基于CAN总线的轿车车灯控制系统及雷达系统的设计毕业论文.docx
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基于CAN总线的轿车车灯控制系统及雷达系统的设计毕业论文
基于CAN总线的轿车车灯控制系统及雷达系统的设计毕业论文
第1章绪论1
1.1国外研究现状及CAN总线技术特点1
1.2课题研究的背景2
1.2.1汽车车身电子技术2
1.2.2现场总线的意义2
1.2.3车灯控制系统及雷达系统利用CAN总线的意义2
1.3毕业设计总体容3
第2章方案设计4
2.1方案比较4
2.2总体方案13
第3章硬件设计15
3.1单片机的最小系统15
3.2灯光控制节点MCU16
3.3灯光驱动电路17
3.4超声发射电路17
3.5超声波接收模块设计18
3.6显示电路21
3.7报警电路21
3.8串行通讯接口设计22
3.9单片机的拓展电路23
3.10光敏传感模块24
3.11湿度传感器模块25
3.12稳压电路26
第4章软件设计27
4.1系统总体软件功能27
4.2J1939通讯协议27
4.3灯光系统的流程图28
4.4节点接收模块30
4.5节点发送模块31
4.6照明灯软件设计33
4.7雾灯软件设计34
4.8测距系统35
第5章结论37
致谢38
参考文献39
附录I40
附录II43
附录III50
第1章绪论
国外研究现状及CAN总线技术特点
本课题所研究的基于CAN总线的汽车车身控制系统，主要是为了简化现代汽车车身中日益复杂的电子控制设备之间的连线。
在现代汽车的车身中，电子控制的部件越来越多（例如集控锁、电动车窗、后视镜、厢照明灯、各种信号灯、座椅控制和汽车声像系统），如果用传统的信号线连接方式会使得连接导线非常复杂和冗长。
采用CAN总线以后，不管有多少电子部件需要控制，从控制命令发出部件所在位置，到接收部件所在位置的连线只需2根，故需要控制的部件越多，从命令发出地点到接收地点的距离越长（如大型车），节约导线的效果就越明显。
并且随着导线连接的简化，给汽车制造时的线束布置带来极大方便，另外在功能扩展（如再加入新的电子控制部件）时，无需重新布线，大大方便了升级换代工作。
一个常用来说明CAN总线优点的例子是:
某型汽车原来的连线总长为500米，使用CAN以后缩短为50米，节约导线10倍（总重量也会减轻）。
不仅如此，CAN总线能够方便地实现整车数据共享，使汽车的性能全面优化和高水平智能化。
CAN总线具有卓越的特性、极高的可靠性和独特的设计，因此，已经在汽车工业、航空工业、控制安全防护、嵌入式网络和保安系统等领域得到了广泛应用。
今天，在欧洲几乎每一辆新客车上均装配有CAN局域网。
在国外现代轿车的设计中，CAN己经成为必须采用的技术，奔驰、宝马、大众、沃尔沃、雷诺、劳斯莱斯等汽车都将CAN作为控制器联网的手段。
一些汽车专家认为，就像汽车电子技术在20世纪70年代引入集成电路、80年代引入微处理器一样，近10年现场总线CAN技术的引入也将是汽车电子技术发展的一个里程碑。
我国在CAN总线研究应用方面起步较晚，工程应用几乎是空白。
特别是在汽车上的应用，可以说是从近年，才在几个大的汽车研究和生产单位正式启动的，目前都处于研究的初级阶段，还没有拿出产品化的成果。
由于这些研究刚刚还处于起步阶段，故目前的研究重点都集中在动力系统（发动机、自动变速器、电机、电池、仪表等）的CAN通讯上，还没有精力针对汽车车身的电子控制部件进行CAN总线的应用研究。
在我国，CAN总线技术的研究开发还刚刚起步，完全国产化的、应用CAN总线控制动力系统的汽车还没有；CAN总线在车身控制方面的应用还仅限于开关量控制（如车灯、车门等）。
本课题所研究的CAN总线车身控制系统，可以简洁汽车网络的设计、促进产品的实用化和低成本化。
