基于CAN_LIN总线的汽车网络控制系统

1、设计与研究基于CAN /L IN 总线的汽车网络控制系统孔凡天,陈幼平,谢经明,张冈,周祖德(华中科技大学,湖北武汉430074Vehicle Networked Cont rol System Based on CAN and L IN BusK ONG F antian ,CHEN You ping ,XIE Jing ming ,ZHANG G ang ,ZH OU Zu de(Huazhong University of Science and Technology ,Wuhan 430074,China 摘要:设计了一种基于低成本CAN/L IN 混合总线的汽车网络控制系统,完成了相

2、关CAN 节点、L IN 节点与CAN/L IN 网关的软硬件设计,实现了车内网络数据的充分共享.将该系统应用于汽车控制中,可明显减少汽车上的线束,更好地控制和协调汽车的各个子系统.关键词:CAN 总线;L IN 总线;节点中图分类号:TP336文献标识码:A文章编号:10012257(200610000304收稿日期:20060316基金项目:国家自然科学基金资助项目(60204004;武汉市科技局重点科技攻关资助项目(武科计2004140号Abstract :A kind of electronic cont rol system based on low co st CAN/L IN m

3、ixed net for car body was designed.The design and implementation of CAN node ,L IN node and t he CANL IN gate 2way was finished ,which made it po ssible to f ully share t he data in vehicle.Application of t he system can obviously reduce t he amount of wire bundles ,and let it easier to cont rol and

4、 coordinate each sub 2system in t he vehicle.K ey w ords :CAN bus ;L IN bus ;node0引言汽车通讯网络能够灵活方便地集成各子系统,同时减少车内线束和车的重量,避免了由电控单元带来的成本增加,并且提高了系统的可靠性.目前,国外许多整车制造厂和汽车电器制造厂家在整车管理系统中采用了网络技术,如CAN ,L IN 和SA EJ 1850等,实现了整个车身的网络化控制.而目前我国的整车制造厂和汽车电子电器厂几乎没有涉及到汽车电器网络化设计的领域1.但随着我国汽车工业和电子工业的发展,进行汽车电器的网络化研究与开发已经成为十分

5、重要的课题.1整车控制系统总体结构设计汽车上各种电器对网络信息传输延迟的敏感性差别很大,发动机控制器、自动变速器控制器、ABS 控制器和安全气囊控制器等之间的协调关系所要求的实时性很强,而前后车灯的开关、车门开闭和座位调节等简单事件对信息传输延迟的要求较宽松(传输延迟允许10100ms ,若将这些功能简单的节点都挂在高速总线上,势必会提高对节点的技术要求和成本,故有必要进行多路总线设计.考虑到与国际标准的一致性,这里采用CAN 高速网和L IN 低速网来组建如图1所示的整车网络控制系统.图1汽车网络控制系统总体结构汽车驱动系统中采用高速CAN ,信息传输速度达500kbit/s 1Mbit/s

6、 ,其主要连接对象是:发动机、自动变速器、ABS/ASR 、安全气囊、主动悬架、巡航系统、电动转向系统及组合仪表信号的采集系统等.驱动系统CAN 的控制对象都是与汽车行驶控制直接相关的系统,对信号的传输要求有很强的实时性,它们之间存在着较多的信息交流,而且很多都是连续的和高速的.车身系统中采用低速L IN 总线,信息传输速率为20kbit/s ,主要连接对象是:前后车灯控制开关、电动座椅控制开关、中央门锁与防盗控制开关、电动后视镜控制开关、电动车窗升降开关、气候控制开关、故障诊断系统、组合开关、驾驶员操纵信号采集系统和仪表显示器等.车身系统L IN 总线的控制对象主要是低速电机、电磁阀和开关器

