基于单片机CAN总线的车灯控制系统设计Word格式文档下载.docx

1、5汽车网络的分类及CAN协议 36发展和使用汽车网络的意义 51.7本课题研究的内容 52 CAN总线的技术分析 72.1 CAN总线的性能特点 72.2 CAN总线的一些基本概念 72。3 CAN总线的位数值表示与通信距离 82.4 CAN总线协议的技术规范 92.5 CAN总线的报文及其帧格式 146 CAN总线的错误对策 217 CAN总线的位定时和位同步 223 硬件电路设计 243。1 设计方案 243.2元器件选择 263.3电源电路 313.4按键电路 323.5输出电路 334 车灯控制系统软件设计 344。1 系统应用层协议制定 34 2标识符 ID 的定义 343 数据域的

2、编码 364.4 车灯控制系统软件设计 364.5 CAN 节点软件设计 366 控制模块程序设计 394.7 子模块程序设计 414.8软件测试 425总结 47参考文献 48附录 49致谢 68摘 要 近年来，随着汽车内部电控系统的日益复杂,电子控制系统间的数据通讯变得越来越重要，汽车网络技术应运而生。CAN（Controller Area Network）总线是一种串行局域网总线，能有效支持分布式实时控制的串行通信。本文深入研究 CAN 总线网络协议及其技术规范，在 CAN 技术规范 CAN2.0B 的基础上，完成车灯控制系统应用层协议的制定。对汽车车灯系统组成进行了分析，并将整车车灯控

3、制系统分成了控制模块、左前模块、左后模块、右前模块、右后模块和车内照明模块。采用了“CAN 单片机+CAN 收发器”的 CAN 节点构成方案。在硬件设计部分对所用芯片进行了介绍,并对各功能电路进行了详细分析，给出了详细的设计电路。阐述了车灯控制系统的软件设计思想，给出了 CAN 节点的程序设计，分析了控制模块以及子模块的程序功能并给出了程序流程图。关键词：CAN 总线，89S52，SJA1000，车灯控制 The design of control system based on MCU CAN bus lampAbstractIn recent years， with the vehicle

4、 electronic control system within the growing complexity of electronic control systems for data communications is becoming increasingly important, automotive networking technology came into being. CAN （Controller Area Network） bus is a serial bus local area networks， can support distributed realtime

5、 control of the serial communication. This article studies the CAN bus network protocols and technical specifications, technical specifications CAN2。0B in CAN based on the complete light control system， the development application layer protocol. Composition of vehicle headlights systems analysis an

6、d vehicle lights control system is divided into a control module, left the module, left rear module， right front module， right after the module and the interior lighting module。 Adopted the ”CAN MCU + CAN transceiver,” the CAN nodes of the program. In the hardware design used by some of the chips we

7、re introduced, and the functions carried out a detailed analysis of the circuit， given the detailed design of the circuit。 Described light control system software design, gives the program CAN node design, analysis, control submodule of the program modules and features and gives the program flow cha

8、rt. Key words: CAN Bus， 89S52， SJA1000，Light Control 1 绪 论1汽车电子的概念汽车电子是指应用于汽车上的有利于提升汽车驾驶安全性、减少燃料消耗、减少废气排放以及增加驾乘舒适性和便捷性的电子装置。汽车电子化被认为是汽车技术发展进程中的一次革命，汽车电子化的程度被看作是衡量现代汽车发展水平的重要标志，是用来开发新车型，改进汽车性能最重要的技术措施。总的说来,汽车电子技术是一个技术复杂、门类多、知识密集的高技术领域，涉及电子、机械、计算机等多个学科。汽车正由单纯的机械产品向机电一体化（机电热、机电液、机电光）方向发展，汽车必将进入电脑控制的“电子

