基于CAN總線的汽車開關(guān)電器盒設(shè)計(jì)

引言

隨著現(xiàn)代汽車工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，車上安裝的電子設(shè)備在不斷增加，從而使汽車綜合控制系統(tǒng)中，有大量控制信號需要進(jìn)行實(shí)時(shí)交換。CAN總線作為一種可靠的汽車計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)總線，已經(jīng)被廣泛地推廣到汽車控制系統(tǒng)的各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。將CAN總線技術(shù)應(yīng)用到汽車開關(guān)電器盒中，可使得各汽車計(jì)算機(jī)控制單元能夠通過CAN總線得到開關(guān)電器盒中的工作數(shù)據(jù)，又能對開關(guān)電器盒的各個(gè)繼電器進(jìn)行精準(zhǔn)的控制，從而達(dá)到減少汽車線束、提高通信可靠性、降低系統(tǒng)成本、避免系統(tǒng)功能重復(fù)、提高系統(tǒng)工作效率的目的。

1汽車開關(guān)電器盒設(shè)計(jì)方案

本開關(guān)電器盒采用的是基于Microchip公司生產(chǎn)的PIC18F45K80芯片作為主芯片的設(shè)計(jì)方案。該芯片不僅具有一般單片機(jī)所具有的全部功能，還集成有硬件CAN協(xié)議模塊,芯片內(nèi)部即可完成CAN總線通信。采用本方案具有以下幾點(diǎn)優(yōu)勢：其一是硬件集成了CAN協(xié)議模塊，無需外接芯片，從而降低了產(chǎn)品制造成本；二是無需編寫SPI接口驅(qū)動，縮短了開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品競爭力；三是本系統(tǒng)使用主流PIC芯片,具有強(qiáng)大的可擴(kuò)展性，程序可移植性高。

PIC18F45K80為主控制芯片，負(fù)責(zé)系統(tǒng)的綜合事務(wù)處理。系統(tǒng)功能主要分為四大部分，分別是模擬信號采樣、數(shù)字信號采集、控制信號輸出和CAN模塊通信。模擬信號的采集包括電源電壓采樣、溫度傳感器和電流傳感器采樣。數(shù)字信號采集各個(gè)熔斷保險(xiǎn)絲的通斷?？刂菩盘柕妮敵鍪菍φ囯娫蠢^電器K1、啟動電源繼電器K2、啟動電機(jī)繼電器K3的控制。CAN模塊通信是單片機(jī)通過CAN接口芯片與車上的其他設(shè)備進(jìn)行通信，也是本系統(tǒng)研究的重點(diǎn)。圖1所示是本系統(tǒng)的整體框圖。

圖1  系統(tǒng)的整體框圖

2汽車開關(guān)電器盒的硬件設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)主處理器PIC18F45K880

PIC18F45K80系歹，是Microchip的PIC18F8680、PIC18F4680和PIC18F4580增強(qiáng)型CAN系列產(chǎn)品的低成本擴(kuò)展產(chǎn)品。該單片機(jī)工作電壓范圍寬，為1.8~5.5V,且片上內(nèi)置3.3V穩(wěn)壓器，可作為電源基準(zhǔn)電壓。工作溫度范圍大:-40-+125°C,適合汽車工作環(huán)境。工作速度最高達(dá)64MHz,具有最大64KB的片內(nèi)閃存程序存儲器，1024字節(jié)的數(shù)據(jù)EEPROM,3.6KB的通用寄存器(SRAM)。設(shè)有2個(gè)內(nèi)部振蕩器：INTRC(31kHz)和INTOSC(16MHz)。帶擴(kuò)展的看門狗定時(shí)器(WatchdogTimer,WDT),可編程周期為4ms~131s。

