【正文】 el、 Infineon、 Motorola、 Philips 等眾多大公司的支持，提供了許多可以實(shí)現(xiàn) CAN 總線協(xié)議的芯片。 CAN 控制器是節(jié)點(diǎn)實(shí)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(dú)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(diǎn)是可以與多種類型的單片機(jī)、微型計(jì)算機(jī)的各類標(biāo)準(zhǔn)總線進(jìn)行接口組合，這種設(shè)計(jì)比較靈活，成本較低，缺點(diǎn)是電路設(shè)計(jì)稍微復(fù)雜。 第二種方案優(yōu)點(diǎn)是電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化和緊湊， 缺點(diǎn)是成本高。 本課題，采用第一種方案。 CAN 總線節(jié)點(diǎn)主要由微處理器 ATMega128+獨(dú)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(diǎn)硬件部分除了能正常實(shí)現(xiàn) CAN 通信功能外，還應(yīng)該具有較強(qiáng)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(diǎn) [20]： ? 先進(jìn)的 RISC 結(jié)構(gòu) ； ? 133 條指令 – 大多數(shù)可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成 ； ? 32 8 通用工作寄存器 + 外設(shè)控制寄存器 ； ? 全靜態(tài)工作 ； ? 工作于 16 MHz 時(shí)性能高達(dá) 16 MIPS； ? 只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器 ； ? 非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 ； ? 128K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash， 壽命： 10,000 次寫 / 擦除周期 ； 天津工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 圖 41 系統(tǒng) CPU電路圖 ? 具有獨(dú)立鎖定位、可選擇的啟動(dòng)代碼區(qū) ； ? 通過(guò)片內(nèi)的啟動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程 ； ? 真正的讀 修改 寫操作 ； ? 4K 字節(jié)的 EEPROM ，壽命： 100,000 次寫 / 擦除周期 ； ? 4K 字節(jié)的內(nèi)部 SRAM； ? 多達(dá) 64K 字節(jié)的優(yōu)化的外部存儲(chǔ)器空間 ； ? 可以對(duì)鎖定位進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)軟件加密 ； ? 可以通過(guò) SPI 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程 ； ? JTAG 接口 ( 與 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)兼容 )； ? 遵循 JTAG 標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能 ； ? 支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試 ； ? 通過(guò) JTAG 接口實(shí)現(xiàn)對(duì) Flash, EEPROM, 熔絲位和鎖定位的編程 ； 芯片 外設(shè)特點(diǎn) ： ? 兩個(gè)具有獨(dú)立的預(yù)分頻器和比較器功能的 8 位定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器 ； ? 兩個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能 和捕捉功能的 16 位定時(shí)器 / 計(jì)數(shù)器 ； ? 具有獨(dú)立預(yù)分頻器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器 ； 天津工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 ? 兩路 8 位 PWM； ? 6 路分辨率可編程（ 2 到 16 位）的 PWM； ? 