【正文】 收到總線發(fā)來的遠程幀后，就會把數(shù)據(jù)發(fā)送給請求節(jié)點。一般遠程幀是由 6 個不同的位場組成的。但是與數(shù)據(jù)幀不同的是，遠程幀的 RTR位是“隱性”的。DLC 是相對遠程幀獨立的，這個數(shù)值對應(yīng)于與數(shù)據(jù)幀的長度。圖 28 遠程幀的組成 出錯幀出錯幀是檢測總線出錯的一個信號標志，由兩個不同場構(gòu)成。第一場由來自不同節(jié)點的錯誤標志疊加，第二個場為錯誤界定符。CAN 協(xié)議采用 CRC 檢驗并提供相應(yīng)的錯誤處理功能，保證數(shù)據(jù)通信的可靠性。圖 29 出錯幀組成錯誤標志的形式有兩種：(1) 活動錯誤標志；(2) 認可錯誤標志。一般由 6個連續(xù)的“顯性”位組成一個活動錯誤標志， 6 個連續(xù)的“隱性”位組成一個認可錯誤標志。在每個 CAN 控制器的內(nèi)部都有兩個錯誤計數(shù)器：發(fā)送錯誤計數(shù)器和接收錯誤計數(shù)器。按錯誤計數(shù)器數(shù)值的不同，CAN 總線上的節(jié)點可以分為 3 種錯誤狀態(tài)，分別是錯誤活動狀態(tài)、錯誤認可狀態(tài)和總線關(guān)閉狀態(tài)。上電復(fù)位后，兩個錯誤計數(shù)器的數(shù)值都為 0，表示節(jié)點處于正常活動狀態(tài)，可正常地進行數(shù)據(jù)通信，檢測到錯誤時，發(fā)送活動錯誤標志。當(dāng)錯誤計數(shù)器中的值超過 127 時，節(jié)點進入錯誤認定狀態(tài)。處于錯誤狀態(tài)的節(jié)點仍然可以與總線通信，但出錯后，總線會發(fā)送錯誤認可標志，并且在開始發(fā)送數(shù)據(jù)之前，會插入一段附加的時間。當(dāng)錯誤計數(shù)器和接收計數(shù)器里面的值大于或等于 127 時，節(jié)點的狀態(tài)就從錯誤認可轉(zhuǎn)變?yōu)殄e誤活動狀態(tài)。若發(fā)送錯誤計數(shù)器的值超過 255 之后，節(jié)點就會進入關(guān)閉狀態(tài)，既不能發(fā)送數(shù)據(jù)，也不能接收數(shù)據(jù)。當(dāng)軟件執(zhí)行操作模式請求命令，并等待總線釋放序列（11 位連續(xù)隱性位）后，節(jié)點就會從總線關(guān)閉狀態(tài)重新回到總線錯誤活動狀態(tài)[3]。 超載幀超載幀一般由 2 個位場組成：超載標志和超載界定符。超載幀組成結(jié)構(gòu)如圖 210 所示圖 210 超載幀組成在 CAN 總線系統(tǒng)的某個節(jié)點處理接收到的數(shù)據(jù)的過程中，由于接收到的數(shù)據(jù)需要經(jīng)過一段時間的處理，但是第二幀數(shù)據(jù)可能會在數(shù)據(jù)處理的時候就會到達，這樣將導(dǎo)致數(shù)據(jù)出錯，數(shù)據(jù)丟失，因此，接收數(shù)據(jù)的節(jié)點可以發(fā)送超載幀，用于對第二次數(shù)據(jù)幀到來的時間進行延時，發(fā)送數(shù)據(jù)的節(jié)點接收到超載幀就會延時下一幀數(shù)據(jù)的發(fā)送。第二個發(fā)送超載的條件是間歇場檢出一個“顯性”位，后一個超載條件引起的超載幀在檢測到“顯性”位的后一位開始發(fā)送，在很多情況下，為延遲下一次數(shù)據(jù)幀或遠程幀，均可產(chǎn)生這兩種超載幀[3]。 應(yīng)用層協(xié)議的制定波特率的確定可根據(jù)通信內(nèi)容的多少確定，通常采用5Kbps—1Mbps。本設(shè)計當(dāng)前研究的車內(nèi)信息量較少、實時性要求不高，故定波特率為20Kbps。汽車電子控制系統(tǒng)各個控制器節(jié)點的信息我們從多個方面進行設(shè)定，譬如名稱、英文名稱、信號走向、信號類型、發(fā)送類型、出發(fā)方式等。(1) 信號類型:狀態(tài)(AI)、受控(AO)、狀態(tài)且受控(DO)、命令(DI)；(2) 取得方式:周期方式、請求方式、請求且周期、被動。(3) 優(yōu)先級:1一7；(4) 發(fā)送類型:被遠程幀請求才發(fā)送的幀、被告錯誤信息的幀、周期發(fā)送的幀、事件觸發(fā)的幀、主動發(fā)送的幀。這里以主站給從站1發(fā)送的輪詢信號為例。