基于CAN總線的汽車電動車窗控制系統(tǒng)設計

1、畢業(yè)設計本科畢業(yè)設計說明書 基于CAN總線的汽車電動車窗控制系統(tǒng)設計 THE DESIGN OF CONTROL SYSTEM ABOUT AUTOMOBILE POWER WINDOWS BASED ON THE CAN BUS 學院（部）： 機械工程學院 專業(yè)班級： 學生姓名： 指導教師： 2013 年 06 月 06 日基于CAN總線的汽車電動車窗控制系統(tǒng)設計摘要 隨著2009年汽車產銷量突破1300萬。我國已經一躍成為全球最大的汽車市場。據統(tǒng)計，電子元器件的價值平均占到整車價值的三成左右。概而觀之，我國汽車電子的需求是巨大的。在這種巨大的需求求的拉動下，我國汽車電子市場也迎來了飛速發(fā)展

2、的時代。當前，汽車電子的一個發(fā)展趨勢就是網絡化。由于電子裝置和電子元件在汽車上的應用越來越多，使汽車的布線空間越來越小。在有線的空間內完成各個電子裝置的有效連接，對于傳統(tǒng)的點對點式的連接方式來說，是不可能完成的任務。因此，傳統(tǒng)的連接方式成為制約汽車電子發(fā)展的一個瓶頸。這種情況下，汽車控制網絡應時而生。汽車控制網絡是把應用于互聯(lián)網上很成熟的局域網技術應用到汽車上，這樣，汽車上各個電子器件只要掛接在同一條總線上，就可以實現器件或裝置之間的相互通信了。這樣就解決了由于原件連接過多造成的線束臃腫問題，開創(chuàng)了汽車電子器件熱插拔的先河，而且方便了汽車的升級和維護。本論文對應用于車身網絡中的CAN協(xié)議進行了

3、研究，基于CAN總線設計了一種電動車窗控制系統(tǒng)。關鍵詞： CAN總線，汽車電子，電動車窗THE DESIGN OF CONTROL SYSTEM ABOUT AUTOMOBILE POWER WINDOWS BASED ON THE CAN BUSABSTRACT With Chinas automobile production and sales in 2009 breaking 13 million, China has become the worlds largest automobile market. According to statistics, the average va

4、lue of electronic components can account for the value of the vehicle about three percent. Overview, Chinas demand for automotive electronics is huge. With the huge demand, Chinas automotive electronics market ushered in the era of rapid development. Currently, a trend of automotive electronics is n

5、etworking. As more and more electronic devices and electronic components are used in automotive, the inside space of automotive is becoming smaller and smaller. In such a limited space to complete the connection of various electronic devices, it is impossible for the traditional point to point conne

6、ction type. Therefore, the traditional connection of electronic devices has become a bottleneck in the development of automotive electronics. In this case, the vehicle control network has emerged to solve this problem. Vehicle control network is to apply a very sophisticated Internet technology to t

7、he car, as long as the various electronic devices of the car are articulated in the same bus, the devices can communicate with each other through the bus. This will resolve the problem of connecting too many electronic components as a result of the cumbersome wiring harness, but also created a vehic

8、le electronic devices hot swap of the ground, to facilitate the upgrading and maintenance of the vehicle easily. This thesis will introduce applied CAN protocol and design a control system of power windows based on CAN bus. KEYWORDS: CAN bus，automotive electronic，power windowsII目錄摘要IABSTRACTII1緒論11.

9、1 研究背景11.2 汽車車載網絡技術概述21.3 電動車窗控制技術的發(fā)展概況21.4 課題的主要內容和意義3 1.4.1 課題的主要內容3 1.4.2 課題的意義31.5 本章小結32 CAN總線52.1 CAN簡介52.2 按照ISO/OSI參考模型CAN的分層結構62.3 CAN總線數值的特性62.4 CAN協(xié)議的報文幀結構形式7 2.4.1 數據幀7 2.4.2 遙控幀9 2.4.3 錯誤幀9 2.4.4 過載幀9 2.4.5 幀間隔92.5 報文接收和仲裁102.6 CAN的數據錯誤檢測10 2.6.1 錯誤處理10 2.6.2 錯誤狀態(tài)種類12 2.6.3 錯誤檢測規(guī)則122.7

10、位時序132.8 本章小結143電動車窗的硬件設計153.1 主控節(jié)點的硬件設計15 3.1.1 微控制器介紹15 3.1.2 CAN模塊173.2 車窗節(jié)點的的設計233.3 本章小結274基于CAN的車窗控制系統(tǒng)軟件設計284.1 軟件開發(fā)的環(huán)境284.2 CAN模塊29 4.2.1 系統(tǒng)主程序29 4.2.2 系統(tǒng)的初始化29 4.2.3 CAN報文的發(fā)送30 4.2.4 CAN報文接收314.3 驅動模塊324.4 本章小結335車窗防夾功能模擬測試與分析346總結與展望366.1 總結366.2 展望36參考文獻37致謝39ii1緒論1.1 研究背景隨著計算機技術、網絡通訊技術、集成

11、電路技術的飛速發(fā)展，以全數字式現場總線為代表的現場控制儀表、設備大量應用在汽車電子上。汽車電子的廣泛應用，極大地提高了汽車的安全性、提高了汽車的節(jié)能性、改善了汽車的舒適性。在一些機械連接的物理特性達到極限的情況下，汽車性能的提升以及新車型的研發(fā)，越來越依賴于汽車電子，汽車領域70%的技術革新來自汽車電子產品。進入2000年以后我國汽車電子市場規(guī)模相當可觀。2009年我國汽車電子市場總產值已經高達1800億元，并仍處于快速上升階段，今年可能會達到5000億元。可見，我國汽車電子市場經濟規(guī)模相當可觀，而電動車窗控制系統(tǒng)是汽車電子范圍內車身控制系統(tǒng)中非常重要的組成部分。因此，對電動車窗的深入研究不僅

