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1  引言

    隨著汽車計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代汽車上的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)越來越多，聯(lián)系也越來越緊密。如發(fā)動(dòng)機(jī)控制、變速控制、制動(dòng)防抱死控制、安全氣囊控制、照明控制、空調(diào)控制、儀表管理等。以前的汽車上這些計(jì)算機(jī)控制單元之間往往沒有通過總線構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，而是獨(dú)立進(jìn)行控制，或者相關(guān)控制單元通過串行口進(jìn)行聯(lián)系。現(xiàn)在很多汽車采用CAN（Controller Area Network）總線將它們聯(lián)系起來，但是現(xiàn)代汽車計(jì)算機(jī)控制單元多，各控制單元對系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的要求不一樣。有些系統(tǒng)（如制動(dòng)防抱死控制單元、安全氣囊等）對實(shí)時(shí)性要求很高，系統(tǒng)指令發(fā)出以后如果得不到執(zhí)行器的及時(shí)響應(yīng)，就可能造成嚴(yán)重后果甚至車毀人亡；而有些系統(tǒng)（如照明控制、空調(diào)控制等）對系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間要求就相對較低。
    由于計(jì)算機(jī)控制單元越來越多，采用單網(wǎng)絡(luò)CAN總線負(fù)荷很重，筆者通過分別構(gòu)造高、低速CAN網(wǎng)絡(luò)，對實(shí)時(shí)性要求高的計(jì)算機(jī)控制單元采用高速CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸；其它采用低速CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸，并采用DSP作為微控制器兼作網(wǎng)關(guān)。使得傳輸線束大大簡化，可靠性大大提高。CAN總線是一種串行多主站控制器局域網(wǎng)總線。它具有很高的網(wǎng)絡(luò)安全性、通訊可靠性和實(shí)時(shí)性，簡單實(shí)用，網(wǎng)絡(luò)成本低，特別適用于汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強(qiáng)和振動(dòng)大的工業(yè)環(huán)境。通訊媒體可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá) 1Mbps（此時(shí)通信距離最長為40m）。CAN總線還廣泛應(yīng)用于汽車、船舶、機(jī)器人、樓宇自動(dòng)化等場合。
    自CAN總線問世以來，為滿足CAN 總線協(xié)議的多種應(yīng)用需要，相繼出現(xiàn)了幾種高層協(xié)議。目前大多數(shù)基于CAN 總線的網(wǎng)絡(luò)都采用CAN 總線的高層協(xié)議。CANopen，DeviceNet 和SDS是通常采用的高層協(xié)議，適用于任何類型的工業(yè)控制局域網(wǎng)應(yīng)用場合，而CAL則應(yīng)用于基于標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用層通訊協(xié)議的優(yōu)化控制場合，SAEJ1939則應(yīng)用于卡車和重型汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

2  基于TMS320LF2402A的汽車計(jì)算機(jī)控制

2.1  TMS320LF2402A
    數(shù)字信號處理器（DSP）是一種適合于實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理運(yùn)算的微處理器，是專門為快速實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字信號處理算法而設(shè)計(jì)的、具有特殊結(jié)構(gòu)的微處理器。它們一般具備以下特點(diǎn)：
    (1) 內(nèi)部采用程序和數(shù)據(jù)分開的哈佛總線結(jié)構(gòu)；
    (2) 具有專門的硬件乘法器；
    (3) 廣泛采用流水線操作；
    (4) 提供特殊的DSP指令集。它相對普通單片機(jī)具有運(yùn)算速度快、集成度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

    根據(jù)汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)要求高實(shí)時(shí)性、高可靠性、高抗電磁干擾能力等要求，特采用德州儀器公司（TI公司）開發(fā)的TMS320LF2402A芯片作為主微控制器兼做網(wǎng)關(guān)，TMS320LF2402A是一種16位定點(diǎn)的DSP，它的時(shí)鐘頻率為40MHz，運(yùn)算速度為40MIPS，自帶 1K字節(jié)的RAM，8K字節(jié)的閃速存儲(chǔ)器（具備安全保護(hù)電路），21通用輸入輸出口（GPIO），分辨率為10位的8路輸入A/D轉(zhuǎn)換器，還自帶有看門狗定時(shí)器。它相對于普通單片機(jī)運(yùn)算速度快，特別適合于像汽車計(jì)算機(jī)控制等實(shí)時(shí)性要求很高、電磁干擾嚴(yán)重的場合，而且可以采用高級語言編程（C語言編程），可移植性好。

