基于CAN总线的汽车电源及信号传输控制模块设计

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3.0 牛悦 2024-11-19 5 4 1.76MB 76 页 15积分

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摘要

随着汽车电子技术的不断发展，汽车上的各种电子装置越来越多，电子控制

装置之间的通讯也越来越复杂，而汽车上传统的电气系统大多采用点对点的单一

通信方式，相互之间较少有联系，从而造成了庞大的布线系统，该方法已远远不

能满足汽车愈加复杂的控制系统要求。汽车控制局域网CAN总线应运而生，并广

泛应用于汽车电子控制系统中。

为避免汽车电控系统的增加而导致的线束复杂、布线困难等缺点，适应现代

车辆电子电器控制系统越来越高的要求，本课题进行基于CAN总线的汽车电源及

信号传输控制模块的设计应用研究。首先，根据汽车CAN总线技术原理及在汽车

电子控制领域的应用，结合控制模块控制用电器的功能需求，进行了CAN总线应

用层通讯规则的设计。在此基础上，提出了基于CAN总线的控制模块的整体框架，

其包括控制模块的硬件框架和软件控制流程架构。然后，进一步细化设计了控制

模块的硬件电路，各个程序模块控制流程及程序代码。最后，利用USBCAN盒作

为CAN网络通讯测试分析的主节点，结合上位机软件搭建了CAN通讯测试网络，

通过试验测试分析，验证了基于CAN总线的汽车电源及信号传输控制模块的设计

功能和控制性能的正确性和完整性。

本课题研究的新颖性是将 CAN 总线技术应用于汽车电子控制技术领域，进

行了 CAN 总线网络应用层通讯规则的设计优化，并进行了基于 CAN 总线的控制

模块的硬件、软件设计优化，较理想地实现了基于 CAN 总线的汽车电子电器控

制的智能化、网络化。课题的研发与应用在提高车辆节能减排，满足车辆电子电

器控制的便捷灵活，提升车辆行车安全性、舒适性、可靠性方面有积极的理论意

义和应用价值。

关键词：CAN 总线网络硬件设计软件设计

ABSTRACT

With the continuous development of automotive electronic technology, more and

more electronic devices are used in cars, and the communication between the

electronic control units is also more complex.

For the traditional single point to point communication in the automotive

electrical system has less contact with each other and results in a massive cabling

system, this method can not meet with the increasingly complex vehicle control system

requirements. So automotive CAN bus comes into being, and it is widely used in

vehicle electronic control systems.

To avoid an increase in vehicle electronic control system which leads to a

complex wiring harness, wiring problems and so on, and to meet higher and higher

requirements for electronic control system, so this project is mainly on the control

module design and application research of automotive power and signal transmission

based on CAN bus. Firstly, according to the vehicle CAN bus technology theory and

the application in automotive electronic control areas, combined with the functional

requirements of the control module, the application layer’s communication rules of

CAN bus is designed. On this basis, the overall framework of the control module based

on CAN bus is proposed, including the hardware framework and software process

architecture. Then, the hardware circuit and each program module’s control flow and

the program code is detailedly designed. Finally, using of USBCAN box, combined

with the PC software, the CAN communication test network is builded. By the test and

analysis, the correctness and completeness of the control module’s design functions

and control performance based on CAN bus is verified.

The novelty of this thesis is that the CAN bus technology is used in automotive

electronic control field, and the application layer’s communication rules of CAN bus is

designed and optimized, including the control module’s hardware and software. And it

is a more preferred way to achieve the vehicle electrical and electronic control with

intelligence and network. This project in improving the energy saving development

and application in vehicles, to meet the vehicle electrical and electronic control

convenient and flexible, and to enhance vehicle traveling safety, comfort, reliability, it

has a positive theory meaning and application value.

Key Words：CAN bus, network, hardware design, software design

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论.................................................................................................................1

§1.1 课题的来源和意义............................................................................................1

§1.2 课题研究的国内外现状......................................................................................2

§1.3 课题研究的主要内容..........................................................................................3

第二章汽车 CAN 总线的基本原理及应用 .................................................................. 4

§2.1 CAN 总线概述 ..................................................................................................... 4

§2.2 CAN 总线的基本原理 ......................................................................................... 5

§2.2.1 汽车 CAN 总线网络主要特点： ................................................................ 5

§2.3 CAN 总线的分层结构及功能 ............................................................................. 7

§2.4 CAN 总线的消息帧结构和报文传送 ................................................................. 8

