摘要：本文介紹了汽車電子控制系統(tǒng)單元的控制模塊、CAN 通信模塊的硬件設(shè)計及軟件分析，給出了帶ARM7 內(nèi)核的實例。
關(guān)鍵詞：ARM CAN 汽車總線

隨著電子控制系統(tǒng)單元（ECU）在汽車上的廣泛應用，汽車電子化程度越來越高。電控系統(tǒng)的增加雖然提高了汽車的動力性、經(jīng)濟性和舒適性，但隨之增加的復雜電路，必然導致車身布線龐大而且復雜，安裝空間短缺。同時，為了提高電控單元信息利用率，要求大批的數(shù)據(jù)信息能在不同的電子單元間共享，汽車綜合控制系統(tǒng)中大量的控制信號也需要實時交換，不同功能電子控制系統(tǒng)單元間的數(shù)據(jù)通信變得越來越重要。因此對電子控制系統(tǒng)單元的設(shè)計提出了越來越高的要求，不僅要求通信網(wǎng)絡(luò)應具有通信速率高、準確、可靠性高的特點，同時要求控制模塊上應具有控制實效性高、空間小等優(yōu)點。

本文基于CAN 總線技術(shù)，研制了應用于汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的電子控制系統(tǒng)單元。

1 電子控制系統(tǒng)單元CAN 通信模塊的設(shè)計

根據(jù)CAN 通信原理，電子控制系統(tǒng)單元CAN 通信模塊硬件主要由CAN 控制器、CAN驅(qū)動器及中心微處理器構(gòu)成。傳統(tǒng)的CAN 通信模塊采用51 系列的單片機作為中心處理器，SJA1000 作為CAN 控制器，PCA82C250 作為CAN 驅(qū)動器。這種方案選用硅片多，所占空間大，外圍接口擴展局限，同時功耗高。為此，在本設(shè)計中，我們采用內(nèi)嵌有CAN 控制器的LPC2119 和TJA1050 總線驅(qū)動器構(gòu)成電子控制系統(tǒng)單元的CAN 通信模塊。CAN 通信模塊硬件圖如圖1 所示。

LPC2119 內(nèi)帶有ARM7 內(nèi)核，具有封裝小、功耗低、多個32 位定時器、4 路10 位ADC、2 路CAN 以及多達9 個外部中斷等優(yōu)點。TJA1050 是Philips 公司生產(chǎn)的，用以替代PCA82C250 的高速CAN 總線驅(qū)動器。該器件提供了CAN 控制器與物理總線之間的接口以及對CAN 總線的差動發(fā)送和接收功能。對于由“弱”終端構(gòu)成的端節(jié)點，TJA1050 外圍的電阻和電容能改善系統(tǒng)的EMC 性能。實踐證明，采用LPC2119 和TJA1050 構(gòu)造CAN 通信模塊，外圍擴展能力強，空間小，同時改進電磁輻射（EME）性能和抗電磁干擾（EMI）性能。

2 電子控制系統(tǒng)單元控制模塊的設(shè)計

傳統(tǒng)的“蜘蛛網(wǎng)式”控制模塊，電路復雜，維修難度高。本設(shè)計中，我們采用功率模塊、人機通信模塊、狀態(tài)量輸入模塊的結(jié)合，構(gòu)造出電子控制系統(tǒng)單元控制模塊，提高了整個系統(tǒng)的可觀性和實效性。控制模塊硬件圖如圖2 所示。

2.1 功率模塊

考慮到汽車功率負載大及LPC2119 的I/O 口驅(qū)動的局限，系統(tǒng)中采用功率模塊作為中心微處理器與功率負載之間的橋梁。

設(shè)計中，我們采用摩托羅拉公司生產(chǎn)的MC33888 功率器件控制遠光燈、近光燈、倒車燈、剎車燈。MC33888 內(nèi)部集成有四路高端燈驅(qū)動器和8 路繼電器或發(fā)光二極管驅(qū)動器，是一個可控制網(wǎng)絡(luò)，具有在板診斷、與微控制器通信報錯能力及故障軟化等優(yōu)點?？紤]到車內(nèi)燈和示廊燈的功率相對比較大，我們采用MC33487 功率器件進行控制。MC33487 內(nèi)部集成兩路帶有電流感應的20 毫歐姆高端驅(qū)動器，電流輸出4.5A。

感性負載以及大電流的短路保護是整個設(shè)計的難點。MC33887 具有功耗低、等待模式下電流25 微安、輸出電流超過8 安的短路關(guān)斷等優(yōu)點，所以系統(tǒng)采用MC33887 功率器件對電機、鎖、天線、洗滌泵進行控制。