12、具有現實的經濟意義，對于增強我國汽車電子企業(yè)的競爭力有很大的意義。汽車電子技術的發(fā)展大體分為三個階段，第一階段是20世紀60年代至70年代末，其重點是以改善汽車單個零部件的性能為主要目的，代表性的技術創(chuàng)新如利用硅整流代替電刷整流的發(fā)電機，利用晶體管無觸點點火式代替機械式有觸電點火技術，汽車裝備電子鐘收錄機，開始采用電子控制燃油噴射，這些電子系統(tǒng)多由分立電子器件構成，體積大，可靠性不太高。 汽車電子技術發(fā)展第二階段是70年代末至90年代中期，開始引入了自動控制理論，已解決單個機械零部件的各自控制而產生的協(xié)調配合上出現的問題。集成電路的發(fā)展在汽車上開始應用，這一時期產生如發(fā)動機電子管理系統(tǒng)、動力傳

13、動總成控制系統(tǒng)、防抱死制動系統(tǒng)、電子控制懸架、電子控制轉向系統(tǒng)等，具有一定綜合性的電子控制系統(tǒng)。從90年代中期以來，汽車綜合控制技術逐步形成了一個多科學相互交互的綜合性新型技術，它以大規(guī)模集成電路和總顯示控制器局域網為特征，其主要電子產品包括靈巧電源、智能傳感器、總線控制器、總線收發(fā)器。這些設計一方面將原來的綜合性電子控制系統(tǒng)擴大成汽車整體綜合控制系統(tǒng)；另一方面與汽車外部道路、交通、通信條件聯(lián)系起來，使汽車更自動化、智能化。未來汽車電子化呈現六大趨勢：一是功能集成化，如車身控制模塊，將取代諸如中控門鎖、防盜、雨刮、空調、座椅調節(jié)等單項控制系統(tǒng)；二是數字控制取代模擬控制；三是多微處理器協(xié)同工作，

14、以實現既有獨自運行、又有協(xié)同功能的數據共享和靈活組成的優(yōu)勢；四是無線與有線技術相結合，實現車內外信息傳輸智能化、高速化；五是硬件通用化、高速化，軟件專業(yè)化，以軟件功能提升硬件功能；六是在開發(fā)流程上，有“底層向上”模式演變?yōu)椤坝缮舷蛳隆蹦Ｊ健?1.2汽車車載網絡技術概述現在人們對汽車的安全性、舒適性、環(huán)保節(jié)能型等這些性能的要求也越來越高。目前，轎車上裝備的各種傳感器、執(zhí)行器和電燈加起來一共多達數百個，其中僅驅動各種物理轉動的電機就占一半左右。汽車上電子裝置的增加，使連接用的電線束迅速膨脹，導致車體內線束愈來愈復雜，電子設備間的工作協(xié)調也越來越困難，為了擺脫這種困境，基于串行通信傳輸網絡結構成為一

15、種必然選擇。因此，汽車控制系統(tǒng)網絡化已經成為汽車電子今后發(fā)展的一個趨勢。如圖1.1所示，汽車控制網絡可以分為動力總承、底盤控制、車身控制和信息娛樂等子網絡。每個子網絡包含必要的電子設備，這些電子設備之間通過局域網總線實現通信。對多個次級網絡之間的通信來說，就要用到網關，因為這些次級網絡對運行速度要求的不同，各個次級網絡可以采用各自的協(xié)議。在這種體系中，沒有全局總線。這種特殊的結構完全消除了全局總線失效的瓶頸，并且為TV，視屏，DVD，聲控功能等增強可靠性，擴展了寬帶。對信息娛樂網絡來說，就是采用MOST技術；動力總承網絡來說就采用Flexray總線，對底盤網絡來說，就采用CAN總線。本課題研究

16、的電動車窗系統(tǒng)就是圖1-1中車身子網中的一個控制系統(tǒng)。 圖1-1 汽車網絡系統(tǒng)1.3電動車窗控制技術的發(fā)展概況汽車自十八世紀末誕生以來，已經走過了一百多年的時間，在這段時間內，汽車車窗控制技術也有了巨大的變化。十九世紀八十年代，電動車窗逐漸興起，電動車窗用伺服電機驅動玻璃的升降，取代了傳統(tǒng)的轉動搖柄升降玻璃，這種控制系統(tǒng)更安全、更便捷、更舒適，更符合人們的需求。電動車窗的發(fā)展經歷了兩個階段。第一階段：這一階段的電動車窗是一個獨立的控制系統(tǒng)，它和駕駛員主控模板之間的連接是靠傳統(tǒng)的點對點式連接，和其它控制系統(tǒng)之間沒有信息交互。這時的車窗系統(tǒng)靈活性和安全性不高，更增加了維修和維護的難度。第二階段：這

17、時的電動車窗是搭載于車身控制網絡之上的一個智能節(jié)點。它和其它控制系統(tǒng)一樣，都以一個智能節(jié)點的形式搭載于串行總線上。這樣整個系統(tǒng)便具備了和其它控制系統(tǒng)的通行能力，既能給其它模塊提供信息，也可以從其它模塊接受信息，使各個模塊共同配合并及時對車窗做出正確控制。目前，電動車窗是車身控制系統(tǒng)的一個研究熱點。車窗控制系統(tǒng)主要是基于LIN總線和CAN總線。LIN總線以其低廉的價格在低端市場占據主導地位，但不能夠完全勝任可靠、及時地傳遞信息，因此更多的是應用CAN總線?；贑AN總線的車窗控制系統(tǒng)的主要特點是信息的傳輸速率快、安全性可靠性高。尤其在中、高檔汽車的車身控制系統(tǒng)中，由于需要在車身網絡傳輸的信息比較

