三国之狂草孙尚香小说:CAN /LIN混合网络在轿车车门控制系统中的应用

CAN /LIN混合网络在轿车车门控制系统中的应用

CAN /LIN混合网络在轿车车门控制系统中的应用

    1 前言
    随着电子技术的发展和对汽车性能要求的不断提高,汽车上的电子产品越来越多,从而加剧了线束和汽车中可布线空间的矛盾。基于降低传统设计中的线束数量,改善由于线束过多引起的可靠性问题,汽车网络被设计、规范和发展起来。LIN 和CAN总线分别属于A类和B类总线中的主流形式,在汽车领域应用曰益广泛。
    2 网络结构的选择
    区别于驱动系统,轿车车门控制系统具有如下特点:主要是人工操作,所以控制速率、更新速率相对较慢(人能接受的响应时间最大为100ms) ;网络通信的发起者为人为操作;功能数量多,线束数量大等。考虑到通信负载、通信效率、实时性和成本,本系统的总线采用了与动力控制总线(高速CAN)不同的低速CAN辅以成本更低的LIN总线的混合总线方案。
    汽车网络特点可归纳为:通信距离短、子功能模块化功能较好、扩充性要求高和可靠性要求高等。比较星形、环行和混合形拓扑结构,总线结构的电缆长度短、可靠性高和易于扩充的特点迎合了汽车网络的需要。加之CAN总线的错误处理机制有效地克服了总线结构故障隔离的困难,使之成为汽车网络应用的首选结构。
    本系统采用了并列式和层次式并存的混合网络结构,如图1所示。并列式网络结构可靠性好,网络速度要求低,开发费用少,开发时间短,被用于连接各车门节点;层次式网络结构中采用主/从控制,由主节点控制通信,不需要仲裁和解决冲突,因而节省了成本,用于实现距离主控制节点相对较远的后视镜的控制。
    3 应用协议和信号分析
    CAN是一个技术规范, SAE J1939是以CAN为基础涉及了应用层的上层协议,是目前最有实用参考价值的车用网络协议。所以系统信号编码采用了SAE J1939,保证了系统的通用性。
    3.1 数据域分组原则
    为了提高基于CAN 系统的通信效率, SAEJ1939建议每个消息充分使用8字节数据域。需要有充分的理由,才允许定义数据域中采用有间隙的参数群编号,并建议参数按照以下方式分组: ①按常用的子系统分组(电控单元用来分派和发送数据) ;②按相同速率分组(以减少对消息的管理) ; ③按功能分组(如机油、冷却剂、燃料供应等) 。
    车门控制系统按物理位置原则布置网络节点,并且节点内部的信息具有相似的通信速度,所以系统以“子系统分组”原则来进行信号划分。以右前门节点为例,对信号划分见表1。
     
    3.2 首选地址分配
    SAE J1939规定,一个确定系统中的地址数量不可以超过254个(设备不能申请0地址和全局地址) 。大多数在SAE J1939网络上工作的电控单元,将拥有被分配给该单元的可使用的首选地址。如果在没有一个可选方案的情况下,电控单元应该在128开始的128～247地址范围内申请一个地址。系统具体地址分配见表2。
     
    3.3 参数群设定准则
    通信协议中有3种主要的通信方法,适当运用各种类型的通信方法,可以使已有的参数群编号得到有效使用。这3种通信方法是: PDU1格式( PS =目标地址) 、PDU2格式( PS =群扩展) 、使用2个预定义的专用群编号的专用通信。
    专用通信一般用在以下2种情况:在不需要进行标准通信的场合和在进行专用通信很重要的场合。在车门控制系统内部大部分通信不需要标准通信,这些通信信息对网络上的其他设备来说一般是无用的。所以系统包含了采用专用群编号的PDU1和PDU2 2种格式,部分具体编码见表3。
     
    4 系统方案实现
    4.1 轿车车门控制系统的功能描述
    与传统的设计相比,本系统突出体现了总线控制的智能化和人性化,同时支持对玻璃自动和手动2种操作模式的控制;具有智能防夹功能,即在玻璃的自动上升过程中,如果经过算法判断发生夹碰,将自动反转并下降15mm,对乘客进行保护;具有碰撞应急功能,通过共享网络信号,如果发现碰撞,即刻将碰撞报警在总线上广播,接收到报警后所有的车窗同时下降,便于乘客逃生;具有智能关窗功能,如果从网络上获取点火钥匙关闭和外部中控锁关闭信号,将自动升起所有玻璃,避免由于驾驶员的疏忽而引发的意外。
    对中控锁的控制,支持内部、外部和遥控3种操作模式;具有自动锁闭功能,即通过总线实时监测车速变化,如果发现车速超过15km /h,将自动锁止中控锁;具有碰撞应急功能,如果从网络上发现碰撞信号,将自动打开中控锁,便于乘客逃生。
    4.2 CAN /LIN混合网络的构建
    车门控制系统的网络结构原理如图2所示。由于CAN总线在汽车网络应用中的主流地位,各半导体供应商都提供对CAN协议的完善支持。本系统以内置MSCAN模块的MC68HC908GZ16 和MC33889CAN收发控制器为底层基础,实现CAN的通信。L IN总线作为CAN通信网络的辅助,基于主从结构,使用单线通信,充分体现了价格方面的优势。其目标应用是不需要CAN的性能、带宽及复杂性的低速系统,系统中利用MC68HC908GZ16 中的ESCI模块+MC33399和908E625 构建L IN 通信网络,实现对后视镜的控制。
     