7、件,它们对信息传输的实时性要求不高,但数量较多,将这些电控单元与汽车驱动系统分开,有利于保证驱动系统的实时性,同时还能降低硬件成本.CAN 总线和L IN 总线之间相互独立,通过网关服务器进行数据交换和资源共享.网关服务器同时也是整车管理系统的控制核心,可完成对各种信息的分析处理,并发出指令,协调汽车各控制单元及电器设备的工作. 2网络节点硬件设计 CAN 节点的微控制器选用C8051F040,由于C8051F040内部集成了CAN 总线控制器,电路上显得非常简洁.但C8051F040内部的CAN 控制器只是协议控制器,不能提供物理层驱动,故在使用时还需外加CAN 总线收发器并加上适当的隔离2

8、.一个基于C8051F040的CAN 总线节点的硬件接口原理如图2所示,对于主节点和从节点,CAN 图2CAN 总线节点硬件结构总线硬件接口是相同的.图2中C8051F040的6,7脚分别为CAN RX 和CAN TX 引脚,CAN 的输出输入必须加总线收发器才能与CAN 物理总线相连.系统采用了TJ A1050高速CAN 收发器来替代干扰能力,将CAN 引脚通过高速光耦6N137与总线收发器相连,从而实现各节点间的电气隔离.电源的隔离可采用小功率电源隔离模块,也可用带多个5V 隔离输出的开关电源模块.这样提高了节点的如图3所示,L IN 节点的硬件接口电路主要包括微控制器C8051F040,

9、L IN 收发器TJ A1020和电源调整电路,需要注意的是主节点电路和从节点电路有所区别,主节点电路中需要再连接一个1k 的上拉电阻和一个二极管(如图3中虚线框内所示.图3L IN 总线节点原理为了实现CAN ,L IN 网络之间的通讯,需要设计一个可以完成CAN 与L IN 协议转换的CAN/L IN 网关.网关既是CAN 节点又是L IN 节点,其硬件结构由CAN节点接口电路和L IN节点接口控制电路组成,如图4所示.该网关允许将CAN数据帧透明传输到L IN网络,也允许L IN数据帧透明传输到CAN网络.网关在这里作为L IN主设备工作.同时网关在接收到L IN数据帧后,L IN标志符

10、将被转换为CAN标志符,然后作为CAN数据在CAN网络中传送;网关接收到CAN数据帧后,CAN标志符将被转换为L IN标志符,然后作为L IN数据在L IN网络中传送.图4CAN总线/L IN总线通讯网关3网络节点软件实现3.1CAN节点通信软件实现CAN节点通信程序主要包括对C8051F040内置CAN控制器初始化、CAN发送数据和CAN中断服务(包含CAN接收数据等子程序.初始化程序主要完成对所有报文对象的初始化操作(一般将所有值置0,对CAN控制寄存器(CANOCN、位定时寄存器(BITREG进行设置,还要对发送报文对象和接收报文对象分别进行初始化.其中,位定时寄存器的设置较为复杂,这里

11、使用外部晶振为8M Hz,CAN通信速率为500kbit/s,得到BITREG的初始值为0x230l.主程序中完成对象初始化、发送和接收初始化,最后才启动CAN处理机制(对BITREG和CANOCN初始化,下面为CAN初始化程序.void CAN_init(voidSFRPA GE=CAN0PA GE;/3指向CAN0页面3/CANOCN|=0x41;/3将CCE和Init置“1"开始初始化3/CANOADR=B ITREG;/3指向位定时寄存器进行配置3/CANODA T=0x2301;/3设置位传输速率为500kbit/s3/CANOCN|=0x06;/3允许全局中断,IE 和S

12、IE置位3/CAN0CN&=0x41;/3清除CCE和IN IT位,启动CAN状态机制3/CAN发送数据子程序中,只有当发送缓冲器为空时才发送数据,否则将运行其它任务直到发送缓冲器为空.CAN报文发送是由CAN控制器自动完成的,用户只需根据接收到的远程帧的识别符,将对应的数据转移到发送缓冲寄存器,然后将此报文对象的编码写入命令请求寄存器启动发送即可,而发送由硬件来完成.这里,我们使用定时更新发送报文对象中的数据,数据的发送由控制器自动完成,当其收到一个远程帧时,就将具有相同识别符的数据帧发送出去.其发送程序如下:void CAN_t ransmit(char MsgNumSFRPA G