课题研究的背景
近几年来，随着汽车产业的飞速发展，汽车技术的更新周期也在缩短，汽车对电子产品的依赖性越来越突出，可以说要提高汽车的技术水平，主要靠汽车电子技术来完成。
目前，国的汽车电子技术多数还处于初级阶段，有自主技术的汽车电子产品也不过是汽车音响、影音娱乐系统及空调等汽车媒体技术。
而控制类汽车电子技术还没有形成产业，国整车厂现在采用的汽车电子控制技术，多为直接引进国外产品或是一些中外合资企业生产、组装的产品。
汽车工业已经是我国国民经济的一个支柱型产业，2006年中国汽车产量已经达到700万辆，而我国的汽车零部件产业还很薄弱，特别是汽车电子技术更加落后，已经阻碍了汽车产业的迅速发展。
所以，能否在电子技术上占领制高点，开发出具有自主知识产权、技术含量高的汽车电子产品，实现跨越式发展，减轻对国外汽车零部件的技术依赖，是我国汽车产业发展的当务之急。
这样才能使我国的汽车技术赶上世界发达国家的汽车技术水平，为我国汽车产业的发展提供必要条件。
汽车车身电子技术
控制类汽车电子产品一般分为动力系统和车身控制系统两类，在本研究课题中将详细介绍车身控制技术中关于仪表和车灯控制的详细容。
车身控制系统主要是为了汽车增加辅助功能，提高驾驶的方便性、乘坐的舒适性及安全性。
车身控制系统涵盖围广，包括灯光控制系统，门窗控制系统，座椅控制系统，气候（空调）控制系统，防盗系统，导航定位系统，安全气囊，仪表板显示集控等。
现场总线的意义
现场总线控制系统（FCS）是20世纪80年代中期在国际上发展起来的一种崭新的工业控制技术，它的出现引起了传统的PLC和DCS控制系统基本结构的革命性变化。
现场总线技术极大地简化了传统控制系统繁琐且技术含量较低的布线工作量，使其系统检测和控制单元的分布更趋合理，使原来基于设备来选择控制和通信的方式，转变为基于网络来选择设备。
随着Internet和Intranet的迅猛发展，现场总线控制技术越来越显示出其传统控制系统无可替代的优越性。
现场总线控制技术已成为工业控制领域中的一个热点。
传统机电产品是否具有总线接口已成为能否在市场上生存的一个必要条件。
车灯控制系统及雷达系统利用CAN总线的意义
目前，现场总线有许多种类，几种有影响的总线为:
基金会现场总线，LONWORKS，PROFIBUS，CAN，HART等，由于CAN总线（全称为“ControllerAreaNetwork"）最初是针对汽车提出的，故在汽车领域，可以说CAN总线占据着霸权的地位。
20世纪90年代以来，汽车上由电子单元控制的部件越来越多，例如电子燃油喷射装置、防抱死制动装置（ABS）、安全气囊、电控门窗、主动悬架、自动变速器、汽车稳定性控制（ESP）,混和动力汽车中的电机控制，电池管理系统、座椅控制之类的舒适系统、汽车声像之类的娱乐系统等等。
随着这些集成电路和单片机在汽车上的广泛应用，使得电子控制装置之间的通讯越来越复杂，如果用传统的信号线连接方式来连接各个控制器，不但会使控制器的引脚过多、控制器设计变得非常复杂，而且也会使得连接导线变得非常冗长（如某型汽车原来的连线为500米，使用CAN以后缩短为50米;采用传统连线方式的东风汽车公司的混和动力轿车，仅连接电缆就达40公斤），使可靠性大大降低。
博世（Bosch）公司推出CAN总线的最初动机，就是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯问题，减少不断增加的信号线。
CAN总线是一种单一的网络总线，其最大的优点是:
所有的控制器件都可以挂接在CAN总线（只有两根电线）上。
现在汽车上的网络连接方式主要采用2条CAN，一条用于驱动系统的高速CAN，速率达到500kb/s，一条用于车身系统的低速CAN，速率是100kb/s驱动系统主要连接对象是发动机控制器ECU、ASR及ABS控制器、安全气囊控制器、组合仪表等，它们的基本特征相同，都是控制与汽车行驶直接相关的系统。