18、多，且要求車窗控制系統(tǒng)與其它模塊通信的實時性較強，LIN總線已經不能滿足要求，在這種情況下基于CAN的車窗系統(tǒng)便得到了更廣泛的應用。本課題研究的對象就是基于CAN總線的車窗控制系統(tǒng)。1.4課題的主要內容和意義1.4.1 課題的主要內容本課題研究的電動車窗控制系統(tǒng)是搭載于轎車車身控制網絡的一個應用子系統(tǒng)。我根據電動車窗的功能要求和發(fā)展趨勢，對基于CAN總線的電動車窗系統(tǒng)的設計，完成了對車窗的上升和下降的控制和防夾功能控制。對電動車窗控制系統(tǒng)完成了硬件設計和軟件設計。1.4.2 課題的意義CAN總線對車窗系統(tǒng)進行控制有以下幾方面的意義：1、節(jié)省材料，系統(tǒng)擴展方便。傳統(tǒng)的汽車供電系統(tǒng)線束多，改用多路

19、總線傳輸系統(tǒng)以后，僅用一根動力線即可，動力線長度節(jié)省50%以上，當控制系統(tǒng)需要改變電路時，只要把線束延長即可，方便經濟。2、降低了設計制造成本，延長了使用壽命。3、提高了系統(tǒng)的可靠性。用兩根導線就可以實現車窗所有數據的傳輸，可靠性得到極大提高。國內外汽車總線技術的自主開發(fā)正在高速發(fā)展中。本文所研究的車窗控制、車窗防夾控制對人們對車窗控制舒適性、安全性和操作方便的要求有一定的價值和意義。1.5 本章小結本章首先結合我國汽車產業(yè)市場規(guī)模敘述了汽車電子的產值概況，進而研究了電動車窗控制系統(tǒng)的研究價值，它是汽車電子的重要組成部分。之后，研究了汽車電子發(fā)展的一個趨勢網絡化，概述了汽車控制網絡中的各個子網

20、絡的功能和所使用的技術，并且著重說明了總線技術的應用對于汽車電子的重要性和其良好的發(fā)展前景。最后，結合電動車窗的發(fā)展現狀，提出了本課題的主要內容。2 CAN總線本章將對CAN總線協(xié)議進行詳細的闡述。1993年11月ISO正式頒布了CAN的國際標準ISO11898，之后又追加了頒布了國際標準ISO11519。ISO11898是通過速率為125kbps1Mbps的高速CAN總線協(xié)議標準，而ISO11519是通信速率為0kbps125kbps的低速CAN總線協(xié)議標準。本課題研究的是CAN2.0B協(xié)議。2.1 CAN簡介CAN (Controller Area Network)即控制器局域網，是一種先

21、進的串行通信協(xié)議，屬于現場總線范圍。CAN總線是最初由德國Bosch公司在80年代初期，為了解決現代汽車中眾多的控制與測試一起之間的數據交換而開發(fā)的一種串行數據通信協(xié)議，目的是通過較少的信號線將汽車上的各種電子設備通過網絡連接起來，并提高數據在網絡中傳輸的可靠性，CAN總線具有較強糾錯能力，支持差分收發(fā)，因而適合高噪聲環(huán)境，并具有較遠的傳輸距離，特別適合于中小型分布式測控系統(tǒng)，目前己在工業(yè)自動化、建筑物環(huán)境控制、機床、醫(yī)療設備等領域得到廣泛應用。CAN總線具有以下幾個重要特點： 1、結構簡單，只有兩根線與外部相連，且內部含有錯誤探測和管理模塊。 2、通信方式靈活?？梢远喾N方式工作，網絡上任意一

22、個節(jié)點均可在任意時刻主動的向網絡上的其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從。 3、可以點對點、點對多點及全局廣播方式發(fā)送和接受數據。 4、網絡上的節(jié)點信息可分成不同的優(yōu)先級，可以滿足不同的實時要求。 5、CAN通訊格式采用短幀格式，每幀字節(jié)數最多為8個，可滿足通常工業(yè) 領域中控制命令、工作狀態(tài)和測試數據的一般要求。同時，8個字節(jié)也不會占用總線時間過長，從而保證了通訊的實時性。 6、采用非破壞性總線仲裁技術。當兩個節(jié)點同時向總線上發(fā)送數據時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數據發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可以不受影響繼續(xù)傳輸數據，這大大地節(jié)省了總線仲裁沖突時間，在網絡負載很重的情況下也不會出現網絡癱瘓。 7、直接通訊距離

23、最大可達1k0率在5kbS以下)，最高通訊速率可達1Mbps(距離最長為40m)。節(jié)點數可達110個，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。 8、CAN總線通訊接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理，包括位填充、數據塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級 判別等項工作。 9、CAN總線采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證了數據通信的可靠性。 2.2按照ISO/OSI參考模型CAN的分層結構 CAN協(xié)議對應ISO/OSI參考模型的數據鏈路層和物理層，其按ISO/OSI模型的分層結構如圖2-1所示。 圖2-1 CAN的分層結構2.3 CAN總線數值的特性在物

