大众汽车车载CAN总线系统设计.docx
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大众汽车车载CAN总线系统设计
大众汽车车载CAN总线系统设计
摘要：
随着汽车电子技术的持续发展，汽车上越来越多的应用电子设备，电子控制设备的联系更加复杂，而汽车的传统电气系统一般都是采用点对点的单一通信，联系较少，因此，庞大的布线系统之间的联系已经无法满足逐渐复杂的汽车控制系统的要求。
本文以大众汽车车载CAN总线车身控制系统为研究对象,介绍了国际汽车电子技术的现状和发展趋势，与目前主流的汽车网络技术相比，本文分析了目前流行的现场总线的性能及特点，研究了CAN总线的汽车车身控制系统。
介绍了系统的硬件设计和开发过程。
说明了每个节点的作用，说明了每个模块硬件电路结构。
介绍了系统的软件设计和开发过程。
该论文讲述了CAN通信模块的通信流程。
通过本设计，大众汽车车载CAN总线车身控制系统可以满足现代车身控制的需要。
关键词：
车载网络；大众汽车车载CAN总线；车身控制系统
VolkswagencarCANbussystemdesign
Abstract:
withthecontinuousdevelopmentofautomobileelectronictechnology,moreandmoreelectronicequipmentusedinautomobile,electroniccontrolequipmentismoreandmorecomplex,therelationbetweenthetraditionalautoelectricalsystemismostlysinglepointtopointcommunication,connectwitheachotherveryfew,soleadtotheconnectionbetweenthehugewiringsystemhasfarcannotsatisfytherequirementofincreasinglycomplexautocontrolsystem.AutomobileLANCANbus,whicharewidelyusedinautomotiveelectroniccontrolsystem,inordertorealizeintelligentandnetworkedcontrolpartprovideseffectivewaysandmethods.
ThistopicwithCANbusbodycontrolsystemastheresearchobject,mainlytodothesummaryofafewaspects:
introducethecurrentstatusanddevelopmenttrendofinternationalautomotiveelectronicstechnology,moremainstreamintoday'sautomotivenetworktechnology,acomprehensiveanalysisofthecurrentpopularfeaturesandperformanceofavarietyoffieldbus,thefurtherstudyoftheCANbuscarbodycontrolsystem.Describesthehardwaredesignanddevelopmentofthesystem.Accordingtotheactualneedsofthesystem,thedesignofeachmoduleofthesystemisdetermined.Detailedintroducesthesystemfunctionofeachcontrolnode,describesthemaincontrolchipperipheralcircuit,lightcontrolcircuit,CANcommunicationmodulecircuit,wipercontrolcircuit,controlcircuit,windowlockmotorcontrolcircuit,theswitchquantitydetectioncircuit,electricrearviewmirrorcontrolcircuithardwarecircuitforeachmoduleofthestructure.Describesthesoftwaredesignanddevelopmentprocessofthesystem.ThisarticleintroducesthecommunicationprocessfortheCANcommunicationmodule.
