基于CAN 总线的车灯控制网络系统的设计

基于CAN 总线的车灯控制网络系统的设计

摘要：

随着汽车电子技术的发展，消费者对于汽车功能的要求越来越多，汽车上所用的电控单元不断增多，电控单元之间信息交换的需求，使得电子装置之间的通讯越来越复杂，同时意味着需要更多的连接信号线，这就促进了车用总线技术的发展。CAN 总线的出现，就是为了减少不断增加的信号线，所有的外围器件都可以被连接到总线上 由于CAN总线具有可靠性高、实时性好、成本合理等优点，逐渐被应用于如船舶、航天、工业测控、自动化、电力系统、楼宇监控等其他领域中。

CAN 最初是用于汽车行业的监测、控制，用来解决汽车内部的复杂硬件信号接线的低成本通信总线，现今CAN总线已经被公认为一种可靠的网络总线在汽车上得以应用。CAN总线共享信息和资源，总线的数据通信提高了系统可靠性、实时性、灵活性、可维护性，更好地匹配和协调各个控制系统。随着汽车电子技术的发展具有高度灵活性、简单的扩展性、优良的抗干扰性和处理错误能力的CAN 总线，越来越受到人们的重视，它在汽车领域上得到了广泛的应用。

针对当前车灯系统布线方式会导致车灯系统布线复杂、故障维修难度大等问题，设计出了基于CAN 总线的车灯控制网络系统，该系统在车灯试验平台上通信可靠，达到预期目标。本文详细介绍了该系统整体功能设计、核心元器件选型、硬件接口设计以及软件设计。

关键词：汽车电子汽车网络CAN 总线车灯控制

正文： 1、引言

汽车技术的发展越来越多的体现在汽车电子领域，传统的汽车电子技术仅限于对汽车中某些机械零部件进行电子控制，控制较为简单，设备比较庞大，技术较为落后。现代的汽车电子技术已经走向了整车集成电子化、智能化、模块化的广阔道路，总线式控制器网络技术是汽车电子技术的发展的新方向。

CAN(Controller Area Network，控制器局域网)总线是德国BOSCH公司于20世纪为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通讯协议。它是一种多主总线，通讯介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1Mb／s，距离可达lOkm。CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，用通信数据块的编码取而代之，使网络内的节点个数在理论上不受限制。

CAN总线结构独特，性能可靠，被公认为是最有前途的现场控制总线之一。世界上一些著名的汽车制造厂商，都采用了CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构问的数据通信。

20 世纪80 年代出现的CAN ( Controller AreaNetwork，控制器局域网) 总线技术极大地推动了现代汽车电子技术的发展。CAN总线即控制器局域网总线，通信接口中集成了CAN 协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。CAN 总线以其特有的面向汽车的设计思想在汽车电子应用领域赢得了其他现场总线无法抗衡的优势，现在，几乎所有的欧美汽车上都至少装有一个CAN 总线系统。采用CAN 网络技术不仅可以减少线束，而且能够提高各控制系统的运行可靠性，减少冗余的传感器及相应的软硬件配置，实现各子系统之间的资源共享，便于集中实现各子系统的在线故障诊断。

2、CAN总线的特点和优点

CAN ( Controller Area Network—控制器局域网) 是一种由带CAN 控制器组成的高性能串行数据局部通信网络，是国际上应用最广泛的现场总线之一。CAN 协议最初是由德国Bosch 公司在20 世纪80 年代初为解决现代汽车内部大量的控制测试仪器与传感器、执行机构之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，其总线规范已被ISO 标准组织制定为国际标准。 CAN 总线的主要特点如下:

(1) CAN 是一种串行数据通信协议，是一种多主机局部网。通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤，常用的是第一种。CAN 网络上任意节点均可在任意时刻主动的向网络上其它节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活。CAN 的直接通信距离在速率5kbps 以下最远可达10km，通信速率最高可达1Mbps，此时通信距离最长40m。

(2) CAN 协议废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码。

(3) 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，优先级低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。

(4) CAN 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在134us 内得到传输。

(5) CAN 通过报文滤波可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据。

(6) CAN 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110 个; 报文标识符( ID) 可由11 位( CAN2.0A) 或29 位( CAN2.0B) 二进制

