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基于DSP的高低速CAN总线汽车控制系统设计 |
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作者：湖北大学 王杰 |
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摘 要：采用TI公司内嵌CAN 2.0B模块的数字信号处理器TMS320LF2407A作为汽车计算机控制系统中的主控制器并兼作网关，构建高低速CAN总线通信控制网络，实现了全部节点之间的数据共享以及相互之间的协同工作，并可在不同节点间实现高效数据传输。试验结果表明总线利用率较高，系统响应速度较快。
关键词：DSP 高低速CAN总线 汽车控制系统
随着现代汽车性能的不断提升，新的控制功能不断增加，如中央门锁、灯光控制、玻璃升降、后视镜调节、天窗控制、座椅调节和点火延时控制等。传统的控制系统多采用继电器和独立模式控制，使得车内线束过多且布线复杂，从而造成了严重的电磁干扰，导致系统的可靠性下降。目前，很多汽车采用CAN总线将整个汽车控制系统联系起来统一管理，实现数据共享和相互之间协同工作，使车内线束布线方便可靠，提高了汽车整体的安全性和性价比，增强了自身的竞争力。而各个控制单元对系统的响应时间要求不一样，如防抱死制动系统（ABS）、驱动防滑系统（ASR）、电控行驶平稳系统（ESP）、安全气囊（SRS）等对系统实时性要求较高；照明控制、空调控制等对系统的响应时间要求则相对较低。
由于计算机控制单元越来越多，采用单网络CAN总线负荷越来越重，通过以DSP作为系统主控制器并兼作网关（对CAN总线间待传数据信息作智能化处理，确保只有某类特定的信息才能在网络间传输），对实时性要求较高的控制单元采用高速CAN网络传输，对实时性要求相对较低的控制单元采用低速CAN网络传输，不仅可以提高系统抗电磁干扰性，而且还可以简化传输线束，提高传输可靠性。
1. 基于DSP的汽车计算机控制系统
1.1 TMS320LF2407A功能简介
选用TI公司的16位定点DSP TMS320LF2407A作为主控制器并兼作网关。该型DSP系统时钟可达40M，运算速度为40MIPS, 片内有高达32K字FLASH程序存储器，高达1.5K字的数据/程序RAM以及2K字的SARAM和544字的DARAM，内嵌16通道10位的A/D转换器、SPI/SCI/CAN2.0B模块以及看门狗定时器模块，资源丰富，接口方便，特别适合于象汽车计算机控制等实时性和可靠性要求很高、电磁干扰严重的场合。
1.2 系统实现
汽车计算机控制系统已经广泛涉及到动力、安全、环保、节能、舒适等诸多方面，各种控制系统的电控单元（ECU）相互紧密联系，需要进行大量数据的实时通信，而且为了满足各子系统的实时性要求必须对汽车公共数据进行共享。因此在构建CAN总线控制系统中，总是希望CAN通信控制网络具有较高的波特率和可靠性。但若整辆汽车的所有节点都挂在一个CAN网络上，众多节点通过一条CAN总线进行数据通信，就很容易出现总线负载过大，导致系统实时响应速率下降。因而在对汽车各节点的实时性进行分析后，设计了基于TMS320LF2407A的高低速CAN通信网络，将实时性要求较高的节点组成高速CAN通信网络，将实时性要求相对较低的节点组成低速CAN通信网络，并架设网关将这两种速率不同的CAN通信网络连接起来，实现全部节点之间的数据共享。整辆汽车的通信网络拓扑结构如图1所示。
图1：汽车CAN总线网络拓扑结构图
图1中的发动机控制、变速箱控制、ABS/ASR/ESP控制和SRS控制是现代汽车动作的核心部件，对时间响应要求严格，因而在本设计中采用传输速率为500Kbps的高速CAN通信网络；空调管理、仪表管理、照明管理和姿态管理（如玻璃升降、后视镜调节、天窗控制、座椅调节和雨刷管理等）的实时性要求相对较低，采用速率为125Kbps的低速CAN 通信网络，主控制器跨接高、低速两条总线，与各节点进行数据交换，兼起网关的作用。
1.3 控制系统的电控单元与CAN总线接口设计
根据系统设计要求，采用TMS320LF2407A作为主控制器，汽车计算机控制系统的电控单元与CAN总线连接方式如图2所示。
图2：控制系统的电控单元与CAN总线连接图
通过TMS320LF2407A内嵌的CAN控制器可以很方便的实现物理层和数据链路层的功能。CANH和CANL是CAN总线的两条差分接收/发送复用线路，它们的端点各接一个Ω120的总线匹配电阻。当有节点占有CAN总线时，该节点的发送端（电平为3.5V）接CANH，接收端（电平为1.5V）接CANL；当无节点占有CAN总线时，CANH和CANL上的电平均为2.5V。在TMS320LF2407A和总线收发器PCA82C250之间采用高速光电隔离器6N137，可有效防止干扰信号通过PCA82C250传入主控制器；同时对整个系统还进行了金属屏蔽，传输线采用屏蔽双绞线，以减少电磁干扰。
2. 硬件接口电路设计
CAN通信网络接口由TMS320LF2407A的CAN控制器、CAN总线收发器PCA82C250以及光电隔离器6N137组成。CAN节点通信接口的硬件设计电路如图3所示。为了便于调试和演示，节点模块都包括CAN接口、RS232接口和液晶显示器。在调试过程中，液晶显示器用来将本地数据和通过CAN总线接收的数据直观地显示出来，RS232接口在需要的情况下可用来与PC机建立通信。总线数据信号通过高速光电隔离器6N137隔离，PCA82C250是CAN控制器和物理层之间的接口，可以提供对总线数据的差分接收和发送能力，具有在汽车环境下抗瞬间干扰、保护总线的能力。
3. 软件设计
本系统软件由系统主程序和高低速CAN网络单元软件组成，软件流程如图4和5所示。
高速CAN通信网络负责对实时性要求较高的控制单元动作的采集、处理和传送，一旦系统检测到有动作信号，将开放中断，调用相应的中断子程序，经DSP处理后通过高速CAN网络传送到相应控制单元的ECU，由控制单元ECU对控制对象进行控制。如果没有检测到高速CAN网络忙，就检测低速CAN网络，在没有高速CAN网络中断的前提下调用相应的子程序响应相应的动作。低速CAN网络单元软件流程与低速CAN网络单元类似，主要区别是低速CAN网络单元采用查询方式，数据广播用于实现控制系统中的数据共享。
4. 结论
CAN 总线作为一种可靠的汽车计算机网络总线已在许多先进汽车上得到应用,使得各汽车计算机控制单元能够通过CAN 总线共享所有信息和资源,达到简化布线、减少传感器数量、
避免控制功能重复、提高系统可靠性、降低成本、更好地匹配和协调各个控制系统的目的。本设计采用了数字信号处理器TMS320LF2407A 作主控制器兼作网关, 可在不同节点间实现高效数据传输，提高了系统的实时性和可靠性，采用高低速CAN总线网络通信控制方式，可以较大提高总线的利用率和系统的响应速度，基本达到预期的目标。
参考文献：
[1] 宫江海，唐厚君，孔俊.CAN总线在电动汽车上的应用研究[J].工业控制计算机,2003,17(3):23~24
[2] Texas Instruments Incorporation.TMS320LF2407A DSP Controller[M]. 2002, 7
[3] 黄涛,周德恒.基于CAN总线的汽车内部网络系统研究[J]. 单片机与嵌入式系统应用,2005,9:19~21(end)
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(12/4/2006) |
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