9、汽车”时代。2汽车电子的发展过程汽车电子化的过程经历了四个阶段：二极管的发明促使了汽车电子的诞生（第一阶段，车载收音机、发电机硅整流器、晶体管无触点点火技术是当时的代表技术）、晶体管和模拟集成电路的诞生促生了汽车电子技术的第二阶段（发电机电子管理系统、电控自动变速器系统、制动防抱死系统得到了很大的发展）、微型计算机的兴起使汽车电子进入了第三阶段（动力传动总成控制系统、制动/转向/悬架控制系统、车身电子控制系统、通讯和导航系统等）、灵巧传感器和大容量存储系统的发展使汽车电子进入第四阶段（电子技术、自动控制技术、传感器技术、网络技术和机电一体化得到了很大的发展）。3汽车电子的现状及发展趋势改变世界

10、的机器是汽车，而改造当代汽车并使其发生质的变化的是电子信息化.当代汽车越来越广泛地采用电子信息技术，以提升汽车的性能和服务功能，满足人们的各种办公和娱乐需要，使汽车从单纯的代步工具逐渐演变成“流动的办公室”、 “流动的家庭”和“流动的娱乐室”。当代汽车技术的发展紧紧围绕着安全、环保、节能、舒适这四个主题,电子信息化也正是从上述四个方面逐步提升汽车性能。当前汽车电子产品中使用最广泛的、超过汽车电子产品销售额 50的是娱乐和舒适性产品。如各种车载收放机、CD机、DVD 机、车载电话、导航设施，以及车身各附件控制模块等.这些设施不涉及汽车基本功能，只是增加辅助功能而己。可以说成熟的家电产品都可以移植

11、到汽车上使用。汽车电子的技术基础来源于半导体行业、软件行业、传感器和执行器等电子技术的发展。汽车电子技术行业的发展最终依赖于汽车工业的蓬勃发展以及汽车工业在工业领域中所处的地位.2003 年中国汽车的产销量高达 444 万辆，其中轿车占201 万辆，并以超过两位数的年增长率持续发展。中国汽车市场由潜在变为现实，中国汽车电子信息产品市场也随之迅速扩大，部分核心控制技术正在逐步国产化. 随着集成控制技术、计算机技术和网络技术的发展，汽车电子技术已明显向集成化、智能化和网络化等方向发展。 集成化 近年来嵌入式系统、局域网控制和数据总线技术的成熟，使汽车电子控制系统的集成成为汽车技术发展的必然趋势.将

12、发电机管理系统和自动变速器控制系统，集成为动力传动系统的综合控制；将制动防抱死控制系统、牵引力控制系统和驱动防滑控制系统综合在一起进行制动控制；通过中央底盘控制器,将制动、悬架、转向、动力传动等控制系统通过纵向进行连接，控制器通过复杂的控制运算，对各子系统进行协调，将车辆行驶性能控制到最佳水平，形成一体化底盘控制系统。 智能化 智能化传感技术和计算机技术的发展,加快了汽车的智能化进程。汽车智能化相关的技术问题已受到汽车制造商的高度重视。其主要技术中“自动驾驶仪”的构想必将依赖于电子技术实现.智能交通系统（ITS）的开发将与电子、卫星定位等多个交叉学科相结合，能根据驾驶员提供的目标资料,向驾驶员

13、提供距离最短而且能绕开车辆密度相对集中处的最佳行驶路线.它装有电子地图，可以显示出前方道路、并采用卫星导航。从全球定位卫星获取沿途天气、车流量、交通事故、交通堵塞等各种情况,自动筛选出最佳行车路线。 网络化 随着越来越多的电控器件应用在汽车上，车载电子设备间的数据通信变得越来越重要。以分布式控制系统为基础构造汽车车载电子网络系统是十分必要的。大量数据的快速交换、高可靠性及低成本是对汽车电子网络系统的要求.在该系统中，各子处理机独立运行，控制改善汽车某一方面的性能,同时在其它处理机需要时提供数据服务。主处理机收集整理各子处理机的数据，并生成车况显示。通信控制器保证数据的正常流动。电子技术已经广泛

