CAN總線技術(shù)及其在汽車儀表中的應(yīng)用

1、CAN總線技術(shù)及其在汽車儀表中的應(yīng)用摘要本文首先介紹了AN總線技術(shù)，然后給出了AN總線技術(shù)在以摩托羅拉16位單片機(jī)9S12為中央控制器的某汽車儀表系統(tǒng)中的應(yīng)用，并對(duì)該系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及其中AN通信模塊的軟硬件設(shè)計(jì)作了詳細(xì)說明。關(guān)鍵詞AN總線，9S12，汽車，儀表0引言控制局域網(wǎng)AN(ntrllerareanetrk)是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，是德國Bsh公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種通訊協(xié)議，它作為汽車環(huán)境中的微控制器通訊，在車載各電子控制裝置EU之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。比如：發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)、變速箱控制器、儀表裝備、電子主干系統(tǒng)中，均嵌入AN

2、控制裝置。AN是一種多主方式的串行通訊總線，基本設(shè)計(jì)規(guī)范要求有高的位速率，高抗電磁干擾性，而且能夠檢測(cè)出產(chǎn)生的任何錯(cuò)誤。當(dāng)信號(hào)傳輸距離達(dá)到10K時(shí)，AN仍可提供高達(dá)50kbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。它是一種有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)。AN的應(yīng)用范圍遍及從高速網(wǎng)絡(luò)到低成本的多線路網(wǎng)絡(luò)。在自動(dòng)化電子領(lǐng)域的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制部件、傳感器、抗滑系統(tǒng)等應(yīng)用中，AN的位速率可高達(dá)1bps。AN網(wǎng)絡(luò)具有反映快,可靠度高的特性，應(yīng)用于要求實(shí)時(shí)處理的場(chǎng)合，例如汽車剎車防鎖死系統(tǒng)安全氣囊等。今天此項(xiàng)通信協(xié)議已得到廣泛應(yīng)用，成為現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)中必須采用的裝置，奔馳、寶馬、大眾、沃爾沃及雷諾汽車都將AN作為控

3、制器聯(lián)網(wǎng)的手段。1AN總線的特點(diǎn)及通訊協(xié)議1.1AN總線的特點(diǎn)AN總線是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)。其通訊介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制部件、傳感器等應(yīng)用中，總線的位速率最大可達(dá)1bit/s。AN總線具有以下主要特性：a無破壞性的基于優(yōu)先權(quán)競(jìng)爭(zhēng)的總線仲裁b可借助接收濾波的多地址幀傳送具有錯(cuò)誤檢測(cè)與出錯(cuò)幀自動(dòng)重發(fā)功能d數(shù)據(jù)傳送方式可分為數(shù)據(jù)廣播式和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請(qǐng)求式1.2AN總線幀格式1AN總線通信協(xié)議包括AN2.0A和AN2.0B兩種，它們的幀格式如下：（1）AN2.0A通信協(xié)議規(guī)定了4種不同的幀格式：數(shù)據(jù)幀用于節(jié)點(diǎn)間傳遞數(shù)據(jù)，是網(wǎng)絡(luò)信息的主體，其幀格式依次

4、包括：幀起始、仲裁嘗控制嘗數(shù)據(jù)嘗R嘗AK場(chǎng)和幀結(jié)束。其中數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度可編程08個(gè)字節(jié)。遠(yuǎn)程幀由在線單元發(fā)送，用于請(qǐng)求發(fā)送具有相同標(biāo)識(shí)符的數(shù)據(jù)幀，其幀格式與數(shù)據(jù)幀基本相同，但沒有數(shù)據(jù)常出錯(cuò)幀出錯(cuò)幀是檢測(cè)總線出錯(cuò)的一個(gè)信號(hào)標(biāo)志，由兩個(gè)不同的場(chǎng)構(gòu)成。第一個(gè)場(chǎng)由來自不同節(jié)點(diǎn)的錯(cuò)誤標(biāo)志疊加，第二個(gè)場(chǎng)為錯(cuò)誤界定符。AN協(xié)議采用R檢驗(yàn)并可提供相應(yīng)的錯(cuò)誤處理功能，保證數(shù)據(jù)通訊的可靠性。超載幀由超載標(biāo)識(shí)和超載界定符組成，表明邏輯鏈路控制層要求的內(nèi)部超載狀態(tài)，并將由媒體訪問控制層的一些出錯(cuò)條件而被啟動(dòng)發(fā)送。用于擴(kuò)展幀序列的延遲時(shí)間。（2）AN2.0B通信協(xié)議分為兩種幀格式：標(biāo)準(zhǔn)幀標(biāo)準(zhǔn)幀信息為11個(gè)字節(jié)，包括兩部分：