Keywords:
carnetwork;vwvehicleCANbus;Bodycontrolsystem;
目录
摘要I
AbstractII
目录III
1绪论1
1.1研究背景1
1.2国内外研究现状1
1.3本课题研究的目的和意义2
1.4论文的主要内容2
2CAN总线的工作原理4
2.1CAN总线的特点4
2.2CAN的分层结构4
2.3CAN报文传输协议5
2.4CAN节点的组成5
3系统方案设计6
3.1车身控制系统的总体设计方案6
3.2车身控制系统各节点功能描述7
4车身控制系统的硬件设计9
4.1系统核心元器件选型9
4.1.1微控制器芯片—MC9S08DZ16单片机9
4.1.2CAN总线驱动器—MC3338810
4.2系统硬件电路总体结构11
4.3系统各模块硬件电路的设计12
4.3.1单片机时钟及复位电路设计12
4.3.2电源模块电路设计13
4.3.3CAN节点通信电路设计14
4.3.4车窗的电机驱动电路设计15
4.3.5门锁电机驱动电路设计15
4.3.6后视镜电机驱动电路设计16
4.3.7雨刮电机驱动电路设计17
4.3.8车灯控制电路设计18
5车身控制系统的软件设计20
5.1CAN通讯模块的软件设计20
5.1.1MSCAN模块的初始化20
5.1.2CAN数据报文的发送20
5.1.3CAN数据报文的接收21
6结论与展望23
6.1全文总结23
6.2工作展望23
参考文献24
致谢25
1绪论
1.1研究背景
当代汽车电子技术不断发展，电子装置的应用也越来越多。
相比高端车，电子系统的成本已经远远超过了总成本的20%[1]。
由于越来越多的电子设备，导致连接这些装置的电子线路膨胀加速，线束比较复杂，布线就很困难，在汽车的设计中，安装和维护的负担，甚至到了不可接受的程度；另外，线占用的空间和质量也将成为值得思考的难题。
质量的提高象征着效率的变低；线路的直径加大，在运动部分过线就非常困难。
所以说，在越来越多的电子设备的情况下，减少线束将成为一个需要解决的问题。
要解决这个难题，就必需选择串行信息传输的网络结构。
CAN总线技术的研究与发展，无疑是一个重大的突破对于汽车电子控制系统的应用来说，将有很大的上升空间。
1.2国内外研究现状
追溯到在上个世纪70年代末的时候，很多汽车公司都在非常努力的去开发和研究关于汽车的总线技术，以及该技术的应用。
现在汽车的主流技术标准，已经被CAN总线技术所占据。
究而该技术成为主流的真正原因，是因为它的技术背景以及工业现场总线和计算机局域网技术的高度成熟[2][3]。
汽车厂商为实现汽车内部控制系统的数据通信[4]，都依靠CAN总线技术。
在汽车电子系统中，CAN总线技术被广泛应用，这更加代表了汽车电子控制网络发展的主流趋势，而且逐渐成为了欧洲汽车制造行业的主要行业标杆。
现代电子装置控制在汽车上的使用率非常高，比如发动机的定时注油控制、刹车控制、加速与防抱死刹车系统（ABS）等[5]。
虽然CAN总线标准已提出多年，但是，CAN总线技术在我国的发展相对缓慢，在中国，目前的应用和发展才刚刚起步，国内的汽车电子厂商在跟进并展现出了新的力量。
基于ECU的开发，中国的汽车企业，还有很多问题，想开发汽车网络ECU也会遇到很多考验，当前没有这个技术让汽车制造商设计一个CAN网络。
近年来，国内汽车企业从国外引进了一些新的电控技术。
目前来看，应用国外技术生产的奥迪A6车型的引入，已经成功的被用来取代2000，而原车线束帕萨特B5、BORA、波罗fiatpalio和锡耶纳模式也有很大程度的尝试使用总线技术，而这些技术更是基于CAN总线技术在电源总线系统的大幅度的应用，尽管如此，它真正的核心技术仍未掌握在国内厂商的手中。
就目前来看我国的中低档汽车中（包括卡车和货车），由于技术和成本因素限制了成本，所以我国仍采用最传统的传输系统【6】。
我国CAN总线技术才刚刚发展，大部分的汽车还没有用到该技术。
目前，随着国内政府高度重视汽车电子，车载网络也为汽车电子的一个很好的起点，车载网络是解决空心化和汽车电子技术空心化问题的关键，可以说未来的汽车网络平台就是现在的汽车平台。
所以国内对这方面的工作也十分积极。
1.3本课题研究的目的和意义
随着汽车电子技术的不断壮大，汽车上的各种电子装置在汽车上的应用也