14、应用于汽车的各个领域，极大地改善了汽车的综合性能，使汽车在安全、节能、环保、舒适等各方面都有了长足的进步。4汽车网络技术综述汽车网络是计算机网络技术和工业现场总线控制技术在汽车中应用的结果。汽车网络控制是研究如何利用总线数据通信原理实现现代汽车中各个独立电子系统和控制装置间控制信息传递通道的简洁互连，实时、可靠的数据交换及综合协调控制的一门最新技术。它是以科学、合理的数据通信协议及支持这样协议的大规模集成电路器件为基础的,是汽车行业发展的必然结果。早期的汽车网络中，通用网络标准并未得到广泛的认同和应用，用户通常利用自己制定的电路和通用异步收发器（UART）设备来实现简单的串行通信。由于没有统一

15、标准,各汽车制造商都有一套独立定义的接口规范和专用供应商。这样，供应商虽然纵向紧密地与汽车制造商合作，却缺乏与其它供应商的横向联系,导致生产的同类产品不能兼容互换. 采用标准化网络技术以后，各供应商按照统一的标准生产部件，提高了同类产品的兼容性和互换性。而汽车制造商可以委托任意一家合格的供应商开发符合标准的模块。国际著名汽车制造商和零部件制造商于二十世纪八十年代就致力于汽车网络技术的研究与应用，迄今已推出多种网络标准，如 J1850、VAN、CAN 等。在各种汽车网络中，CAN 以其独特的设计，优异的性能和极高的可靠性得到了最为广泛的应用。尤其在欧洲，Daimler Chrysler、BMW、

16、Volkswagen 及Volvo 公司等都将 CAN 作为他们电子系统控制器网络化的一种手段。美国的制造商也正逐步将他们的汽车网络系统由 J1850 过渡到 CAN。随着汽车网络技术的飞速发展，特别是 XbyWire 技术的提出,近几年又诞生了许多新的协议,如 LIN、FlexRay、 ByteFlight和 TTP.这些协议有的可以直接划归到SAE 的分类中,而有些则不太好确定其分类归属。因此，大量新协议的诞生必然会导致对车用网络分类的重新划分。汽车网络技术的作用 在汽车中引入网络技术最初是为了解决日益增长的线束问题，后来逐渐演绎出另外一个重要功能，即优化汽车电子控制。目前,汽车电子控制已

17、经从初期的“电子机械替代阶段过渡到“独立系统的精确量化反馈控制”阶段，并朝着“多目标综合控制和智能化控制”的方向发展，即把整体上相关、功能上相对独立而位置上分布安装的电子系统或装置组成一个协调控制的综合系统。为了实现多目标的优化控制,进一步全面提高汽车的整体性能，根据智能化的要求和综合协调控制的特点,综合控制系统将更多地依赖系统内、外部信息的获取,这要求互相独立的电子系统和装置间进行数据交换和信息传递。因此，现代汽车采用网络技术解决分布式控制是一种必然，使用汽车网络不仅可以减少线束,而且能够提高各控制系统的运行可靠性，减少冗余的传感器及相应的软硬件配置，实现各子系统之间的资源共享，便于集中实现

18、各子系统的在线故障诊断。汽车电子控制采用网络化设计可大大降低设计成本,缩短设计周期，其经济效益是十分明显的。为此最初只属于高档车的网络概念,现已逐步扩展到大批量生产的经济型车上。今天网络化的电子系统已成为所有级别汽车中至关重要的部件。5汽车网络的分类及CAN协议汽车网络技术从二十世纪八十年代提出以来，至今存在许多侧重功能不同的汽车网络标准.为方便研究和设计应用,二十世纪九十年代中期SAE（Society of Automotive Engineer）把车用网络分为 A、B、C、D、E 五类，其中，A 类网为面向执行器、传感器的低速网络，LIN、TTP/A 将成为其主流协议；B 类网为面向数据共

19、享的中速网络,其主流协议将是CAN（ISO 118913）、SAE J1850、VAN 等协议；C 类网为面向实时控制的高速网 络， 其主 流 协 议 为 CAN（ISO 118912） 、 TTPTM/C（Time-Triggered Protocol）、FlexRay 等协议；D 类网主要面向多媒体、导航系统等，目前该类网络的主流协议为:D2B（Domestic Digital Bus）、MOST（Media Oriented SystemsTransport）；E 类网是面向乘员安全系统的网络，主要应用于车辆被动性安全领域，该类网络的协议有 Byteflight 等.如表 11 所示.

