基于CAN总线的汽车电气控制系统设计

    李利飞 闫瑞杰 李海香

    摘 要：本文主要探讨了汽车电气控制系统中CAN总线技术的设计和应用的相关问题。文章首先从两个方面分析了之所以要基于CAN总线设计汽车电气控制系统的原因;然后从总体架构设计、ECU节点设计以及软件架构设计三个方面探讨了基于CAN总线的汽车电气控制系统的设计与实现。

    关键词：CAN总线;电气控制系统;汽车

    1 基于CAN总线汽车电气控制系统的必要性

    CAN通信协议是德国公司博世于一九八六年开发出来的面向汽车的通信协议，在其进行了标准化之后不仅在欧洲汽车网络中广为应用，而且在美国和日韩等国家也得到了广泛的采用。选择基于CAN总线技术构建汽车电气控制系统符合当前国际汽车发展的潮流，其必要性主要体现在以下两个方面。

    一方面，CAN总线技术是一种成熟的技术。自1986年诞生以来，CAN经过了几十年的发展，相关的技术标准已经非常成熟，而且在汽车领域也得到了全面的推广。在其发展的早期就已经得到了欧洲汽车领域的大力支持，之后又在世界范围内的竞争中战胜了其他总线标准，成为日本和韩国汽车商的首选，而且在美国CAN也淘汰了本土的J1850，攻占了美国市场。这无疑使其兼容性和通用性得到巨大的提升，对于汽车电气控制系统的设计提供巨大的便利。

    另一方面，CAN总线技术还拥有巨大的技术优势。相较于其他一些总线技术，CAN总线使用的是更加先进的编码技术以及总线仲裁技术，可以更有效地应付125Kbps以上的传输。虽然在125Kbps以下时CAN的优势并不明显，但是在汽车领域电气化不断提高的背景下，125Kbps的带宽已经远远达不到相关的要求，而CAN传输率可以达到11Mbps，可以很好地满足传输的需要。CAN当前汽车电气控制系统的传输需求，同时成本也更低，因此基于CAN总线设计电气控制系统也更加实际、可行。

    2 基于CAN总线汽车电气控制系统的设计与实现

    2.1 整体架构设计

    在汽车的电气控制系统设计中，CAN总线可以起到为通信介质提供平台的作用。由于汽车在运行中各个设备会生产大量数据，通过CAN总线就可以将这些数据信息在不同电子单元中进行共享，并且实现控制信号的交换，使得汽车电控的信息利用率大大提升，从而利用信息流实现对于汽车系统的控制。

    具体来说，汽车的电气控制系统可以划分为五个ECU节点，即前、后、主、左和右，基于CAN总线的汽车电气控制系统可以采用星型拓扑结构。其中左、右、前、后这四个节点负责采集开关信息，然后依托于通信协议生成报文信息，同时传输到主节点。而主节点则负责信息的分析和判断，并在此基础上输出相应的分析结果，同时依托于通信协议反馈给左、右、前、后这四个节点。最后，这四个节点再针对反馈信息进行滤波，依托于UART总线将功率负载反馈给控制模块，并最终完成了功率输出的有效驱动。

    2.2 ECU节点设计

    在汽车电气控制系统中，ECU节点是一个重要的组成部分，它主要包括用于通信的安设模块，负责开关信息的信息采集模块，进行功率管控的输出模块，进行电气控制的软件，以及处理器。在ECU节点中，开关量输出接口、功率负载驱动口、电源端口以及CAN互通接口是几种最重要的接口。首先，负责功率负载的驱动口必须能够符合30A的电流。而开关量输入接口主要进行开关信息的处理，如果开关处于闭合的状态，输入电平将被拟定为偏低电平;如果开关断开输入电平则会替换为偏高电平。其次，开关量输出接口则负责开关量信息的采集工作。当开关闭合的时候，电平被拟定为偏低电平;而当开关断开电平则被替换为偏高电平。再次，CAN互通接口则主要负责为ECU与外围的衔接提供接入点，实现整个系统的通信。最后，电源端口主要负责系统电源的输入，满足控制系统运行所需的电力供应。

    ECU的运行如下： 当CAN总线接收到报文信息的时候系统会进行滤波验证，留下有用的信息传输给控制模块。随后信息会通过传输线路输送给处理器，处理器在对其进行读取和信息识别，并释放拟定的缓冲区段。之后，CAN会将报文的格式进行转换，并利用UART规格下的总线将其传输给分支模块。总线会接纳串口传输的信息然后依据一定的次序将信息传输到单片机的装置上，从而实现了对于功率输出的有序管控。

    2.3 软件架构设计

    基于CAN总线汽车电气控制系统的软件重要包括转换层、驱动层以及通信层三个层次。驱动层中包括了输出驱动以及输入驱动;转换層则有输出转换和输入转换组成。通信层负责的是系统各层之间的信息传输，主要分为转换和驱动层间通信的状态消息，输出和输入转换层间通信的接口消息，以及转换和通信层间通信的器件消息。在整个软件架构中，不同的层次负责不同的功能。在驱动层，输入驱动负责把输入引脚电平进行转换并将其信息输送到转换层，而输出驱动则把从转化层中获得的信息转换为引脚。在转换层，输入转换把驱动层中的状态信息进行转换变成器件信息发送给处理层进行逻辑状态分析，而输出转换则把处理层的器件信息进行转换得到输出信息发送给驱动层。在通信层主要通过通信模块来负责处理与转换层的信息交换。

    3 结语

    总之，依托于CAN总线设计汽车电气控制系统是符合汽车发展潮流的选择，能够更好地满足汽车功能日益多样化的需求。通过基于CAN总线技术对系统的整体架构进行合理规划，对ECU节点各个接口进行设计以及软件架构的配置从而使整个电气控制系统的性能得到更好的保障。

    参考文献：

    [1]路燕.基于CAN总线的汽车电气控制系统设计[J].科技创新导报，2016（02）.

    [2]郭长勇.基于CAN总线的汽车控制系统的研究[D].河北：河北工业大学，2007.

    作者简介：李利飞（1984-），男，山西广灵人，本科，助理工程师，研究方向：车辆电气自动化、车辆电子检测、计算机编程。