輸出比較調(diào)制器 ； ? 8 路 10 位 ADC； ? 8 個(gè)單端通道 ； ? 7 個(gè)差分通道 ； ? 2 個(gè)具有可編程增益（ 1x, 10x, 或 200x）的差分通道 ； ? 面向字節(jié)的兩線接口 ； ? 兩個(gè)可編程的串行 USART； ? 可工作于主機(jī) / 從機(jī)模式的 SPI 串行接口 ； ? 具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器 ； ? 片內(nèi)模擬比較器 ； 系統(tǒng)設(shè)計(jì)人工 按鍵 復(fù)位電路，在系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)故障時(shí)可方便地人工 按鍵 復(fù)位， 如圖 41 所示。在掉電情況下，二極管給電容提供了放電通道，使電容迅速放電，這樣可保證在反復(fù)上電的情況下可靠復(fù)位 。 CAN模塊電路 CAN 總線的兩個(gè)末端之間必須接有 120 歐姆的電阻，它的主要作用就是起到阻抗匹配的作用，否則無(wú)法進(jìn)行 通信 ，系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性將不能得到保證。 在 PCA82C250 的兩端與地之間可以并接兩個(gè) 30pf的小電容，以濾除高頻干擾，防止電磁輻射。在各個(gè)電源與地之間加入 100nF 的去耦合電容，用以降低干擾。 圖 42CAN模塊電路原理圖 天津工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 從圖中可以看到在 PCA82C250 與光電 耦合器之間，有一個(gè)上拉電阻，這個(gè)電阻，可以保證高速光耦 6N137 導(dǎo)通的時(shí)候輸出高電平，截止的時(shí)候輸出低電平。在 CAN 總線系統(tǒng)中，一般處于空閑或者不發(fā)送數(shù)據(jù)，或者數(shù)據(jù)異常等情況下，總線是隱性電平。因此從電路中可以看到，當(dāng)正常狀態(tài)的情況下， 并且 6N137 不導(dǎo)通的時(shí)候， PCA82C250 的發(fā)送端總是處于高電平（邏輯 1）的狀態(tài)，因此就可以保證總線在空閑狀態(tài)下是隱性電平。 PCA82C250 是一個(gè)高速 CAN 總線收發(fā)器，支持 1 Mb/s 的運(yùn)行速率，符合ISO11898 標(biāo)準(zhǔn)物理層要求。具有自動(dòng)檢測(cè) TXD 輸入端的接地 錯(cuò)誤，短路保護(hù)和高壓瞬態(tài)保護(hù)能力，可以連接 112 個(gè)節(jié)點(diǎn)，具有很強(qiáng)的抗干擾特性。 一般情況下，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都必須有一個(gè)器件，把 CAN 總線控制器生成的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化成適合總線傳輸?shù)牟罘中盘?hào)。它 在 CAN 控制器和 CAN 總線上的高壓尖峰信號(hào)之間加入了緩沖器，這些高壓尖峰信號(hào)可能是由外部器件產(chǎn)生（ EMI、 ESD 和電氣瞬態(tài)等）。 PCA82C250 具有很強(qiáng)的抗干擾能力，可以免受電池短路和電氣瞬態(tài)的影響，這一特性可以保護(hù)發(fā)送器的輸出端免受錯(cuò)誤的破壞。 PCA82C250 的 CAN 輸出可以驅(qū)動(dòng)最小為 45Ω 的負(fù)載，最多允許連接 112 個(gè)節(jié)點(diǎn)（假設(shè)最小差分輸入阻抗為20 kΩ和標(biāo)稱終端電阻為 120Ω） [19]。 DS18B20溫度采集模塊 系統(tǒng)溫度采集使用溫度芯片 DS18B20。 DS18B20 是 DALLAS 公司生產(chǎn)的一線式數(shù)字溫度傳感器，具有 3 引腳 TO— 92 小體積封裝形式。 如圖 43 所示。 圖 43 DS18B20模塊 DS18B20 的 測(cè)溫分辨率可達(dá) ℃ ，被測(cè)溫度用符號(hào)擴(kuò)展的 16 位數(shù)字量方式串行輸出。其工作電源既可在遠(yuǎn)端引入，也可采用寄生電源方式產(chǎn)生。 CPU 只需一根端口線就能與諸多 DS18B20 通信，占用 微處理器的端口較少，可節(jié)省大量天津工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 的引線和邏輯電路。 DS18B20 支持 ―一線總線 ‖接口，測(cè)量溫度范圍為55℃ —+l25℃ ，在 10℃ —+85℃ 范圍內(nèi)，精度為 177。℃ ?，F(xiàn)場(chǎng)溫度直接以 ―一線總線 ‖的數(shù)字方式傳輸，大大提高了系統(tǒng)的抗干擾性。