汽车CAN系统知识

汽车电子与CAN总线

摘要：控制器局域网（CAN）是一种有效支持分布式控制或实时控制的现场总线，具有高性能和高可靠性的特点；随着现代汽车技术的发展，CAN技术在汽车电子领域应用日益广泛。文章介绍了符合CAN2.0B协议汽车CAN系统设计方案，着重讨论了以微处理器P89C668为核心的CAN总线智能节点的软硬件实现，推荐一款MOTOROLA的多路开关检测芯片MC33993，并且涉及到 ，SPI以及在系统编程等技术。

关键词：现场总线，CAN，汽车电子，MC33993， ，SPI

1 汽车电子与CAN总线

随着汽车电子技术的不断发展，汽车上各种电子控制单元的数目不断增加，连接导线显著增加，因而提高控制单元间通讯可靠性和降低导线成本已成为迫切需要解决的问题。为此以研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发了CAN总线协议，并使其成为国际标准（ISO11898）。1989年，Intel公司率先开发出CAN总线协议控制器芯片，到目前为止，世界上已经拥有20多家CAN总线控制器芯片生产商，110多种CAN总线协议控制器芯片和集成CAN总线协议控制器的微处理器芯片。在北美和西欧，CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线，并且拥有以CAN为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的J1939协议。我国的汽车CAN总线技术起步较晚，但随着现代汽车电子的不断进步发展，其研究和应用正如火如荼的进行中。CAN总线是一种串行多主站控制器局域网总线，是一种有效支持分布式控制或实时控制的串性通讯网络。CAN总线的通信介质可以是双绞线，同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1Mbps/40m，通信距离可达10km/40Kbps。由于其通信速率高，可靠性好以及价格低廉等特点，使其特别适合中小规模的工业过程监控设备的互连和交通运载工具电气系统中。CAN总线有如下基本特点：

◎ 废除传统的站地址编码，代之以对通信数据块进行编码，可以多主方式工作；

◎ 采用非破坏性仲裁技术，当两个节点同时向网络上传送数据时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响继续传输数据，有效避免了总线冲突；

◎ 采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，数据传输时间短，受干扰的概率低，重新发送的时间短；

◎ 每帧数据都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据传输的高可靠性，适于在高干扰环境下使用；

◎ 节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，以使总线上其他操作不受影响；

◎ 可以点对点，一对多及广播集中方式传送和接受数据。

图1 汽车CAN总线系统架构

现代汽车典型的控制单元有电控燃油喷射系统，电控传动系统，防抱死制动系统（ABS），防滑控制系统（ASR），废气再循环系统，巡航系统和空调系统，车身电子控制系统（包括照明指示和车窗，刮雨器等）。完善的汽车CAN总线网络系统架构如图1所示。

2 CAN节点硬件构架

核心芯片：

选用PHILIPS公司的高性能8位微处理器P89C668。其突出特点如下：

◎ 80C51 中央处理单元；

◎ 内置可ISP（在系统编程）和IAP（在应用编程）的Flash 存储器，Boot ROM 可通过串口访问从而升级下载用户程序；

◎ 每个机器周期6 个时钟周期操作标准，每个机器周期12 个时钟周期操作可选，周期12 个时钟周期下速度高达33MHz；

◎ 8K字节RAM和64K字节FLASH；

◎ 4 个中断优先级，8 个中断源；

◎ 自带 串行接口序列；

◎ 5路可编程的计数器阵列PCA（PWM输出，捕捉/比较，高速输出三种工作方式）。

无论从处理能力，存储容量，还是外围资源以及网络可扩展性方面来评价，P89C668都是一款出色的微处理器，适用工控电子等各个领域。尤其是其8K字节RAM的"海量"内存，更是许多高速存储应用场合的首选。

CAN接口电路：

采用技术成熟应用广泛的SJA1000(CAN控制器)，6N137(光电隔离)，P82C250（CAN收发器）组成接口电路。需要指出的是，CAN总线(CANH,CANL)两端务必跨接120欧的终端电阻。SJA1000中断引脚接CPU的外中断0引脚。