主站需要從站的信息時，主站就給相應(yīng)的從站發(fā)送輪詢信號，這些信息可以在一個數(shù)據(jù)幀中表示。這個數(shù)據(jù)幀可以命名為“MOSI”。首先，對數(shù)據(jù)幀的標識符進行設(shè)置，其中有優(yōu)先級、地址(SA)、數(shù)據(jù)長度碼(DLC)等相關(guān)位。標識符是一個數(shù)據(jù)幀中最重要的信息，節(jié)點之間能否通訊主要和標識符位設(shè)置的是否合理，例如優(yōu)先級、地址等位有很大關(guān)系。把相關(guān)的數(shù)據(jù)參數(shù)按照位的形式填充到數(shù)據(jù)場中，不過數(shù)據(jù)參數(shù)要考慮精度、信號取得方式、優(yōu)先級等方面。然后我們把數(shù)據(jù)幀打包從主站CAN單元發(fā)送到總線上，從站單元通過CAN控制器的接收濾波器可以收到它所需要的信息幀。然后將采集到的信息發(fā)回給主站。我們將從站1發(fā)回的數(shù)據(jù)命名為“MISO”。下面就是MOSI和MISO一個打包后的數(shù)據(jù)幀。名稱：MOSI（主站給從站1發(fā)送的輪詢信號）優(yōu)先級：1地址：0x00DLC：0x04字節(jié)：1數(shù)據(jù)源地址 0x00；2目標地址 0x01；3數(shù)據(jù)類型；4保留。名稱：MISO（從站1給主站返回的數(shù)據(jù)信號）優(yōu)先級：2地址：0x01DLC：0x04字節(jié)：1數(shù)據(jù)源地址 0x01；2目標地址 0x00；3溫度整數(shù)部分；4溫度小數(shù)部分。本章介紹了CAN總線技術(shù)在汽車控制系統(tǒng)中的特點和優(yōu)勢，分析了CAN總線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理和通信方式以及CAN總線的通信協(xié)議。（SAEJ1939）制定的應(yīng)用層協(xié)議，為后續(xù)的硬件選型和軟件設(shè)計提供了參考。第三章 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計本章設(shè)計了CAN總線控制系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，并且對功能模塊進行了詳細的分析。本系統(tǒng)的硬件構(gòu)架由五大部分組成，如圖31所示，這五大部分可以實現(xiàn)主站處理單元、車內(nèi)溫度采集單元、車外溫度采集單元、汽車發(fā)動機轉(zhuǎn)速和油箱液位采集單元、汽車車燈和車窗控制單元直接的數(shù)據(jù)傳輸，其中，主站處理單元和從站處理單元的處理器都采用ATMega128作為系統(tǒng)控制器。整個網(wǎng)絡(luò)通過總線拓撲的形式形成互聯(lián)。在本系統(tǒng)中各個單元的信號將通過CAN網(wǎng)絡(luò)傳入主站處理單元中，在主站內(nèi)得到處理后再發(fā)送到相關(guān)單元執(zhí)行。溫度、車速、液位等信號將通過CAN網(wǎng)絡(luò)及時地傳送到主站處理單元中；同時，用戶通過主站CPU外接的控制按鍵，將車窗開關(guān)、燈光開關(guān)、轉(zhuǎn)向燈開關(guān)等的控制信號傳入主站CPU，再通過CAN網(wǎng)絡(luò)傳入從站的電控單元。主站處理單元將車內(nèi)需要顯示的信號通過外接的12864液晶顯示出來。圖31 汽車CAN總線網(wǎng)絡(luò)整體框圖 系統(tǒng)ECU框圖本課題的控制系統(tǒng)為低速CAN，速度為100Kbps，主要完成ECU單元之間的數(shù)據(jù)傳遞，由于汽車電器數(shù)量較多，要簡化車身模塊數(shù)量，降低硬件成本，提高控制系統(tǒng)可靠性，需要根據(jù)各電器位置及功能對汽車電子單元（ECU）模塊進行合理劃分。本設(shè)計將電子單元（ECU）劃分成6個模塊，即CPU、傳感器、顯示器、CAN控制器、光電隔離、CAN驅(qū)動器。如圖32所示：圖32 系統(tǒng)子節(jié)點框圖系統(tǒng)節(jié)點以ATmega128作為控制核心，CAN控制器選用SJA1000，為了防止干擾，CAN控制器與CAN驅(qū)動器間采用光電隔離。 