適合于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量，如：環(huán)境控制、設(shè)備或過(guò)程控制、測(cè)溫類消費(fèi)電子產(chǎn)品等。 顯示模塊 主站系統(tǒng)采用 12864液晶顯示從站傳回的數(shù)據(jù)信息， 12864液晶顯示模塊是 128 64 點(diǎn)陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內(nèi)置國(guó)標(biāo) GB2312 碼簡(jiǎn)體中文字庫(kù)（ 16 16 點(diǎn)陣）、 128 個(gè)字符（ 8 16 點(diǎn)陣）及 64 256 點(diǎn)陣顯示RAM（ GDRAM）?？膳c CPU 直接接口，提供兩種界面來(lái)連接微處理機(jī)： 8位并行及串行兩種連接方式。具有多種功能：光標(biāo)顯示、畫面移位、睡眠模式等。 由于從站顯示數(shù)據(jù)量相對(duì)較少，所以系統(tǒng)從站采用 1602 液晶作為顯示模塊。 1602 液晶 可以顯示 2 行 16 個(gè)字符，有 8 位數(shù)據(jù)總線 D0D7，和 RS、 R/W、 EN 三個(gè)控制端口，工作電壓為 5V，并且?guī)в凶址麑?duì)比度調(diào)節(jié)和背光。 工作電路圖 如圖 44 所示 [21]。 圖 44 顯示模塊電路原理圖 系統(tǒng) 電源模塊 由 3 部分組成： ① CPU及 CAN 模塊電源； ② TC35 模塊電源；③ 工業(yè)以太網(wǎng)模塊電源。 主控制器 ATmega128工作電壓為 +—+， 圖 45中，三端穩(wěn)壓管 LM7805將前端輸入的 +9V電壓穩(wěn)成 +5V給系統(tǒng) CPU以及 CAN 模塊供電， C20 C20天津工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 C20 C208 為濾波電容，主要能濾掉電源電路中的中高頻尖峰干擾； D200 為保護(hù)二極管，主要防止輸入電源反接導(dǎo)致電流逆向通過(guò) LM7805 而燒壞穩(wěn)壓管。系統(tǒng)除了通過(guò)輸入 +9V供電外，也可以直接由電腦的 USB 供電，這樣設(shè)計(jì)豐富了供電方式，方便 了系統(tǒng)調(diào)試。 能將 LM7805 穩(wěn)壓后的 +5V 變成 + 給 工業(yè)以太網(wǎng)芯片ENC28J60 供電 ； LM2941S 為可調(diào)穩(wěn)壓管，通過(guò)匹配外圍電路能將 +5V穩(wěn)壓成 +給 TC35 模塊供電。 圖 45 系統(tǒng)電源模塊 系統(tǒng) JTAG 調(diào)試 JTAG 調(diào)試功能允許用戶在 MCU 上進(jìn)行非侵入式、全速的在線系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲(chǔ)器和寄存器，支持單步、運(yùn)行和停機(jī)、斷點(diǎn)和觀察點(diǎn)命令。當(dāng)利用 JTAG 調(diào)試時(shí)，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可以正常運(yùn)行。 FLASH 存儲(chǔ)器還具有在線系統(tǒng)重 新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。 ATmega128 可在工業(yè)溫度范圍工作，工作電壓為 +—+。 ATmega128為 64管腳 TQFP 超小封裝，從而節(jié)省了系統(tǒng)電路板的設(shè)計(jì)尺寸。 ATmega128 和 JTAG 接口在電路板中的位置如圖 46 所示。 天津工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 圖 46 ATmega128在電路板中的位置 在中央處理單元中，需要通過(guò) 4 個(gè)開(kāi)關(guān)控制 車 窗開(kāi)關(guān)、燈光開(kāi)關(guān)、這 4 個(gè)信號(hào)，這 4 個(gè)信號(hào)都是開(kāi)關(guān)量信號(hào)，按鍵部分電路如圖 47 所示 : 圖 47 按鍵原理圖 液位檢測(cè)模 塊 本系統(tǒng) 采用超聲波測(cè)距模塊來(lái)檢測(cè)汽車油箱的液位，該 超聲波測(cè)距模塊可實(shí)現(xiàn)0~ 的非接觸測(cè)距功能，擁有 ~ 的寬電壓輸入范圍，靜態(tài)功耗低于 2mA，天津工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 自帶溫度傳感器對(duì)測(cè)距結(jié)果進(jìn)行校正，同時(shí)具有 GPIO，等多種通信方式，內(nèi)帶看門狗，工作穩(wěn)定可靠。 