24、理層能使用很多物理介質，例如雙絞線、光纖等，最常用的是雙絞線。信號使用差分電壓傳送，兩條信號線被成為CAN-H和CAN-L，靜態(tài)時均是2.5V左右。CAN-H和CAN-L高表示的邏輯“0”被稱作“顯性位”； CAN-L比CAN-H高表示的邏輯“1”被稱作“隱性位”。通常電壓值為：VCAN-H=3.5V和VCAN-L=1.5V。CAN總線發(fā)送的數據是由隱性位和顯性位組成的?！帮@性”（Dominant）數值表示邏輯0，而“隱性”（Recessive）表示邏輯1。“顯性”或“隱性”位同時發(fā)送時，最后總線數值將為“顯性”?？偩€位的數值表示如圖2-1所示。在“隱性”狀態(tài)下，VCAN-H和VCAN-L被固

25、定于平均電壓點平，Vdiff近似為0。當一個節(jié)點發(fā)送的是隱性位，而檢測到的是顯性位，優(yōu)先級不夠高，數據會自動退出；當發(fā)送的是顯性位而接受到的是隱性位，此節(jié)點會認為出錯。因而，這種處理的機制就保證了網絡中的各個節(jié)點在同時發(fā)送數據時，優(yōu)先級低的節(jié)點會退出，節(jié)省了大量的仲裁時間，提高了可靠性。 圖2-2 CAN總線位的數據值表示2.4 CAN協(xié)議的報文幀結構形式 CAN總線上傳輸信息的單位是報文，CAN總線的報文有五種不同類型的格式，它們分別是數據幀、遙控幀、錯誤幀、過載幀和幀間隔。表2-1描述了幀的種類和作用。 表2-1 幀的種類和用途 幀幀用途 數據幀用于發(fā)送單元接收單元傳送數據的幀。 遙控幀用

26、于接收單元向具有相同ID的發(fā)送單元請求數據的幀。 錯誤幀用于當檢測出錯誤是向其它單元通知錯誤的幀。 過載幀用于接收單元通知其尚未做好接受準備的幀。 幀間隔用于將數據幀及遙控幀與前面的幀分離開來的幀。2.4.1數據幀 數據幀由七種不同的位域(Bit Field)組成：幀起始(Start of )、仲裁域(Arbitration Field)、控制域(Control Field)、數據域(Data Field)、CRC域(CRC Field)、應答域(ACK Field)和幀結尾(End of )。數據域的長度可以為08個字節(jié)。 （1）幀起始(SOF)：幀起始(SOF)標志著數據幀和遠程幀的起始，

27、僅由一個“顯性”位組成。在CAN的同步規(guī)則中，當總線空閑時(處于隱性狀態(tài))，才允許站點開始發(fā)送(信號)。所有的站點必須同步于首先開始發(fā)送報文的站點的幀起始前沿(該方式稱為“硬同步”)。 （2）仲裁域：仲裁域由標識符和RTR位組成，標準幀格式與擴展幀格式的仲裁域式不同。標準格式里，仲裁域由1l位標識符和RTR位組成。標識符位有ID28IDl8。擴展幀格式里，仲裁域包括29位標識符、SRR位、IDE(Identifier Extension，標志符擴展)位、RTR位。其標識符有ID28IDO。為了區(qū)別標準幀格式和擴展幀格式，CAN l012版本協(xié)議的保留位r1現表示為IDE位。IDE位為顯性，表示

28、數據幀為標準格式；IDE位為隱性，表示數據幀為擴展幀格式。在擴展幀中，替代遠程請求(Substitute Remote Request，SRR)位為隱性。仲裁域傳輸順序為從最高位到最低位，其中最高7位不能全為零。RTR的全稱為“遠程發(fā)送請求(Remote Transmission Request)”。RTR位在數據幀里必須為“顯性”，而在遠程幀里必須為“隱性”。它是區(qū)別數據幀和遠程幀的標志。 （3）控制域：控制域由6位組成，包括2個保留位(r0、r1同于CAN總線協(xié)議擴展)及4位數據長度碼，允許的數據長度值為08字節(jié)。 （4）數據域：發(fā)送緩沖區(qū)中的數據按照長度代碼指示長度發(fā)送。對于接收的數據，

29、同樣如此。它可為08字節(jié)，每個字節(jié)包含8位，首先發(fā)送的是MSB(最高位)。 （5）CC校驗碼域：它由CRC域(15位)及CRC邊界符(一個隱性位)組成。CRC計算中，被除的多項式包括幀的起始域、仲裁域、控制域、數據域及15位為0的解除填充的位流給定。此多項式被下列多項式X15+X14+X10+X8+X7+X4+X3+1除(系數按模2計算)，相除的余數即為發(fā)至總線的CRC序列。發(fā)送時，CRC序列的最高有效位被首先發(fā)送接收。之所以選用這種校驗方式，是由于這種CRC校驗碼對于少于127位的幀是最佳的。 （6）應答域：應答域由發(fā)送方發(fā)出的兩個(應答間隙及應答界定)隱性位組成，所有接收到確的CRC序列的

30、節(jié)點將在發(fā)送節(jié)點的應答間隙上將發(fā)送的這一隱性位改寫為顯性位。因此，發(fā)送節(jié)點將一直監(jiān)視總線信號已確認網絡中至少一個節(jié)點正確地接收到所發(fā)信息。應答界定符是應答域中第二個隱性位，由此可見，應答間隙兩邊有兩個隱性位：CRC域和應答界定位。 （7）幀結束域：每一個數據幀或遠程幀均由一串七個隱性位的幀結束域結尾。這樣，接收節(jié)點可以正確檢測到一個幀的傳輸結束。2.4.2 遙控幀 和數據幀一樣有兩種格式，一種是標準遙控幀，另一種是擴展遙控幀。它們都是由幀起始、仲裁場、控制場、CRC場、ACK場和幀結束域這六個場組成。遙控幀的RTR位是隱性位，而且遙控幀沒有數據域，所以DLC代碼沒有意義。2.4.3 錯誤幀 如

