基于DSP的高低速CAN總線汽車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著現(xiàn)代汽車性能的不斷提升，新的控制功能不斷增加，如中央門鎖、燈光控制、玻璃升降、后視鏡調(diào)節(jié)、天窗控制、座椅調(diào)節(jié)和點(diǎn)火延時(shí)控制等。傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)多采用繼電器和獨(dú)立模式控制，使得車內(nèi)線束過多且布線復(fù)雜，從而造成了嚴(yán)重的電磁干擾，導(dǎo)致系統(tǒng)的可靠性下降。目前，很多汽車采用CAN總線將整個(gè)汽車控制系統(tǒng)聯(lián)系起來統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和相互之間協(xié)同工作，使車內(nèi)線束布線方便可靠，提高了汽車整體的安全性和性價(jià)比，增強(qiáng)了自身的競(jìng)爭力。而各個(gè)控制單元對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間要求不一樣，如防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）、驅(qū)動(dòng)防滑系統(tǒng)（ASR）、電控行駛平穩(wěn)系統(tǒng)（ESP）、安全氣囊（SRS）等對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求較高；照明控制、空調(diào)控制等對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間要求則相對(duì)較低。

由于計(jì)算機(jī)控制單元越來越多，采用單網(wǎng)絡(luò)CAN總線負(fù)荷越來越重，通過以DSP作為
系統(tǒng)主控制器并兼作網(wǎng)關(guān)（對(duì)CAN總線間待傳數(shù)據(jù)信息作智能化處理，確保只有某類特定的信息才能在網(wǎng)絡(luò)間傳輸），對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的控制單元采用高速CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸，對(duì)實(shí)時(shí)性要求相對(duì)較低的控制單元采用低速CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸，不僅可以提高系統(tǒng)抗電磁干擾性，而且還可以簡化傳輸線束，提高傳輸可靠性。

1. 基于DSP的汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

1.1 TMS320LF2407A功能簡介

選用TI公司的16位定點(diǎn)DSP TMS320LF2407A作為主控制器并兼作網(wǎng)關(guān)。該型DSP
系統(tǒng)時(shí)鐘可達(dá)40M，運(yùn)算速度為40MIPS, 片內(nèi)有高達(dá)32K字FLASH程序存儲(chǔ)器，高達(dá)1.5K字的數(shù)據(jù)/程序RAM以及2K字的SARAM和544字的DARAM，內(nèi)嵌16通道10位的A/D
轉(zhuǎn)換器、SPI/SCI/CAN2.0B模塊以及看門狗定時(shí)器模塊，資源豐富，接口方便，特別適合于象汽車計(jì)算機(jī)控制等實(shí)時(shí)性和可靠性要求很高、電磁干擾嚴(yán)重的場(chǎng)合。

1.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)已經(jīng)廣泛涉及到動(dòng)力、安全、環(huán)保、節(jié)能、舒適等諸多方面，各種控制系統(tǒng)的電控單元（ECU）相互緊密聯(lián)系，需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)通信，而且為了滿足各子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求必須對(duì)汽車公共數(shù)據(jù)進(jìn)行共享。因此在構(gòu)建CAN總線控制系統(tǒng)中，總是希望CAN通信控制網(wǎng)絡(luò)具有較高的波特率和可靠性。但若整輛汽車的所有節(jié)點(diǎn)都掛在一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)上，眾多節(jié)點(diǎn)通過一條CAN總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，就很容易出現(xiàn)總線負(fù)載過大，導(dǎo)致系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)速率下降。因而在對(duì)汽車各節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)性進(jìn)行分析后，設(shè)計(jì)了基于TMS320LF2407A的高低速CAN通信網(wǎng)絡(luò)，將實(shí)時(shí)性要求較高的節(jié)點(diǎn)組成高速CAN通信網(wǎng)絡(luò)，將實(shí)時(shí)性要求相對(duì)較低的節(jié)點(diǎn)組成低速CAN通信網(wǎng)絡(luò)，并架設(shè)網(wǎng)關(guān)將這兩種速率不同的CAN通信網(wǎng)絡(luò)連接起來，實(shí)現(xiàn)全部節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)共享。整輛汽車的通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1中的發(fā)動(dòng)機(jī)控制、變速箱控制、ABS/ASR/ESP控制和SRS控制是現(xiàn)代汽車動(dòng)作的
核心部件，對(duì)時(shí)間響應(yīng)要求嚴(yán)格，因而在本設(shè)計(jì)中采用傳輸速率為500Kbps的高速CAN通信網(wǎng)絡(luò)；空調(diào)管理、儀表管理、照明管理和姿態(tài)管理（如玻璃升降、后視鏡調(diào)節(jié)、天窗控制、座椅調(diào)節(jié)和雨刷管理等）的實(shí)時(shí)性要求相對(duì)較低，采用速率為125Kbps的低速CAN 通信網(wǎng)絡(luò)，主控制器跨接高、低速兩條總線，與各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，兼起網(wǎng)關(guān)的作用。

