Conocimiento del sistema CAN automotriz
Electrónica automotriz y bus CAN
Resumen: La red de área del controlador (CAN) es un bus de campo que admite efectivamente el control distribuido o el control en tiempo real, con alto rendimiento y alta confiabilidad. ; Con el desarrollo de la tecnología automotriz moderna, la tecnología CAN se utiliza cada vez más en el campo de la electrónica automotriz. El artículo presenta el esquema de diseño del sistema CAN automotriz que cumple con el protocolo CAN2.0B, se centra en la implementación de software y hardware del nodo inteligente del bus CAN con el microprocesador P89C668 como núcleo y recomienda un chip de detección de interruptor multicanal MOTOROLA. MC33993, e involucra SPI y programación en el sistema y otras tecnologías.
Palabras clave: bus de campo, CAN, electrónica automotriz, MC33993, , SPI
1 Electrónica automotriz y bus CAN
Con el desarrollo continuo de la tecnología electrónica automotriz, el El número de diversas unidades de control electrónico en los automóviles continúa aumentando y el número de cables de conexión aumenta significativamente. Por lo tanto, mejorar la confiabilidad de la comunicación entre las unidades de control y reducir los costos de los cables se han convertido en problemas urgentes que deben resolverse. Por este motivo, la empresa alemana BOSCH, famosa por su investigación y desarrollo y producción de productos electrónicos para automóviles, desarrolló el protocolo de bus CAN y lo convirtió en un estándar internacional (ISO11898). En 1989, Intel tomó la iniciativa en el desarrollo de un chip controlador de protocolo de bus CAN. Hasta ahora, hay más de 20 fabricantes de chips de controlador de bus CAN, más de 110 chips de controlador de protocolo de bus CAN y controladores de protocolo de bus CAN integrados en el mundo. . En América del Norte y Europa occidental, el protocolo de bus CAN se ha convertido en el bus estándar para sistemas de control por computadora de automóviles y LAN de control industrial integradas, y tiene el protocolo J1939, que utiliza CAN como protocolo subyacente y está especialmente diseñado para camiones grandes y equipos industriales pesados. vehículos maquinaria. La tecnología de bus CAN automotriz de mi país comenzó tarde, pero con el progreso y desarrollo continuo de la electrónica automotriz moderna, su investigación y aplicación están en pleno apogeo. El bus CAN es un bus de red de área local de controlador multimaestro en serie. Es una red de comunicación en serie que admite eficazmente control distribuido o control en tiempo real. El medio de comunicación del bus CAN puede ser par trenzado, cable coaxial o fibra óptica, la velocidad de comunicación puede alcanzar 1 Mbps/40 m y la distancia de comunicación puede alcanzar 10 km/40 Kbps. Debido a su alta velocidad de comunicación, buena confiabilidad y bajo precio, es particularmente adecuado para la interconexión de equipos de monitoreo de procesos industriales pequeños y medianos y sistemas eléctricos de vehículos de transporte. El bus CAN tiene las siguientes características básicas:
◎ Elimina la codificación de dirección de estación tradicional, reemplácela con la codificación del bloque de datos de comunicación y puede funcionar en modo multimaestro
◎; Adopte tecnología de arbitraje no destructiva, cuando dos nodos transmiten datos a la red al mismo tiempo, el nodo con menor prioridad deja de enviar datos activamente, mientras que el nodo con mayor prioridad puede continuar transmitiendo datos sin verse afectado, evitando efectivamente conflictos de bus;
◎ Adopte una estructura de trama corta, el número de bytes válidos en cada trama es 8, el tiempo de transmisión de datos es corto, la probabilidad de interferencia es baja y el tiempo de retransmisión es corto;
◎ Cada cuadro de datos tiene verificación CRC y otras medidas de detección de errores que garantizan la alta confiabilidad de la transmisión de datos y son adecuados para su uso en entornos de alta interferencia;
◎ En el caso de errores graves, el nodo tiene la función de apagar y cortar automáticamente el bus. Está conectado con el bus para que otras operaciones en el bus no se vean afectadas;
◎ Puede transmitir y recibir datos punto a punto, uno a muchos y de transmisión centralizada.