31、圖2-3所示，錯誤幀由錯誤標志和錯誤界定組成，錯誤標志有6位，錯誤界定符是8個隱性位。錯誤標志有兩種形式：一種是主動錯誤標志，由6個顯性位組成；另一種是被動錯誤標志，由6個隱性位組成。每一個CAN節(jié)點的狀態(tài)只能是以下3中之一：主動錯誤狀態(tài)、被動錯誤狀態(tài)、總線關閉狀態(tài)。當節(jié)點處于主動錯誤狀態(tài)，檢測到錯誤就向總線發(fā)送主動錯誤標志；當節(jié)點處被動錯誤狀態(tài)，檢測到錯誤就向總線發(fā)送被動錯誤標志；當節(jié)點處于總線關閉狀態(tài)，不參與總線活動。 圖2-3 錯誤幀2.4.4 過載幀 過載幀和主動錯誤幀在形式上式相同的，也是由6個顯性位的過載標志和8個隱性位的過載界定符組成。2.4.5 幀間隔 對于非錯誤被動的節(jié)點幀間

32、隔由間隔和總線空閑組成，對于錯誤被動的節(jié) 幀間隔由間歇、掛起傳送和總線空閑組成。（1）間歇 間歇由3個隱性位組成。在間歇期間，所有的節(jié)都不允許傳送數據幀和遙控幀，唯一可做的就時標識一個過載條件（2）總線空間 總線空間的時間是不確定的。只要總線被認為空閑，任何等待發(fā)送報文的節(jié)點就會訪問總線。（3）掛起傳送 掛起傳送時錯誤被動的節(jié)點發(fā)送報文后，在下一個報文開始傳送之前或確 認總線空間之前發(fā)出8個隱性位在間歇和總線空閑之間。2.5 報文接收和仲裁接受節(jié)點通過報文濾波來判斷是否接受當前報文。設置屏蔽寄存器中的任何的標識符位為“不考慮”或“無關”，通過這種方式來實現報文濾波。當報文濾波后，節(jié)點接收當前報

33、文，通過報文校檢來判斷報文是否有效。校檢報文有效時間點，對于發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點是不同的。發(fā)送節(jié)點：當知道幀的末位仍沒有出錯，此報文對于發(fā)送節(jié)點來說被判為有效。此過程中，一旦報文出錯，報文會根據優(yōu)先權自動重發(fā)，前提是必須總線回復空閑。接收節(jié)點：當直到ACK場最后1位仍沒有出錯，報文對于接收節(jié)點有效。在總線空閑時，最先開始發(fā)送信息的節(jié)點獲得發(fā)送權。當多個節(jié)點同時開始發(fā)送時，各給節(jié)點從仲裁場的第一位開始進行仲裁。連續(xù)輸出顯性電平越多的節(jié)點優(yōu)先級越高，也即是仲裁場的標識符值越小的節(jié)點優(yōu)先級越高。具有相同的ID的數據幀在總線競爭時，由于數據幀的RTR位為顯性，遙控幀的RTR位為顯性，故數據幀具有優(yōu)先權，

34、可繼續(xù)發(fā)送數據。同里具有相同ID的標準幀和擴展幀之間競爭總線優(yōu)先權時，標準幀具有更高的優(yōu)先權。2.6 CAN的數據錯誤檢測2.6.1 錯誤處理CAN協(xié)議中的錯誤種類共有五種，分別是位錯誤、填充錯誤、CRC錯誤、格式錯誤和應答錯誤，多種錯誤可以單獨發(fā)生也可以同時發(fā)生，當這些錯誤發(fā)生相應的狀態(tài)會有所變化。錯誤的種類、錯誤的內容、錯誤的檢測幀和檢測單元如表2-2所示。 表2-2 錯誤概況對于表中所示的錯誤有以下幾種例外情況：（a）位錯誤 發(fā)送節(jié)點在仲裁場輸出隱性電平，但檢測到顯性電平時，將被視為仲裁失利而不是錯誤。在仲裁場作為填充為輸出隱性電平，卻檢測到顯性電平時，將不視為位錯誤而視為填充錯誤。 發(fā)

35、送節(jié)點在ACK場輸出隱性電平，但檢測到顯性電平時，將判斷為其它節(jié)點的ACK應答，不視為位錯誤。 節(jié)點輸出被動錯誤標志，卻檢測到顯性電平時，將視為錯誤結束條件，將等待建的連續(xù)的6個位條件，不視為位錯誤。（b）格式錯誤 接收節(jié)點即使檢測到報文的幀結束的最后1位是顯性電平，也不視為格式錯誤。接收節(jié)點即使檢測到報文的幀結束的最后1位是顯性電平，也不視為格式錯誤。接收節(jié)點即使檢測到控制場中的DLC中的碼值大于8，也不視為格式錯誤。2.6.2 錯誤狀態(tài)種類 任何節(jié)點始終處于三種狀態(tài)之一，它們分別是主動錯誤狀態(tài)、被動錯誤狀態(tài)和總線關狀態(tài) 。表2-3所示的是節(jié)點的錯誤狀態(tài)和計數值之間的關系。以下對這三種錯誤狀