数构成。

(7) CAN 协议采用短帧数据结构，数据块长度不超过8 个字节， 传输时间短，受干扰的几率低，保证了通信的实时性。

(8) CAN 协议采用CRC 检验并提供相应错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。

CAN总线的主要优点如下：

(1)多主控制

在总线空闲时，所有的单元都可开始发送消息(多主控制)。最先访问总线的单元可获得发送权(CSMA/CA)。多个单元同时开始发送时，发送高优先级D消息的单元可获得发送权。

(2)消息的发送

在CAN协议中，所有的消息都以固定的格式发送。总线空闲时，所有与总线相连的单元都可以开始发送新消息。两个以上的单元同时开始发送消息时，根据标识符(D)决定优先级。两个以上的单元同时开始发送消息时，对各消息ID的每个位进行逐个仲裁比较。仲裁获胜(被判定为优先级最高)的单元可继续发送消息，仲裁失利的单元则立刻停止发送而进行接收工作。

(3)系统的柔软性

与总线相连的单元没有类似于“地址”的信息。因此在总线上增加单元时，连接在总线上的其它单元的软硬件及应用层都不需要改变。

(4)通信速度

根据整个网络的规模，可设定适合的通信速度。在同一网络中，所有单元必须设定成统一的通信速度。即使有一个单元的通信速度与其它的不一样，此单元也会输出错误信号，妨碍整个网络的通信。不同网络间则可以有不同的通信速度。

表1一1 CAN总线系统任意两节点间的最大距离 最大距离/m 位速率bps 10 1000 130 500 270 250 530 125 620 100 1300 50 3300 20 6700 10 10000 5

CAN总线上任意两节点之间的通信距离与其位速率有关，表2一1列举了相关数据。

(5)远程数据请求可通过发送“请求帧”请求其他单元发送数据。

(6)错误检测功能·错误通知功能·错误恢复功能

所有的单元都可以检测错误(错误检测功能)。检测出错误的单元会立即同时通知其他所有单元(错误通知功能)。正在发送消息的单元一旦检测出错误，会强制结束当前的发送。强制结束发送的单元会不断反复地重新发送此消息直到成功发送为止(错误恢复功能)。

(7)故障封闭

CAN可以判断出错误的类型是总线上暂时的数据错误(如外部噪声等)还是持续的数据错误(如单元内部故障、驱动器故障、断线等)。由此功能，当总线上发生持续数据错误时，可将引起此故障的单元从总线上隔离出去。

(8)连接

CAN总线是可同时连接多个单元的总线。可连接的单元总数理论上是没有限制的。但实际上可连接的单元数受总线上的时间延迟及电气负载的限制。降低通信速度，可连接的单元数增加;提高通信速度，则可连接的单元数减少。

3、系统整体功能设计及核心元器件选型

本设计是基于CAN 总线的车灯控制网络系统，目的是改变车灯系统传统的布线方式，采用CAN 网络技术，对车灯系统的布线进行优化。传统的布线方式是并行结构，就是一个电器配一根电力线和一个开关，开关置于驾驶员旁，由驾驶员控制开关通断，控制灯或其它用电器的工作。当用电器比较多的时候，电力线的数量与长度都成正比地增加。本次设计的布线方式采用电力线结合信号线方式，为车灯提供动力来源的电力线与电源连接，提供车灯开关控制的信号线由CAN 总线提供，CAN 总线的核心是采用串行总线，在系统中组成一个局域网，采用多机通讯方式，各个节点都可以向总线发送信息。在本设计中是由一个中央节点向总线发送控制信号，总线上各个车灯节点均可收到该信号，各车灯节点根据需求选择接受与否，接受该信号的车灯此时就实现了开关控制。这种布线方式，实现控制信息资源共享，可以简化车灯系统线路布置，节约线束，降低整车重量和体积， 便于维修和检测，提高了汽车的电子化水平和信息化水平。

车灯控制网络包括六个节点，如图1 所示，分别是: 中央控制节点，左前车灯控制节点，右前车灯控制节点，左后车灯控制节点，右后车灯控制节点和PC 机在线检测节点。中央控制节点负责向CAN 总

线上发送控制报文，各车灯节点根据需要接受报文，实现各部分车灯的控制，PC 机在线检测节点能监测到总线上传输的报文，了解所传送报文情况，如果不符合要求，可以及时进行修改。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/24hx.html