在应用/系统编程电路：

IAP/ISP技术在许多款高性能单片机得到应用，其突出特点是方便快捷的实现程序的下载和更新。P89C668的FLASH空间0XFC00～0XFFFF烧写入1K字节的Boot Rom程序，上电后可以通过软件和硬件置位方法进入Boot Rom程序，通过PHILIPS提供的编程软件由串行口通讯就可以实现程序的在线升级（ISP）。当然用户还可以根据需要依据协议，自己编写Boot Rom程序（IAP）。通过拨码开关硬件置位（ALE, , ,P2.6,P2.7），上电后强制进入Boot Rom程序，烧写程序完毕后拨回原来状态重新上电后就进入用户程序。串行口电平转换芯片用MAX202替代MAX232，其匹配电容只需103瓷片电容。串行数据通讯波特率可达38400bps。

晶振和复位电路：

外接一块工业级的12M振荡芯片作为时钟信号。复位电路采用X25045芯片进行智能控制。X25045芯片将看门狗定时器，电源监控电路和E2PROM功能合三为一。看门狗定时器功能在系统出错期间，经过一个可设置的时间间隔就置位RESET信号。电源监控电路能检测到欠电压状况，在VCC下降到限阀值以下，系统被复位。并且RESET信号在VCC恢复且稳定之前一直有效。存储器功能的X25405是CMOS的4096字的E2PROM.并且支持SPI协议的三线（SO,SI,SCLK）存取。本节点用到X25405的前两个功能构成可靠的复位电路。

开关/数字量，模拟量检测电路：

汽车节点的开关器件（信号灯，雨刮，面板，车窗玻璃，电动后视镜等等的开关）特别复杂和繁多，而电流检测，水温油位传感器信号都是非线性的模拟信号，所以可靠实时地对这些开关/模拟量进行检测成为汽车电子硬件必须解决的问题。传统的分立元件保持电路存在可靠性差，尤其是开关触点氧化严重，浪费大量的微处理器I/O口等问题，推荐采用MOTOROLA公司的多路开关检测芯片MC33993。其突出优点如下：

◎ 3.3/5.0V的SPI序列读写（SO,SI,SCLK）；

◎ 8路可编程开关输入检测（接地或接电源），14路接地开关输入检测，每路开关状态改变均能够产生中断；

◎ 开关输入电压从-14V～Vpwr（工作电源），Vpwr最大可达40V；

◎ 开关状态改变时的可选择唤醒；

◎ 可选择的湿性电流（16mA或2mA）；

◎ 22对1的模拟量输出；

◎ Vpwr的低功耗电流(standby current)小于100uA,VDD的低功耗电流(standby current)小于10uA。

可见只需要四个CPU口线（SPI序列线和片选），就能够完成22路开关量（其中有8路可编程为对接电源开关）的检测，还可以进行串行和并行的多片MC33993级连。所谓的湿性电流（wetting current），指的是MC33993内部提供的输入口的上拉和下拉恒流源，可以编程选择为16mA或2mA，这对于保证开关的可靠闭合，去除金属触点的氧化物有着良好的作用。输入口的恒流源，可以直接驱动MOSFET以及LED。每一个输入口都可以编程为模拟量输出状态，从而在AMUX引脚输出所选输入口的电压。利用MC33993恒流源和模拟量输出可以组成线性的传感器检测电路。ADC芯片选用AD公司生产的并行数据采样集成芯片AD1674。它从引脚到功能都与AD574/674完全兼容，但内部增加了采样/保持电路，采样频率为100kHZ，并且有全控模式和单一工作模式。其采样精度可达0.05%，符合高速数据采集的要求。

功率器件驱动电路：

汽车车身控制系统需要驱动大功率的用电器件，比如照明信号灯，前后雨刮器电机，电动车窗，电动后视镜等等。功率驱动器件考虑采用MOTOROLA公司的汽车专用功率器件。MC33286为汽车电气专用智能的双路控制驱动芯片，与传统的机械继电器相比，自身提供过流和过热保护，响应时间更短，稳定性更高。MC33286设有两路驱动通道，每路最大工作电流可达15A，通过两路输入端口将CPU引脚电平信号引入，经过内部的逻辑处理模块转换成输出通道的电平变化。特别适合信号灯以及阻性负载的驱动。MC33887是带反馈的H桥型驱动芯片，专用来驱动需要正反转的电机负载。MC33486与MC33887类似，但内部只有半桥须外加CMOS管以构成全桥驱动电路，稳定输出可达10 A，尤其适用于电动车窗电机之类的大功率并伴有冲击电流的正反相控制要求。

