CAN總線技術在智能汽車系統(tǒng)中的應用

1 引言
CAN總線是控制局域網(wǎng)絡（Control Area Network）的簡稱，它最早由德國BOSCH公司提出。由于它具有傳輸速率高，抗干擾能力強，硬件連接方便等突出特點，非常適合用于汽車系統(tǒng)中，解決眾多測試與控制儀器之間的數(shù)據(jù)交換問題。

2  智能汽車系統(tǒng)簡介
智能汽車主要被用于野外環(huán)境中，它可以按照人預先設定的指令，根據(jù)地圖信息做出全局路徑規(guī)劃，并在行進過程中不斷感知周圍的環(huán)境信息，自主地制定出各種決策，引導自身安全地行使并完成相應的規(guī)劃和操作任務。
它除具備普通汽車的各類功能外，還增加了測算車身位置，測算車頭方向，控制汽車自帶有向天線的方向使其與基地之間進行無線通信等功能。如此眾多的信息，如果完全采用RS-232總線進行內(nèi)部數(shù)據(jù)交換顯
然有些力不從心。因而采用CAN總線作為其內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ溃抢硭斎坏摹?/p>

3  系統(tǒng)設計
3.1  概述
     智能汽車的控制系統(tǒng)由擔負著檢測計算功能的下位機系統(tǒng)和擔負著控制顯示功能的上位機系統(tǒng)組成。圖1為該系統(tǒng)的功能框圖。
下位機系統(tǒng)各模塊及其功能：
〇 GPS數(shù)據(jù)采集模塊，用來測量汽車當前位置。
〇 磁羅盤數(shù)據(jù)采集模塊，用來測量車頭的方向。
王軼，碩士生，主要研究方向：計算機控制與智能交通
〇 步進電機控制模塊，用來驅動有向天線的旋轉。
    〇 步進電機轉動角度限制模塊，用來測量有向天線相對于車頭的角度，并防止由于步
       進電機單方向轉動角度過大而造成的線路纏繞。
〇 CAN模塊。

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注:圖1中的電位器用來測量步進電機轉過的角度,將它的輸出電平轉換成頻率信號再發(fā)往下位機。CAN總線使用共地的雙絞線作為其傳輸介質。

上位機系統(tǒng)各模塊及其功能：
〇 LCD模塊，用來顯示下位機傳送來的各種數(shù)據(jù)。
〇 簡易鍵盤輸入模塊，通過8鍵鍵盤完成對下位機的一些簡單控制。
〇 CAN模塊。
上位機和下位機通信由CAN模塊和CAN總線來完成。其中，下位機要傳送給上位機的數(shù)據(jù)有，汽車當前的GPS坐標，車頭當前的方向，有向天線相對于車頭的角度；上位機要傳送給下位機的數(shù)據(jù)有，基地的GPS坐標，手動模式下電機旋轉的方向和角度。

3.2  硬件實現(xiàn)
    系統(tǒng)上下位機均采用PIC18F258單片機，該單片機自帶CAN收發(fā)接口，它的引腳見圖2。CAN模塊相對獨立，其的主要特征如下：
    〇 通過ISO CAN標準測試。
    〇 執(zhí)行CAN協(xié)議：CAN1.2 CAN2.0A CAN2.0B。
    〇 標準和擴展數(shù)據(jù)模式。
    〇 0-8位數(shù)據(jù)長度。
    〇 可編程速率高達1M bps。
    〇 2個數(shù)據(jù)接收緩沖器
    〇 6個完全接收濾波器，2個對應高優(yōu)先權緩沖器，4個對應低優(yōu)先權緩沖器。
    〇 2 個完全接收掩碼器。
    〇 3個具有優(yōu)先權的發(fā)送緩沖器
該系統(tǒng)中，上位機與其外圍設備鍵盤和LCD顯示器通過標準并行I/O總線相連，下位機與其外圍設備GPS接收器、磁羅盤以及電機驅動器通過RS-232串行總線相連，在
此不做詳細介紹。圖3是CAN通信模塊硬件簡圖。
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由于單片機的輸出電流比較弱，難以驅動光電隔離器，為保險起見，信號輸入光偶前要經(jīng)過74HC573鎖存；同樣為了增加信號驅動能力，經(jīng)過隔離的信號要再次經(jīng)過74HC573鎖存。
    使用該單片機,無須擴展CAN總線模塊，簡化了硬件設計，提高了運行效率。