§2.4.1 CAN 总线的报文格式与类型 ...................................................................... 8

§2.4.2 CAN 总线的报文消息帧结构 ...................................................................... 8

§2.5 CAN 总线的非破坏性按位仲裁 ....................................................................... 11

§2.6 CAN 总线的错误种类和故障界定 ................................................................... 12

§2.6.1 CAN 总线的错误种类 ................................................................................ 12

§2.6.2 CAN 总线的故障界定 ................................................................................ 13

§2.7 本章小结............................................................................................................14

第三章基于 CAN 总线的控制模块总体设计 ............................................................ 15

§3.1 CAN 总线的控制模块功能需求 ....................................................................... 15

§3.2 CAN 总线的控制模块整体架构设计 ............................................................... 16

§3.3 CAN 总线的软件控制流程整体框架设计 ....................................................... 17

§3.4 CAN 总线的网络通讯规则设计 ....................................................................... 20

§3.5 本章小结............................................................................................................23

第四章基于 CAN 总线的控制模块硬件设计 ............................................................ 24

§4.1 微控制器 MCU 选型 ......................................................................................... 26

§4.1.1 微控制器 MCU 特点 .................................................................................. 26

§4.2 微控制器 MCU 外围电路设计 ........................................................................ 28

§4.2.1 微控制器 MCU 外围电源电路设计 ......................................................... 28

§4.2.2 微控制器 MCU 外围晶振电路设计 ......................................................... 29

§4.2.3 微控制器 MCU 外围开关信号采集电路设计 ......................................... 29

§4.2.4 微控制器 MCU 外围继电器驱动电路设计 ............................................. 30

§4.2.5 微控制器 MCU 外围 CAN 通讯电路设计 ............................................... 31

§4.2.6 微控制器 MCU 外围信息存储模块电路设计 ......................................... 33

§4.3 控制模块电路设计要点.....................................................................................34

§4.3.1 PCB 设计中元器件和线路布局布线的要领 ............................................. 34

§4.3.2 PCB 设计的后期处理要求 ......................................................................... 35

§4.4 本章小结.........................................................................................................35

第五章基于 CAN 总线的控制模块软件设计 ............................................................ 36

§5.1 编程软件 CodeWarrior 介绍 ..............................................................................36

§5.2 基于 CAN 总线控制模块的软件设计 ............................................................. 37

§5.2.1 基于 CAN 总线控制模块的程序定义 ....................................................... 40

§5.2.2 基于 CAN 总线控制模块的程序初始化 ................................................... 40

§5.2.3 基于 CAN 总线控制模块的主循环程序 .................................................. 45

§5.2.4 基于 CAN 总线控制模块的 AD 采集程序 .............................................. 49

§5.2.5 基于 CAN 总线控制模块的 CAN 发送程序 ............................................52

§5.2.6 基于 CAN 总线控制模块的 CAN 中断接收程序 .....................................54

§5.2.7 基于 CAN 总线控制模块的 CAN 中断接收解码程序 ............................55

§5.3 软件抗干扰设计.................................................................................................57

§5.4 本章小结.............................................................................................................59

第六章控制模块测试与验证.......................................................................................60

§6.1 CAN 测试验证硬件电路网络的搭建与上位机软件参数配置 ....................... 60

§6.2 基于 CAN 总线的控制模块 CAN 通讯测试与分析 .......................................62

§6.3 本章小结............................................................................................................67

第七章总结与展望.......................................................................................................68

§7.1 总结....................................................................................................................68

§7.2 展望....................................................................................................................69

参考文献.........................................................................................................................70

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果.............................................73

致谢.............................................................................................................................74