CAN控制器SJA1000SJA1000是一種獨立的CAN控制器，主要用于移動目標和一般工業(yè)環(huán)境中的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)控制。它是Philips半導(dǎo)體公司PCA82C200 CAN控制器(BasicCAN)的替代產(chǎn)品，而且它增加了一種新的操作模式——PeliCAN，[18]。SJA1000的基本特性如下：● 引腳與PCA82C200獨立CAN控制器兼容；● 電氣參數(shù)與PCA82C200獨立CAN控制器兼容；● 具有PCA82C200模式；● 有64字節(jié)的擴展接收緩沖區(qū)，先進先出(FIFO)；● ；● 支持11位和29位標識碼；● 通信位速率可達1Mbps；● 包含PeliCAN模式的擴展功能；● 24MHz時鐘頻率；● 可與不同的微處理器進行連接；● 可編程的CAN輸出驅(qū)動器配置；● 溫度適應(yīng)范圍大(40℃～+125℃)[18]。SJA1000的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖33所示，CAN控制器在現(xiàn)場系統(tǒng)中的位置和所起的作用如圖34和35所示[18]。圖33 SJA1000的內(nèi)部結(jié)構(gòu)方框圖圖34 CAN控制器SJA1000在系統(tǒng)中的位置圖35 CAN控制器SJA1000的模塊結(jié)構(gòu)① 接口管理邏輯接口管理邏輯(IML)解釋來自CPU的命令，控制CAN寄存器的尋址，向主控制器(CPU)提供中斷信息和狀態(tài)信息。② 發(fā)送緩沖器發(fā)送緩沖器(TXB)是CPU和BSP(位流處理器)之間的接口。它能夠存儲要通過CAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的一條完整報文。緩沖器長13字節(jié)，由CPU寫入、BSP讀出。③ 接收緩沖器接收緩沖器(RXB，RXFIFO)是接收濾波器和CPU之間的接口，用來存儲從CAN總線上接收并被確認的信息。接收緩沖器(RXB，13個字節(jié))作為接收FIFO(RXFIFO，長64字節(jié))的一個窗口，可被CPU訪問。CPU在此FIFO的支持下，可以在處理一條報文的同時接收其他報文。④ 驗收濾波器驗收濾波器(ACF)接收到的標識碼與自己的內(nèi)容相比較，以決定是否接收這條報文。在驗收測試通過后，這條完整的報文就被保存在RXFIFO中。⑤ 位流處理器位流處理器(BSP)是一個在發(fā)送緩沖器、RXFIFO和CAN總線之間控制數(shù)據(jù)流的隊列(序列)發(fā)生器。它還執(zhí)行總線上的錯誤檢測、仲裁、填充和錯誤處理。⑥ 位時序邏輯位時序邏輯(BTL)監(jiān)視串行的CAN總線和位時序。它是在一條報文開頭，總線傳輸出現(xiàn)從隱性到顯性時同步于CAN總線上的位流(硬同步)，并且在其后接收一條報文的傳輸過程中再同步(軟同步)。BTL還提供了可編程的時間段來補償傳播延時、相位偏移(例如，由于振蕩器漂移)和定義采樣點和每一位的采樣次數(shù)。⑦ 錯誤管理邏輯錯誤管理邏輯(EML)負責(zé)限制傳輸層模塊的錯誤。它接收來自BSP的出錯報告，然后把有關(guān)錯誤統(tǒng)計告訴BSP(位流處理器)和IML(接口管理邏輯)。82C250是CAN控制器與物理總線之間的接口，它最初是為汽車中的高速應(yīng)用(達1Mbps)而設(shè)計的。器件可以提供對總線的差動發(fā)送和接收功能。PCA82C250的主要特性如下[19]：● 與ISO11898標準完全兼容；● 高速率(最高可達1Mbps)；● 具有抗汽車環(huán)境下的瞬間干擾，保護總線能力；● 采用斜率控制，降低射頻干擾；● 過熱保護；● 總線與電源及地之間的短路保護；● 低電流待機模式；● 未上電節(jié)點不會干擾總線；● 總線至少可連接110個節(jié)點。 PCA82C250結(jié)構(gòu)框圖及基本功能描述PCA82C250的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳功能如圖36和表31所示。