36、態(tài)的功能做詳細的研究。 表2-3 錯誤狀態(tài)和計數值 主動錯誤狀態(tài)：處于主動錯誤狀態(tài)下的節(jié)點可以正常地參加總線活動。當節(jié)點檢測到錯誤時，向總線輸出帶有主動錯誤標志的錯誤幀。 被動錯誤狀態(tài)：處于被動錯誤狀態(tài)下的節(jié)點，雖能曹家總線活動，但不能積極及時地發(fā)出錯誤通知。處于被動錯誤狀態(tài)下的節(jié)點即使檢測到錯誤，而其它處于主動錯誤狀態(tài)下的節(jié)點沒有檢測到錯誤，整個總線也被認為是沒有錯誤的。處于被動錯誤狀態(tài)下的節(jié)點檢測到錯誤時，向總線輸出帶有主動錯誤標志的錯誤幀。另外，當節(jié)點發(fā)送完一條報文后，不能馬上發(fā)下一條報文，必須在兩條報文之間插入“延遲傳送”。 總線關閉狀態(tài)：節(jié)點不能參見任何總線活動，既不能接收報文也不能

37、發(fā)送報文，在總線關閉狀態(tài)下信息的接收和發(fā)送均被禁止。2.6.3 錯誤檢測規(guī)則 發(fā)送錯誤計數器的計數值和接收錯誤計數器的計數值在一定條件下會變動，通過發(fā)送錯誤計數器的計數值和接收錯誤計數器的技術值的變化來影響節(jié)點的錯誤狀態(tài)，表2-4是錯誤計數器的變動規(guī)則。 表2-4 錯誤計數器的變動規(guī)則2.7 位時序由發(fā)送單元在非同步的情況下發(fā)送的每秒鐘的位數稱為位速率。1位可分為同步段、傳播段、相位緩沖段1和相位緩沖段2，共四個段。它們用于每一位的定時、同步和采樣。2.8 本章小結 本章對CAN2.0B協(xié)議進行了全面的描述，有CAN的報文的發(fā)送，詳細介紹了保溫的一些基本概念。還有CAN報文的接收原理，還通過圖

38、形分析了報文的仲裁過程。最后還分析了報文出錯處理與CAN節(jié)點的錯誤狀態(tài)分類。最后簡單說了CAN的位時序。通過本章，我對CAN協(xié)議進行了詳細的學習，了解了它的基本原理，對下面幾章基于CAN總線的系統(tǒng)設計做了必要的準備。 3電動車窗的硬件設計本章主要闡述電動車窗控制系統(tǒng)的硬件部分的設計，電動車窗控制系統(tǒng)是應用在轎車身控制系統(tǒng)中的一個智能子系統(tǒng)，系統(tǒng)中的各個節(jié)點通過CAN總線進行實時通信，圖3-1簡潔地表示了此系統(tǒng)結構。該系統(tǒng)包括主控制節(jié)點和四個車門控制節(jié)點。對于四個車窗控制節(jié)點來說，其硬件結構和軟件代碼完全一致，本課題只對左前車窗節(jié)點和主控制節(jié)點進行研究。圖3-1 車窗控制系統(tǒng)框圖3.1 主控節(jié)點

39、的硬件設計 主控節(jié)點主要由下面兩個模塊組成，包括對節(jié)點進行智能控制的微處理器模塊和完成車窗節(jié)點和CAN總線連接的CAN模塊，其框圖如圖3-2所示。 圖3-2 主控節(jié)點框圖3.1.1 微控制器介紹 微控制器也被稱為微處理器，是車窗節(jié)點中最重要的部分。他對各個模塊中的數據進行處理來完成對模塊的控制。本課題中所使用的微控制器型號是STC89C58RD。STC89C58RD是宏晶科技公司推出的新一代超強抗干擾、高速、低功耗的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的80C51單片機，12個時鐘為一個機器周期或6個時鐘為一個機器周期任選，最新版本內部集成了復位電路。有很多優(yōu)點：如其內部做了靜電保護處理，具有高抗靜電

40、能力。內部電源供電系統(tǒng)經過特殊處理，具有很強的抗電源抖動能力。其工作的溫度范圍比較寬，在強烈的溫度變化下，也能穩(wěn)定的運行。STC89C58還具有超低功耗的優(yōu)點，在節(jié)能降耗已經成為汽車發(fā)展的大趨勢的背景下更具優(yōu)勢。STC89C58內部嵌有FLASH ROM，支持在系統(tǒng)編程，極大的方便程序的編寫和調試。此外STC89C58還具有高速、高安全性和低價格等特點。其引腳結構如圖3-3所示。 圖3-3 STC89C52的引腳結構圖 引腳功能：VCC：AT89C51電源正極輸入，接+5V電壓。GND：電源接地端。XTAL1：接外部晶振的一個引腳。在單片機內部，它是一反相放大輸入端，這個放大器構成了片內振蕩器

41、。它采用外部振蕩器，引腳應接地。XTAL2：接外部晶振真的一個引腳。在片內接至振蕩器的反相放大器輸出和內部時鐘發(fā)生器輸入端。當采用外部振蕩器時，則此引腳接外部振蕩器信號的輸入。RST：STC89C52的復位信號輸入引腳，高電位工作。ALE/PROG：ALE是“ADDRESS LATCH ENABLE”的縮寫，表示允許地址鎖存允許信號。當訪問外部存儲器時，ALE信號負跳變來觸發(fā)外部的8位鎖存器（如74LS373），將端口P0的地址總線（A0-A7）鎖存進入鎖存器中。在非訪問外部存儲器期間，ALE引腳的輸出頻率是系統(tǒng)工作頻率的1/16，因此可以用來驅動其它外圍芯片的時鐘輸入。當問外部存儲器期間，將