3 软件结构

系统的程序结构分为四个部分：CAN通讯程序（包括应用层协议的SJA1000通讯），外围接口程序（所有检测芯片和驱动芯片的驱动），中断服务程序（处理开关信号以及故障报警等消息），主程序（完成系统初始化和任务调度，喂狗等）。限于篇幅，以下着重介绍 CAN应用层协议。

本系统CAN通讯选用CAN2.0B协议的PeliCAN模式，通信位速率为500Kbps，采用双验收滤波器机制。为使用及修改方便，通讯协议中标识码设计兼容点对点、一对多及广播通讯模式。开关量消息通讯时各节点间采用主从结构，子节点的报文只有主节点接收（点对点模式），主节点的报文所有子节点均接收（广播模式）。模拟量消息通讯时各节点间采用点对点模式。

标识符定义：(如图3所示)

◎ 类名：00000100--应答类消息（自检应答、故障诊断）；00001000--命令类消息；00010000--调试类消息；00100000--下载类消息；01000000--工作类消息。

◎ 保留A：验收滤波器配置预留。

应答类消息中：ID19：1--自检应答消息 0--故障诊断出错消息

ID20：验收滤波器配置预留

工作类消息中：ID19：1--开关量消息 0--模拟量消息

ID20：验收滤波器配置预留

◎ 目的地址：接收报文节点的地址。

◎ 源地址：发送报文节点的地址，用于系统自检。

图3 标识符定义

4 结束语

CAN总线以其高性能，高可靠性及独特的设计，受到工业控制领域和汽车电子领域的广泛重视，已被公认为最有前途的现场总线之一。我们深信不久的将来，国产的CAN总线汽车必将诞生。

CAN总线协议 依据国际标准化组织／开放系统互连(International Standardi-zation Organization／Open SystemInterconnection，ISO／OSI)参考模型，CAN的ISO／OSI参考模型的层结构如图7-6所示。下面对CAN协议的媒体访问控制子层的一些概念和特征做如下说明：

(1)报文(Message) 总线上的报文以不同报文格式发送，但长度受到限制。当总线空闲时，任何一个网络上的节点都可以发送报文。

(2)信息路由(Information Routing) 在CAN中，节点不使用任何关于系统配置的报文，比如站地址，由接收节点根据报文本身特征判断是否接收这帧信息。因此系统扩展时，不用对应用层以及任何节点的软件和硬件作改变，可以直接在CAN中增加节点。

(3)标识符(Identifier) 要传送的报文有特征标识符(是数据帧和远程帧的一个域)，它给出的不是目标节点地址，而是这个报文本身的特征。信息以广播方式在网络上发送，所有节点都可以接收到。节点通过标识符判定是否接收这帧信息。

(4)数据一致性应确保报文在CAN里同时被所有节点接收或同时不接收，这是配合错误处理和再同步功能实现的。

(5)位传输速率不同的CAN系统速度不同，但在一个给定的系统里，位传输速率是唯一的，并且是固定的。

(6)优先权 由发送数据的报文中的标识符决定报文占用总线的优先权。标识符越小，优先权越高。

(7)远程数据请求(Remote Data Request) 通过发送远程帧，需要数据的节点请求另一节点发送相应的数据。回应节点传送的数据帧与请求数据的远程帧由相同的标识符命名。

(8)仲裁(Arbitration) 只要总线空闲，任何节点都可以向总线发送报文。如果有两个或两个以上的节点同时发送报文，就会引起总线访问碰撞。通过使用标识符的逐位仲裁可以解决这个碰撞。仲裁的机制确保了报文和时间均不损失。当具有相同标识符的数据帧和远程帧同时发送时，数据帧优先于远程帧。在仲裁期间，每一个发送器都对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较。如果电平相同，则这个单元可以继续发送，如果发送的是“隐性”电平而监视到的是“显性”电平，那么这个单元就失去了仲裁，必须退出发送状态。

(9)总线状态 总线有“显性”和“隐性”两个状态，“显性”对应逻辑“0”，“隐性”对应逻辑“1”。“显性”状态和“隐性”状态与为“显性”状态，所以两个节点同时分别发送“0”和“1”时，总线上呈现“0”。CAN总线采用二进制不归零(NRZ)编码方式，所以总线上不是“0”，就是“1”。但是CAN协议并没有具体定义这两种状态的具体实现方式，如图7-7所示。