20、表 1-1 汽车网络分类网络分类位传输速率应用场合A 类低速，5Mbps 应用于车辆被动安全性领域，如安全系统其中，控制器局域网 CAN（Controller Area Network）是 80 年代初 BOSCH 公司为解决现代汽车中众多控制单元、测试仪器之间的实时数据交换而开发的一种串行通信协议，经多次修订,于 1991 年 9 月形成技术规范 2.0 版本.该版本包括2.0A 和 2。0B 两部分。2.0A 给出了曾在 CAN 技术规范版本 1.2 中定义的 CAN报文格式，而 2。0B 给出了标准（11 位）和扩展（29 位）两种报文格式。1993 年 11月 ISO 正式颁布了道路交

21、通运输工具数据信息交换-高速通信控制器局域网（CAN）国际标准 ISO 11898，为控制器的标准化、规范化铺平了道路.此后,越来越多的美国汽车公司采用 CAN 网络。在 1994 年美国汽车工程师协会卡车和巴士控制和通信子协会选择 CAN 作为 J1939 标准（在卡车和巴士中应用的 C 类网络）的基础。作为汽车网络协议 CAN 的国际标准有：ISO 118982（高速 CAN）、ISO 118983（具有容错功能的 CAN）和 ISO 118984（TTCAN）.目前CAN 已经成为 B、C 类网络的世界标准。CAN 总线通信接口集成了 CAN 协议的物理层和数据链路层功能,可完成对通信数

22、据的成帧处理。CAN 协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码.数据帧的标识码可由 11 位或 29 位组成，CAN2。0B 规定在标识符的前七位不能同时为逻辑零，这种按数据帧编码的方式，还可使不同的节点同时接收到相同的数据。数据段长度最多为 8 个字节，可满足通常工业领域中控制命令、工作状态及测试数据的一般要求。同时，8 个字节不会占用过长的总线时间，从而保证了通信的实时性。CAN 协议采用 CRC 检验并可提供相应的错误处理功能,保证数据通信的可靠性。它具有下列主要特性：1.CAN 为多主方式工作，不分主从，通信方式灵活，通过报文标识符通信，无需站地址等节点

23、信息；CAN 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求；3.CAN 采用非破坏性总线仲裁技术,当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间.尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况；CAN 只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送、接收数据，无需专门的“调度;5。CAN 的直接通信距离最远可达 10km（速率 5kbps 以下）；6.CAN 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达 110 个。报文标识符可达 2032 种（CAN2.0A），而扩展

24、标准（CAN2.0B）的报文标识符几乎不受限制；7.采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果.CAN 的每帧信息都有 CRC 校验及其它检错措施，降低了数据出错概率。CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其它节点的操作不受影响；8。CAN 的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。1.6发展和使用汽车网络的意义近年来，随着汽车内部电控系统的日益复杂，以及对汽车内部控制功能单元相互之间通讯能力要求的日益增长,采用点对点连线，就需要大把的线束,这种传统构建汽车内部通讯的方式在电线布置、可靠性以及重量等方面都给汽车的设计和制造带来了很大的困扰。电子控制系

25、统间的数据通讯变得越来越重要，因此围绕减少车内连线，实现数据的共享和快速交换，同时提高可靠性等方面，在快速发展的计算机网络基础上，实现了以分布式控制单元为基础构造的汽车电子网络系统。汽车网络是指借助双绞线、同轴电缆或光纤等通讯介质，将车内众多的控制模块（或节点）联结起来，使若干的传感器、执行机构和ECU 公用一个公共的数据通道，通过某种通讯协议，在网络控制器的管理下共享传输通道和数据.汽车网络最开始出现在高档豪华汽车上，也缺少相应的标准化的通讯协议的支持。随着越来越复杂、精密的功能单元被委托给外部供应商生产，汽车制造商开始从定义各自的专门协议发展到采用整个业界范围内认可的标准化通讯协议,提供了