第一章绪论

§1.1 课题的来源和意义

汽车已成为当今社会人们的一种非常重要的交通工具。在汽车的发展进程中

汽车电子技术的影响越来越大，它的快速发展满足了消费者对于汽车使用日益增

长的安全性、舒适性、乐趣性等方面的需求。汽车先进电子技术成为改善汽车性

能和进行前沿高端车型开发非常关键的技术手段，被看作是衡量现代汽车综合水

平的重要指标[1]。

近年来，随着汽车电子技术迅猛发展，电子控制系统和通讯系统在现代汽车

中的使用越来越多[2]，如发动机电子控制管理系统(EMS)、自动变速器控制系统、

底盘制动控制中的防抱死制动系统（ABS）、防滑控制系统（ASR）、自动巡航控

制系统（ACC）和车载娱乐系统等，这些系统相互之间、系统和车辆的故障诊断

系统之间，系统和汽车仪表之间都需要进行大量的数据交换，如果信号传输仍采

用传统点对点的连接传输方式，整车系统的运行将是非常缓慢的[3]。因而，汽车

网络技术应运而生，并快速发展成为今后汽车技术的主流趋势。目前，大多数汽

车都应用了 CAN 总线技术，特别是在车身电子控制网络方面，其具有不可替代

的优势。

控制器局域网络[4] (Controller Area Network，CAN)是德国Bosch公司在20世纪

80年代提出的一种串行通信协议。起初，该技术主要为了解决汽车上众多的控制

器与测量仪器之间的数据交换传输，目前，它已成为国际上应用最广泛的现场总

线之一。由于具有可靠性高、成本低、易于扩展等特点，CAN总线技术受到各大

汽车公司的重视。CAN总线是一种多主方式的串行通讯总线，它有高的位速率，

高抗电磁干扰性，而且能够快速检测出总线上出现的任何错误。当CAN总线上信

号传输距离达到10km时，总线数据传输速率仍可以高达5kbps。由于CAN总线串行

通讯具有这些优点，在自动控制领域，电力监控系统，尤其在汽车电子控制领域

都可以使用CAN总线，包括高速的网络和低价位的多路接线，并且应用优越性非

常明显。

汽车网络根据数据类型和传输速率分为汽车动力与底盘控制系统、车身电子

控制系统、车载多媒体系统和故障诊断系统4个子网络[5]。车身电子控制网络主要

包括空调系统、组合仪表、信号及照明灯组、四控门锁、座椅调节、车窗控制等

控制器之间建立的网络，通过网络化控制，可以提高驾乘人员的安全性和舒适性，

提供车辆实时运行状况信息，简化和方便线束布线，提高线束电导线利用率，便

基于 CAN 总线的汽车电源及信号传输控制模块设计

于进行故障诊断和维修操作。

§1.2 课题研究的国内外现状

目前，汽车车载网络应用较多的总线标准[6]是LIN总线、FLEXRAY总线以及

CAN总线。由于LIN总线采用低成本的单线连接，主要是为了满足局域网络中低端

一般的需求，而对于日趋复杂的车身控制系统的需求而言，其传输带宽、通讯可

靠性和实时性已经不能满足要求。而FlexRay总线技术的成本很难降低到CAN总线

的程度，并且CAN总线的传输带宽、通讯可靠性等已经达到了汽车电子控制领域

的要求，所以FlexRay与CAN总线相比较，它不太可能成为车辆控制系统的总线。

因此，从当前汽车技术的发展现状未来趋势来看，CAN总线在汽车控制系统中应

用更为适合。

在国外，尤其是欧洲，Dailmler-Benz 公司是第一家应用CAN总线的汽车制造

商，它使用了基于CAN总线的网路连接动力系统的电子控制单元。从奔驰公司最

早使用了CAN技术以来，CAN技术应用越来越普及，欧洲其它汽车制造商，如Audi、

Volkswagen、BMW、Volvo、Renault等公司也将CAN总线应用于其汽车网络系统。

在欧洲各大汽车公司的推动下，CAN总线也在世界其它地区逐渐得到认可。开始

在美国，车载网络技术在GM、Ford和Daimler-Chrysler三大汽车公司内各成体系，

其综合工作性能与CAN总线相差甚远，很难被普及接受。最近几年来，作为汽车

动力系统及车身电子系统主要的应用网络，CAN总线技术已经被美国的三大汽车

制造商所接受，用来构建汽车网络。并且，SAE颁布了J1939、J2411等一系列基于

CAN的车用通讯协议标准来规范和推动它的发展应用。在亚洲，Toyota、Nissan等

厂家已开始应用CAN网络总线系统作为其主要的控制网络。据有关权威调查机构

调查显示，近年来80%的轿车均不同程度地使用了该技术。毋庸置疑，CAN总线

将是今后及未来车载网络领域的主流网络和协议标准。

到目前为止，CAN控制器芯片的生产厂商己经有很多家，包括飞思卡尔、英

飞凌、飞利浦、NEC、TI、ST等半导体厂商，市场上CAN控制器芯片和集成有CAN