42、以1/12振蕩頻率輸出。EA/VPP：該引腳為低電平時，則讀取外部的程序代碼（存于外部EPROM中）來執(zhí)行程序。此引腳接成高電平使程序運行時訪問內部程序存儲器，當程序指針PC值超過片內程序存儲器地址時，將自動轉向外部程序存儲器繼續(xù)運行。PSEN：此為“Program Store Enable”的縮寫。訪問外部程序存儲器選通信號，低電平有效。在訪問外部程序存儲器讀取指令碼時，每個機器周期產生二次PSEN信號。在執(zhí)行片內程序存儲器指令時，不產生PSEN信號，在訪問外部數據時，亦不產生PSEN信號。P0：P0口（P0.0P0.7）是一個8位漏極開路雙向輸入輸出端口，當訪問外部數據時，它是地址總線（低

43、8位）和數據總線復用。外部不擴展而單片應用時，則作一般雙向I/O口用。P0口沒一個引腳可以推動8個LSTTL負載。P1：P1口（P1.0P1.7）是具有內部提升電路的雙向I/O端口，其輸出可以推動4個LSTTL負載。僅供用戶作為輸入輸出用的端口。P3：P3口（P3.0P3.7）也是具有內部提升電路的雙向I/O端口，他還提供包括串行通信、外部中斷控制、計時計數控制及外部隨機存儲器內容的讀取或寫入控制等功能。在對Flash編程和程序校驗期間，P3還接收一些控制信號。其特殊功能引腳分配如下：P3.0，RXD：串行通信輸入。P3.1，TXD：串行通信輸出。P3.2，INT0：外部中斷0輸入，低電平有效

44、。P3.3，INT1：外部中斷1輸入，低電平有效。P3.4，T0：計數器0外部事件計數輸入端。P3.5，T1：計數器1外部事件計數輸入端。P3.6，WR：外部隨機存儲器的寫選通，低電平有效。P3.7，RD：外部隨機存儲器的讀選通，低電平有效。3.1.2 CAN模塊本課題中的車窗節(jié)點和主控節(jié)點等其它節(jié)點之間的通信信息是通過CAN總線來傳輸的，因此CAN模塊就成為了節(jié)點之間信息交互的窗口。CAN模塊是連接微控制器和CAN總線的通道，它的硬件結構主要由CAN協(xié)議控制器和CAN收發(fā)控制器組成。課題中所采用的CAN協(xié)議控制器是SJA1000，CAN收發(fā)控制器是PCA82C250。下面將詳細研究SJA10

45、00和PCA82C250這兩塊芯片。3.1.2.1 SJA1000芯片SJA1000是一款專門為CAN總線設計的獨立CAN協(xié)議控制器，它由飛利浦公司生產，支持完備的CAN2.0協(xié)議。其引腳結構圖和各個引腳功能表分別如圖3-4和表3-1所示。SJA1000兼容Intel和Motorola兩種模式，由于本課題中與SJA相連接的微控制器STC89C58RD結構，因此本課題中的SJA1000是采用Intel模式。 圖3-4 SJA1000引腳結構圖 SJA1000內部被分成9個功能模塊，其中有2個是用來控制芯片自身正常工作的振蕩器模塊，另外7個是實現CAN2.0協(xié)議的控制模塊，它們分別是接口管理模塊、

46、發(fā)送緩沖模塊、接收緩沖模塊、驗收濾波模塊、位流處理模塊、位時序邏輯模塊和錯誤管理模塊。下面詳細闡述著7個模塊的功能和作用。 接口管理模塊：將來自微控制器的命令解釋成相應模塊的實際動作：向微控制器反饋芯片的狀態(tài)和中斷信息，管理CAN寄存器的尋址操作。發(fā)送緩沖模塊：它是微控制器和位流處理模塊的連接模塊。微控制器把要發(fā)送的一整條報文全部寫入發(fā)送緩沖模塊中，然后位流處理模塊把這一整條報文讀出進行位流處理。發(fā)送緩沖模塊的存儲空間是13字節(jié)。接收緩沖模塊：接收緩沖模塊是驗收濾波模塊和微控制器之間的連接的模塊。它把被確認的報文寫入接收緩沖模塊中，微控制器從驗收模塊中把報文讀取出來。有一點，接收緩沖模塊的存儲

47、空間是64字節(jié)，這64字節(jié)都可以被驗收濾波模塊寫入，但微控制器只能從這64字節(jié)中的一塊固定的13字節(jié)中讀取，這13字節(jié)相當于微控制器訪問的窗口。所以，微控制器讀取一條報文的同時，并不影響接收緩沖模塊接受其它報文。驗收濾波模塊：它把來自位流處理模塊的報文中的標識碼與自身被設定的標識碼相對比，一致，則寫入接收緩沖模塊；否則，丟棄報文。位流處理模塊：它分為發(fā)送塊和接受塊。發(fā)送塊從發(fā)送緩沖模塊讀取報文，并把報文轉換成位流，進行位填充。接受塊執(zhí)行總線上的錯誤檢測、仲裁和錯誤處理。位時序邏輯模塊：監(jiān)測CAN總線，并處理與CAN總線相關的位時序。只要在CAN總線上監(jiān)測到報文傳輸的第一位即總線由隱性位轉換成顯

