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    0、引言

    隨著車用電氣設備越來越多，從發動機控制到傳動系統控制，從行駛、制動、轉向系統控制到安全保證系統及儀表報警系統，從電源管理到為提高舒適性而作的各種努力，使汽車電氣系統形成一個復雜的大系統，而且這一系統都集中在駕駛室控制。另外，隨著近年來ITS的發展，以3G（GPS、GIS和GSM）為代表的新型電子通信產品的出現，對汽車的綜合布線和信息的共享交互提出了更高的要求。

    從布線角度分析，傳統的電氣系統大多采用點對點的單一通信方式，相互之間少有聯系，這樣必然需要龐大的布線系統。據統計，一輛采用傳統布線方法的高檔汽車中，其導線長度可達2 000 m，電氣節點達1 500個，而且根據統計，該數字大約每10年增長1倍，從而加劇了粗大的線束與汽車有限的可用空間之間的矛盾。無論從材料成本還是工作效率看，傳統布線方法都將不能適應汽車的發展。

    從信息共享角度分析，現代典型的控制單元有電控燃油噴射系統、電控傳動系統、防抱死制動系統（ABS）、防滑控制系統（ASR）、廢氣再循環控制、巡航系統和空調系統。為了滿足各子系統的實時性要求，有必要對汽車公共數據實行共享，如發動機轉速、車輪轉速、油門踏板位置等,但每個控制單元對實時性的要求是因數據的更新速率和控制周期不同而不同的。這就要求其數據交換網是基于優先權競爭的模式，且本身具有較高的通信速率。CAN總線正是為滿足這些要求而設計的。

    1、CAN簡介

    德國Bosch公司為解決現代車輛中眾多的控制和數據交換問題，開發出一種CAN(Controller Area Network)現場總線通信結構。CAN總線硬件連接簡單，有良好的可靠性、實時性和性能價格比。CAN總線能夠滿足現代自動化通信的需要，已成為工業數據總線通信領域中最為活躍的一支。其主要特點是：

    ① CAN總線為多主站總線，各節點均可在任意時刻主動向網絡上的其他節點發送信息，不分主從，通信靈活； 　　

    ② CAN總線采用獨特的非破壞性總線仲裁技術，優先級高的節點優先傳送數據，能滿足實時性要求；    

    ③ CAN總線具有點對點、一點對多點及全局廣播傳送數據的功能；

    ④ CAN總線上每幀有效字節數最多為8個，并有CRC及其他校驗措施，數據出錯率極低，萬一某一節點出現嚴重錯誤，可自動脫離總線，總線上的其他操作不受影響；

    ⑤ CAN總線只有兩根導線，系統擴充時，可直接將新節點掛在總線上即可，因此走線少，系統擴充容易，改型靈活；

    ⑥ CAN總線傳輸速度快，在傳輸距離小于40 m時，最大傳輸速率可達1 Mb/s；

    ⑦ CAN總線上的節點數主要取決于總線驅動電路,在CAN2.0B標準中,其報文標識符幾乎不受限制。

    總之,CAN總線具有實時性強、可靠性高、通信速率快、結構簡單、互操作性好、總線協議具有完善的錯誤處理機制、靈活性高和價格低廉等特點。

    2、總體方案設計

    2.1 汽車內部CAN網絡設計

    正是由于CAN總線具有這些其他通信方式無法比擬的優點，使之成為電動汽車控制系統的理想總線。

    現代汽車典型的電控單元主要有主控制器、發動機控制系統、懸架控制系統、制動防抱死控制系統(ABS)、牽引力控制系統、ASR控制系統、儀表管理系統、故障診斷系統、中央門鎖系統、座椅調節系統、車燈控制系統等。所有這些子控制系統連接起來構成一個實時控制系統――指令發出去之后，必須保證在一定時間內得到響應，否則，就有可能發生重大事故。這就要求汽車上的CAN通信網絡有較高的波特率設置。另外，汽車在實際運行過程中，眾多節點之間需要進行大量的實時數據交換。若整個汽車的所有節點都掛在一個CAN網絡上，眾多節點通過一條CAN總線進行通信，信息管理配置稍有不當，就很容易出現總線負荷過大，導致系統實時響應速度下降的情況。這在實時系統中是不允許的，因此在對汽車上各節點的實時性進行了分析之后，根據各節點對實時性的要求，設計了高、中、低速三個速率不同的CAN通信網絡，將實時性要求嚴格的節點組成高速CAN通信網絡，將其他實時性要求相對較低的節點組成中速CAN通信網絡，將剩下實時性要求不是很嚴格的節點組成低速CAN通信網絡。并架設網關將這三個速率不同的三個通信網絡連接起來，實現全部節點之間的數據共享。整個汽車的CAN通信網絡拓撲結構如圖1所示。

圖1 汽車CAN總線網0絡拓撲圖

    發動機控制系統、懸架控制系統、制動防抱死控制系統(ABS)、牽引力控制系統、ASR控制系統這五個節點是汽車運行的核心部件，對時間響應要求嚴格，因此將這五個節點組成高速CAN通信網絡，通信波特率設為500 bps。儀表管理系統、故障診斷系統等相對來說對實時性的要求較低，因此這些節點構成中速CAN通信網絡、通信波特率設為128 bps。中央門鎖系統、座椅調節系統、車燈控制系統對實時性要求不是很嚴格，它們構成低速通信網絡，通信波特率設為30 bps。兩個網關跨接高、中、低速三條總線，與各節點進行數據交換。網關通過對CAN總線間待傳數據信息的智能化處理，可以確保只有某類特定的信息才能夠在網絡間傳輸。 　

    2.2 器件選擇

    汽車內部CAN網絡主要由兩部分組成：面向底層ECU的CAN節點和實現高低速網絡數據共享及網絡管理的網關。為了減少開發周期，選擇Motorola公司一款帶CAN模塊的中檔微處理器MC9S12DP256；CAN收發器以及電源系統是用MC33989來實現的。

    微控制器MC9S12DP256是基于16位HCS12 CPU及0.25 μm微電子技術的高速、高性能5.0 V Flash存儲器產品中的中檔芯片。其較高的性能價格比使其非常適合用于一些中高檔汽車電子控制系統;同時其較簡單的背景開發模式(BDM)也使開發成本進一步降低,使現場開發與系統升級變得更加方便。

    MC9S12DP256的主頻高達25 MHz;片上集成了許多標準模塊，包括２個異步串行通信口SCI、3個同步串行通信口SPI、8通道輸入捕捉／輸出比較定時器、2個10位8通道A/D轉換模塊、1個8通道脈寬調制模塊、49個獨立數字I/O口（其中20個具有外部中斷及喚醒功能）、兼容CAN2.0A/B協議的5個CAN模塊以及1個內部IC總線模塊；片內擁有256 KB的Flash EEPROM