13、E=CAN0_PA GE;/3指向CAN0页面3/CAN0ADR=IF1CMDMS K;/3向IF1命令屏蔽寄存器写入命令3/CAN0DA T=0X0083:CAN0ADR=IF1A RB2;/3指向IF1仲裁寄存器23/CAN0DA T H l=0x80;CAN0ADR=IF1DA TA1;/3指向数据场的第1个字节3/for(i=0;i<4;i+CAN0DA T=can_tempi;/3将4字节数据写入发送缓冲器3/CAN0ADR=IF1CMDRQST;CAN0DA TL=MsgNum;/3将报文对象编号写入,则数据发送到对应的报文对象中3/ CAN报文的接收与发送一样,是由CAN控

14、制器自动完成的,接收程序只需从接收缓存器中读取接收的数据,再进行相应的处理即可.其基本方法与发送程序一致,只是接收程序采用中断方式.在此应用中,接收程序主要接收上位机对下位机的参数设置数据,只有当修改时才需要接收数据,所以采用中断方式处理比较合适.接收程序结构如下:void CAN_receive(voidSFRPA GE=CAN0_PA GE;/3指向CAN0页面3/CANOADR=IF2CMDMS K;/3向IF2命令屏蔽寄存器写命令3/CANODA T =0x003F ;CANOADR =IF2CMDRQST ;/3将报文对象编号写入命令请求寄存器,对应地接收3/CANODA TL =M

15、sgNum ;/3得到数据就从报文RAM 中移到数据缓冲器中3/CANOADR =IF2DA TA1;/3指向数据场的第1个字节3/for (i =0;i <4;i +/3读取4个字节数据3/CAN_RXi =CANODA T ;3.2L IN 节点通讯软件实现L IN 总线使用单信息帧格式对节点进行同步和寻址,并在它们之间交换数据.如图5所示,主机定 图5L IN 总线信息帧格式义传输的速率并发送信息帧头,该帧头由一个同步间隔开始,之后的同步区使L IN 从机和主机位速率取得同步.ID 区是帧头的最后一部分,它包含了关于发送器、接收器和数据区长度的信息.典型的L IN 总线应用系统中有

16、一个主节点,若干个从节点.主节点上运行主机任务和从机任务,而从节点上只运行从机任务.在所有从节点同步之后,各从节点在主机任务的控制下进行数据交换5.在初始化阶段,对L IN 收发器进行配置并将协议处理器变量赋初值.应用程序和L IN 驱动器之间的接口通过调回函数实现.在L IN 节点中需要执行3个基本的任务:主任务(L INServicRoutine 是反映节点专门的函数,其它2个任务通过让节点进入睡眠(L INSet To Sleep 和再次唤醒(L IN Wakeup 来控制功率的消耗.这些函数使用参数LinState ,LinEr 2ror ,LinData 和LinID 在程序间进行信

17、息传递.L INServiceRoutine 是实现节点功能的主函数,只要协议事件一发生,该函数就被调用.函数L INSet 2ToSleep 是为了满足当汽车引擎没有运行而由电池供电时,必须让功耗达到最小这一要求而设计的.L INWakeup 函数可将L IN 节点从睡眠模式唤醒,这包括2种唤醒方式:本地事件唤醒或其它任何节点通过L IN 总线发送唤醒请求.如下面的代码所示,为调回函数L INService 2Routine 的软件实现过程.#include “TJ A1020.H"#include “L INCmp Sl.h"#include “Temp sense.h

18、"void L INServiceRoutine (if (Lin Error =0if (L IN FrameOk if (LinID =0if (LinDataPt r0>0L ED1=0;else L ED1=1;if (L IN ID =3if (L INDA P TR0>0L ED2=0;elseL ED2=1;else if (LinIDReceived if (LinID =10LinDataPtr0=Temperat urBuffer ;TI =1;ret urn ;3.3CAN/L IN 网关软件实现由于CAN/L IN 网关既属于CAN 节点,又属于L