PIC18F45K80包含一個(gè)增強(qiáng)型控制器局域網(wǎng)(EnhancedControllerAreaNetwork,ECAN)模塊。ECAN總線模塊符合ISO11898-1規(guī)范。具有3種工作模式：傳統(tǒng)模式(與現(xiàn)有PIC18CXX8/FXX8CAN模塊完全向下兼容)、增強(qiáng)模式、FIFO模式或可編程發(fā)送/接收緩沖區(qū)。報(bào)文比特率最高可達(dá)1Mb/s,具有6個(gè)緩沖區(qū)可用作接收和發(fā)送報(bào)文緩沖區(qū)，3個(gè)帶有優(yōu)先級的發(fā)送報(bào)文緩沖區(qū)，2個(gè)接收報(bào)文緩沖區(qū)和1個(gè)接收報(bào)文組合緩沖區(qū)。

2.2CAN接口電路模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本開關(guān)電器盒采用的是恩智浦半導(dǎo)體公司CAN總線收發(fā)器芯片TJA1050作為CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口。TJA1050可以為總線提供不同的發(fā)送性能，為CAN控制器提供不同的接收性能。TJA1050完全符合ISO11898標(biāo)準(zhǔn)，傳送速度高(最高可達(dá)1M波特)。具有良好的電磁兼容性和低電磁輻射(EME)性能，并帶有寬輸入范圍的差動接收器，可抗電磁干擾(EMI)。

圖2所示是TJA1050的接口應(yīng)用電路。電路中的一個(gè)120Q的電阻R9,對于匹配總線阻抗起著相當(dāng)重要的作用，否則，數(shù)據(jù)通信的抗干擾性和可靠性將大大降低，甚至無法通信。

圖2  TJA1050接口應(yīng)用電路

2.3信號采集及輸出控制電路設(shè)計(jì)

汽車的各種電氣工作狀態(tài)檢測是開關(guān)電器盒的重要工作職能之一，主要是由保險(xiǎn)絲狀態(tài)采集電路、電源電壓和溫度采集電路、啟動電動機(jī)電流檢測電路組成。

汽車保險(xiǎn)絲的工作狀態(tài)檢測。為了可靠、準(zhǔn)確地檢測各保險(xiǎn)絲的通斷情況，本系統(tǒng)采用了光耦隔離的方式檢測保險(xiǎn)絲的通斷。該電器盒共有充電保險(xiǎn)絲、暖風(fēng)1~2保險(xiǎn)絲、開關(guān)電源保險(xiǎn)絲、?；痣娫幢ｋU(xiǎn)絲、ON檔1~10號保險(xiǎn)絲、?；?~8號保險(xiǎn)絲等共24路保險(xiǎn)絲。保險(xiǎn)絲檢測采用了光耦隔離的檢測方式，避免車上其他用電設(shè)備對電器盒系統(tǒng)的干擾。

開關(guān)電器盒需對電源電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。通過電壓監(jiān)測來實(shí)現(xiàn)高壓、低壓和發(fā)電機(jī)充電異常等三種異常報(bào)警：電壓過高報(bào)警是當(dāng)電壓超過32V時(shí)，通過CAN總線向儀表發(fā)出系統(tǒng)電壓過高報(bào)警；低電壓報(bào)警則是在車輛未啟動時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)電壓低于設(shè)定值23.5V時(shí)，要發(fā)出低電壓報(bào)警，同時(shí)超過4min切斷電源總開關(guān)；發(fā)電機(jī)充電異常報(bào)警是指車輛啟動后，如充電正常，則當(dāng)前電源電壓應(yīng)大于26V,如充電異常(電源電壓超過32V或低于26V),則通過CAN總線向儀表發(fā)出報(bào)警。由于電壓報(bào)警僅需檢測3個(gè)電壓值，為降低系統(tǒng)成本，本設(shè)計(jì)采用電阻分壓的方式來進(jìn)行檢測。

