CAN /LIN混合網(wǎng)絡(luò)在轎車車門控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

    1 前言
    隨著電子技術(shù)的發(fā)展和對汽車性能要求的不斷提高,汽車上的電子產(chǎn)品越來越多,從而加劇了線束和汽車中可布線空間的矛盾?；诮档蛡鹘y(tǒng)設(shè)計(jì)中的線束數(shù)量,改善由于線束過多引起的可靠性問題,汽車網(wǎng)絡(luò)被設(shè)計(jì)、規(guī)范和發(fā)展起來。LIN 和CAN總線分別屬于A類和B類總線中的主流形式,在汽車領(lǐng)域應(yīng)用曰益廣泛。
    2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的選擇
    區(qū)別于驅(qū)動系統(tǒng),轎車車門控制系統(tǒng)具有如下特點(diǎn):主要是人工操作,所以控制速率、更新速率相對較慢(人能接受的響應(yīng)時間最大為100ms) ;網(wǎng)絡(luò)通信的發(fā)起者為人為操作;功能數(shù)量多,線束數(shù)量大等?？紤]到通信負(fù)載、通信效率、實(shí)時性和成本,本系統(tǒng)的總線采用了與動力控制總線(高速CAN)不同的低速CAN輔以成本更低的LIN總線的混合總線方案。
    汽車網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)可歸納為:通信距離短、子功能模塊化功能較好、擴(kuò)充性要求高和可靠性要求高等。比較星形、環(huán)行和混合形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),總線結(jié)構(gòu)的電纜長度短、可靠性高和易于擴(kuò)充的特點(diǎn)迎合了汽車網(wǎng)絡(luò)的需要。加之CAN總線的錯誤處理機(jī)制有效地克服了總線結(jié)構(gòu)故障隔離的困難,使之成為汽車網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的首選結(jié)構(gòu)。
    本系統(tǒng)采用了并列式和層次式并存的混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),如圖1所示。并列式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可靠性好,網(wǎng)絡(luò)速度要求低,開發(fā)費(fèi)用少,開發(fā)時間短,被用于連接各車門節(jié)點(diǎn);層次式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中采用主/從控制,由主節(jié)點(diǎn)控制通信,不需要仲裁和解決沖突,因而節(jié)省了成本,用于實(shí)現(xiàn)距離主控制節(jié)點(diǎn)相對較遠(yuǎn)的后視鏡的控制。
    3 應(yīng)用協(xié)議和信號分析
    CAN是一個技術(shù)規(guī)范, SAE J1939是以CAN為基礎(chǔ)涉及了應(yīng)用層的上層協(xié)議,是目前最有實(shí)用參考價值的車用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。所以系統(tǒng)信號編碼采用了SAE J1939,保證了系統(tǒng)的通用性。
    3.1 數(shù)據(jù)域分組原則
    為了提高基于CAN 系統(tǒng)的通信效率, SAEJ1939建議每個消息充分使用8字節(jié)數(shù)據(jù)域。需要有充分的理由,才允許定義數(shù)據(jù)域中采用有間隙的參數(shù)群編號,并建議參數(shù)按照以下方式分組: ①按常用的子系統(tǒng)分組(電控單元用來分派和發(fā)送數(shù)據(jù)) ;②按相同速率分組(以減少對消息的管理) ; ③按功能分組(如機(jī)油、冷卻劑、燃料供應(yīng)等) 。
    車門控制系統(tǒng)按物理位置原則布置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),并且節(jié)點(diǎn)內(nèi)部的信息具有相似的通信速度,所以系統(tǒng)以“子系統(tǒng)分組”原則來進(jìn)行信號劃分。以右前門節(jié)點(diǎn)為例,對信號劃分見表1。
     