19、 IN 主节点,因此网关通讯程序除了上面作为独立节点的子程序外,还包括CAN 数据和L IN 数据相互转换的子程序,即转换它们的数据帧格式6-7.当网关收到CAN 数据帧后,先根据其源地址和第1个数据字节,配置L IN 数据帧的第1个字节和第2个字节,并根据纯数据字节的长度配置ID ;然后将CAN 的纯数据字节相应地配置成L IN 的纯数据字节.这样,加上同步帧0x55和相应的校验码,CAN 数据帧就转换为L IN 数据帧了.而当网关收到L IN 数据帧后,根据第1个数据字节配置CAN 数据优先级;根据第1和第2个数据字节配置CAN 数据的SA 和DA ;根据纯数据字节个数定义CAN 数据DL

20、 C ,最后把纯数据字节配置为CAN 数据场字节.再加上CAN 数据帧的统一定义位,L IN 数据帧就转换为CAN 数据帧了.4结束语该整车网络控制系统是针对国产轿车、越野车以及轻型货车而设计的.重点设计了基于CAN/L IN 总线的整车管理系统的总体结构,完成了CAN 总线、L IN 总线及CAN/L IN 网关的接口电路与通讯程序的设计.将该系统应用于汽车控制,可明显减少汽车上的线束,更好地控制和协调汽车的各个系统,从而减少了对驾驶者本身素质的依赖性,使国产汽车能跟上国际技术潮流,在未来市场角逐中具有更强的竞争力.参考文献:1孔凡天,陈幼平,谢经明,艾武,周祖德.基于Win 2dows C

21、E.N ET 的燃料电池电动汽车显示系统的研究与实现J .计算机工程与应用,2004,36(20:22-24,27.2邬宽明.CAN 总线原理和应用系统设计M .北京:北京航空航天大学出版社,1996.3Preliminary Application Note TJ A1020L IN Transceiv 2erZ.Philips Semiconductors ,2002.4Philips Microcontrollers in L IN ApplicationsZ.Phil 2ips Semiconductors ,2002.5TJ A1020Data Sheet Z .Philips Se

22、miconductors ,2002.6王彬,郑红平.CAN 总线在远程抄表系统中的应用J .仪表技术与传感器,2002,(4:38-40,44.7黄曲菜,唐厚君,孟祥群.基于CAN 总线/L IN 总线的车身控制系统J .工业控制计算机,2004,17,(10:5-7.作者简介:孔凡天(1977-,男,山东临沂沂水人,华中科技大学机械科学与工程学院博士研究生,研究方向为现场总线、电动汽车、多传感器技术及机器人技术.电动汽车用M H /Ni 电池剩余容量智能预测研究周红丽1,何莉萍1,钟志华1,丁舟波1,高学锋2,廖晓军1,吴振军1,陈宗璋1(1.湖南大学,湖南长沙410082;2.深圳市力可

23、兴电池有限公司,广东深圳518040St udy of Intelligent Prediction of t he SOC of M H/Ni Battery for Elect ric VehicleZH OU H ong li 1,HE Li ping 1,ZH ONG Zhi hu a 1,DING Zhou bo 1,G AO X ue feng 2,L IAO Xiao jun 1,WU Zhenjun 1,CHEN Z ong zhang 1(1.Hunan University ,Changsha 410082,China ;2.Lexel Battery Shenzhen Co.Ltd ,Shenzhen 518040,China 摘要:为有效地对电动车电池剩余容量进行预测,在分析了自适应模糊神经推理系统(AN FIS 的网络结构后,利用湖南大学自主研发的EV 3电动汽车充放电实验数据,建立了M H/Ni 电池的AN 2FIS 电压降模型,并进一步应用改进后的