基于車載CAN總線的倒車?yán)走_(dá)單元設(shè)計(jì)

摘要：倒車?yán)走_(dá)在汽車中得到廣泛應(yīng)用，但沒(méi)有與車載CAN總線網(wǎng)絡(luò)相聯(lián)系，造成其功能不完善。用PIC18F258單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)倒車?yán)走_(dá)單元，使倒車?yán)走_(dá)能夠被車栽網(wǎng)絡(luò)識(shí)別，實(shí)現(xiàn)與CAN總線的數(shù)據(jù)通信與資源共享，完成倒車?yán)走_(dá)的自動(dòng)剎車功能。
關(guān)鍵詞：CAN總線；倒車?yán)走_(dá)；PIC18F258；報(bào)文

0 引言
    目前的汽車電子領(lǐng)域中，倒車?yán)走_(dá)普遍采用超聲波測(cè)距原理，通過(guò)單片機(jī)計(jì)算出障礙物與車的距離并顯示和報(bào)警。但大多數(shù)這類產(chǎn)品都是獨(dú)立的控制單元，無(wú)法與CAN總線接軌，所以只能作為一種倒車安全輔助裝置。用PIC18F258單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)倒車?yán)走_(dá)單元使其與車載CAN網(wǎng)絡(luò)接軌，這樣可以將實(shí)測(cè)的車與障礙物的距離信息以報(bào)文形式發(fā)送給車載CAN總線上的其他控制單元，以實(shí)現(xiàn)其必要的功能。當(dāng)車與障礙物距離小于某一值時(shí)，通過(guò)制動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)自動(dòng)制動(dòng)功能，保證車輛倒車安全；CAN總線上儀表控制單元接收到車與障礙物距離信息后，可將其距離顯示出來(lái)；CAN總線上語(yǔ)音設(shè)備接收到信息后，可根據(jù)距離大小實(shí)現(xiàn)不同頻率分級(jí)語(yǔ)音報(bào)警。這樣實(shí)現(xiàn)了倒車?yán)走_(dá)單元在CAN總線上與其相關(guān)單元的數(shù)據(jù)共享，擴(kuò)展了倒車?yán)走_(dá)的功能，同時(shí)也提高了倒車的安全性。

1 CAN總線與車載CAN網(wǎng)絡(luò)通信
1．1 CAN總線
    CAN總線是一種保密性很高的現(xiàn)場(chǎng)總線，是德國(guó)Bosch公司在20世紀(jì)80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制和測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。它具有以下特點(diǎn)：
    (1)總線以多主方式工作，系統(tǒng)柔性好，通信方式靈活，且不用占地址等單元信息；
    (2)CAN總線網(wǎng)絡(luò)上的單元信息分不同的優(yōu)先級(jí)，可滿足不同的實(shí)時(shí)要求，所有的信息發(fā)送都以固定格式發(fā)送；
    (3)采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下也不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓狀況；
    (4)只通過(guò)報(bào)文濾波可以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式接收傳送數(shù)據(jù)；
    (5)通信速率與距離成反比，5 Kb／s以下速率直接通信可達(dá)10 km，40 m內(nèi)通信最高速率可達(dá)1 Mb／s；
    (6)具有錯(cuò)誤檢測(cè)功能、錯(cuò)誤通知功能、錯(cuò)誤恢復(fù)功能；
    (7)CAN總線單元在出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤情況下會(huì)自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以便總路線上其他單元的操作不受影響；
    (8)CAN總線單元數(shù)理論上可以是無(wú)數(shù)個(gè)，但一般受通信速率限制，單元越多，通信速率越低，所以單元數(shù)還是有限的。
1．2 車載CAN網(wǎng)絡(luò)通信
    現(xiàn)代汽車內(nèi)部的主要控制單元有：發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、ABS控制單元、安全氣囊控制單元、自動(dòng)變速器控制單元、儀表管理單元、車窗控制單元、牽引力控制單元、故障診斷單元、中控門鎖單元、座椅調(diào)節(jié)單元、照明控制單元、空調(diào)控制單元、雨括控制單元、后視鏡控制單元等。這些控制單元通過(guò)CAN總線構(gòu)成一個(gè)實(shí)時(shí)通信控制網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

    網(wǎng)絡(luò)中各控制單元發(fā)出的控制指令必須迅速、可靠、及時(shí)地得到響應(yīng)，否則輕則就有可能使車輛局部控制失靈，重則就有可能發(fā)生車毀人亡的重大事故。若整輛汽車的所有控制單元都連接在一個(gè)CAN總線網(wǎng)絡(luò)上，所有的控制單元都通過(guò)一對(duì)CAN網(wǎng)絡(luò)線進(jìn)行通信，很容易出現(xiàn)總線上工點(diǎn)過(guò)多，通信速率下降，系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)速度下降，將導(dǎo)致關(guān)鍵控制部位的實(shí)時(shí)響應(yīng)速度得不到保證。因此在對(duì)汽車上各控制單元的實(shí)時(shí)性分析之后，根據(jù)各控制單元對(duì)實(shí)時(shí)性的要求不同，設(shè)計(jì)了高、低兩個(gè)速率不同的CAN通信網(wǎng)絡(luò)。將實(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格、可靠性要求高的發(fā)動(dòng)機(jī)控制單元、倒車?yán)走_(dá)控制單元(本課題設(shè)計(jì)部分)、ABS控制單元、自動(dòng)變速器控制單元和安全氣囊控制單元組成高速CAN通信網(wǎng)絡(luò)，將實(shí)時(shí)性要求相對(duì)較低的中控門鎖控制單元、電動(dòng)座椅調(diào)節(jié)單元、電動(dòng)車窗控制單元、后視鏡控制單元、雨括控制單元和照明燈控制單元等組成低速CAN通信網(wǎng)絡(luò)，并配置中央控制器(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(lái)，實(shí)現(xiàn)全部節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)共享。高速CAN網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率達(dá)到500 Kb／s，低速CAN網(wǎng)絡(luò)的傳輸速率大約是10～125 Kb／s。圖1中總線兩端應(yīng)接抑制反射的120 Ω的終端匹配電阻，如果不接終端電阻，會(huì)使得數(shù)據(jù)通信的抗干擾性及可靠性大大降低，甚至無(wú)法通信。