越来越广泛。
汽车厂商也对电子设备和半导体集成电路在汽车上的使用越来越频繁，包括车内娱乐电子设备、驾驶员的基本信息和通信设备、汽车安全和舒适设备以及传东西和体感控制电子设备等。
数据显示，到2010年为止，电气和电子产品在汽车上的使用原件占汽车总成本的比例已经从当前的25%迅速提高到了40%。
而由于汽车上广泛使用电子装置，才使得彼此之间的联系变得日益复杂，尽管如此，传统电气系统仍采用点对点的单一通方式，使得彼此之间联系少之又少，这样会使得布线系统变得更加的庞大。
据相关统计显示，如若高档汽车导线长度则会达到两千米，而电气节点则会多达一千五百个，除此之外，该数字大约每十年就会增加一倍，这也会使得汽车有限的可用空间与粗大的线束之间的矛盾更加严重线束通常都安装在纵梁下或其他看不到的部位，假如线束有了问题，不仅寻找问题的出处会很复杂，维修也比较难。
另外，汽车上新的用电设备的应用对线束的改变很大，平常只能从外面加线，使线路更加杂乱因此，从材料成本和工作效率的角度来看，之前的布线方法仍然不能满足当前汽车的发展现状。
为了解决现代汽车巨大的电子控制控制单元之间的通讯问题，和减少信号线数量的增加的问题，Bosch公司推出了CAN总线。
CAN总线技术在车身控制系统中的应用，毫无疑问的为达成汽车控制系的网络化和控制部件的智能化提供了更好的途径和方法。
综上所述，本研究的意义在于简化日益复杂的现代汽车车身电子控制设备之间的连接，对传统汽车的主电缆线束系统的取消，有效地提高了系统的可靠性和降低系统综合成本，提高车辆系统和智能化程度，为汽车高性能提供了技术平台并且形成了新产品和新技术储备。
1.4论文的主要内容
1）在收集了很多国内外有关资料的前提上，总结和分析了CAN总线技术在国内外的研究应用状况和CAN总线的有关理论和技术重点。
2）如果将大众系列典型的车载CAN总线网络系统作为代表，研究分析车载CAN总线网络系统的组成结构及功能特点，并分析总结对车载CAN总线网络应用方案。
3）为了完善原车身舒适系统的问题以及改进CAN总线控制功能存在的诸多问题，通过利用单片机和CAN控制器SJA1000、收发器PCA82C250等元器件，从而设计并且开发车载CAN总线测控节点，必须还要做到与原车身舒适系统的CAN总线网络系统相匹配。
2CAN总线的工作原理
2.1CAN总线的特点
CAN总线应用了很多新的技术和别致的设计，和普通的通信总线做对比，有很好的可靠性、实时性和灵活性，概述其主要特点如下：
1）CAN总线在任意时间点上都可发送信息。
2）CAN总线上的节点信息通过报文标识符被划分为优先级以满足不一样的实时性要求。
3）当多个节点发送消息到总线时，低级的会退出发送，高级的不受干扰继续传输。
节省了大量时间。
4）通过报文滤波实现多种方式的发送和接收的方法。
5）CAN总线大部分是短帧结构，传送时间短，干扰的概率相对较低，有很好的检查错误的能力。
6）在CAN总线上，每帧信息都有CRC检验等检错措施，保证数据出错率非常低。
7）CAN的通信距离非常远;通信速率非常大。
8）CAN总线的通信介质有这几种，分别是是光纤、同轴电缆或双绞线，选择较多。
9）CAN总线有自动关闭输出的功能。
2.2CAN的分层结构
CAN有三个结构：
对象层、传输层和物理层。
对象层为相关硬件提供接口。
传输层的主要作用是指定在总线上开始发送新消息和开始接受新消息的时间点。
物理层通过电器属性，在不同节点之间进行位信息的实际传送。
在相同的一个网络中，全部节点的物理层必须保持一致。
图2.1CAN总线的分成结构
2.3CAN报文传输协议
CAN有2种不一样的格式，主要是在于标识符不一样。
扩展数据帧结构如图2.2
图2.2扩展数据帧结构
2.4CAN节点的组成
CAN节点主要由CAN驱动器，单片机（或其它智能装置），CAN控制器[7]三部分组成。
在使用CAN总线时，第一步就要选择使用什么样的CAN控制器。
CAN控制器有两种形式，一为兼容性好，适应性强的独立CAN控制器；二为成本低，速度快，可靠性高的集成CAN控制器。
3系统方案设计
当前，灯光控制、雨刮控制、汽车门锁控制、电动车窗控制等都是汽车车身控制系统所包括的。
由于车身控制系统主要是各类开关器件控制，要求较低的信息传输实时性，可是数目却需要很多。
本文的主要研究对象是大众汽车的车身控制系统。
该系统的控制对象也很多。
各子系统拓扑结构的不同可以对系统的智能化程度与设计成本产生影响，所以就得减少设计成本和提高可靠性，因此，有必要通过每个控制对象的位置和功能对车身控制系统的每个模块进行合理区分。