5、信息和數(shù)據(jù)部分。前3個(gè)字節(jié)為信息部分。1字節(jié)1為幀信息。第7位（FF）表示幀格式，在標(biāo)準(zhǔn)幀中，F(xiàn)F0；第6位（RTR）表示幀的類型，RTR=0表示為數(shù)據(jù)幀，RTR=1表示為遠(yuǎn)程幀；DL表示在數(shù)據(jù)幀時(shí)實(shí)際的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。2字節(jié)2、3為報(bào)文識(shí)別碼，11位有效。3字節(jié)411為數(shù)據(jù)幀的實(shí)際數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程幀時(shí)無效。擴(kuò)展幀1擴(kuò)展幀信息為13個(gè)字節(jié)，包括兩部分，信息和數(shù)據(jù)部分。前5個(gè)字節(jié)為信息部分。字節(jié)1為幀信息。第7位（FF）表示幀格式，在擴(kuò)展幀中，F(xiàn)F1；第6位（RTR）表示幀的類型，RTR=0表示為數(shù)據(jù)幀，RTR=1表示為遠(yuǎn)程幀；DL表示在數(shù)據(jù)幀時(shí)實(shí)際的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。2字節(jié)25為報(bào)文識(shí)別碼，其高29位有效。3字節(jié)

6、613為數(shù)據(jù)幀的實(shí)際數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程幀時(shí)無效。2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)該系統(tǒng)以摩托羅拉16位單片機(jī)9S12DP256為中央控制器，并含有AN通信模塊、LIN通信模塊、數(shù)據(jù)采集模塊及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊等。發(fā)動(dòng)機(jī)及底盤部分通過AN總線與中央控制器相連，儀表板部分及車身模塊通過LIN總線與中央控制器相連，本文重點(diǎn)介紹的是AN通信模塊的設(shè)計(jì)。2.1AN通信模塊硬件設(shè)計(jì)中央控制器9S12DP256內(nèi)部帶有5路AN控制器，sAN是trlaSaleableAN的縮寫，而sAN12模塊則是在9S12系列U上的具體實(shí)現(xiàn)。它服從AN2.0A/B協(xié)議，集成了除收發(fā)器外AN總線控制器的所有功能。sAN12基本特點(diǎn)如下2：(1)模塊化結(jié)

7、構(gòu)(2)實(shí)現(xiàn)了AN2.0A/B協(xié)議，支持標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展幀格式(3)支持遠(yuǎn)程請(qǐng)求幀(4)雙緩沖接收存儲(chǔ)方案(5)帶有本地優(yōu)先級(jí)排隊(duì)機(jī)制的三緩沖區(qū)發(fā)送存儲(chǔ)方案(6)可屏蔽、可重組標(biāo)識(shí)符驗(yàn)收過濾器(7)內(nèi)置低通濾波器的可編程喚醒功能(8)可編程環(huán)路檢測(cè)模式支持模塊自檢(9)時(shí)鐘源可程控選擇PU總線時(shí)鐘或晶體振蕩器時(shí)鐘采用sAN12的AN總線系統(tǒng)如圖1所示：圖1含有9S12及其他節(jié)點(diǎn)的典型AN總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)AN收發(fā)器采用摩托羅拉的AN通信物理接口芯片33388，它的主要特點(diǎn)是：靜態(tài)電流低至15uA；波特率范圍為10125kbps；發(fā)生總線錯(cuò)誤時(shí)可自動(dòng)調(diào)整至單線模式,錯(cuò)誤消失后可自動(dòng)恢復(fù)正常狀態(tài)；支持單總線傳