车身系统CAN主要连接对象是4门以上的集控锁、电动车窗、后视镜和厢照明灯等。
目前，驱动系统CAN和车身系统这2条独立的总线之间尚没有关系。
但人们已在设计“网关”，以实现在各个CAN之间的资源共享，并将各个数据总线的信息反馈到仪表板上。
驾车者只要看看仪表板，就可以知道各个电控装置是否正常工作了。
毕业设计总体容
本次本业设计主要由以下几个章节构成：
第一章绪论：
绪论主要包括CAN总线国外发展的概况、次设计研究的背景、车车身的电子技术及车灯控制系统及雷达控制系统利用CAN总线的意义。
第二章方案设计：
包括了方案的选择及总体框图的设计，确定了系统的总体设计方案。
第三章硬件设计：
硬件设计主要包括稳压电路、灯光控制节点MCU、超声发射电路、超声波接收电路、灯光驱动电路、单片机的外围系统、显示电路、报警电路、单片机的拓展电路和A/D采样电路。
第四章软件设计:
包含了本设计的主体流程图和汽车灯光控制系统和雷达系统的各个模块的子程序流程图及其相对应的子程序，具体阐述了软件系统的设计。
第五章设计总结：
总结了本次毕业设计学到知识点和本次设计遇到的难题和解决这些难题的方法，受益良多。
第2章方案设计
方案比较
本设计在显示电路、总线的选择、单片机的选择和测距传感器的选择进行方案比较。
显示方案一：
采用数码管作为显示。
根据题目要求至少需要四位数码管显示，数码管在与单片机的串行连接时需要用到移位寄存器74LS164，比较繁琐麻烦，增加了硬件电路的复杂性，并且数码管显示受温度的影响，而是数码管没有良好的均匀度。
显示方案二：
采用LCD1602液晶显示屏。
因为LCD1602液晶显示屏是个微功耗、体积小、显示容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中，因此得到广泛的应用。
所以选择方案二。
CAN总线方案一：
1.由于目前CAN为愈来愈多的不同领域采用和推广，导致要求不同应用领域通信报文的标准化。
为此，1991年9月PhilipsSemiconductors制订并发布了CAN技术规（Version2.0）。
该技术规包括A和B两个部分。
2.0A给出了曾在CAN技术规版本1.2中定义的CAN报文格式，而2.0B给出了标准的和扩展的两种报文格式。
此后，1993年11月ISO正式颁布了道路交通运载工具——数字信息交换——高速通信控制器局部网（CAN）国际标准（ISO11898），为控制器局部网标准化、规化、推广铺平了道路。
CAN技术规2.0A和2.0B以及CAN国际标准ISO11898是设计CAN应用系统的基本依据，也是应用设计工作的基本规。
控制器局部网是一种具有很高性、有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。
CAN应用围遍及从高速网络到低成本的多线路网络。
在自动化电子领域、发动机控制部件、传感器、抗滑系统等的应用中，CAN的位速率可高达1Mbps。
同时，它可以廉价地用于交通运载工具电器系统中，例如：
灯光聚束、电气窗口等等以代替所需要的硬件连接。
CAN技术规的目的是使任意两个CAN执行过程达到兼容。
然而，兼容性具有众多的不同方面，例如：
电气特性和被传送数据的表示方法。
CAN技术规版本2.0包括两部分容：
版本2.0A描述在CAN技术规1.2中定义的CAN报文格式；版本2.0B描述标准和扩展格式两种报文格式。
为了同CAN技术规2.0兼容，要求CAN执行既同版本2.0A,也同版本2.0B兼容。
随着串行通信进入更多应用领域，因此，要求各种应用领域通信功能报文标识符标注的标准化，如果原有由11个标识符定义地址围加以扩展，CAN对于这些应用服务将更加周到，因而，引入了第二种报文格式（扩展格式），它可以提供由29位定义的更大地址围，这将使系统设计者解释除在定义良好结构名称方面的苦恼。