3.3  軟件實現(xiàn)
PIC18F258的CAN模塊帶有眾多控制和數(shù)據(jù)寄存器，為方便起見，可以將它們做以下分類：
    〇控制和狀態(tài)寄存器
    〇發(fā)送緩沖寄存器
    〇接收緩沖寄存器
    〇波特率控制寄存器
    〇I/O控制寄存器
    〇中斷標志和控制寄存器
    CAN模塊可工作于6種模式下，配置模式，禁止模式，正常工作模式，監(jiān)聽模式，自循環(huán)模式，錯誤識別模式。本系統(tǒng)涉及到了2種模式，配置模式和正常工作模式。
    首先在配置模式下將控制和狀態(tài)寄存器，波特率控制寄存器，I/O控制寄存器，中斷標志和控制寄存器，接收掩碼器和接受濾波器按照系統(tǒng)要求設定好，以保證CAN總線暢通。這些寄存器只能在配置模式下進行設定。設定完畢后，進入正常工作模式。上位機和下位機都將各自的CAN接收中斷打開，等待CAN總線傳送來的數(shù)據(jù)。所不同的是，上位機只在需要進行人工干預的情況下，向總線發(fā)送控制信號；而下位機是循環(huán)向總線發(fā)送采集到的信息的。
    圖4是CAN模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的程序流程圖：

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CAN模塊數(shù)據(jù)接收是通過中斷方式實現(xiàn)的，即每傳來一個報文，就發(fā)生一個中斷，然后將收到的數(shù)據(jù)從接收寄存器中轉移到指定的存儲區(qū)域內(nèi)并保存起來 ，最后中斷返回。
圖5是下位機CAN模塊接收數(shù)據(jù)的中斷服務程序流程圖：

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4   關于設計中的幾個問題
（1）下位機是循環(huán)發(fā)送數(shù)據(jù)的，在每一個報文發(fā)送出去后，要等待充足的時間再發(fā)送下一個報文。否則，可能出現(xiàn)上次報文未發(fā)送完畢，就裝載下一個報文的情況。從而，造成報文丟失，甚至每次報文都不能成功發(fā)送。等待的時間與微處理器的時鐘頻率和報文發(fā)送的波特率有關。
   （2）報文發(fā)送過程中可能會產(chǎn)生種種錯誤，CAN協(xié)議提供了成熟的錯誤檢驗機制。這些錯誤可能包括：CRC錯誤、應答錯誤、形式錯誤、位錯誤、填充位錯誤，引起這些錯誤的原因各不相同。對PIC18F258而言，每發(fā)生一次錯誤，CAN模塊內(nèi)部的錯誤計數(shù)器就會加1，一旦錯誤計數(shù)器的值大于255，就會進入總線關斷狀態(tài)，這時CAN總線將不能用來收發(fā)數(shù)據(jù)。它會等待128組連續(xù)的11位隱性位后，再恢復到正常狀態(tài)。系統(tǒng)運行過程中不允許有間斷，所以應當在進入總線關閉狀態(tài)前，將錯誤計數(shù)器清零或恢復到允許總線正常工作的范圍內(nèi)。
   （3）本系統(tǒng)中需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，相對于CAN總線強大的功能而言是有限的。但是，考慮到今后系統(tǒng)的改進和擴充，必然需要更多的網(wǎng)絡節(jié)點，也必然會傳輸更多的數(shù)據(jù)，所以，系統(tǒng)在設計時預留了很多軟硬件資源，以備日后使用。
5  結束語
本文中的智能汽車系統(tǒng)，在普通汽車系統(tǒng)的基礎上，進行了功能擴展，涉及到了人工智能領域的一些技術。上位機與下位機之間由CAN總線來傳輸數(shù)據(jù)，RS-232接口只與外圍檢測和控制設備相連，分工明確，不會造成串行總線過于繁忙，從而引起數(shù)據(jù)傳輸錯誤。
用CAN總線組建的通信網(wǎng)絡，擴展性強、可靠性高、而且具有自診斷和監(jiān)控能力，既提高了通信質量，又方便了軟硬件設計。本例中所使用的PIC18F258單片機自帶CAN總線接口，性能優(yōu)越、價格低廉，必然會受到設計師的青睞。