Figura 1 Arquitectura del sistema de bus CAN del automóvil
Las unidades de control típicas de los automóviles modernos incluyen sistemas de inyección de combustible controlados electrónicamente, sistemas de transmisión controlados electrónicamente, sistemas de frenos antibloqueo (ABS) y sistemas antibloqueo. -Sistema de control de derrape (ASR), sistema de recirculación de gases de escape, sistema de crucero y sistema de aire acondicionado, sistema de control electrónico de la carrocería (incluidos indicadores de iluminación y ventanillas, limpiaparabrisas, etc.). La arquitectura completa del sistema de red de bus CAN automotriz se muestra en la Figura 1.
Arquitectura de hardware de 2 nodos CAN
Chip central:
Se selecciona el microprocesador de 8 bits de alto rendimiento P89C668 de la empresa PHILIPS.
Sus características destacadas son las siguientes:
◎ Unidad central de procesamiento 80C51
◎ Memoria Flash incorporada capaz de ISP (programación en el sistema) e IAP (programación en la aplicación) , La ROM de arranque se puede programar a través del puerto serie Acceso para actualizar y descargar programas de usuario;
◎ Operación estándar de 6 ciclos de reloj por ciclo de máquina, operación opcional de 12 ciclos de reloj por ciclo de máquina, velocidad de hasta 33MHz a 12 ciclos de reloj;
p>◎ 8K bytes de RAM y 64K bytes de FLASH;
◎ 4 prioridades de interrupción, 8 fuentes de interrupción;
◎ Viene con serie secuencia de interfaz;
◎ PCA de matriz de contador programable de 5 canales (tres modos de trabajo: salida PWM, captura/comparación y salida de alta velocidad).
Ya sea que se evalúe en términos de potencia de procesamiento, capacidad de almacenamiento, recursos periféricos y escalabilidad de red, el P89C668 es un microprocesador excelente y es adecuado para diversos campos, como la electrónica de control industrial. En particular, su memoria "masiva" de 8K bytes de RAM es la primera opción para muchas aplicaciones de almacenamiento de alta velocidad.
Circuito de interfaz CAN:
El circuito de interfaz está compuesto por SJA1000 (controlador CAN), 6N137 (aislamiento fotoeléctrico) y P82C250 (transceptor CAN) con tecnología madura y amplia aplicación. Cabe señalar que se debe conectar una resistencia terminal de 120 ohmios en ambos extremos del bus CAN (CANH, CANL). El pin de interrupción SJA1000 está conectado al pin de interrupción externa 0 de la CPU.
Circuito de programación en la aplicación/sistema:
La tecnología IAP/ISP se aplica en muchos microcontroladores de alto rendimiento y su característica destacada es la implementación conveniente y rápida de la descarga y actualización de programas. . El espacio FLASH 0XFC00~0XFFFF de P89C668 está programado con un programa Boot Rom de 1K bytes. Después del encendido, se puede ingresar al programa Boot Rom a través de métodos de configuración de software y hardware. El programa se puede implementar a través de la comunicación del puerto serie a través del software de programación. proporcionada por PHILIPS Actualización en línea (ISP). Por supuesto, los usuarios también pueden escribir su propio programa Boot Rom (IAP) según el protocolo según sea necesario. Al configurar el hardware del interruptor DIP (ALE, P2.6, P2.7), se fuerza a ingresar al programa Boot Rom después de encenderlo. Una vez completado el programa de programación, se devuelve al estado original y el usuario. Se ingresa al programa después de encenderlo nuevamente. El chip de conversión de nivel de puerto serie utiliza MAX202 en lugar de MAX232, y su condensador correspondiente solo requiere 103 condensadores cerámicos. La velocidad en baudios de la comunicación de datos en serie puede alcanzar los 38400 bps.