2 倒車?yán)走_(dá)單元硬件設(shè)計(jì)
2．1 倒車?yán)走_(dá)單元的整體設(shè)計(jì)
    倒車?yán)走_(dá)單元的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，本設(shè)計(jì)中倒車?yán)走_(dá)以PIC18F258單片機(jī)為控制核心，控制超聲波發(fā)射接收電路、溫度修正電路工作。PIC18F258單片機(jī)本身帶有CAN總線，這樣可以減小電路的復(fù)雜性。超聲波發(fā)射電路發(fā)出40 kHz的超聲波，經(jīng)障礙物反射后探頭接收到反射波，單片機(jī)根據(jù)發(fā)射和接收時(shí)間差計(jì)算出障礙物與車的距離，并通過(guò)CAN總線以報(bào)文形式發(fā)送到儀表單元并顯示，也可送到音響單元進(jìn)行語(yǔ)音報(bào)警，當(dāng)距離小于一定值時(shí)，相應(yīng)的制動(dòng)單元自動(dòng)剎車。溫度補(bǔ)償電路采用數(shù)字溫度傳感器DS18B20，利用聲速和溫度之間的關(guān)系對(duì)聲速進(jìn)行校正，從而消除溫度變化對(duì)聲音的影響。

    PIC18F258單片機(jī)有著先進(jìn)的精簡(jiǎn)指令集構(gòu)架、增強(qiáng)型內(nèi)核，32級(jí)堆棧和多種內(nèi)部、外部中斷源，內(nèi)部帶有CAN總線控制器，并采用了程序和數(shù)據(jù)空間完全分開的“哈佛”結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)大大降低了總體成本，同時(shí)提高了運(yùn)行效率和可靠性。
2．2 倒車?yán)走_(dá)單元接口電路設(shè)計(jì)
    CAN單元的硬件構(gòu)成一般有兩種形式。一種形式是內(nèi)部集成CAN控制器的微控制器加上收發(fā)器；另外一種形式是通用微控制器加上獨(dú)立CAN控制器再加上收發(fā)器。本設(shè)計(jì)采用前一種形式，不占用微控制器的端口資源，可以簡(jiǎn)化接口電路的設(shè)計(jì)?？紤]到汽車是在非常特殊的環(huán)境下工作，所以選擇了滿足汽車溫度變化范圍且性價(jià)比較高的Mierochip公司的PIC18F258單片機(jī)，該芯片內(nèi)部集成了CAN控制器，可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、提高系統(tǒng)的可靠性。倒車?yán)走_(dá)單元與CAN總線接口硬件電路如圖3所示，主要由PIC18F258單片機(jī)，6N137高速光電耦合器，PCA82 C250總線收發(fā)器三部分組成。

    為了提高系統(tǒng)的抗干擾能力和傳輸信號(hào)的能力，采用6N137高速光電耦合電路可以很好地實(shí)現(xiàn)總線上單元之間的電氣隔離。高速光電耦合器的兩個(gè)電源Vcc和V'cc必須采用電源隔離電路進(jìn)行完全隔離。

3 CAN總線通信軟件設(shè)計(jì)
    CAN總線上通信軟件設(shè)計(jì)主要包括CAN單元初始化，報(bào)文發(fā)送和報(bào)文接收三部分。CAN接口的初始化程序設(shè)計(jì)非常重要，如果設(shè)計(jì)的不好，系統(tǒng)將不能正常工作其初始化首先要在配置模式下將控制寄存器、狀態(tài)寄存器、波特率寄存器、I／O控制寄存器、接收掩碼寄存器和幾個(gè)濾波寄存器按照系統(tǒng)要求設(shè)置好，以保證CAN總線的暢通。
    CAN總線通信主程序和中斷服務(wù)程序框圖如圖4所示。

4 結(jié)語(yǔ)
    本文應(yīng)用PIC18F258單片機(jī)設(shè)計(jì)一種基于車載CAN總線倒車?yán)走_(dá)單元，使其成為車載CAN網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)電氣單元。給出了倒車?yán)走_(dá)單元的總體結(jié)構(gòu)，CAN總線接口電路及軟件設(shè)計(jì)。倒車?yán)走_(dá)單元主控芯片PIC18F258通過(guò)CAN總線能夠向其他單元發(fā)送報(bào)文數(shù)據(jù)，其他控制器經(jīng)過(guò)判別而實(shí)現(xiàn)相關(guān)的報(bào)警、顯示、自動(dòng)剎車等功能，提高了汽車的安全性。