    3.2 首選地址分配
    SAE J1939規(guī)定,一個確定系統(tǒng)中的地址數(shù)量不可以超過254個(設(shè)備不能申請0地址和全局地址) 。大多數(shù)在SAE J1939網(wǎng)絡(luò)上工作的電控單元,將擁有被分配給該單元的可使用的首選地址。如果在沒有一個可選方案的情況下,電控單元應(yīng)該在128開始的128～247地址范圍內(nèi)申請一個地址。系統(tǒng)具體地址分配見表2。
     
    3.3 參數(shù)群設(shè)定準(zhǔn)則
    通信協(xié)議中有3種主要的通信方法,適當(dāng)運(yùn)用各種類型的通信方法,可以使已有的參數(shù)群編號得到有效使用。這3種通信方法是: PDU1格式( PS =目標(biāo)地址) 、PDU2格式( PS =群擴(kuò)展) 、使用2個預(yù)定義的專用群編號的專用通信。
    專用通信一般用在以下2種情況:在不需要進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)通信的場合和在進(jìn)行專用通信很重要的場合。在車門控制系統(tǒng)內(nèi)部大部分通信不需要標(biāo)準(zhǔn)通信,這些通信信息對網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備來說一般是無用的。所以系統(tǒng)包含了采用專用群編號的PDU1和PDU2 2種格式,部分具體編碼見表3。
     
    4 系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)
    4.1 轎車車門控制系統(tǒng)的功能描述
    與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)相比,本系統(tǒng)突出體現(xiàn)了總線控制的智能化和人性化,同時支持對玻璃自動和手動2種操作模式的控制;具有智能防夾功能,即在玻璃的自動上升過程中,如果經(jīng)過算法判斷發(fā)生夾碰,將自動反轉(zhuǎn)并下降15mm,對乘客進(jìn)行保護(hù);具有碰撞應(yīng)急功能,通過共享網(wǎng)絡(luò)信號,如果發(fā)現(xiàn)碰撞,即刻將碰撞報(bào)警在總線上廣播,接收到報(bào)警后所有的車窗同時下降,便于乘客逃生;具有智能關(guān)窗功能,如果從網(wǎng)絡(luò)上獲取點(diǎn)火鑰匙關(guān)閉和外部中控鎖關(guān)閉信號,將自動升起所有玻璃,避免由于駕駛員的疏忽而引發(fā)的意外。
    對中控鎖的控制,支持內(nèi)部、外部和遙控3種操作模式;具有自動鎖閉功能,即通過總線實(shí)時監(jiān)測車速變化,如果發(fā)現(xiàn)車速超過15km /h,將自動鎖止中控鎖;具有碰撞應(yīng)急功能,如果從網(wǎng)絡(luò)上發(fā)現(xiàn)碰撞信號,將自動打開中控鎖,便于乘客逃生。
    4.2 CAN /LIN混合網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建
    車門控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。由于CAN總線在汽車網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中的主流地位,各半導(dǎo)體供應(yīng)商都提供對CAN協(xié)議的完善支持。本系統(tǒng)以內(nèi)置MSCAN模塊的MC68HC908GZ16 和MC33889CAN收發(fā)控制器為底層基礎(chǔ),實(shí)現(xiàn)CAN的通信。L IN總線作為CAN通信網(wǎng)絡(luò)的輔助,基于主從結(jié)構(gòu),使用單線通信,充分體現(xiàn)了價格方面的優(yōu)勢。其目標(biāo)應(yīng)用是不需要CAN的性能、帶寬及復(fù)雜性的低速系統(tǒng),系統(tǒng)中利用MC68HC908GZ16 中的ESCI模塊+MC33399和908E625 構(gòu)建L IN 通信網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)對后視鏡的控制。
     