圖36 PCA82C250的內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能圖表31 PCA82C250的引腳功能標 記引 腳功能描述TXD1發(fā)送數(shù)據(jù)輸入GND2接地Vcc3電源RXD4接收數(shù)據(jù)輸出Vref5參考電壓輸出CANL6低電平CAN電壓輸入/輸出CANH7高電平CAN電壓輸入/輸出Rs8斜率電阻輸入PCA82C250驅(qū)動電路內(nèi)部具有限流電路，可防止發(fā)送輸出級對電源、地或負載短路損壞輸出級。若結(jié)溫超過大約16℃,則兩個發(fā)送器輸出端極限電流將減小，由于發(fā)送器是功耗的主要部分，因而限制了芯片的溫升，器件的所有其他部分將繼續(xù)工作。PCA82C250采用雙絞線差分驅(qū)動，有助于抑制汽車等惡劣電氣環(huán)境下的瞬變干擾。 引腳8(Rs)用于選定PCA82C250的工作模式。有3種不同的工作模式可供選擇：高速、斜率控制和待機，如表32所列。表32 引腳Rs用法Rs提供條件工作模式Rs上的電壓或電流VRs待機模式|IRs|10μA10μAIRs－200μA斜率模式VRsVRs高速模式IRs－500μA對于高速工作模式，發(fā)送器輸出級晶體管被盡可能快地啟動和關(guān)閉。在這種模式下，不采取任何措施限制上升和下降的斜率。此時，建議采用屏蔽電纜以避免射頻干擾問題的出現(xiàn)。通過把引腳8接地可選擇高速工作模式。對于較低速度或較短的總線長度，可使用非屏蔽雙絞線或平行線作總線。為降低射頻干擾，應(yīng)限制上升和下降的斜率。上升和下降的斜率可以通過由引腳8至地連接的電阻進行控制，斜率正比于引腳8上的電流輸出。如果引腳8接高電平，則電路進入低電平待機模式。在這種模式下，發(fā)送器被關(guān)閉，接收器轉(zhuǎn)至低電流。如果檢測到顯性位，RXD將轉(zhuǎn)至低電平。微控制器應(yīng)通過引腳8將驅(qū)動器變?yōu)檎９ぷ鳡顟B(tài)來對這個條件作出響應(yīng)。由于在待機模式下接收器是慢速的，因此將丟失第一個報文。本章詳細介紹了CAN總線控制系統(tǒng)整體框圖以及最重要的組成部分總線控制SJA1000在總線系統(tǒng)中的位置和功能，并闡述了總線控制器SJA1000和收發(fā)器PCA82C250的結(jié)構(gòu)、特點及工作原理。并對它們在CAN總線控制系統(tǒng)中的應(yīng)用進行了敘述，對本設(shè)計中控制器和收發(fā)器的合理選擇進行了分析。第四章 CAN總線網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計本章分別對系統(tǒng)各個功能模塊的硬件電路進行了詳細描述，并且提出了系統(tǒng)硬件抗干擾措施。 整體方案確定CAN 總線得到了 Intel、Infineon、Motorola、Philips 等眾多大公司的支持，提供了許多可以實現(xiàn) CAN 總線協(xié)議的芯片。CAN 控制器是節(jié)點實現(xiàn) CAN 總線通信的關(guān)鍵器件，它具有完成高性能通信協(xié)議所要求的全部特性，可以完成物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能。目前 CAN 控制器芯片有獨立的，也有集成在微處理器里面的。CAN 總線應(yīng)用模塊在搭建上一般有兩種方案：(1) 微控制器+CAN 控制器+CAN 收發(fā)器。(2) 集成 CAN 控制器的微控制器+ CAN 收發(fā)器第一種方案優(yōu)點是可以與多種類型的單片機、微型計算機的各類標準總線進行接口組合，這種設(shè)計比較靈活，成本較低，缺點是電路設(shè)計稍微復(fù)雜。第二種方案優(yōu)點是電路設(shè)計簡化和緊湊，缺點是成本高。本課題，采用第一種方案。CAN 總線節(jié)點主要由微處理器 ATMega128+獨立的 CAN 控制器 SJA1000+CAN 收發(fā)器 PCA82C250 構(gòu)成?？紤]到汽車環(huán)境的惡劣性，因此，節(jié)點硬件部分除了能正常實現(xiàn) CAN 通信功能外，還應(yīng)該具有較強的抗干擾能力。 CPU控制電路本系統(tǒng)采用ATmega128作為控制處理器, ATmega128是一款高性能、低功耗的 AVR 8 位微處理器，系統(tǒng)CPU電路圖如圖41所示。本系統(tǒng)使用的CPU的內(nèi)核具有以下特點[20]： 先進的 RISC 結(jié)構(gòu)； 133 條指令 – 大多數(shù)可以在一個時鐘周期內(nèi)完成； 328 通用工作寄存器 +