需要借助扩展格式提供标识符围的CAN用户可以继续使用方便的11位标识符（标准格式）。
这种情况下，他们可以使用市场过去推广使用的CAN，也可以使用两种格式的新型控制其来实现。
为了区分标准格式和扩展格式，CAN报文格式中第一个保留位像它在CAN技术规版本1.2中定义的一样被使用。
由于CAN技术规1.2的报文格式等效于标准格式，因而仍然可用，而由于定义了扩展格式，可使标准格式和扩展格式的报文在相同的网络中同时存在。
2.CAN总线的四种帧
（1）数据帧
数据帧自一个发送节点携带数据至一个或多个接收节点，数据帧由七种不同的位域组成：
帧的起始域；仲裁域；控制域；数据域；CRC域；应答域；帧的结束域。
帧的起始域：
该域表示一个数据帧或远程帧的开始，它由一个显性组成，该显性用于接收状态下的CAN控制器的硬同步。
仲裁域：
由信息标识符及RTR位组成，当有多个CAN控制器同时发送数据时，在仲裁域要进行面向位的冲突裁决。
标识符：
由11位组成，用于提供信息地址及优先级。
其发送顺序为ID.10至ID.0（LSB）。
需要注意的是，其最高七位（ID.10至ID.4）均为隐性的现象不允许出现。
ID决定了报文的优先权，ID的数值越小，优先级越高。
这一点可以从CAN总线的物理特性理解。
当总线上有几个节点同时需要发送数据，其ID标识符分别为01001011111；01001111111和01111111111，当发送ID.10和ID.9时，三个节点都没有发现冲突，于是继续发送ID.8，这时由于C节点发送的是隐性（逻辑1），而A和B节点都发送的是显性（逻辑0），各节点上是集电极开路，“线与”的关系，所以C节点发现有冲突，而且自己标识符的优先级低，于是C节点退出仲裁。
同样的道理，8节点在发送ID.5后退出仲裁。
CAN总线优先级的仲裁与Ethernet有很大的不同。
Ethernet采用的是CSMA/CD协议，即检测到碰撞后，各节点均先退出发送，经过各自随即产生的时间延迟后再重新发送。
而CAN总线这种按优先级判别的方法，可以使优先级高的消息先发送。
因此，标识符取值最小的节点能够占据总线。
需要注意的是，优先级别取决于发送消息中的标识符，而不是节点。
标识符并不限定某一特定节点接收该信息，因为CAN网络支持点对点、一点对多点接收及广播几种通讯方式。
程帧发送请求位（RTR）：
CAN总线上的接收节点可以请求总线上另一个节点发送信息，方法是向网络上发出远程帧用标识符指出节点地址，并置RTR位为高。
如果所寻址节点立即发送所请求的数据，则使用相同的标识符，此时总线上不会产生冲突，因为数据帧的RTR位此时为低（数据，显性）。
控制域：
此域由6个位组成，包括2个保留位（ID，用于CAN协议扩展）及4位数据长度码，允许的数据长度值0~8。
数据域：
发送缓冲区中的数据按照数据长度代码指示的长度发送。
对于接收的数据同样如此，第一个数据字节的最高有效位第一个被发送/接收。
循环冗余校验（CRC）域：
CRC域由CRC序列位（1位）及CRC连界符（一个隐性）组成。
CRC围包括帧的起始域、仲裁域、控制域、数据域及CRC序列。
CRC序列的最高有效位被首先发送/接收，选用这种帧校验式，是由于这种CRC码对于少于127位的帧是最佳的。
应答域：
应答域由发送方发出的两位（应答空隙及应答分界）隐性组成，所有接收到正确的CRC序列的节点将在发送节点的应答空隙上将发送方的这一隐性改写为显性。
因此，发送节点将一直监视总线信号以确保网络中至少一个节点正确地收到了所发信息。
应答分界位是应答域中第二个隐性。
由此可见，应答空隙两边有两个隐性，CRC分界位及应答分界位。
帧结束域：
每一个数据帧或远程帧均由一串7个隐性的帧结束域结尾。