26、不同供应商的产品进行系统集成的可能性，使汽车网络迅速进入主流车型,到今天车载电控系统的网络已经成为现代车辆中至关重要的部分,在我国也已形成研究和开发使用的热潮。汽车网络减少了线束的使用，改善了系统的灵活性,通过系统的软件可以实现系统功能的变化, 消除了冗余传感器，实现了数据共享，也提高了对系统故障的诊断能力。可以说一辆车就是一个网络，汽车的智能化也是在网络基础上才能实现，网络还把汽车的行驶状态参数传送到显示屏上，司机可一目了然，大大方便了驾驶。汽车网络技术的优点是:在应用层协议和数据定义统一的基础上，可以使之成为一个“开放式系统,具有很强的灵活性.对于任何遵循上述协议的供应商所生产的控制单元都

27、可轻易添加入该网络系统中或者从网络系统中去除，系统几乎不需要做任何硬件和软件的修改，这完全符合现代汽车平台式设计的理念.使用汽车网络不仅可以减少线束，而且能够提高各控制系统的运行可靠性,减少冗余的传感器及相应的软硬件配置,实现各子系统之间的资源共享，便于集中实现各子系统的在线故障诊断.因此汽车电子控制采用网络化设计可大大降低设计成本，缩短设计周期,其经济效益是十分明显的.专家认为，21 世纪的汽车电子控制将以网络技术为核心。7本课题研究的内容本课题所研究的 CAN 总线车灯控制系统，可以简洁汽车网络的设计、促进产品的实用化和低成本化。本文主要研究内容如下：深入研究 CAN 总线网络协议及其技术

28、规范,在 CAN 技术规范 CAN2。0B 的基础上,完成车灯控制系统应用层协议的制定。提出车灯控制系统的设计方案,进行硬件电路设计,包括对所用芯片材料的收集、翻译、学习直至应用，对各个功能电路进行分析并给出设计电路. 3.对车灯控制系统的软件进行程序设计，给出程序流程图，实现基于 CAN 总线的汽车车灯控制网络的通信和对汽车车灯的控制.2 CAN总线线的技术分析 2.1 CAN总线的性能特点CAN 属于总线式串行通信网络,由于其采用了许多新技术及其独特的设计,与一般的通信总线相比，CAN 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，因而一些世界著名的汽车厂商如 BENZ，BMW，PORS

29、CHE 等都采用 CAN 总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。其特点可概括如下： CAN 是到目前为止唯一有国际标准的现场总线。 CAN 为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息，而不分主从。 CAN 网络上节点可分成不同的优先级，以满足不同的实时要求，优先级高的数据最多可在 134s得到传输,CAN总线最大的特点是废除了传统的站地址编码,而代之以对通信数据块进行编码。 CAN 采用非破坏性总线仲裁技术。当多个节点同时向网络上传送信息时，优先级低的节点主动退出数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据，此后,被延后的低优先级节点重

30、新进行数据传输。有效避免了总线冲突，从而大大节省了总线冲突仲裁时间,尤其是在网络负载很重的情况下，也不会出现网络瘫痪情况,不像以太网那样冲突的各节点均需重新发送。 CAN 节点只需通过对报文的标识符滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据. CAN 直接通讯距离最远可达 10km（速率在 5K/ps 以下）；通讯速率最高可达 1Mb/s（此时通信距离最长为 40m）。CAN 系统内两个任意节点之间的最大传输距离与其位速率有关。 CAN 总线上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达 110 个。 CAN 报文采用短帧结构。每一帧的有效字节数为 8 个，传输时间短，受干扰的概率低，重新发送时间短，保证了数据出错率极低。 CAN 的每帧信息都有 CRC 校验及其它检错措施，具有极好的检错效果。 通讯介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，并且可配合使用，选择灵活。 CAN 总线具有较高的性价比。它结构简单,器件容易购置，每个节点的价格较低，且用户接口简单,能充分利用现有的单片机开发工具. CAN 节点在错误严重的情况下,具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，以使总线上其它操作不受影响。2.2 CAN总线的一些基本概念1.发送器和接收器 在进行数据传输时，发出