48、性位，這種位時序處理就進行，即被稱為硬同步。在接收報文的過程中，隨著接收位數的增加，還需要對位時序處理進行調整，即被稱為軟同步。此外，位時序邏輯模塊還提供編程的時間段來補償由于延遲所帶來的位時間的增長和相位漂移。錯誤管理模塊：負責傳輸層各模塊錯誤禁閉的。它接收來自位流處理模塊的錯誤聲明，然后通知位流處理模塊和接口管理模塊進行錯誤記錄。 通過對SJA1000各個功能模塊的研究，我們對基本功能有了具體的了解，SJA1000的工作方式有兩種，一種是Basic CAN，另一種是 Peli CAN，課題中的SJA1000是工作在Peli CAN模式中。以上是對CAN協(xié)議控制器的研究，下面研究CAN收發(fā)控

49、制器。 表3-1 SJA1000引腳功能圖 3.1.2.2 PCA82C250芯片PCA82C250是CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口，該芯片向CAN總線提供差分的輸出電壓，向CAN協(xié)議控制器提供差分接收電壓。該芯片有如下特點：首先，其與ISO11898標準安全兼容；其次，傳輸速率高，可達到1Mbps；再者，它擁有總線保護功能，而且它采用差分接收電路，具有很高的共模抑制比，還有許多電路保護功能。PCA82C250管腳結構如下面圖3-5所示。 圖3-5 芯片PCA82C250引腳結構圖PCA82C250內部結構可分為四大模塊，接收模塊、發(fā)送模塊、保護電路模塊和Rs模塊。接收模塊主要是由差分電

50、路組成，這種設計極大地提高了數據傳輸的正確率。發(fā)送模塊與電路保護模塊、Rs模塊相連，相互協(xié)調發(fā)送數據。保護電路模塊設置了一個限流電路防止發(fā)射極輸出端由于電池的正負電極直接相連接而引起的短路。盡管這種情況下會增加管耗，但會大大增加使用的安全性。如果結溫超過160度時，兩個發(fā)射器輸出端的極限電流將減少。這種輸出結構可以有效防止汽車環(huán)境中的電壓電流瞬間變化所帶來的損害。3.1.2.3 CAN模塊原理圖 微處理器與SJA1000之間的電路連接如圖3-6所示。微處理器與獨立CAN控制器SJA1000相連，負責SJA1000的初始化，并且通過SJA1000實現數據的接收和發(fā)送等通信任務。SJA1000提供

51、地址總線結構，而微處理器80C52可以通過P0、P2口來訪問外部地址總線。在圖3.6中，SJA1000的AD0AD7連接到80C52的P0口。當P2.0為低電平時，微處理器可以通過訪問外部存儲器的方式來訪問SJA1000的寄存器，通過對這些寄存器的讀寫來完成微處理器對SJA1000的控制操作。具體的程序編寫方法，將在軟件部分進行研究。由于處理器是高電平復位，而SJA1000是低電平復位。因此圖3.6的電路圖中將SJA1000和處理器的復位電路分開。在P2.3上接一個小燈作為調試所用。另外，SJA1000接入的晶振是16MHz。 圖3-6 SJA1000與微處理器的接口電路圖 圖3-6實現了SJ

52、A1000與微處理器的連接，從CAN協(xié)議的分層結構上來說，已經完成了“應用層”電路的設計。但是若想輸出CAN總線傳輸所需要的差分信號，還需要“物理層”電路的支持。CAN收發(fā)器PCA82C250與CAN控制器SJA1000的電路連接，既屬于“物理層”。下面進行PCA82C250與SJA1000接口電路的設計，其電路圖如圖3-7所示。 從圖3-7中可以看出，PCA82C250與CAN總線的接口部分采用了一定的安全和抗干擾措施。PCA82C250的CAN-H和CAN-L引腳各自通過一個5歐姆的電阻與CAN總線相連，電阻可起到一定的限流作用，保護PCA82C250免受過流的沖擊。CAN-H和CAN-L

53、引腳與地之間并聯(lián)了兩個30pF的電容，可以起到濾除總線上的高頻干擾和一定的防電磁輻射功能。此外，CAN-H和CAN-L引腳與地之間分別接了個防電擊管，當兩輸入端與地之間出現瞬變干擾時，通過防電擊管的放電而得到保護。另外，圖3-7中的CAN的CAN-H和CAN-L之間接了一個120歐姆的電阻，此電阻起到匹配CAN節(jié)點兩端阻抗的作用。在CAN總線的節(jié)點設計中，此電阻只要加在總線的兩端即可，不需要在每個節(jié)點的兩端都加。在沒有此匹配電阻的情況下，那么CAN總線通信的可靠性大大降低，嚴重時甚至會導致無法通信。在CAN節(jié)點作自收發(fā)接收測試時，必須要用此匹配電阻，否則將無法實現自收發(fā)功能。 圖3-7 CAN

54、收發(fā)器接口電路連接圖3.2 車窗節(jié)點的的設計車窗節(jié)點主要由下面幾個模塊組成，包括對節(jié)點進行智能控制的微處理器模塊、完成車窗節(jié)點和CAN總線連接的CAN模塊、實現對車窗升降器電機驅動的驅動模塊和傳感器模塊。其框圖如圖3-8所示。由于車窗節(jié)點的微處理器模塊和CAN模塊與主控節(jié)點的完全相同，因此本節(jié)主要研究驅動模塊和傳感器模塊的硬件設計。 圖3-8 車窗節(jié)點框圖3.2.1.1 芯片BTS7960本課題中所用的是永磁式直流電機，最高驅動電流高達十幾安，因此用微控制器的輸出端直接驅動是不可能實現的。故需要設計一個驅動模塊，在微控制器的控制下，對電機進行直接控制和驅動。課題當中的驅動模塊是由兩塊半橋市智能驅動芯片BTS7976組成，并且通過反饋電機電流，來獲得電機在車窗玻璃上升或下降過程中的狀態(tài)信息。我們首先研究下芯片BTS79