2.2 人機通信模塊

為了提高駕駛員和乘客的舒適性、安全性，整個系統(tǒng)必須在人和機器之間建立良好的人機通信模塊。BC7281、鍵盤模塊及外圍的LED 之間的結(jié)合，構(gòu)造出人機通信模塊。BC7281是比高公司推出的16 位數(shù)碼管顯示及鍵盤接口專用芯片。該芯片通過外接移位寄存器（74HC164、74LS595 等）可控制16 位數(shù)碼管或者128 只獨立的LED。BC7281 的驅(qū)動輸出極性及輸出時序均可通過軟件進行控制，從而和各種驅(qū)動電路配合，適合任何尺寸的數(shù)碼管。

通過人機通信模塊，人的意識能夠為機器所識別，同時機器也可以將一些相應的狀態(tài)信息反饋到LED 或者LCD 上，達到人機通信的可視化效果。

2 3 狀態(tài)量輸入模塊

狀態(tài)量輸入模塊主要是將一些人為操作的效果（如大燈開關(guān)、轉(zhuǎn)向燈開關(guān)）、車身狀態(tài)（如車門、窗的開關(guān)）及內(nèi)部狀態(tài)信息（如油量、水溫）反饋給中心處理器。中心處理器對反饋信息進行分析處理，就可以準確判斷本車所處的狀況，并做出相應的操作。

外部狀態(tài)信息可以分為開關(guān)量和模擬量。通過一系列外圍電路（如整形防顫電路），我們將開關(guān)量轉(zhuǎn)換成CPU 可識別的0V 和+5V 高低電平。在模擬量處理上，先經(jīng)過歸一化處理電路，將水溫、油量、氣壓、室溫的變化轉(zhuǎn)化為0V 到5V 之間電信號，然后通過LPC2119內(nèi)嵌的4 路10 位AD 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應的數(shù)字量。利用現(xiàn)有的CAN 通信模塊將這些數(shù)字量傳輸?shù)今{駛員附近的電子控制系統(tǒng)單元，再經(jīng)過D/A 轉(zhuǎn)換器，反應在儀器儀表上。

3 電子控制系統(tǒng)單元軟件設(shè)計

對于LPC2119 微處理器來說，CAN 控制器完全是基于事件觸發(fā)的，即在本身狀態(tài)發(fā)生改變時，CAN 控制器會將狀態(tài)變化的結(jié)果告訴微處理器。因此中心微處理器可以采用中斷的方式或者輪詢的方式對CAN 控制器作出相應的處理。完整的CAN 固件編程層次結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

各電子控制系統(tǒng)單元按規(guī)定格式和周期發(fā)送數(shù)據(jù)到總線上，同時根據(jù)需要各取所需的報文。對于接收數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用中斷的方式實現(xiàn)，一旦中斷發(fā)生，即將接收的數(shù)據(jù)自動裝載到相應的報文寄存器中。此時利用屏蔽濾波寄存器對接收報文的標識符和預先在接收緩沖器初始化時設(shè)定的標識符進行有選擇地逐位比較，只有標識符匹配的報文才能進入接收緩沖器，那些不符合要求的報文將被屏蔽于接收緩沖器外，從而減輕CPU 處理報文的負擔。

各電子控制系統(tǒng)單元的應用層程序都不一樣，但是通信模塊的應用程序基本上一致，可分為CAN 初始化、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)。

3.1 CAN 初始化程序

CAN 初始化程序主要用來實現(xiàn)CAN 工作時的參數(shù)設(shè)置，其初始化主要內(nèi)容包括：硬件使能CAN、設(shè)置CAN 報警界限、設(shè)置總線波特率、設(shè)置中斷工作方式、設(shè)置CAN 驗收濾波器的工作方式、設(shè)置CAN 控制器的工作模式等。

3. 2 發(fā)送數(shù)據(jù)程序

對CAN 模塊初始化成功后，就可以用它來傳送報文。節(jié)點向總線上發(fā)送報文的過程是：LPC2119 將待發(fā)送的數(shù)據(jù)按CAN 格式組成一幀報文，寫入CAN 模塊發(fā)送緩沖區(qū)，然后啟動發(fā)送命令，將報文發(fā)送到總線上。在使用發(fā)送函數(shù)時有一點必須注意，因為在啟動發(fā)送數(shù)據(jù)的命令后，CAN 控制器要將緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，才會將該幀數(shù)據(jù)是否發(fā)送成功的狀態(tài)返回。這樣如果在函數(shù)里一直等待數(shù)據(jù)發(fā)送完畢，會使整個微處理器的性能下降。為了避免這種情況，該函數(shù)在啟動發(fā)送后便立即返回，通過發(fā)送中斷或者利用查詢TCS 狀態(tài)位判斷是否發(fā)送成功。