    基于MSCAN模塊對CAN通信的硬件支持,通過軟件中對相應(yīng)寄存器的設(shè)置實(shí)現(xiàn)對CAN通信的消息類型、通信速度、消息過濾和位定時等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的初始化。同時通過接收中斷和時間中斷來觸發(fā)消息幀的收發(fā),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。最后通過CAN狀態(tài)中斷和循環(huán)檢測實(shí)現(xiàn)對錯誤的界定和處理。
    由于沒有專門的硬件支持, LIN總線通信協(xié)議的實(shí)現(xiàn)與CAN 不同,更多的是通過軟件驅(qū)動實(shí)現(xiàn)的。目前支持L IN通信協(xié)議的底層驅(qū)動程序有: LIN API和Motorola API2 種,本系統(tǒng)采用后者實(shí)現(xiàn)通信。相對于硬件支持,軟件實(shí)現(xiàn)的通信給開發(fā)者提供了更大的控制自由度,但也相應(yīng)增加了軟件開發(fā)的工作量。首先必須把驅(qū)動文件與系統(tǒng)工程進(jìn)行鏈接,并對驅(qū)動程序進(jìn)行相應(yīng)的資源分配。通常主節(jié)點(diǎn)驅(qū)動將占用23B的RAM、1 391B的ROM和不超過34B 的堆棧; 從節(jié)點(diǎn)驅(qū)動占用20B 的RAM、1 071B的ROM和不超過34B 的堆棧。為了加速驅(qū)動的運(yùn)行和減少對ROM資源的占用,通常需要分配20～23B的RAM零頁空間,當(dāng)然資源的占用會隨系統(tǒng)消息的增加而增加。然后通過相應(yīng)的配置文件對通信的時鐘、速率和節(jié)點(diǎn)所涉及的消息進(jìn)行定義。最后主程序通過對鏈接成功的LIN驅(qū)動庫函數(shù)的調(diào)用,實(shí)現(xiàn)LIN的網(wǎng)絡(luò)通信。
    在具體的應(yīng)用中,基于物理位置和LIN總線一主多從的特性,選擇以駕駛員側(cè)門節(jié)點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn),以后視鏡節(jié)點(diǎn)為輔節(jié)點(diǎn)構(gòu)造一主兩從的LIN總線控制結(jié)構(gòu)。主節(jié)點(diǎn)通過內(nèi)置的MSCAN模塊和ESCI模塊同時實(shí)現(xiàn)對CAN和L IN通信的支持,在整個網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)網(wǎng)關(guān),實(shí)現(xiàn)2個網(wǎng)絡(luò)中的信息交換。主節(jié)點(diǎn)一方面通過CAN通信實(shí)現(xiàn)整個車身的信息交換和共享,另一方面檢測控制面板的按鍵輸入,綜合所有的信息對L IN從節(jié)點(diǎn)的任務(wù)進(jìn)行排隊(duì)和管理。從節(jié)點(diǎn)接收來自主節(jié)點(diǎn)的命令完成相應(yīng)的操作,并根據(jù)需要把后視鏡狀態(tài)反饋回來。
    CAN總線采用雙絞線和信號差分傳送,有效地抑制了共模干擾。由于CAN總線為多主結(jié)構(gòu),各節(jié)點(diǎn)首先監(jiān)聽總線,當(dāng)發(fā)現(xiàn)總線空閑才可進(jìn)行發(fā)送,如果發(fā)生沖突則通過優(yōu)先級實(shí)現(xiàn)非破壞性仲裁;消息傳輸采用基于消息而非地址的廣播式發(fā)送;針對汽車應(yīng)用環(huán)境設(shè)計(jì)的錯誤界定和處理機(jī)制,保證了通信的可靠性。
    LIN總線采用單線12V信號通信,大大提高了信號冗余。通信過程中, LIN主節(jié)點(diǎn)首先發(fā)送同步間隔( synch breake)和同步場( synch field)來建立同步,再通過以信息為基礎(chǔ)的標(biāo)識符場與相應(yīng)從節(jié)點(diǎn)建立通信。
    4.3 控制策略實(shí)現(xiàn)