这章内容先是通过系统的控制要求提出系统的总体方案设计，然后再分不同的段落叙述每个的功能和优点。
3.1车身控制系统的总体设计方案
如图3-1所示是该论文使用的车身控制系统的大概结构，根据汽车的各个部分的功能可分为7个部分。
前车灯的控制部分是对汽车前端电器的控制；后车灯控制部分是对汽车后端电器的控制；各个车门电器的控制由各个车门控制。
在系统划分的几个模块中，汽车车门和汽车车灯它们的控制部分的基本功能相同，每个部分硬件电路的解决和开发软件的工作比较容易，通过在每个部分中应用相应的芯片可以提高系统的智能化。
3.2车身控制系统各节点功能描述
下面将详细阐释不同节点模块的控制功能中央控制节点功能。
中央控制节点单元有处理信息和协调工作的功能。
是整个车身控制系统的控制核心。
系统在工作的过程中其他的几个节点将测试出的数据，发送给中央控制节点，中央控制节点然后通过所包括的信息作出解决后，再发送给其它节点，然后其它节点执行特定的功能。
另外，整个车身的控制系统和外部告诉动力发送总线的连接可以由中央控制节点通过网关来实现。
1）左前门节点功能
左前门节点控制单元是最复杂的，它囊括了所有的控制按键。
左前门节点单元接收到的信号量是最多的，开关量除了按键，还有输入开关量和门锁钥匙开关灯和门锁检测开关，另外门锁电机反馈检测电流、车窗电机反馈检测电流、后视镜电机反馈检测电流都是输入模拟量。
在特定的使用中，左前门相对应的电机被相对应的按键直接控制，其余都是间接控制。
左前门节点要将控制命令信息发送到相关的节点控制单元时，可以使用CAN总线。
控制单元收到信息会通过解决结果执行相关的操作。
2）右前门节点功能
右前门节点控制右前门上的电机。
右前门窗升降开关、右前门锁开关、门锁检测开关、后视镜除霜加热开关灯、后视镜转动/折叠开关是它的开关输入量。
左前门节点的远程CAN总线指令向右前门节点发送，右前门节点在接收到此指令后，控制功能会通过特定的指令信息来实现，右前门的按键也可以对其输入，并通过控制命令，使与键值有关的被控部位作出反应。
3）左后门节点功能
左后门节点控制门锁电机和车窗电机。
门锁电机通过左前门节点的发出的远程CAN总线指令来执行动作；车窗电机则是一起采用间接和直接的两种控制方式，它受左后门上的按钮和左前门节点传送来的远程CAN总线指令的控制。
4）右后门节点功能
功能与左后门相似，其控制右后门电机和相应的按键开关。
5）前车灯节点功能
汽车前部的电器由前车灯控制模块负责。
6）后车灯节点功能
汽车尾部的电器由后车灯控制模块负责。
4车身控制系统的硬件设计
网络上信息的收发站是节点。
系统设计的核心是CAN节点的设计。
为了减少外部设备，提高系统的稳定性，将芯片生产飞思卡尔半导体公司的CAN控制器MC9S08DZ16单片机作为微控制器的节点，MC33388作为CAN总线驱动器。
4.1系统核心元器件选型
4.1.1微控制器芯片—MC9S08DZ16单片机
微控制器是控制单元的核心。
单片机的选择也是系统设计的关键部分。
考虑到CAN总线的性能价格比、特征和功能的完整性和可靠性等因素，选择MC9S08DZ16芯片作为系统的主控制器。
飞思卡尔半导体公司推出的低功耗、高性能8位单片机MC9S08DZ16芯片，它内部包括了CAN协议控制器MSCAN模块，方便CAN总线系统的使用。
它的优点有消耗低、性能好、成本少。
已被汽车行业大量使用。
它的主要特征为[8]：
1）采用8位的增强型HCS08内核;
2）目标代码完全向上兼容M68HC05和M68HC8系列;
3）谐振器、晶体、内部时钟或外部时钟都是可选的时钟源；
4）内置MSCAN模块；
5）加强的串行通信接口和串行外设在接口；
6）内置16KB的FLASH,1L片内RAM，512B片内EEPROM；
7）MSCAN模块在MC9S08DZ16内部集成，MSCAN是一种通讯控制器，如图4-1所示是MSCAN模块内部结构图。
图4.1MSCAN模块内部结构图
通过CAN控制器，实时操作内部缓冲器结构进，达到了简化硬件结构、降低成本，并且简化软件设计，提高软件开发速度的目的。
MSCAN模块的主要特点有[9]：
1）模块化结构；
2）支持远程帧；
3）执行CAN2.0A/B版本协议；
4）双缓冲器接收模式；
5）MSCAN的使用采用软件进行控制；
6）采用内部优先级的三缓冲器发送结构；灵活的屏蔽ID号模式；
7）支持可编程的自循环模式；
8）低功耗休眠模式。
4.1.2CAN总线驱动器—MC33388
