基于CAN總線的智能車的設(shè)計與實現(xiàn)

 控制器局域網(wǎng)絡(luò)CAN（Controller Area Network）是德國BOSCH公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多電子設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它具有高可靠性和良好的錯誤檢測能力。汽車上主要有高速（500 kb/s）和低速（125 kb/s）兩種CAN總線，這兩種總線通過網(wǎng)關(guān)連接，實現(xiàn)兩個局域網(wǎng)間的數(shù)據(jù)共享。

目前，隨著對系統(tǒng)復(fù)雜化、精細化的要求越來越高，傳統(tǒng)的集中控制從實時性和可靠性上越來越不能滿足要求，分布控制逐漸得到了廣泛應(yīng)用。分布控制就是系統(tǒng)由一個主控制器和若干個分控制器組成，分控制器分別處理一部分系統(tǒng)功能，以并行或串行的方式與主控制器進行數(shù)據(jù)和信息的交互。

1 系統(tǒng)的總體設(shè)計

本設(shè)計主要完成了智能車在預(yù)先鋪貼的道路上行駛。整個系統(tǒng)硬件組成框圖如圖1所示，包括采集節(jié)點和控制節(jié)點，它們之間通過CAN總線完成數(shù)據(jù)的交互。采集節(jié)點通過傳感器采集道路信息，經(jīng)過信號調(diào)理電路傳送到微控制器，微控制器對信息進行處理后把數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上。控制節(jié)點讀取總線上的數(shù)據(jù)并轉(zhuǎn)換成控制命令，控制執(zhí)行機構(gòu)以確保智能車不偏離道路并且保持較高的速度。


2 節(jié)點的硬件接口設(shè)計

2.1 采集節(jié)點SST89E564RD與CAN總線接口

SST89E564RD自身不具有CAN模塊，因此擴展了CAN總線控制器，通過CAN總線收發(fā)器接入總線。本設(shè)計采用的CAN控制器是SJA1000，其兼容CAN2.0B協(xié)議，通過單片機對其進行初始化，主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務(wù)。收發(fā)器選用PCA82C250，它是一種應(yīng)用廣泛的CAN控制器與物理總線間的接口芯片，能夠?qū)偩€的信息進行差動發(fā)送和接收。為了進一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在PCA82C250和SJA1000之間用高速光耦6N137進行隔離，以降低由于不同節(jié)點的高共模電壓引起的串擾甚至對器件的損壞，提高系統(tǒng)的可靠性，其通信速率高達10 Mb/s，完全能滿足CAN總線需要。SST89E564RD與CAN總線的硬件接口如圖2所示。


2.2 控制節(jié)點DSP 與CAN 總線接口

TMS320F2812 DSP 芯片內(nèi)部集成了一個完整的增強型CAN 控制器， 稱之為eCAN， 在硬件設(shè)計中，不需要再加入獨立的CAN 控制器來實現(xiàn)CAN 總線的底層協(xié)議， 直接通過收發(fā)器PCA82C250 連接總線。DSP 與CAN總線接口設(shè)計如圖3 所示。


3 CAN節(jié)點軟件設(shè)計

3.1 CAN總線通信數(shù)據(jù)格式

CAN協(xié)議通信格式中有數(shù)據(jù)幀、遠程幀、出錯幀和超載幀4種幀格式。其中，數(shù)據(jù)幀和遠程幀的發(fā)送需要在CPU控制下進行，而出錯幀和超載幀的發(fā)送則是在錯誤發(fā)生和超載發(fā)生時自動進行的。一個有效的CAN的數(shù)據(jù)幀由起始幀、仲裁域、控制域、數(shù)據(jù)域、應(yīng)答域和結(jié)束幀組成。一幀信息除仲裁域、控制域和數(shù)據(jù)域外，其他信息都是CAN控制器發(fā)送數(shù)據(jù)時自動加上去的，而仲裁域、控制域和數(shù)據(jù)域則必須由CPU給出。TMS320F2812的CAN控制器支持標準格式和擴展格式兩種不同的幀格式，本設(shè)計采用標準格式。標識符作為報文的名稱，在仲裁過程期間，它首先被發(fā)送到總線，在接收器的驗收判斷中和仲裁過程確定訪問優(yōu)先權(quán)中都要用到。遠程發(fā)送請求位RTR決定發(fā)送的是遠程幀還是數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)長度碼DLC用來確定每幀發(fā)送幾個字節(jié)的數(shù)據(jù)，最多8 B。SJA1000可以工作在標準CAN模式和增強型CAN模式兩種模式。標準CAN模式提供11 bit標識符的識別，而增強型CAN模式支持29 bit標識符識別。本設(shè)計選擇SJA1000工作在標準CAN模式，與DSP的CAN模塊選擇的數(shù)據(jù)格式相吻合。

3.2 SST89E564RD軟件設(shè)計

SST89E564RD軟件的設(shè)計是在KeilC下完成的，主要由初始化模塊、采集模塊和通信模塊組成。

（1）初始化模塊。單片機在SJA1000的復(fù)位模式下完成對CAN控制器的初始化，向其控制寄存器寫入控制字，確定CAN控制器的工作方式。

（2）采集模塊。攝像頭傳感器采集到的信息經(jīng)信號調(diào)理電路處理后傳輸?shù)絾纹瑱C，單片機采用圖像濾波算法對所有信息進行預(yù)處理。

（3）通信模塊。把采集模塊處理完的信息通過CAN總線與其他節(jié)點進行信息交互。

3.3 TMS320F2812軟件設(shè)計

TMS320F2812的eCAN模塊主要由CAN協(xié)議內(nèi)核和消息控制器構(gòu)成。協(xié)議內(nèi)核主要完成消息解碼并向接收緩沖器發(fā)送解碼后的消息，同時根據(jù)CAN協(xié)議向總線發(fā)送消息，消息控制器決定對接收到的消息的取舍。TMS320F2812軟件主要由初始化模塊、通信模塊和驅(qū)動模塊組成。

（1）初始化模塊。其完成對CAN控制層中的寄存器進行初始化，包括時鐘使能、引腳定義、波特率的設(shè)定和收發(fā)郵箱的配置等。初始化模塊流程圖如圖4所示。

（2）通信模塊。它包括報文發(fā)送模塊、報文接收模塊和CAN出錯管理模塊。

（3）驅(qū)動模塊。它包括轉(zhuǎn)向控制模塊和速度控制模塊。由于智能車處于彎道和直道的轉(zhuǎn)向模型不同，本系統(tǒng)在轉(zhuǎn)向控制模塊中采用了分段比例控制算法，而對智能車速度的調(diào)整既要快速又要準確，還不能頻繁波動，本系統(tǒng)在速度控制模塊中采用了PID控制算法。

系統(tǒng)采用SST89E564RD微處理器實時采集道路信息，采用TMS320F2812進行數(shù)據(jù)的綜合處理，輸出相應(yīng)命令給執(zhí)行機構(gòu)，所有數(shù)據(jù)通過CAN總線交互，方便功能拓展。通過模擬測試和大量環(huán)境試驗，以及對記錄、實時檢測、數(shù)據(jù)分析的整理，該智能車目前運行可靠。后續(xù)將增添無線模塊節(jié)點，為該智能車添加遙控功能。