1.3 控制系統(tǒng)的電控單元與CAN總線接口設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，采用TMS320LF2407A作為主控制器，汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的電控
單元與CAN總線連接方式如圖2所示。

通過TMS320LF2407A內(nèi)嵌的CAN控制器可以很方便的實(shí)現(xiàn)物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功
能。CANH和CANL是CAN總線的兩條差分接收/發(fā)送復(fù)用線路，它們的端點(diǎn)各接一個(gè)Ω120的總線匹配電阻。當(dāng)有節(jié)點(diǎn)占有CAN總線時(shí)，該節(jié)點(diǎn)的發(fā)送端（電平為3.5V）接CANH，接收端（電平為1.5V）接CANL；當(dāng)無節(jié)點(diǎn)占有CAN總線時(shí)，CANH和CANL上的電平均為2.5V。在TMS320LF2407A和總線收發(fā)器PCA82C250之間采用高速光電隔離器6N137，可有效防止干擾信號(hào)通過PCA82C250傳入主控制器；同時(shí)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)還進(jìn)行了金屬屏蔽，傳輸線采用屏蔽雙絞線，以減少電磁干擾。


2. 硬件接口電路設(shè)計(jì)

CAN通信網(wǎng)絡(luò)接口由TMS320LF2407A的CAN控制器、CAN總線收發(fā)器PCA82C250以及光
電隔離器6N137組成。CAN節(jié)點(diǎn)通信接口的硬件設(shè)計(jì)電路如圖3所示。為了便于調(diào)試和演示，節(jié)點(diǎn)模塊都包括CAN接口、RS232接口和液晶顯示器。在調(diào)試過程中，液晶顯示器用來將本地?cái)?shù)據(jù)和通過CAN總線接收的數(shù)據(jù)直觀地顯示出來，RS232接口在需要的情況下可用來與PC機(jī)建立通信?？偩€數(shù)據(jù)信號(hào)通過高速光電隔離器6N137隔離，PCA82C250是CAN控制器和物理層之間的接口，可以提供對(duì)總線數(shù)據(jù)的差分接收和發(fā)送能力，具有在汽車環(huán)境下抗瞬間干擾、保護(hù)總線的能力。

3. 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件由系統(tǒng)主程序和高低速CAN網(wǎng)絡(luò)單元軟件組成，軟件流程如圖4和5所示。

高速CAN通信網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高的控制單元?jiǎng)幼鞯牟杉?、處理和傳送，一?BR>系統(tǒng)檢測(cè)到有動(dòng)作信號(hào)，將開放中斷，調(diào)用相應(yīng)的中斷子程序，經(jīng)DSP處理后通過高速CAN網(wǎng)絡(luò)傳送到相應(yīng)控制單元的ECU，由控制單元ECU對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行控制。如果沒有檢測(cè)到高速CAN網(wǎng)絡(luò)忙，就檢測(cè)低速CAN網(wǎng)絡(luò)，在沒有高速CAN網(wǎng)絡(luò)中斷的前提下調(diào)用相應(yīng)的子程序響應(yīng)相應(yīng)的動(dòng)作。低速CAN網(wǎng)絡(luò)單元軟件流程與低速CAN網(wǎng)絡(luò)單元類似，主要區(qū)別是低速CAN網(wǎng)絡(luò)單元采用查詢方式，數(shù)據(jù)廣播用于實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)共享。

4. 結(jié)論

CAN 總線作為一種可靠的汽車計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)總線已在許多先進(jìn)汽車上得到應(yīng)用,使得各汽車計(jì)算機(jī)控制單元能夠通過CAN 總線共享所有信息和資源,達(dá)到簡化布線、減少傳感器數(shù)量、避免控制功能重復(fù)、提高系統(tǒng)可靠性、降低成本、更好地匹配和協(xié)調(diào)各個(gè)控制系統(tǒng)的目的。本設(shè)計(jì)采用了數(shù)字信號(hào)處理器TMS320LF2407A 作主控制器兼作網(wǎng)關(guān), 可在不同節(jié)點(diǎn)間實(shí)現(xiàn)高效數(shù)據(jù)傳輸，提高了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和可靠性，采用高低速CAN總線網(wǎng)絡(luò)通信控制方式，可以較大提高總線的利用率和系統(tǒng)的響應(yīng)速度，基本達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。

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