Oscilador de cristal y circuito de reinicio:
Se utiliza un chip oscilador externo de 12M de grado industrial como señal de reloj. El circuito de reinicio utiliza el chip X25045 para un control inteligente. El chip X25045 combina el temporizador de vigilancia, el circuito de monitoreo de energía y las funciones E2PROM en uno. La función del temporizador de vigilancia establece la señal RESET después de un intervalo de tiempo configurable durante un error del sistema. El circuito de monitoreo de energía detecta una condición de bajo voltaje y reinicia el sistema cuando VCC cae por debajo del umbral. Y la señal RESET es válida hasta que VCC se recupere y se estabilice. La función de memoria de X25405 es una E2PROM CMOS de 4096 palabras. También admite acceso de tres cables (SO, SI, SCLK) del protocolo SPI. Este nodo utiliza las dos primeras funciones de X25405 para formar un circuito de reinicio confiable.
Circuito de detección de interruptor/digital, analógico:
Dispositivos de conmutación de nodos de automoción (interruptores de luces de señalización, limpiaparabrisas, paneles, lunas, espejos retrovisores eléctricos, etc.) Es especialmente complejo y numerosas, y las señales de detección de corriente y de temperatura del agua y del sensor de nivel de aceite son todas señales analógicas no lineales, por lo que la detección de estos interruptores/cantidades analógicas de manera confiable y en tiempo real se ha convertido en un problema que el hardware electrónico automotriz debe resolver. El circuito de retención de componentes discretos tradicional tiene poca confiabilidad, especialmente la oxidación grave de los contactos del interruptor y el desperdicio de una gran cantidad de puertos de E/S del microprocesador. Se recomienda utilizar el chip de detección de interruptor multicanal MC33993 de MOTOROLA.
Sus destacadas ventajas son las siguientes:
◎ Lectura y escritura de secuencia SPI de 3,3/5,0 V (SO, SI, SCLK);
◎ Detección de entrada de interruptor programable de 8 canales (con conexión a tierra o conectado a la fuente de alimentación), 14 canales de detección de entrada del interruptor de tierra, cada cambio de estado del interruptor puede generar una interrupción;
◎ El voltaje de entrada del interruptor varía de -14 V a Vpwr (fuente de alimentación de trabajo), Vpwr puede alcanzar un máximo de 40 V;
◎ Activación seleccionable cuando cambia el estado del interruptor;
◎ Corriente húmeda seleccionable (16 mA o 2 mA);
◎ 22 a -1 salida analógica;
p>
◎ La corriente de bajo consumo de energía (corriente de espera) de Vpwr es inferior a 100uA, y la corriente de bajo consumo de energía (corriente de espera) de VDD es inferior a 10uA .
Se puede ver que solo se necesitan cuatro líneas de puerto de CPU (línea de secuencia SPI y selección de chip) para completar la detección de 22 valores de conmutación (8 de los cuales son programables como interruptores de alimentación de acoplamiento), y También puede realizar pruebas en serie y conexión en cascada multichip MC33993 en paralelo. La llamada corriente de humedecimiento se refiere a las fuentes de corriente constante de subida y bajada del puerto de entrada proporcionadas internamente por el MC33993. Se puede programar en 16 mA o 2 mA, lo cual es importante para garantizar un cierre y extracción confiables del interruptor. Óxidos de contactos metálicos. Tiene un buen efecto. La fuente de corriente constante en el puerto de entrada puede controlar directamente MOSFET y LED. Cada puerto de entrada se puede programar como un estado de salida analógica, generando así el voltaje del puerto de entrada seleccionado en el pin AMUX. Se puede formar un circuito de detección de sensor lineal utilizando una fuente de corriente constante MC33993 y una salida analógica. El chip ADC utiliza el chip integrado de muestreo de datos paralelo AD1674 producido por AD Company. Es totalmente compatible con AD574/674 desde los pines hasta las funciones, pero se agrega internamente un circuito de muestreo/retención, la frecuencia de muestreo es de 100 kHz y tiene modo de control total y modo de trabajo único. Su precisión de muestreo puede alcanzar el 0,05%, lo que cumple con los requisitos de recopilación de datos de alta velocidad.