    基于MSCAN模块对CAN通信的硬件支持,通过软件中对相应寄存器的设置实现对CAN通信的消息类型、通信速度、消息过滤和位定时等网络参数的初始化。同时通过接收中断和时间中断来触发消息帧的收发,实现数据的交换。最后通过CAN状态中断和循环检测实现对错误的界定和处理。
    由于没有专门的硬件支持, LIN总线通信协议的实现与CAN 不同,更多的是通过软件驱动实现的。目前支持L IN通信协议的底层驱动程序有: LIN API和Motorola API2 种,本系统采用后者实现通信。相对于硬件支持,软件实现的通信给开发者提供了更大的控制自由度,但也相应增加了软件开发的工作量。首先必须把驱动文件与系统工程进行链接,并对驱动程序进行相应的资源分配。通常主节点驱动将占用23B的RAM、1 391B的ROM和不超过34B 的堆栈; 从节点驱动占用20B 的RAM、1 071B的ROM和不超过34B 的堆栈。为了加速驱动的运行和减少对ROM资源的占用,通常需要分配20～23B的RAM零页空间,当然资源的占用会随系统消息的增加而增加。然后通过相应的配置文件对通信的时钟、速率和节点所涉及的消息进行定义。最后主程序通过对链接成功的LIN驱动库函数的调用,实现LIN的网络通信。
    在具体的应用中,基于物理位置和LIN总线一主多从的特性,选择以驾驶员侧门节点为主节点,以后视镜节点为辅节点构造一主两从的LIN总线控制结构。主节点通过内置的MSCAN模块和ESCI模块同时实现对CAN和L IN通信的支持,在整个网络中充当网关,实现2个网络中的信息交换。主节点一方面通过CAN通信实现整个车身的信息交换和共享,另一方面检测控制面板的按键输入,综合所有的信息对L IN从节点的任务进行排队和管理。从节点接收来自主节点的命令完成相应的操作,并根据需要把后视镜状态反馈回来。
    CAN总线采用双绞线和信号差分传送,有效地抑制了共模干扰。由于CAN总线为多主结构,各节点首先监听总线,当发现总线空闲才可进行发送,如果发生冲突则通过优先级实现非破坏性仲裁;消息传输采用基于消息而非地址的广播式发送;针对汽车应用环境设计的错误界定和处理机制,保证了通信的可靠性。
    LIN总线采用单线12V信号通信,大大提高了信号冗余。通信过程中, LIN主节点首先发送同步间隔( synch breake)和同步场( synch field)来建立同步,再通过以信息为基础的标识符场与相应从节点建立通信。
    4.3 控制策略实现
    由于对整个车门控制系统的控制是建立在CAN和LIN的混合网络上,非常容易实现信息的传送和共享,较之传统的设计,可以轻松提供更加智能化和人性化的功能。
    现以中控锁的控制策略为例进行分析,首先系统要检测对中控锁的外部操作,包括:无线射频、外部钥匙和内部中控开关;其次通过总线通信实时获得中控器和其他门节点的状态,确认实际工况。
    中控锁的控制策略主要由左前门控制器来实现,具体步骤如下。
    (1) 应答中控器的问询,反馈节点的运行状态。
    (2) 接收到CAN总线上“询问门状态”信号,检测门接触开关状态,将该状态发送到CAN总线上。
    (3) 接收到集控门锁开关的“开锁”信号,检测中控门锁状态,如果此时门锁处于已闭状态,且车速< 15km /h,使门锁执行开锁动作,同时向CAN总线上发送“集控门锁外部开锁”命令;在执行完开锁动作后,向CAN总线上发送“中控锁已开锁”状态。
    (4) 接收到集控门锁开关的“闭锁”信号,如果中控锁处于已开状态,则检测门接触开关的状态;若该门已经关闭,则向CAN总线上发送“询问门状态”信号;若其余三扇门都已经关闭,则使门锁执行相应的闭锁动作,同时向CAN总线上发送“集控门锁外部闭锁”命令;在执行完闭锁动作后,向CAN总线上发送“中控锁已闭锁”状态。
    (5) 实时监测总线上的速度信号(中控器采集,并循环发送到总线上) ,如果发现车速> 15km /h,且中控锁处于已开状态则检测门接触开关的状态;若该门已经关闭,则向CAN总线上发送“询问门状态”信号;若其余三扇门都已经关闭,则使门锁执行相应的闭锁动作;在执行完闭锁动作后,向CAN总线上发送“中控锁已闭锁”状态。
    (6) 接收到CAN总线上“发生碰撞”信号(中控器采集,发生后立即发送)且点火开关接通时,使集控门锁开锁;除非重新上电,闭锁器不能关闭(保持开状态) 。开锁和闭锁信号可分别来自无线射频钥匙、外部物理钥匙和内部中控开关。
    5 结论
    本系统利用CAN /LIN混合网络,采用并列和层次结合的网络结构,以SAE J1939为基础对信号进行分组和定义,实现轿车车门控制系统的总线控制。通过CAN总线专业开发及仿真工具CANoe和CAN网络示波器CANscope对系统总线进行监控和分析,并对结果进一步优化,取得了令人满意的结果。现在该系统已在实验室内开发完毕,与传统的结构相比,突出体现了总线技术带来的线束减少和布线方便,而且智能化、人性化控制也是传统设计无法比拟的。目前该系统正在进行装车运行试验。

附件