測(cè)距模塊包括超聲波發(fā)射器、超聲波接 收 器與控制電路，實(shí)物圖如圖 48所示： 圖 48 超聲波 測(cè)距 模塊圖 測(cè)距模塊的 基本工作原理 為給 此超聲波 測(cè) 距模 塊 一 觸發(fā)信號(hào) 后 發(fā) 射超聲波，當(dāng) 超聲波投射到物 體 而反射回 來(lái)時(shí) ，模塊 輸 出一 回響信號(hào) ，以 觸發(fā)信號(hào) 和 回響信號(hào) 間 的 時(shí)間 差， 來(lái) 判定物 體 的距 離 。 傳統(tǒng)車燈控制與狀態(tài)檢測(cè)方法如圖 49 所示，利用車燈開(kāi)關(guān)的開(kāi)、合來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)車燈的點(diǎn)亮與熄滅。對(duì)于小電流負(fù)載，電源通過(guò)導(dǎo)線用一根熔斷絲和開(kāi)關(guān)控制車燈如 49(a)所示，對(duì)于大電流負(fù)載，由于車燈開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)允許流過(guò)的電流有限，為了防止開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)燒壞，采用繼電器控制車燈點(diǎn)亮與熄滅，如圖 49(b)所示。車燈狀態(tài)通過(guò)串聯(lián)在電路中的狀態(tài)燈進(jìn)行指示。 2 4 V熔 斷 絲狀 態(tài) 燈 車 燈2 4 V熔 斷 絲狀 態(tài) 燈 車 燈2 4 VK (a) 小電流負(fù)載時(shí) (b) 大電流負(fù)載時(shí) 49 傳統(tǒng)車燈控制與狀態(tài)檢測(cè)電路原理圖 隨著汽車安全性、舒適性、環(huán)保性要求的不斷提高，汽車上的電子控制單元日天津工業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 益增多，傳統(tǒng)車燈與狀態(tài)檢測(cè)方法面臨以下問(wèn)題： (1) 由于采用的是點(diǎn)到點(diǎn)的連接與控制，導(dǎo)線的長(zhǎng)度、接點(diǎn)都與車燈的數(shù)量成正比。這樣增加了線束的質(zhì)量與體積，加劇了粗大的線束與汽車有限的可用空間的矛盾。 (2) 狀態(tài)燈所檢測(cè)和指示的信息只是車燈開(kāi)關(guān)的斷開(kāi) /閉合狀態(tài)，而非車燈的實(shí)際工作狀態(tài)，為汽車行使帶來(lái)安全隱患；因此，有必要對(duì)傳統(tǒng)車燈控制與狀態(tài)檢測(cè)方法進(jìn)行改進(jìn)，提高汽車 安全、舒適、環(huán)保等性能。下面利用 CAN 總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)車燈控制與狀態(tài)檢測(cè)，可以很好的解決傳統(tǒng)車燈控制與狀態(tài)檢測(cè)方法的弊端。 基于 CAN 的車燈控制與狀態(tài)自動(dòng)檢測(cè)硬件結(jié)構(gòu)如圖 410 所示。微控制器對(duì) CAN 控制器進(jìn)行初始化設(shè)置，控制 CAN 控制器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送等通信任務(wù)。狀態(tài)檢測(cè)電路對(duì)車燈的工作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，并將檢測(cè)結(jié)果反饋給微控制器。 C A N 驅(qū) 動(dòng) 器P C A 8 2 C 2 5 0高 速 光 耦6 N 1 3 7C A N 控 制 器S J A 1 0 0 0微 處 理 器A T M e g a 1 2 8車 燈 驅(qū) 動(dòng)電 路車 燈狀 態(tài) 檢 測(cè)C A N總線圖 410 汽車車燈控制節(jié)點(diǎn) 電路板設(shè)計(jì)時(shí)注意事項(xiàng) 畫電路板時(shí)布線對(duì)系統(tǒng)的抗干擾性能有很大影 響，本電路板設(shè)計(jì)時(shí)主要從幾下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮： 1．盡量增加電源走線寬度，在電源線輸入端并聯(lián)一個(gè)大容量的電解電容和一個(gè)小的瓷片電容，其中大容量的電解電容是為抑制電源噪聲中的低頻分量，而小的瓷片電容則是為抑制噪聲中的高頻分量。 2．為了進(jìn)一步輸入直流電源的質(zhì)量，在每個(gè)集成電路芯片的直流電