基于CAN總線技術的汽車ECU設計
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控制器局域網（ControllerAreaNetwork，CAN）是Bosch公司于1986年在美國汽車工程師協會（SAE）大會上推出的一種新型串行總線，被廣泛地用于汽車內部測量與執(zhí)行部件之間的數據通信，其總線規(guī)范已被制訂為國際標準，由于其高性能、高可靠性及獨特的設計，CAN總線技術越來越受到人們的重視[1,2]。隨著現代汽車技術的發(fā)展，電子設備在汽車中的比重越來越高，如電噴發(fā)動機、燃油高壓共軌、制動防抱死系統（ABS）、自動變速器系統、注油控制以及電動門窗等[3]，這些總成之間需要檢測并交換大量數據，采用CAN總線技術不僅成本低，而且可靠性明顯提高。從1992年起，Mercedes-Benz（奔馳）公司開始在高級客車中使用CAN總線技術，隨后，Volvo、Saab、Volkswagen、BMW、Renault以及Fiat等汽車公司也分別在自己的汽車上使用CAN總線技術[4-6]。國內針對汽車的CAN總線技術研究還處于起步階段，北京航空航天大學、中國計算機學會單片機公共實驗室、清華大學以及中國汽車技術研究中心等單位都開展了汽車CAN總線技術的研究[7-9]，但目前還不能構成系列產品，并沒有真正組建汽車CAN總線網絡。
本文以某即將定型汽車為原型，設計基于CAN總線技術的汽車ECU系統，對于已有CAN接口的總成，可以直接依據協議讀取CAN接口的數據，對于沒有CAN接口的總成，利用AT90CAN128單片機設計汽車ECU，采集傳感器信息，并通過CAN接口與其他總成交換數據，組建基于CAN總線的汽車網絡，這樣既有利于汽車本身的數據通信，又能方便配套的便攜式診斷儀器讀取汽車技術狀態(tài)信息。
2、CAN總線網絡的組建
CAN是一種串行數據通信總線，其通信速率能達到1Mbps，并已經成為一項國際標準，其最大特點是，任一節(jié)點所傳送的數據信息并不包含傳送節(jié)點或接收節(jié)點的地址，信息內容通過一個標識符（ID）作上標記，在整個網絡中，該標識符是唯一的，網絡上的其他節(jié)點接收到信息后，每一節(jié)點都對這一標識符進行測試，以判斷信息內容是否與己有關，如果是相關信息，將其接收并進行處理，否則，即被忽略。這樣，不同的節(jié)點可以接收到不同的數據，保證了通信的實時性。
現代汽車廣泛地采用了電子技術，而總控模塊能隨時接收到所需要的數據，實現汽車總成之間的數據交換使用CAN總線組成數據傳輸網絡主要用途之一，如發(fā)動機系統、自動變速器系統、ABS系統、自動差速鎖系統、中央充放氣系統、動力轉向系統以及電動門窗系統等總成之間的數據交換。利用CAN總線技術組建汽車信息傳輸網絡的基本結構如圖1所示。
由于一些總成生產廠家在設計時已經考慮了信息交互的接口問題，在生產時已將CAN總線技術集成到總成上。對于這類總成（如高壓共軌發(fā)動機、自動變速器以及ABS等系統），只需通過ECU讀取其CAN總線協議即可完成數據信息交換。對于其他總成，通過設計汽車ECU，采集相應傳感器的信息，并利用CAN接口向總線廣播式發(fā)送數據，可完成信息交換。
3、汽車ECU的設計
為了設計帶有CAN接口的汽車ECU，較為常見的方法是用單片機與CAN控制器相結合，如使用8051單片機與CAN控制器芯片SJA1000來組合使用[4][6]。由于CAN總線技術應用領域廣泛，一些芯片生產廠家（如Motorola、Intel、Philip、Atmel、Microchip以及NEC等公司）紛紛在自己的芯片中集成了CAN接口模塊，這樣將大大提高CAN接口通信的可靠性。本文采用Atmel公司的一款內嵌CAN控制器的AVR型單片機AT90CAN128來實現CAN節(jié)點。
AT90CAN128單片機具有以下特點：128K字節(jié)FLASH，4K字節(jié)EEPROM和4K字節(jié)的SRAM，帶有硬件乘法器功能，53個通用的I/O口，32個通用工作寄存器，4個具有比較模式的定時器/計數器，2通道8位的PWM，6通道2到16位精度的PWM，2個USART和1個主從SPI串行口，1個兩線(I2C)串行接口，一個8通道10位具有可選增益差分輸入的A/D轉換器，1個帶內部振蕩器的可編程看門狗定時器[10]。同時還集成了CAN控制器，與CAN標準幀2.0A和擴展幀2.0B完全兼容，具有15個獨立的信息對象，能夠處理所有的幀類型，具有8位靜態(tài)分配的數據緩沖區(qū)，晶振頻率8MHz時數據傳送速率可達到1Mbps。
3.1硬件設計
在本文的設計中，利用AT90CAN128的A/D轉換器采集相關傳感器的電壓信號（如水溫、振動、位置、氣壓以及油壓等信號），利用定時器/計數器模塊采集相關傳感器的脈沖信號（如轉速、里程等信號），由于AT90CAN128集成了CAN控制器功能，因此，結合CAN總線收發(fā)器即可完成CAN總線的接收和發(fā)送任務。CAN總線收發(fā)器采用了ATA6660芯片，它是CAN控制器與物理傳輸媒體之間的物理連接子層接口。為提高系統的抗干擾性，在AT90CAN128與ATA6660芯片之間加入高速光耦芯片6N137，其接口電路如圖2所示。
從圖2中可以看出，電路主要由3部分組成：單片機AT90CAN128、高速光耦6N137和高速CAN總線收發(fā)器。單片機AT90CAN128主要負責傳感器信息的采集、內部CAN控制器的初始化并實現數據的接收和發(fā)送等通信任務。在ATA6660與CAN總線的接口部分也采用了抗干擾和安全措施，ATA6660的CANH和CANL引腳各自通過5Ω的電阻與CAN總線相連，電阻可起到一定的限流作用，保護ATA6660免受過流沖擊。CANH和CANL與地之間并聯兩個30pF的小電容，可以起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射的能力。另外，在兩根CAN總線與地之間分別接了一個防雷擊管，當兩輸入端與地之間出現瞬變干擾時，通過防雷擊管的放電可以起到一定的保護作用。
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