摘要:研究了CAN总线在汽车EPB系统的应用,设计了一种EPB系统的控制器。通过CAN总线进行数据通信,并给出了控制器关键功能的部分软件及硬件电路,EPB控制器在驻车测试中能有效地驱动EPB系统。
关键词:CAN总线;EPB控制器;通信;STC89LE516RD+;MCP2515-I/SO
中图分类号:TP399文献标识码:B 文章编号:1009-3044(2009)35-10090-02
Design of EPB Controller Based on CAN Bus
CHEN Shou-hong1, CHEN Xiong-wei2
(1.Shenzhen Jian Technology CO., LTD, Shenzhen 518038, China; 2.Shenzhen Municipal Administration Bureau of Organization Affairs, Shenzhen 518035, China)
Abstract: The application of CAN Bus in the EPB system of automobile is studied here and designs the controller of EPB system. The data communications with CAN Bus and partial software and hardware of main function is provided. EPB controller can effectively drives EPB system in the electric park brake test.
Key words: CAN Bus; EPB controller; communication; STC89LE516RD+; MCP2515-I/SO
控制器局域网(Controller Area Network,CAN)是一种多主的串行数据通信总线,能效地支持高安全等级的分布实时控制,广泛应用于自动化电子领域的汽车内部网络系统。通过对CAN总线在汽车电子系统中的应用研究,设计了基于CAN总线的EPB控制器,属于EPB系统的按钮控制开关部分,可替代原厂器件,具有低功耗,针对性强,携带方便适用于多种场合等特点。
1 EPB控制器的原理与功能
1.1 硬件原理及作用
电子驻车制动(EPB,Electric Park Brake)是指将行车时的制动和停车时的制动功能整合在一起,并且由电子控制方式实现停车制动的技术。系统包含按钮控制开关、电子控制单元(ECU)及制动器三部分。当需要驻车制动时,EPB的控制按钮被按下,按钮操作信号反馈给电控单元,由控制器经过逻辑判断后,通过与整车控制器局域网(CAN)通讯,送出控制信号到制动器,由制动器的电机实行制动。设计的EPB辅助控制器属于EPB系统的按钮控制开关部分。EPB 的控制器通过监测按钮控制开关的状态,通过CAN-BUS与汽车ECU通信,对ECU发送松开刹车皮与闭合刹车皮信号,对汽车实现启动、停车功能的原理框图如图1所示。
1.2 硬件支持的主要功能
1) 通过按键控制来执行松开刹车皮(OFF)与闭合刹车皮(ON);
2) 与EPB系统的通信不成功,指示灯指示通信故障;
3) 通过单片机的串行口可以与PC机USB接口进行通信,从而完成数据交换,下载程序,及辅助器软件升级;
4) 支持CAN Bus协议。
2 硬件电路及接口电路的设计
2.1 硬件电路的总体框架
该辅助器硬件系统主要包括以下模块:STC89LE516RD+处理器[2]、LED显示、按钮、CAN通信模块与汽车OBDII接口、PC通信模块与USB接口、复位及电源电路。总体框图如图2所示。
2.2 主控STC89LE516RD+及其扩展电路
设计中MCU采用的是STC公司的STC89LE516RD+单片机[2],它采用具有与MCS-51指令集完全兼容的8051内核,64K 的Flash 存储器,1280字节的RAM。同时具有低价、低功耗、高速可靠等特点,并且在一个芯片内集成了ISP/IAP,在系统可编程/在应用可编程,无需编程器/仿真器,为以后的软硬件升级提供方便。单片机主要负责上层应用以及系统控制,包括CAN协议的应用层协议的实现,协调各芯片系统设备的工作。芯片及扩展电路图如图2所示。图中P1.4、P1.5、P1.6、P1.7连接CAN控制器的SPI接口,采用软件模拟SPI时序实现通信。P3.2连接CAN控制器的中断请求。
电路中左右二个按钮分别是EPB系统OFF/ON的信号输入端,也是唯一的人机互动界面,是EPB辅助器判断产生ON/OFF信号的依据。