这样，接收节点可以正确检测到一个帧的结束。
（2）远程帧
CAN上的一个接收节点可以启动数据传输，方法是向网络上发一个远程帧，用标识符寻址数据发送源节点，且置相应帧的RTR位为高。
远程帧与数据帧有如下不同：
RTR位为高；数据长度代码无效；无数据域。
远程帧由6个域组成：
帧起始域、仲裁域、控制域、CRC域、应答域、帧结束域。
（3）错误指示帧
错误指示帧由两个不同的域组成：
第一个域反映来自控制器的错误标志，第二个域为错误分界符。
①错误标志
有两种形式的错误标志：
主动错误标志，它由6个连续显性组成:
被动错误标志，它由6个连续隐性组成，它可由其它CAN控制器的显性改写。
处于主动错误状态的CAN节点检测到错误后，将发出主动错误标志，该错误标志不满足位填充（插入）规则，或者破坏T应答域或帧结束域的固定格式。
所有其它节点都将检测到错误状态，并发出该错误标志。
因此，这些从总线上监测到的显性串是各节点发出的不同错误标志的结果，这一位串的长度最小是6个，最长是12个。
被动错误状态的CAN控制器检测到错误后发出被动错误标志，并等待从被动错误标志开始的相同极性的6个连续位。
当这6个相同位被检测到后，被动错误标志结束。
②错误分界
错误分界符由8个隐性组成它与过载分界有相同的格式。
当错误标志发生后，每一个CAN节点监视总线，直至检测到一个显性的跳变。
此时表示所有的CAN节点已经完成了错误标志的发送，并开始发送8个隐性的分界符。
之后网络上的主动错误节点便可同时开始其它的发送。
如果在数据帧或远地帧的发送过程中，出现错误，则当前的信息作废，并重新启动数据发送。
如果CAN节点发现错误指示帧出错，则重发。
当连续出现错误指示帧错误时，则相应的节点将变为被动错误节点。
为正确地结束错误标志，被动节点需要总线空闲至少三个位周期（如果在一个被动错误态接收控制器出现本地错误）。
（4）超载帧
超载帧由两个区域组成：
超载标志及超载分界符。
下述两种状态将导致超载帧发送：
接收方在接收一帧之前需要过多的时间处理当前的数据（接收未准备好）；在帧间空隙域检测到显性信号。
①超载帧发送条件
条件有两个：
在帧间空隙域的第一个位周期:
在帧间空隙域中检测到显性信号一个位周期后，方可启动超载帧的发送。
②超载标志
超载标志由6个隐性组成，其格式与错误标志相同。
③超载分界符
超载分界符由8个隐性组成：
其格式与错误分界符相同。
当超载标志发出后，每个节点监视总线状态，直至检测到隐性的跳变。
此时，所有的节点均已完成超载标志的发送，并开始发8个隐性串。
帧间空隙数据帧及远程与其前面一帧信息包之间的空隙是帧间空隙，它由帧间空隙域及总线空闲状态组成。
（5）帧间空隙
帧间空隙由三个隐性组成，在此期间，CAN节点不进行帧发送。
帧间空隙是必要的，为的是使CAN控制器在下次信息传递前有时间进行部处理操作。
LIN总线方案二：
1.LINBus系统主要特性有：
（1）单主机多从机组织（即没有总线仲裁），配置灵活；
（2）于普通UART/SCI接口的低成本硬件实现低成本软件协议；
（3）带时间同步的多点广播接收，从机节点无需石英或陶瓷谐振器，可以实现自同步；
（4）保证信号传输的延迟时间。
可选的报文帧长度：
2、4和8字节；
（5）数据校验和的安全性和错误检测，自动检测网络中的故障节点；
（6）使用最小成本的半导体组件（小型贴片，单芯片系统）。
（7）速度高达20kbit/s；
LIN网络由一个主节点以及一个或多个从节点组成，媒体访问由主节点控制--从节点中不必有仲裁或冲突管理。
可以保证最差状态下的信号传输延迟时间。
LIN相对于CAN的成本节省主要是由于采用单线传输、硅片中硬件或软件的低实现成本和无需在从节点中使用石英或陶瓷谐振器。
2.LIN物理层
总线驱动/接收器的定义遵循ISO9141单线标准，并带有一些增强性能。