8、輸模式；總線對(duì)地、電源具有短路保護(hù)功能；具有總線驅(qū)動(dòng)器過熱保護(hù)功能；支持無遮蔽雙絞線傳輸；無功節(jié)點(diǎn)不影響總線狀態(tài)；工作溫度范圍為40125。33388與U應(yīng)用電路如圖2所示：圖233388與U應(yīng)用電路2.2AN數(shù)據(jù)通信接口模塊軟件設(shè)計(jì)通信接口模塊程序主要包括三部分：初始化子程序、發(fā)送子程序和接收子程序。初始化程序主要是通過AN控制器控制段中的寄存器寫入控制字，從而確定AN控制器的工作方式等。有三種方式進(jìn)入初始化程序：一是上電復(fù)位，二是硬件復(fù)位；三是軟件復(fù)位，即在運(yùn)行期間通過給AN控制器發(fā)一個(gè)復(fù)位請(qǐng)求，置復(fù)位請(qǐng)求位為1。在復(fù)位期間必須初始化的寄存器有控制寄存器TL、發(fā)送控制寄存器TR、接收中斷允

9、許寄存器RIER、總線定時(shí)寄存器BTR、驗(yàn)收控制寄存器IDA、驗(yàn)收寄存器IDAR、驗(yàn)收屏蔽寄存器DR等。主節(jié)點(diǎn)AN數(shù)據(jù)接收采用中斷方式，U內(nèi)部的AN控制器具有雙緩沖接收結(jié)構(gòu)，對(duì)總線數(shù)據(jù)具有一定的緩存能力，通常系統(tǒng)采用主程序查詢方式對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并用廣播方式發(fā)送，對(duì)特殊數(shù)據(jù)采用遠(yuǎn)程幀申請(qǐng)方式，這樣更有利于程序?qū)Χ鄠€(gè)任務(wù)的結(jié)構(gòu)化管理，其程序流程圖如圖3所示。AN總線以報(bào)文為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)點(diǎn)對(duì)總線的訪問采取位仲裁方式。報(bào)文起始發(fā)送節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)符可分為功能標(biāo)識(shí)符和地址標(biāo)識(shí)符。AN協(xié)議的最大特點(diǎn)是打破了傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)地址編碼方式，而擴(kuò)展了對(duì)通訊數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼的方式。采用這種方式可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到

10、相同的數(shù)據(jù)?？偩€采用AN2.0B協(xié)議，數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)符用29位二進(jìn)制表示，即可定義229個(gè)不同的數(shù)據(jù)類型，即使對(duì)未來更復(fù)雜的汽車控制網(wǎng)絡(luò)其容量也足夠了。標(biāo)識(shí)符的值越小，幀數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)越高。通過數(shù)據(jù)鏈路控制，每個(gè)接收器完成幀接收濾波確定此幀數(shù)據(jù)是否有效。AN控制器監(jiān)聽總線電平?jīng)Q定發(fā)送接收是否有效，實(shí)際汽車應(yīng)用中一般采用不冗余的通訊線路，而AN協(xié)議提供強(qiáng)大的出錯(cuò)診斷機(jī)制，在保證數(shù)據(jù)通訊的可靠性方面起了重要作用。圖3AN通信程序流程圖3結(jié)束語AN總線技術(shù)，是工業(yè)控制與計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)兩者邊緣的產(chǎn)物。無論是從網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、協(xié)議、實(shí)時(shí)性、還是適應(yīng)性、靈活性、可靠性乃至成本等，工業(yè)控制的底層都有它的特殊性，特別是汽車工業(yè)中，要傳輸?shù)男畔级绦?，要求?shí)時(shí)性很強(qiáng)、可靠性高，AN總線協(xié)議作為一種簡(jiǎn)單而可靠的通訊協(xié)議，在車用電控單元和儀表上有很好的應(yīng)用前景。本文介紹的AN接口電路與通訊軟件結(jié)構(gòu)對(duì)其他微處理器系統(tǒng)來說，加以適當(dāng)?shù)男薷囊彩沁m用的。由于在實(shí)際的車用電氣環(huán)境中，需要考慮溫度、電磁