1? 前言

隨著汽車電子技術及網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展，人們對汽車安全性、可靠性的要求也越來越高，為了解決由汽車電子元器件的增加而帶來的通信問題，這就要求采用一種高速、多路、共享的汽車通信網(wǎng)絡。

目前，已經(jīng)開發(fā)出多種總線，如CAN（Controller Area Network）控制器局域網(wǎng)[1]，LIN（Local Interconnect Network）局域互聯(lián)網(wǎng)[2]，F(xiàn)lexRay，Most等。但CAN和LIN構成目前汽車上最廣泛的總線形式。

2? CAN總線介紹

20世紀80年代末，德國博世公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多控制單元、測試儀器之間的實時數(shù)據(jù)交換而開發(fā)了一種串行通信協(xié)議CAN[1]，并使其成為國際標準（ISO11898）。到目前為止，世界上已擁有20多家CAN總線控制器芯片生產(chǎn)商，110多種CAN總線協(xié)議控制器芯片和集成CAN總線協(xié)議控制器的微控制器芯片。

CAN總線由于采用了獨特的設計和新的技術，與一般的通信總線相比，它具有突出的可靠性、實時性和靈活性。CAN采用多主工作方式，成本低，且具有極高的總線利用率；CAN總線具有可靠的錯誤處理和檢錯機制，采用短幀結構，傳輸時間短，受干擾的概率低；采用非破壞性總線仲裁技術，節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動退出功能。

3? LIN總線介紹

1998年，Audi、Motorola、BMW、DaimlerChrysler 、VCT、Volvo和Volkswagen七家公司聯(lián)合提出了新型A類總線[3-5]——LIN（Local Interconnect Network）。LIN是一種低成本短距離的低速網(wǎng)絡，它旨在傳送開關設置和傳感器輸入等狀態(tài)的變化，并對這種變化做出響應，因此它只適用于對傳送時間要求不高的低速事件，并不適用于發(fā)動機控制等高速事件。

LIN總線有其獨特的特點，它成本低，基于通用的UART/SCI接口；LIN的傳輸速率可高達20Kb/s，總線長度最大可以達到40m；采用單主多從模式，不需要總線仲裁；在從節(jié)點中不需要晶體振蕩器和陶瓷振蕩器時鐘就能實現(xiàn)自同步：可預先計算確定性信號的傳播時間；無需改變LIN從節(jié)點的硬件和軟件就可以在網(wǎng)絡上增加或刪除節(jié)點等。

3整車系統(tǒng)通信網(wǎng)絡設計

整車系統(tǒng)通信網(wǎng)絡以CAN總線為主，LIN總線為輔，CAN和LIN在汽車通信網(wǎng)絡中相互結合應用共同構架汽車整車系統(tǒng)通信網(wǎng)絡。汽車上各個控制系統(tǒng)對網(wǎng)絡信息的傳輸延遲比較敏感，如發(fā)動機控制、變速箱控制、安全氣囊控制、ASR/ABS/ESP控制、牽引力控制等對網(wǎng)絡信息傳輸?shù)膶崟r性要求較高，需要采用高速CAN總線，其傳輸速率高達500kbps～1Mbps；空調(diào)控制、儀表控制、雨刷控制、照明控制、門窗控制等需要采用低速LIN總線，其傳輸速率為20kbps。低速LIN總線對信息傳輸?shù)膶崟r性要求不高，但子系統(tǒng)數(shù)量較多，將這些低速子系統(tǒng)與高速子系統(tǒng)分開，有利于保證高速子系統(tǒng)的實時性，同時還可以降低成本?；谏鲜隹紤]，汽車整車CAN/LIN總線網(wǎng)絡拓撲結構圖如圖1所示。

CAN和LIN總線相互獨立，通過主控制器（CAN/LIN網(wǎng)關）進行數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)交換。主控制器也是整車管理系統(tǒng)的核心，它的主要功能就是分析處理各種信息并發(fā)出指令，還起到協(xié)調(diào)汽車各個控制單元及電器設備工作的作用。

4 系統(tǒng)軟硬件設計

4.1? CAN/LIN接口設計

CAN/LIN網(wǎng)絡中有很多的CAN節(jié)點和LIN節(jié)點，它們通過一個CAN/LIN接口網(wǎng)關實現(xiàn)CAN/LIN網(wǎng)絡之間的數(shù)據(jù)通信。CAN/LIN總線接口設計如圖2所示，通過CAN/LIN總線的接口，CAN、LIN數(shù)據(jù)通過中央控制器可以相互轉換，當LIN數(shù)據(jù)幀需要傳輸?shù)紺AN網(wǎng)絡時，控制器網(wǎng)關收到LIN總線數(shù)據(jù)幀后就會將LIN標志符轉換成CAN標志符，這樣數(shù)據(jù)就從LIN總線傳輸?shù)搅薈AN總線，反之數(shù)據(jù)也可以從CAN總線傳輸?shù)絃IN總線。