（1）MC33388的主要性能
CAN总线收发器采用摩托罗拉公司的MC33388接口芯片【10】【11】。
MC33388专用于汽车车身控制中。
用于CAN总线差动电平和节点逻辑电平两者间的电平交流，给总线给予了差动发送能力和对CAN控制器提供差动接收能力。
MC33388具有抗干扰能力强、工作温度范围宽和一定的容错功能。
非常适合汽车电子应用领域复杂的环境中。
其主要特点有：
1.静态电流低至15μA；
2.波特率范围为10~125kbps；
3.支持单总线传输模式；
4.有过热保护功能对总线驱动器来说；
5.有短路保护功能，是总线对地、电源的功能；
6.支持无遮蔽双绞线传输；
7.40℃~125℃是工作的温度区间。
（2）MC33388的工作原理
正常传输模式、单接收模式、睡眠模式和等待模式是MC33388的四种工作模式[10]：
。
通过控制其引脚EN及STB的状态可使其工作于这四种模式中，在特定情况下，四种模块可以相互转换。
在正常模式下，单片机可以接收数据；在单接收模式，MC33388的传输信号的部位堵塞，此时，总线不再被芯片驱动，但接收和错误检查模块正常工作；睡眠模式，两个模块都不工作；在等待模式下，与睡眠模式的芯片状态类似，除了INH引脚要保持高电平。
在具体的应用中，将MC33388的INH直接连接外部调压器，实现对MC33388工作状态和误差的控制。
为实现数据传输的能力，要把CAN通信模块中的TX、RX引脚和信息收发引脚TX、RX相连。
在CAN物理通信线路上需接入终端电阻，它的阻值范围是500Ω~16KΩ，但阻值与结点数的比值应该比100Ω要大。
4.2系统硬件电路总体结构
如图4-2所示是系统硬件电路总体设计图。
该系统由七个节点。
每个节点都是由MC9S8DZ16单片机、MC33388收发器以及各控制电路组成的，其中MC9S08DZ16单片机是整个系统的主控制芯片，用于进行信息的运算处理，MC33388收发器是发送器和接收器的结合，使CAN总线差动电平和节点逻辑电平之间的电平转换更加好。
图4.2系统硬件电路总体设计图
4.3系统各模块硬件电路的设计
4.3.1单片机时钟及复位电路设计
图4.3单片机时钟及复位电路图
本系统设计的单片机时钟及复位电路图如图4-3所示。
单片机系统正常工作需要给其提供稳定的时钟信号，而MC9S08DZ16芯片内置有振荡电路，可以产生系统工作所需的振荡频率，但是为了得到比较精确的时钟信号，提高系统工作的稳定性，单片机时钟电路采用接入外部晶振的方式，本系统的时钟电路由一个8M的晶振和两个10PF的陶瓷电容组成。
上电复位电路和手动复位电路组成了硬件复位电路。
在电路开始供电时保证系统能有效地进行上电符文；手动复位功能可以在系统工作中需要复位时使用。
为了方便调试，在调试过程中还将单片机的复位引脚与调试接口（BDN）的复位引脚相连，使得系统设计与调试功能同步进行。
4.3.2电源模块电路设计
在系统硬件电路的设计中，电源电路对整个系统设计有重要影响。
系统正常运行的关键就是电源电路。
目前，汽车上的电源是由蓄电池提供的12V电源系统，在这个系统中，MC8S08DZ16单片机的输入电压为5V，因此有必要对汽车上的电源系统做电平转换。
本设计中，系统的电源变换稳压芯片采用了LM2594HV-5.0芯片，其内部包含很多功能部件，所需的外部元器件数目少，使用起来方便。
芯片可提供50MA的电流输出，且具有外部关断模式，待机电流典型仅为85UA，适合于汽车电子中的应用[12][13]所示是本设计的电源模块电路图。
图4.4电源模块电路图
4.3.3CAN节点通信电路设计
CAN节点通信模块电路图如图4-5所示。
节点的CAN通信部分电路主要由3部分组成：
带CAN模块的微控制器MC9S08DZ16、CAN总线收发器MC33388和高速光电耦合器6N137。
单片机CAN模块的引脚通过高速光电耦合器6N137后和MC33388连接，在这种方式中，总线上各CAN节点的电气隔离，可以更好的实现隔离。
使CAN总线节点的抗干扰的能力增强。
有限流和防止信号发生反射的作用。
将两个小电容在并联在它们和大地之间，可以起到滤除干扰和防电磁辐射的作用。
图4-5CAN节点的通信模块电路图
4.3.4车窗的电机驱动电路设计
车窗电机可正反转动，有双金属片作为电机内部的过流保护装置。
车门玻璃升降的关键是车窗电机驱动芯片，要有驱动大电流的电机并有
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