控制器的微处理器芯片也有很多种类。由于CAN总线来源于计算机局域网和工业

控制现场总线这样非常成熟先进的技术，它现在已成为汽车总线的主流技术和标

准。世界上很多著名的汽车制造厂家都已经采用CAN总线来实现车辆内部控制系

统的数据通信，国外已经较早地应用了CAN总线进行车辆网络控制，技术水平基

本成熟[7]。

在国内，伴随合资汽车厂家和自主品牌汽车的发展，利用 CAN 技术对汽车

电子控制系统进行技术升级改造的研究也不断增多，但真正在量产车辆投入应用

第一章绪论

的产品很少。目前，在国内市场上，合资品牌（一汽大众、上海大众、一汽丰田

等）和主流自主品牌的中高端量产车上都采用了 CAN 总线技术。虽然近年来一

些中高级汽车大都采用了 CAN 总线，但是由于国内汽车零部件配套体系在电子

电器控制零部件，特别是在智能控制零部件上起步较晚，在量产车中国内真正自

主研发的具有总线接口的控制类零部件几乎没有。

目前我国的汽车总线技术研究和应用还处于初步发展阶段，而且汽车总线的

应用趋势越发明显，国内一些汽车研发部门已经开始了把CAN总线技术应用于汽

车车身电子信息网络控制系统，并取得了一定的成果，因此，现在介入该研究正

是大好时机，对于增强汽车电子控制领域关键技术的自主创新有着重要意义。

§1.3 课题研究的主要内容

本课题以基于CAN总线的控制模块为研究对象，根据控制模块的功能需求，

设计了控制模块的硬件电路，用C语言实现了软件控制程序编程，最后通过

USBCAN盒搭建CAN总线通讯网络并进行控制模块调试验证分析，实现了通过

CAN总线网络实时传输控制车灯远近光及雾灯控制，实现了雨刮开启及雨刮高低

速执行工作，实现后窗除雾开关操作响应及主继电器开启等操作响应。

主要做了以下几面的工作：

（1）汽车CAN总线的工作原理和应用

（2）CAN总线网络通讯规则设计

（3）控制模块的功能需求定义和整体架构设计

（4）控制模块软件控制流程框架设计

（5）控制模块硬件电路设计，包括电源电路、AD采集电路、CAN总线通信

控制电路、继电器输出驱动电路、接口芯片电路等

（6）控制模块软件各程序模块设计

（7）控制模块测试验证分析及改进工作

基于 CAN 总线的汽车电源及信号传输控制模块设计

第二章汽车 CAN 总线的基本原理及应用

§2.1 CAN 总线概述

CAN总线最初是专门解决乘用车的串行通信而研制的，CAN总线是当前汽车

高速网络中主要应用标准，它已在当前汽车制造厂商中得到广泛使用。目前，欧

洲的汽车制造商基本上都使用CAN总线来连接车身电子系统和动力系统，美国的

汽车制造商也已在其动力系统中利用CAN总线进行系统通信，而亚洲的汽车制造

商也开始采用基于CAN总线的车载网络。

下一代的高端乘用车将会装备上百个基于控制单元的微控制器，它们中的大

部分会通过CAN接口在汽车网络中。CAN总线以其较高的可靠性、灵活性和较低

的价格优势，在汽车网络仍将占据的较大市场份额。

如图2-1所示为基于CAN总线的汽车典型网络系统，图中显示了各个子网的连

接情况。基于不同的目的，各子网的要求也不尽相同，如高速CAN用于动力系统

的通信与控制，低速CAN用于车上车门控制、座椅调节、车灯控制子系统的通信

与控制，多媒体及信息娱乐部分需要较宽的带宽，则倾向于使用汽车多媒体及通

讯的网络协议和标准[6],[7]。

发动机

变速箱

发动机

ABS

控制面板

网关

车载电话

音响设备

GPS

车门

座椅

车灯

低速 CAN

图2-1 基于 CAN 的汽车网络系

统

高速 CAN

座椅调节子模块

车灯子模块

车门控制子模块

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摘要随着汽车电子技术的不断发展，汽车上的各种电子装置越来越多，电子控制装置之间的通讯也越来越复杂，而汽车上传统的电气系统大多采用点对点的单一通信方式，相互之间较少有联系，从而造成了庞大的布线系统，该方法已远远不能满足汽车愈加复杂的控制系统要求。汽车控制局域网CAN总线应运而生，并广泛应用于汽车电子控制系统中。为避免汽车电控系统的增加而导致的线束复杂、布线困难等缺点，适应现代车辆电子电器控制系统越来越高的要求，本课题进行基于CAN总线的汽车电源及信号传输控制模块的设计应用研究。首先，根据汽车CAN总线技术原理及在汽车电子控制领域的应用，结合控制模块控制用电器的功能需求，进行了CAN总线应用层通讯...

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