总线为单线传输，"与"总线通过终端电阻由电池正极节点（VBAT）提供。
总线收发器采用增强型的ISO9141实现标准。
总线可以取两个互补的逻辑值：
主控值其电压接近于接地端，代表逻辑值"0"，退让值其电压与电池电压接近，代表逻辑值"1"。
总线采用上拉电阻作为终端，主节点的上拉电阻为1kΩ，从节点的上拉电阻为30kΩ。
电阻需串联一个二极管以防止由于本地电源泄漏对总线产生的干扰。
从节点的终端电容通常值为CSlave=220pF，主节点的电容要更高以使整个总线的电容小于从节点的值。
由于采用单线媒质传输，最大的传输波特率被限定在20kbit/s以。
该值为从满足信号同步而不产生冲突的最高值，到为满足电磁兼容性要求而要达到的传输最低值之间的实验中间值。
最小的传输波特率为1kbit/s--这有助于避免在实际中产生超时冲突。
LIN协议
通过LIN总线传输的实体为帧。
一个报文帧由帧头以及回应（数据）部分组成。
在一个激活的LIN网络中，通讯通常由主节点启动，主节点任务发送包含有同步间隙的报文头，同步字节以及报文标志符（ID）。
一个从节点的任务通过接收并过滤标志符被激活，并启动回应报文的传送。
回应中包含了1到8个字节的数据以及一个字节的校验码。
传输一帧所花费的总的时间是发送每个字节所用的时间，加上从节点的回应间隙，再加上传输每个字节的间隙时间（inter-bytespace）。
字节间隙是指发送完前一个字节的停止位后到发送下一个字节的启动位之间的时间。
LIN协议的核心特性是使用进度表（scheduletable）。
进度表有助于保证总线不出现过载的情况，他们同样是保证信号定期传输的核心组件。
在一组LIN节点中只有主节点任务才可以启动通讯保证了行为的确定性。
主节点有责任保证与操作模式相关的所有帧都必须分配了足够长的传输时间。
LIN信息是以报文的形式传送的。
报文传输是由报文帧的格式形成和控制的。
报文帧由主机任务向从机任务传送同步和标识符信息，并将一个从机任务的信息传送到所有其它从机任务。
主机任务位于主机节点部，它负责报文的进度表、发送报文头（HEADER）。
从机任务位于所有的（即主机和从机）节点中，其中一个（主机节点或从机节点）发送报文的响应（RESPONSE）。
帧部间隔（inter-framespace）是从上一帧发送完毕后到下一帧启动发送间的时间间隔。
帧由帧间间隔以及接下来的4到11个字节域组成。
一个报文帧如图2.1所示，是由一个主机节点发送的报文头和一个主机或从机节点发送的响应组成。
报文帧的报文头包括一个同步间隔场（SYNCHBREAKFIELD）、一个同步场（SYNCHFIELD）和一个标识符场。
报文帧的响应（RESPONSE）则由3个到9个字节场组成：
2、4或8字节的数据场（DATAFIELD）和一个校验和场（CHECKSUMFIELD）。
字节场由字节间空间分隔，报文帧的报文头和响应是由一个帧响应空间分隔。
最小的字节间空间和帧响应空间是0，这些空间的最大长度由报文帧的最大长度TFRAME_MAX。
图2.1LIN报文帧
通过方案一和方案二比较可以得出结论，LIN总线有一个主节点，其他是从节点。
从节点不能主动向主节点传输信息，只有主节点需要从节点才能发送信息；CAN总线没有主从之分，总线上得节点都可以在总线空闲时互相通信，如果两个节点同事发送信息，那么按报文优先级来分，优先级高的可以先发，优先级低的后法，优先级是由报文标识符确定的。
从速率上说，CAN总线最高通信速率可达1M每秒，LIN总线只有20K左右，所以选择方案一。
单片机的选型方案一，选择AT89S52：
主要性能：
与MCS-51单片机产品兼容；8K字节
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