Circuito de accionamiento del dispositivo de potencia:
Los sistemas de control de la carrocería del automóvil necesitan accionar dispositivos eléctricos de alta potencia, como señales de iluminación, motores de limpiaparabrisas delantero y trasero, elevalunas eléctricos, espejos retrovisores eléctricos, etc. . Para dispositivos de accionamiento eléctrico, considere utilizar los dispositivos de alimentación específicos para automóviles de MOTOROLA. MC33286 es un chip controlador de control inteligente de doble canal dedicado a aparatos eléctricos automotrices. En comparación con los relés mecánicos tradicionales, proporciona protección contra sobrecorriente y sobrecalentamiento, un tiempo de respuesta más corto y una mayor estabilidad. MC33286 está equipado con dos canales de unidad, cada uno con una corriente operativa máxima de hasta 15 A. Las señales de nivel de pin de la CPU se introducen a través de los dos puertos de entrada y se convierten en cambios de nivel de los canales de salida a través del módulo de procesamiento lógico interno. Especialmente indicado para la conducción de luces de señalización y cargas resistivas. MC33887 es un chip controlador de puente H con retroalimentación, especialmente diseñado para impulsar cargas de motor que requieren rotación hacia adelante y hacia atrás. MC33486 es similar a MC33887, pero solo hay medio puente en el interior y se requiere un tubo CMOS adicional para formar un circuito de accionamiento de puente completo. La salida estable puede alcanzar 10 A. Es especialmente adecuado para el control de fase directa e inversa de. Se requieren corrientes de entrada y de alta potencia, como motores de ventanas eléctricas.
3 Estructura del software
La estructura del programa del sistema se divide en cuatro partes: programa de comunicación CAN (incluida la comunicación SJA1000 del protocolo de capa de aplicación), programa de interfaz periférica (todos los chips de detección y controlador de chips de controlador), programa de servicio de interrupción (procesamiento de señales de interruptor y mensajes de alarma de falla), programa principal (completa la inicialización del sistema y programación de tareas, alimentación de perros, etc.). Debido a limitaciones de espacio, lo siguiente se centra en el protocolo de la capa de aplicación CAN.
La comunicación CAN de este sistema adopta el modo PeliCAN del protocolo CAN2.0B, la velocidad de bits de comunicación es de 500 Kbps y se adopta un mecanismo de filtro de doble aceptación. Para mayor comodidad de uso y modificación, el código de identificación en el protocolo de comunicación está diseñado para ser compatible con modos de comunicación punto a punto, uno a muchos y de transmisión. Se adopta una estructura maestro-esclavo entre cada nodo en la comunicación de mensajes de conmutación. Solo el nodo maestro recibe mensajes de los subnodos (modo punto a punto), y todos los subnodos reciben los mensajes del nodo maestro (modo de transmisión). ). La comunicación de mensajes analógicos utiliza el modo punto a punto entre nodos.
Definición del identificador: (como se muestra en la Figura 3)
◎ Nombre de clase: 00000100--mensaje de respuesta (respuesta de autoprueba, diagnóstico de fallas) 00001000--mensaje de comando;00010000-); -mensajes de depuración; 00100000--descargar mensajes; 01000000--mensajes de trabajo.
◎ Reservado A: Reservado para la configuración del filtro de aceptación.
Mensajes en respuesta: ID19: 1--Mensaje de respuesta de autoprueba 0--Mensaje de error de diagnóstico de falla
ID20: Configuración del filtro de aceptación reservada
En trabajo mensajes: ID19: 1--mensaje de cambio 0--mensaje analógico
ID20: configuración del filtro de aceptación reservada
◎ Dirección de destino: dirección del nodo de recepción del mensaje.
◎ Dirección de origen: la dirección del nodo que envía el mensaje, utilizada para la autoprueba del sistema.
Figura 3 Definición del identificador
4 Conclusión
El bus CAN es el preferido en el campo del control industrial y la electrónica automotriz por su alto rendimiento, alta confiabilidad y diseño único. Ha recibido amplia atención en el campo y ha sido reconocido como uno de los buses de campo más prometedores. Creemos firmemente que en un futuro próximo nacerán los autobuses CAN nacionales.