本開關(guān)電器盒需檢測電器盒內(nèi)的溫度，并通過CAN總線將溫度數(shù)據(jù)發(fā)給儀表。系統(tǒng)采用的是3899200K的NTC(負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻)來檢測溫度，通過與一標(biāo)準(zhǔn)電阻分壓后采樣AD值，最后根據(jù)阻值-溫度表格查得實(shí)際測量溫度值。

另外就是啟動電動機(jī)電流檢測。汽車啟動系統(tǒng)將蓄電池電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，由啟動機(jī)帶動發(fā)動機(jī)旋轉(zhuǎn)并啟動發(fā)動機(jī)。汽車在啟動時(shí)，啟動電動機(jī)的工作電流非常大，一般可達(dá)300~600A。為防止啟動電機(jī)的過電流對汽車電瓶及其他電路造成損壞，對啟動電動機(jī)加入了電流檢測電路。系統(tǒng)中選用了BYDBLY2-IOV2M電流傳感器，在開關(guān)電器盒中采用金屬銅片穿過電流傳感器腔體。該傳感器采用霍爾效應(yīng)的測量原理,完全隔離式的測量方法，具有低功耗、寬測量范圍等特點(diǎn)。

3汽車開關(guān)電器盒的軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本開關(guān)盒電器軟件主要由兩大部分組成，包括用戶功能定義設(shè)計(jì)和CAN驅(qū)動程序設(shè)計(jì)，其程序整體架構(gòu)圖如圖3所示。

圖3中的用戶功能定義程序主要包括過壓監(jiān)測、欠壓監(jiān)測、保險(xiǎn)絲斷路監(jiān)測、過流監(jiān)測、蓄電池充電監(jiān)測、模塊自檢等。

SAE_J1939協(xié)議驅(qū)動程序主要作用是對CAN模塊中的接收緩存的CAN報(bào)文加以解析以及對發(fā)送緩存中的CAN報(bào)文加以翻譯。SAE_J1939協(xié)議的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與CAN報(bào)文結(jié)構(gòu)有很大不同之處。它將CAN報(bào)文的11位標(biāo)準(zhǔn)幀以及29位擴(kuò)展

幀重新定義，對每一位都賦予特殊意義，其結(jié)構(gòu)定義如下:

其中，PDUFormat為PDU格式，PDUSpecific為特定域，SourceAddress為設(shè)備地址，DataLength為數(shù)據(jù)長度，Priority為優(yōu)先級，而Data[J1939_DATA_LENGTH]則為SAE_J1939協(xié)議的數(shù)據(jù)域。

根據(jù)SAE_J1939協(xié)議在整個(gè)系統(tǒng)所處的位置和作用，本設(shè)計(jì)給出如圖4所示的基于SAE_J1939協(xié)議對接收和發(fā)送報(bào)文的翻譯和解析流程圖。

在CAN模塊工作之前，必須先對其進(jìn)行必要的初始化。CAN驅(qū)動程序在入口處設(shè)計(jì)為進(jìn)入CAN模塊的配置模式,以便在CAN模塊工作前對波特率、屏蔽器、過濾器等進(jìn)行配置。

4結(jié)語

基于CAN總線的汽車開關(guān)電器盒是一種網(wǎng)絡(luò)化的汽車電器控制系統(tǒng)，對汽車電器設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展有著重要的意義。它能最大限度地減少汽車線束，將開關(guān)電器盒的工作數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給各個(gè)儀表，具有較高的數(shù)據(jù)傳輸可靠性和安裝便捷性，擴(kuò)展了汽車功能。目前，隨著CAN總線技術(shù)的快速普及，支持CAN總線標(biāo)準(zhǔn)的汽車廠家越來越多，汽車電子產(chǎn)品的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展趨勢是必然的。車輛裝配基于CAN總線的汽車開關(guān)電器盒有助于提高汽車產(chǎn)品競爭力，而增加的成本并不會太多，所以是未來汽車開關(guān)電器盒的發(fā)展方向。

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