圖2 汽車CAN/LIN總線網(wǎng)絡拓撲結構圖

4.2? CAN通信網(wǎng)絡硬件設計

圖3為CAN總線通信接口卡電路原理圖，系統(tǒng)采用P87C591芯片作為主控制器。電控單元的微控制器（P87C591）通過數(shù)據(jù)總線經(jīng)過光電隔離器（6N137）與CAN總線控制器（SJA1000）直接相連。CAN總線控制器帶有一個接收緩沖器和一個發(fā)送緩沖器，CAN總線控制器的發(fā)送端口Tx0，接受端口Rx0、Rx1分別與CAN總線發(fā)送接收器的TxD、RxD、Vref端口直接相連，CAN總線的兩條差分接收發(fā)送線CAN_L和CAN_H各接一個120 的總線匹配電阻。當CAN總線被某個節(jié)點占用的時候，該節(jié)點的發(fā)送端接CAN_H，電平為3.5V，接收端接CAN_L，電平為1.5V，當CAN總線空閑時，CAN_H和CAN_L上的電平均為2.5V。

圖3 CAN總線節(jié)點電路原理圖

系統(tǒng)采用PCA82C250作為CAN控制器P87C591和物理層總線間的接口，提供對總線發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。使用PCA82C250還可以提高系統(tǒng)得抗干擾能力，保護總線，降低射頻干擾，實現(xiàn)熱防護等。

為了進一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，選用高速光電隔離芯片6N137構成隔離電路，將微控制器P87C591的I/O信號與SJA1000隔離，以提高系統(tǒng)的可靠性。

4.3 LIN通信網(wǎng)絡硬件設計

圖4 LIN總線節(jié)點電路原理圖

圖4為LIN總線節(jié)點電路原理圖，LIN節(jié)點的硬件接口電路主要包括微控制器P87LPC76X，LIN收發(fā)器MC33399和電源調(diào)整電路。P87LPC76X采用80C51加速處理器結構，指令執(zhí)行速度是標準80C51MCU的2倍。微控制器由TX0向MC33399的TXD發(fā)送數(shù)據(jù)，MC33399的RXD向微控制器的RX0發(fā)送數(shù)據(jù)。該電路采用Wake引腳輸入開關喚醒方式，其中5V外部穩(wěn)壓器是可控的。由于該電路內(nèi)部在LIN引腳與電源引腳集成了電阻和串聯(lián)二極管，所以總線從節(jié)點不需要其它外置元件。但對于主節(jié)點，則必須在外部增加 的電阻，并且要串聯(lián)一個二極管以防止電池斷電時MC33399通過總線供電。

4.3 CAN/LIN總線軟件設計

CAN通信接口模塊程序主要包括三部分：初始化子程序、發(fā)送子程序（包括中斷服務程序）和接收子程序。程序開始時即進入程序初始化，進入初始化程序有三種方式：一是硬件復位；二是軟件復位；三是上電復位。初始化程序會對所有的報文對象進行初始化操作（所有值設置為0）。初始化結束之后，程序開始讀取開關狀態(tài)，進入CAN發(fā)送子程序，在CAN發(fā)送子程序中，只有當發(fā)送緩沖器為空時才可以發(fā)送數(shù)據(jù)，否則將會等待直到發(fā)送緩沖器為空。接收子程序從接收緩沖器中讀取接收數(shù)據(jù)，經(jīng)程序處理后即可接收。

LIN通信接口模塊程序也主要包括三部分：LIN初始化子程序、發(fā)送子程序（包括中斷服務程序）和接收子程序。在初始化階段，對LIN收發(fā)器進行配置并將協(xié)議處理其變量賦初值。同CAN主節(jié)點軟件發(fā)送子程序一樣，只有在發(fā)送緩沖器為空時才可以發(fā)送數(shù)據(jù)。中央控制器節(jié)點是LIN總線的主節(jié)點，其他的都為從節(jié)點，所有的LIN幀都由主節(jié)點發(fā)送，且主節(jié)點負責LIN節(jié)點的監(jiān)控和管理。

4? 結論

目前，CAN總線作為一種可靠的汽車計算機網(wǎng)絡總線已經(jīng)在許多汽車上得到應用，并且我國許多的學者和廠家也都在研究開發(fā)國產(chǎn)的CAN總線。與CAN相比，LIN的成本較低，可作為低速CAN總線的替代產(chǎn)品，在汽車總線控制中也得到了應用。

本文創(chuàng)新點：設計了基于CAN/LIN總線的車身網(wǎng)絡控制系統(tǒng)，完成了CAN總線、LIN總線的硬件設計，以及CAN/LIN網(wǎng)關的接口設計，并且設計了CAN/LIN總線的通信軟件。