp512 mc9s12dp512 mc9s12dp512 制制动动信信号号 离离合合器器信信号号 节节气气门门开开度度 信信号号 电电池池电电量量信信 号号 pad01 pad08 pad00 pj1 车车速速信信 号号：高高速速 脉脉冲冲信信号号 3-4 基于 can 的汽车怠速自动启停系统网络

52、拓扑 其中，前控模块用于接收 can 总线上传输的控制消息，基于 sae j1939 应用层协议解码后，根据控制规则完成对起动机的控制；同时该模块还会采集 前部各种状态信号，基于 sae j1939 应用层协议形成状态消息，并发送到 can 总线上，供主控模块使用。后控模块采集后部各种状态信号，基于 sae j1939 应用层协议形成状态消息，并发送到 can 总线上，供主控模块使用。主控模 块用于接收 can 总线上传输的状态消息，基于 sae j1939 应用层协议解码后， 根据控制规则完成形成控制指令；该模块同时基于 sae j1939 应用层协议形成 控制消息，并发送到 can 总线上

53、，以控制前控模块。 4 基于 can 的汽车怠速自动启停系统信号采集装置 硬件设计 4.1 硬件设计平台 对硬件部分的设计涉及硬件原理图的绘制，以及依据原理图制作 pcb 板， 本项目采用的设计软件平台是 protel 99se。 4.2 硬件总体结构 为便于产业化推广，本项目设计了系统的通用硬件电路，各模块可基于此 进行增减。如图 4-1 所示，硬件电路由 mc9s12dp512 微处理器、can 通讯电 路、电源处理电路、开关信号处理电路、模拟信号处理电路、脉冲信号处理电 路、输出驱动电路及显示部分等组成。信号采集装置包括数字信号（开关、档 位、手刹）处理、模拟信号（离合器、油门踏板、刹车

54、、电池电量）转换与处 理、高速脉冲信号（车速）处理这几个部分。 电源 输出指示 信号 开关、档 位、手刹 信号 车速信号 刹车信号 离合器信 号 油门踏板 信号 电池电量 信号 模 拟 输 入 信 号 can通讯显示部分 vcc gnd pb0pb7 pe0pe2 pj0 pad08 pad00 pj1 pm0pm1ps0ps3、pm7 pad01 mc9s12dp512 核心板 图 4-1 硬件电路原理框图 4.3 蓄电池电量检测电路 4.3.1 ne555 芯片介绍 ne555 是一种应用特别广泛的集成电路，属于小规模集成电路，在很多电 子产品中都有应用。其内部结构可等效成 23 个晶体三

55、极管、17 个电阻、两个 二极管，组成了比较器、rs 触发器等多组单元电路.特别是由三只精度较高 5k 电阻构成了一个电阻分压器.为上.下比较器提供基准电压.所以称之为 5558. ne555 定时器的内部电路图及各引脚如图 4-2 所示.各引脚功能如下： 1 接地。 2 触发点，这个脚位是触发 ne555 使其启动它的时间周期。触发信号上 缘电压须大于 2/3 vcc，下缘须低于 1/3 vcc 。 3 输出，当时间周期开始 555 的输出脚位，周期的结束输出回到 ov 左右 的低电位。于高电位时的最大输出电流大约 200 ma 。 图 4-2 ne555 定时器的内部电路图及各引脚 4 重

56、置（复位），一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出 回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。 5 控制，这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。如果控制电压端 （5）外接电压 vic，则比较器 c1、c2的基准电压就变为 vic和 vic/2。 6 阈值输入。 7 放电，这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为 on 时为 low，对地为低阻抗，当输出为 off 时为 high，对地为高阻抗。 8 v +，这是 555 个计时器 ic 的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5 伏 特(最小值)至+16 伏特(最大值)。 4.3.2 蓄电池电量检测电路设计 图 4

57、-3 蓄电池电量监测电路 蓄电池额定工作电压为 12v，当蓄电池电量低于一定值时，发动机将无法 重新启动，因此需对蓄电池电量信号进行监测。蓄电池电量监测电路如图 4-3 所示，工作原理为：当蓄电池的电压高于 11.3v 时，555 的引脚 3 输出低电平， led 不亮，l-3 以低电平信号输出至微处理器；当蓄电池电压下降到 11.3v 以 下时，引脚 3 输出高电平，led 亮，l-3 以高电平信号输出至微处理器，指示 电量不足。另外，通过调节，可改变所要检测的电压阈值9。 在该电路中，5 脚接了一个 6v 的稳压管，因此比较器 c1、c2的基准电压 分别为 6v 与 3v，若要满足设计要求

58、，即比较器 c2在电池电量降到电压阈值 11.3v 时，其输出发生跳变。设滑动变阻器接入电路电压为 rx，则有： ，解得 rx=5.75k，即将滑线变阻器的接入值调 x24 22x24 11.33 rr vv rrr 到此值即可满足设计要求。由于 led 指示灯的工作电流一般为 0.02a0.03a, 而 3 脚输出的高电平为 5v，故取 r25=200。 4.4 开关信号处理电路 4.4.1 芯片 4n25 介绍 光电耦合器是以光作为控制信号的器件，其输入端由发光二极管组成，输 出端为光敏三极管。由光作为传输介质，因此在电气上输入和输出是完全隔离 的，所以输入信号和输出信号毫无影响。 4n2

59、5 由砷化镓红外发光二极管和硅光电晶体管检测器光耦合构成，是一种 发光二极管与光电晶体管面对面封装的单回路、内光路光电耦合器。光电耦合 器 4n25 可用于系统与现场的隔离，系统的数字量是具有标准的高低电平并能 和微机兼容的脉冲信号。如果现场产生的开关量信号在波形，电平阻抗上不能 直接达到标准，也必须加以适当的整形，隔离和交换。 光电耦合器 4n25 具有体积小、寿命长、无触点、抗干扰能力强等优点， 是开关电路、逻辑电路、长线传输、模/数变换、微控制器的隔离电路、线性放 大电路等领域中的首选芯片。因此本设计中选择 4n25 作为开关信号的隔离元 件。 4n25 的功能引脚图如图 4-4 所示：

60、 1.正极 2.负极 3.空脚 4.发射极 5.集电极 6.基极 图 4-4 4n25 功能引脚图 4.4.2 开关信号处理电路设计 在系统的输入信号中，主控开关、档位及手刹信号属于开关信号，对该开 关信号处理主要是使所采集的输入端信号与输出到单片机的信号进行电气隔离， 滤除采集现场的噪声干扰信号。 总开关信号的处理电路如图 4-5 所示。开关信号从 2 脚输入，5 脚为输出信 号。输入的开关信号经过由 r4 和 c3 构成低通滤波器，可以滤除开关信号中的 高频噪声干扰信号，发光二极管 led2 起指示作用。其工作原理为：当输入的 开关信号断开时，输入信号为高电平，光电耦合器 u3 中发光二极