2.2  系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
    目前，汽車計(jì)算機(jī)控制已經(jīng)涉及到動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性、凈化性和舒適性等諸多方面，具體包括發(fā)動(dòng)機(jī)控制、變速器控制、巡行控制、制動(dòng)控制、照明控制、空調(diào)控制、雨刷控制、儀表管理系統(tǒng)等，而且各種控制系統(tǒng)的電控單元（ECU）相互聯(lián)系緊密，需要隨時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通信，CAN總線作為一種極具應(yīng)用潛力的控制器局域網(wǎng)總線，近年來在汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。
    汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的所有這些子控制系統(tǒng)通過CAN總線構(gòu)成一個(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，各控制單元的指令發(fā)出去之后，必須保證在一定時(shí)間內(nèi)得到響應(yīng)，要不然就有可能發(fā)生重大事故，這就要求汽車上的CAN通信網(wǎng)絡(luò)有較高的波特率設(shè)置和可靠性。而且，汽車在實(shí)際運(yùn)行過程中，眾多節(jié)點(diǎn)之間需要進(jìn)行大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。若整輛汽車的所有節(jié)點(diǎn)都掛在一個(gè)CAN 網(wǎng)絡(luò)上，這么多節(jié)點(diǎn)通過一條CAN總線進(jìn)行通信，信息管理配置稍有不當(dāng)，就很容易出現(xiàn)總線負(fù)荷過大，將導(dǎo)致系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)速度下降，這在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中是不允許的。因此筆者在對汽車上各節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)性進(jìn)行了分析之后，根據(jù)各節(jié)點(diǎn)對實(shí)時(shí)性的要求，設(shè)計(jì)了高、低速兩個(gè)速率不同的 CAN 通信網(wǎng)絡(luò)。將實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格、可靠性要求高的節(jié)點(diǎn)組成高速CAN通信網(wǎng)絡(luò)，將其它實(shí)時(shí)性要求相對較低的節(jié)點(diǎn)組成低速CAN通信網(wǎng)絡(luò)，并架設(shè)網(wǎng)關(guān)將這兩個(gè)速率不同的CAN通信網(wǎng)絡(luò)連接起來，實(shí)現(xiàn)全部節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)共享。整輛汽車的通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示。

    本系統(tǒng)軟件由總的系統(tǒng)軟件和高（低）速CAN總線網(wǎng)絡(luò)單元軟件組成，軟件流程圖如圖4和圖5所示。其中圖5高速CAN總線網(wǎng)絡(luò)單元負(fù)責(zé)對實(shí)時(shí)性要求高的發(fā)動(dòng)機(jī)控制、變速控制、安全控制和制動(dòng)防抱死控制（ABS）單元的控制動(dòng)作的采集和傳送，一旦有這些控制單元?jiǎng)幼餍盘枺?jīng)過微控制器對它們進(jìn)行處理后將以最快的速度通過高速CAN網(wǎng)絡(luò)傳給相應(yīng)控制單元的ECU，由控制單元ECU對控制對象進(jìn)行控制；低速CAN總線網(wǎng)絡(luò)的控制方法與此類似，但是由于它們的實(shí)時(shí)性要求相對前者不高，因此它們的傳輸優(yōu)先級相對較低。
    在這里只介紹了高速CAN總線網(wǎng)絡(luò)單元軟件流程圖，低速CAN總線網(wǎng)絡(luò)單元軟件流程圖與此類似。

2.4  抗干擾措施
    考慮到汽車計(jì)算機(jī)控制的工作條件比較惡劣，電磁干擾嚴(yán)重，在本設(shè)計(jì)中筆者還加強(qiáng)了防干擾措施：
    (1) 考慮汽車工作環(huán)境電磁干擾嚴(yán)重在選用微控制器時(shí)特選用自帶看門狗定時(shí)器的數(shù)字信號處理器TMS320LF2402A作為微控制器，并選用4片高速光電隔離芯片6N137，將I/O信號與SJA1000隔離，有效防止了噪聲信號通過SJA1000傳入微控制器，提高了系統(tǒng)可靠性；
    (2) 本設(shè)計(jì)還對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了金屬屏蔽，傳輸線采用屏蔽雙絞線，以減少電磁干擾。試驗(yàn)結(jié)果表明，效果明顯。

3  結(jié)語

    CAN 總線作為一種可靠的汽車計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)總線已在許多先進(jìn)汽車上得到應(yīng)用，各汽車計(jì)算機(jī)控制單元能夠通過 CAN 總線共享所有信息和資源，達(dá)到簡化布線、減少傳感器數(shù)量、避免控制功能重復(fù)、提高系統(tǒng)可靠性和維護(hù)性、降低成本、更好地匹配和協(xié)調(diào)各個(gè)控制系統(tǒng)的目的。在本設(shè)計(jì)中采用了數(shù)字信號處理器（DSP）TMS320LF2402A作主控制器，它相對于一般普通單片機(jī)，具有運(yùn)算速度快、系統(tǒng)集成度高、電磁兼容性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，用它作微控制器兼作網(wǎng)關(guān)，比較大的提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性，另外還采用了一些抗干擾措施。
    目前，國外有關(guān)這方面研究越來越多也越來越成熟，而國內(nèi)在這方面的應(yīng)用研究起步較晚，但是市場潛力很大，相信在不久的將來，隨著汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)數(shù)目的不斷增加，CAN 總線必定會(huì)在國內(nèi)汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中得到更廣泛應(yīng)用。