LED指示电路选用的三个不同颜色的LED灯对应ON、OFF、SET。显示EPB系统的状态。按下ON键,发送闭合刹车皮命令,ON灯每秒闪5次,OFF灯灭。按下OFF键,发送松开刹车皮命令,OFF灯每秒闪5次,ON灯灭。SET灯具有多种状态亮灯,分别表示EPB通信故障、没有故障、发送命令等意义。
2.3 CAN通信电路
CAN通信电路设计包括CAN 控制器与MCU的接口电路和CAN总线收发器与物理CAN总线的接口电路。电路中选取了Microchip公司的CAN控制器MCP2515-I/SO以及MCP2551T-I/SN总线收发器[3]。MCP2515-I/SO是应用于汽车和一般工业环境的独立CAN控制器,负责处理数据帧,完成数据的打包、解包,错误界定,并提供报文缓冲和传输滤波,具有CAN高性能通信协议所要求的全部必要特性,通过SPI接口与单片机相连,实现ECU与微处理器之间的数据传输。该器件主要由三个部分组成:1) CAN模块,包括CAN协议引擎、验收滤波寄存器、验收屏蔽寄存器、发送和接收缓冲器;2) 用于配置该器件及其运行的控制逻辑和寄存器;3) SPI协议模块。
MCP2551T-I/SO为CAN控制器和物理总线之间的接口,主要是接口电平的转换,接口电气特性的处理,可以用高达1Mb/s的速率在2条有差动电压的总线电缆上传输数据。TXD和RXD引脚分别发送经过驱动后的发送和接收信号。CAN通信电路的主要功能是完成汽车CAN总线与单片机之间的通信,如图4所示。
3 系统的软件设计
3.1 软件的功能与设计
本系统软件的功能是使EPB控制器接入汽车的OBDII诊断座控制汽车刹车皮的松开与闭合,从而构成汽车完整的EPB系统。采用模块化的设计方法,软件设计大体分为四个部分:一部分为硬件初始化,其中包括单片机的初始化和CAN控制器的初始化。二部分为CAN数据通信程序,包括数据的发送和接收。三部分为串行口数据通讯程序。四部分是键盘与LED显示程序。MCU的程序采用C语言编写,方便的调试和以后的升级。系统的程序主要完成系统硬件的初始化、设置系统时钟和功能寄存器,扫描链路判断是否能进行CAN总线通信、调用键盘处理程序,完成不同的功能,如根据按键功能转入相应的服务程序,调用CAN数据通信程序完成控制功能。软件设计流程图如图5所示。
3.2 CAN通信程序
CAN通信程序完成系统的通信任务[4-5],是整个系统软件的核心程序,主要包括三个部分:CAN初始化、数据发送和数据接收。MCP2515-I/SO在正常工作之前,必须进行初始化,包括设置CAN总线通信波特率、MCP2515-I/SO的接收过滤器和屏蔽器以及设置发关和接收中断允许标志位等。通过SPI接口初始化,首先应使器件进入配置模式,对寄存器进行初始化操作后,再切换到正常模式。
CPU发送程序把需要发送的数据帧送到CAN的发送缓冲区,启动RTS发送命令后,即可将数据发送到CAN总线上,数据信息从CAN控制器发送到CAN总线是由CAN控制器自动完成的。
接收数据是CPU通过SPI接口来读取接收缓冲器里的数据。MCP2515-I/SO采用中断模式进行CAN总线数据的接收,当配置MCP2515-I/SO到正常模式后,MCP2515-I/SO接收缓存器收到数据,INT引脚将产生中断以通知单片机,其响应中断后读取数据。读取数据操作时,CPU在向MCP2515-I/SO提供时钟脉冲SCK的同时,先把读命令和数据发送到SI引脚,在时钟SCK的上升沿,命令和数据通过SI脚送入MCP2515-I/SO,在时钟SCK的下降沿,通过SO引脚把数据送出。CAN通信模块的发送和接收数据流程图6,图7如下。
4 结束语
在现代汽车的设计中,基于CAN总线的先进电气装备、控制系统的应用越来越多,本系统在AUDI A6进行了试验,实现了与汽车ECU的通信及松开刹车片、闭合刹车片的判断与操作。基于CAN总线的EPB控制器设计,具有成本低、操作方便,抗干扰能力强,可广泛适用于车主、维修人员,具有广阔的应用前景。
参考文献:
[1] 崔玥.基于CAN总线的电子驻车制动系统[D].吉林大学硕士学位论文,2007:12-13.
[2] 宏晶科技.STC89C51RC/RD系列单片机器件手册[Z].2007.
[3] Microchip Technology lnc.MCP2515 Data sheet[Z].2005.
[4] 殷洪波.CAN总线智能节点设计[J].电子测量技术,2008,31(11):137-138.
[5] 冯辉宗.汽车ECU标定系统CAN驱动模块的实现[J].微计算机信息,2008,24(4-2):248-249.
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