    由于對整個車門控制系統(tǒng)的控制是建立在CAN和LIN的混合網(wǎng)絡(luò)上,非常容易實(shí)現(xiàn)信息的傳送和共享,較之傳統(tǒng)的設(shè)計(jì),可以輕松提供更加智能化和人性化的功能。
    現(xiàn)以中控鎖的控制策略為例進(jìn)行分析,首先系統(tǒng)要檢測對中控鎖的外部操作,包括:無線射頻、外部鑰匙和內(nèi)部中控開關(guān);其次通過總線通信實(shí)時獲得中控器和其他門節(jié)點(diǎn)的狀態(tài),確認(rèn)實(shí)際工況。
    中控鎖的控制策略主要由左前門控制器來實(shí)現(xiàn),具體步驟如下。
    (1) 應(yīng)答中控器的問詢,反饋節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)。
    (2) 接收到CAN總線上“詢問門狀態(tài)”信號,檢測門接觸開關(guān)狀態(tài),將該狀態(tài)發(fā)送到CAN總線上。
    (3) 接收到集控門鎖開關(guān)的“開鎖”信號,檢測中控門鎖狀態(tài),如果此時門鎖處于已閉狀態(tài),且車速< 15km /h,使門鎖執(zhí)行開鎖動作,同時向CAN總線上發(fā)送“集控門鎖外部開鎖”命令;在執(zhí)行完開鎖動作后,向CAN總線上發(fā)送“中控鎖已開鎖”狀態(tài)。
    (4) 接收到集控門鎖開關(guān)的“閉鎖”信號,如果中控鎖處于已開狀態(tài),則檢測門接觸開關(guān)的狀態(tài);若該門已經(jīng)關(guān)閉,則向CAN總線上發(fā)送“詢問門狀態(tài)”信號;若其余三扇門都已經(jīng)關(guān)閉,則使門鎖執(zhí)行相應(yīng)的閉鎖動作,同時向CAN總線上發(fā)送“集控門鎖外部閉鎖”命令;在執(zhí)行完閉鎖動作后,向CAN總線上發(fā)送“中控鎖已閉鎖”狀態(tài)。
    (5) 實(shí)時監(jiān)測總線上的速度信號(中控器采集,并循環(huán)發(fā)送到總線上) ,如果發(fā)現(xiàn)車速> 15km /h,且中控鎖處于已開狀態(tài)則檢測門接觸開關(guān)的狀態(tài);若該門已經(jīng)關(guān)閉,則向CAN總線上發(fā)送“詢問門狀態(tài)”信號;若其余三扇門都已經(jīng)關(guān)閉,則使門鎖執(zhí)行相應(yīng)的閉鎖動作;在執(zhí)行完閉鎖動作后,向CAN總線上發(fā)送“中控鎖已閉鎖”狀態(tài)。
    (6) 接收到CAN總線上“發(fā)生碰撞”信號(中控器采集,發(fā)生后立即發(fā)送)且點(diǎn)火開關(guān)接通時,使集控門鎖開鎖;除非重新上電,閉鎖器不能關(guān)閉(保持開狀態(tài)) 。開鎖和閉鎖信號可分別來自無線射頻鑰匙、外部物理鑰匙和內(nèi)部中控開關(guān)。
    5 結(jié)論
    本系統(tǒng)利用CAN /LIN混合網(wǎng)絡(luò),采用并列和層次結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),以SAE J1939為基礎(chǔ)對信號進(jìn)行分組和定義,實(shí)現(xiàn)轎車車門控制系統(tǒng)的總線控制。通過CAN總線專業(yè)開發(fā)及仿真工具CANoe和CAN網(wǎng)絡(luò)示波器CANscope對系統(tǒng)總線進(jìn)行監(jiān)控和分析,并對結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化,取得了令人滿意的結(jié)果。現(xiàn)在該系統(tǒng)已在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)開發(fā)完畢,與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相比,突出體現(xiàn)了總線技術(shù)帶來的線束減少和布線方便,而且智能化、人性化控制也是傳統(tǒng)設(shè)計(jì)無法比擬的。目前該系統(tǒng)正在進(jìn)行裝車運(yùn)行試驗(yàn)。

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