10)故障界定(Confinement) CAN节点能区分瞬时扰动引起的故障和永久性故障。故障节点会被关闭。

(11)应答接收节点对正确接收的报文给出应答，对不一致报文进行标记。

（12）CAN通讯距离最大是10公里（设速率为5Kbps）,或最大通信速率为1Mbps(设通信距离为40米)。

（13）CAN总线上的节点数可达110个。通信介质可在双绞线，同轴电缆，光纤中选择。

（14）报文是短帧结构，短的传送时间使其受干扰概率低，CAN有很好的效验机制，这些都保证了CAN通信的可靠性。

2 CAN总线协议内容

CAN总线的物理层是将ECU连接至总线的驱动电路。ECU的总数将受限于总线上的电气负荷。物理层定义了物理数据在总线上各节点间的传输过程，主要是连接介质、线路电气特性、数据的编码／解码、位定时和同步的实施标准。BOSCH CAN基本上没有对物理层进行定义，但基于CAN的ISO标准对物理层进行了定义。设计一个CAN系统时，物理层具有很大的选择余地，但必须保证CAN协议中媒体访问层非破坏性位仲裁的要求，即出现总线竞争时，具有较高优先权的报文获取总线竞争的原则，所以要求物理层必须支持CAN总线中隐性位和显性位的状态特征。在没有发送显性位时，总线处于隐性状态，空闲时，总线处于隐性状态；当有一个或多个节点发送显性位，显性位覆盖隐性位，使总线处于显性状态。在此基础上，物理层主要取决于传输速度的要求。从物理结构上看，CAN节点的构成如图7-8所示。在CAN中，物理层从结构上可分为三层：分别是物理层信令(Physical Layer Signaling，PLS)、物理介质附件(Physical MediaAttachment，PMA)层和介质从属接口(Media Dependent：Inter-face，MDI)层。其中PLS连同数据链路层功能由CAN控制器完成，PMA层功能由CAN收发器完成，MDI层定义了电缆和连接器的特性。目前也有支持CAN的微处理器内部集成了CAN控制器和收发器电路，如MC68HC908GZl6。PMA和MDI两层有很多不同的国际或国家或行业标准，也可自行定义，比较流行的是ISOll898定义的高速CAN发送／接收器标准。理论上，CAN总线上的节点数几乎不受限制，可达到2000个，实际上受电气特性的限制，最多只能接100多个节点。

CAN的数据链路层是其核心内容，其中逻辑链路控制(Logical Link control，LLC)完成过滤、过载通知和管理恢复等功能，媒体访问控制(Medium Aeeess control，MAC)子层完成数据打包／解包、帧编码、媒体访问管理、错误检测、错误信令、应答、串并转换等功能。这些功能都是围绕信息帧传送过程展开的。

3 CAN总线的报文传输和结构

1．报文类型

在CAN2．0B的版本协议中有两种不同的帧格式，不同之处为标识符域的长度不同，含有ll位标识符的帧称之为标准帧，而含有29位标识符的帧称为扩展帧。如CAN1．2版本协议所描述，两个版本的标准数据帧格式和远程帧格式分别是等效的，而扩展格式是CAN2．0B协议新增加的特性。为使控制器设计相对简单，并不要求执行完全的扩展格式，对于新型控制器而言，必须不加任何限制的支持标准格式。但无论是哪种帧格式，在报文

传输时都有以下四种不同类型的帧：

(1)数据帧(Data ) 数据帧将数据从发送器传输到接收器。

(2)远程帧(Remote ) 总线单元发出远程帧，请求发送具有同一标识符的数据帧。

(3)错误帧(Error ) 任何单元检测到总线错误就发出错误帧。

(4)过载帧(Overload ) 过载帧用在相邻数据帧或远程帧之间提供附加的延时。

数据帧或远程帧与前一个帧之间都会有一个隔离域，即帧间间隔。数据帧和远程帧可以使用标准帧及扩展帧两种格式。

4 CAN总线应用领域

CAN总线最初是德国BOSCH为汽车行业的监测，控制而设计的。现已应用到铁路、交通、国防、工程、工业机械、纺织、农用机械、数控、医疗器械机器人、楼宇、安防等方面。

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