基于CAN总线的汽车电气系统

2012-01-25苏艳苹

制造业自动化 2012年12期

苏艳苹

（郑州航空工业管理学院机电工程学院，郑州 450015）

0 引言

实际当中汽车功能的完善，电气系统的传输需求提高，控制性的提高等等需求，使得线束越来越复杂，致使汽车的设计、生产、装配、维修和使用环节中就出现了很多现存的问题，降低了安全可靠性。按照传统的点到点间的布线方式，汽车线束重量约几十公斤甚至更多，使汽车自身总重量增加了很大一部分，这不仅使不安全因素增加了，而且增加了汽车油耗，造成能源的浪费。而目前解决这样的信息传输的有效规范就是控制器局域网（CAN）。CAN是汽车内部网络互联的一个重要标准，本文将对汽车局域网CAN总线应用于汽车电气控制当中进行研究[1,2]。

1 总体设计方案概述

系统从功能上由控制及显示、前部数据采集和处理、后部数据采集和处理部分组成，CAN节点系统架构如图1所示。在结构上，分别设置前、后、中控台三个CAN节点组成一个CAN总线网络，充分利用总线传输的优势，距离相对比较远的节点由CAN总线相连接，各个节点处的相关器件相连用尽量短的支线相连，减少不必要的多余线束。中控台处设置一个主节点，可以实现控制和状态显示的功能，而前后两处根据车的前后电气控制的需要分别设置两个CAN系统子节点，这样，系统内各节点负责各部分的功能实现，通过总线传输数据和交互信息。

置于车身前部的CAN节点负责采集前部车灯的故障监测信息和传感器信号，并且通过CAN总线实现与中控节点的信息交互。放置于车身后部的CAN节点，用于监测尾部车灯的故障信息和通过继电器控制前、后两部分车灯的开关。用后部节点控制所有车灯，这样有助于检测车灯故障和车灯更换。同时车灯的故障信息也是通过后部节点传送给中控节点的，并且接收来自中控节点的控制命令。中控节点置于车辆的中控台处，负责对来自前、后两个节点的数据进行处理，其液晶模块可显示来自各个车灯的监测信息和传感器信息。同时通过该节点的键盘可给出前后各车灯的开关控制命令。

2 车载CAN网络系统的软硬件设计

2.1 硬件设计

系统中CAN节点的MCU采用了ATMEL公司的AT90CAN128解决方案[3]。在子功能模块中设计了电源电路模块、节点系统复位（RESET）模块、CAN通信模块、串口通信模块、LCD液晶显示模块、A/D模块、ISP下载模块和继电器控制模块等。

图1 CAN系统结构图

本系统PCB设计布局主要使用交互式布局方法，以AT90CAN128芯片为核心，外围电路以功能为划分单元。系统的器件选型上大部分都选用了SMD型（表面安装器件）元件，它们减小了PCB的面积，同时也加强了系统的稳定性，但是增加了一定的焊接难度。焊接好的电路板如图2所示。

2.2 软件设计

图2 CAN节点电路板

本系统要实现CAN节点通信，主要对电气控制信号的传输以及电气故障检测信息的传输，其CAN系统功能流程图如图3所示。由于要涉及到多个CAN节点通信，系统比较复杂。所以采用C语言作为高效的嵌入式开发的编程语言，同时还要选择优秀的嵌入式工程C编译器。在这里选用的是AVR Studio与WinAVR的组合作为CAN节点系统的开发平台[4]。

系统软件的编写是依据各个节点的职能不同而有所区分：位于车身中部的中控节点要实现人机交互的设计（包括命令的下达，LCD显示，指示灯的控制等）；车身的前部节点要实现对车灯的监测以及通过CAN总线实现与中控节点的信息交互；后部节点主要实现了对车灯的控制。系统的核心就是对三个节点的CAN接口进行有效的控制，图4给出中控CAN节点接收数据流程图，其他节点的设计思路与其是一致的。

最后需要通过编写测试软件对系统进行测试分析，完成对系统各功能的测试，来验证硬件的正确性，从而达到整个系统能够实现预定的功能。

3 车载CAN网络系统抗干扰设计

干扰的产生必须具备三个基本因素，即干扰源、耦合通道、对干扰信号敏感的电路。本文以后两个方面为主，从硬件方向上进行抗干扰设计。其中包括电源线设计、地线设计、电磁兼容性设计和抑制反射干扰等[5]。

图3 CAN系统功能流程图

图4 CAN节点接收数据流程图

在电源线设计中根据印制线路板电流的大小，尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻。同时，使电源线、地线的走向和数据传递的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。地线设计中采用一点接地和加粗接地线的方式，并且将电路板上的模拟电路和数字电路分开都有助于增强系统的抗干扰性。电磁兼容性设计中应注意：尽量减少不连续印制导线的出现。例如导线宽度不要突变，导线拐角应不小于90度，不能出现环状布线；由于时钟信号引线非常容易导致电磁辐射干扰的产生，布线时应尽可能地靠近地线回路，驱动器也应与连接器紧邻。对于那些离开印制电路板的引线，驱动器应紧紧挨着连接器；在数据总线布线时，应使信号地线夹在每两根信号线之间。为了抑制出现在印制线条终端的反射干扰，应该采用慢速电路，并且尽可能地将印制线的长度减短。必要的时候可以在电源端和传输线的末端对地各接一个阻值相同的匹配电阻。