【基于CANOpen協(xié)議的汽車電子通信系統(tǒng)】通信系統(tǒng)相關(guān)的業(yè)務(wù)和協(xié)議

　　摘要：CANopen是基于CAN(Controller Area Network)總線的應(yīng)用層協(xié)議，本文通過對CANopen協(xié)議設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)和核心內(nèi)容的分析，給出了基于該協(xié)議的汽車電子通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案。 通過CAN硬件接口的設(shè)計(jì)和DLL模塊實(shí)現(xiàn)了利用CANopen通信模型構(gòu)造汽車電子通信系統(tǒng)的基本框架模型，總結(jié)了CANopen協(xié)議的在本方案中的優(yōu)缺點(diǎn)和適用性。
　　關(guān)鍵詞：CAN；CANopen；LIN；OD
　　中圖分類號(hào)：TP393.04 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A
　　
　　1 概述
　　
　　CANopen［1］協(xié)議集定義基于CAN的分布式工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)以及CAN應(yīng)用層通信標(biāo)準(zhǔn)。CANopen是CAN-in-Automation(CiA)定義的標(biāo)準(zhǔn)之一，并且在發(fā)布后不久就獲得了廣泛的承認(rèn)。尤其是在歐洲，CANopen被認(rèn)為是在基于CAN的工業(yè)系統(tǒng)中占領(lǐng)導(dǎo)地位的標(biāo)準(zhǔn)。CANopen協(xié)議集基于所謂的“通信子集”，該子集規(guī)定了基本的通信機(jī)制及其特性，如圖1。
　　應(yīng)用層（Application layer）：為網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)有效設(shè)備都能夠提供一組有用的服務(wù)與協(xié)議。
　　通訊描述（Communication profile）：提供配置設(shè)備、通訊數(shù)據(jù)的含義，定義數(shù)據(jù)通訊方式。
　　設(shè)備描述（Device proflile）：為設(shè)備（類）增加符合規(guī)范的行為。
　　CANopen主要應(yīng)用在汽車、工業(yè)控制、自動(dòng)化儀表等領(lǐng)域，目前由CIA負(fù)責(zé)管理和維護(hù)。
　　
　　2CANopen協(xié)議設(shè)計(jì)的實(shí)質(zhì)
　　
　　CAN處于OSI網(wǎng)絡(luò)模型中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，而CANopen是基于CAN的應(yīng)用層，因?yàn)楝F(xiàn)場總線通常只包括一個(gè)網(wǎng)段，因此不需要第3層(傳輸層)和第4層(網(wǎng)絡(luò)層)，也不需要第5層(會(huì)話層)、第6層(描述層)的作用。正是因?yàn)橛辛薈ANopen這樣應(yīng)用層協(xié)議的存在，從而使CAN總線成為了一個(gè)更加完善的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
　　CANopen協(xié)議在設(shè)計(jì)的時(shí)候，對總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行了分類，即每一個(gè)傳輸數(shù)據(jù)都是某一特定類的對象，從而實(shí)現(xiàn)了面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)。在CANopen中每一類傳輸對象都有其規(guī)范化的格式，從而實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用層結(jié)構(gòu)上的統(tǒng)一。這樣無論從規(guī)范化角度，還是從模塊化程序設(shè)計(jì)角度講，CANopen協(xié)議都是一個(gè)設(shè)計(jì)比較完善的協(xié)議，圖2是CANopen 內(nèi)核［2］。圖2CANopen master kernel在CANopen協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸中共定義了4類對象(通訊模式)［3］，分別為管理對象(NMT)、服務(wù)數(shù)據(jù)對象(SDO)、過程數(shù)據(jù)對象(PDO)和特殊功能對象。其中NMT用來傳遞主節(jié)點(diǎn)對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的管理信息，SDO用來傳遞網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的配置信息，PDO用來傳遞過程數(shù)據(jù)信息(例如電壓的變化值)，特殊功能對象包括同步對象(SYNC)、緊急對象(Emergency)、時(shí)間基準(zhǔn)(Time-Stamp)等。各類對象傳輸時(shí)的幀格式在參考文獻(xiàn)中有詳細(xì)的規(guī)定，在這里就不詳細(xì)介紹。在實(shí)際的工程中用戶只要根據(jù)需要，按照類的規(guī)定把要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)映射到相應(yīng)的對象中就可以了。
　　
　　3CANopen協(xié)議中的核心內(nèi)容
　　
　　為了對各類對象進(jìn)行規(guī)范化和方便的管理，在CANopen協(xié)議中定義了對象字典的概念。它是一個(gè)有序的對象組，其中定義了一個(gè)設(shè)備的所有信息，在CANopen網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中每一個(gè)設(shè)備都要有一個(gè)唯一的對象字典，每個(gè)設(shè)備的對象字典具有結(jié)構(gòu)相同、內(nèi)容不同的特點(diǎn)。通過對對象字典中的對象定義一個(gè)唯一的16位主索引和8位子索引，就可以方便地訪問對象字典中的對象。CANopen協(xié)議中定義了通用的對象字典結(jié)構(gòu)，其中規(guī)定了各種數(shù)據(jù)在對象字典中的位置區(qū)域。在我們建立設(shè)備對象字典的時(shí)候，主要工作應(yīng)集中在定義通訊子協(xié)議區(qū)域(1000~1FFF)和制造商特定子協(xié)議區(qū)域(2000~5FFF)部分［4］。
　　在整個(gè)CANopen協(xié)議中，對象字典起到了連接DLL模塊(通訊接口)和應(yīng)用程序的作用。我們要想把一個(gè)應(yīng)用程序中的數(shù)據(jù)(如I/O的輸入值)送到CAN總線上，我們首先要確定這個(gè)數(shù)據(jù)屬于對象字典中的哪一類對象(例如I/O口的輸入值應(yīng)為過程數(shù)據(jù)對象)，然后用DLL模塊訪問對象字典中相應(yīng)的對象，并把其按照相應(yīng)的幀格式發(fā)送到CAN總線上去，從而完成了數(shù)據(jù)的傳輸。
　　
　　4汽車電子通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
　　
　　4.1汽車網(wǎng)絡(luò)方案
　　對于CAN在汽車上的應(yīng)用，具有很多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或者是國際標(biāo)準(zhǔn)，比如國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（International Organization for Standardization）的ISO11992、ISO11783以及汽車工程協(xié)會(huì)（Society of Automotive Engineers ）的SAE J1939。CAN總線已經(jīng)作為汽車的一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備列入汽車的整體設(shè)計(jì)中［5］。
　　通過圖3［6］可以看到，藍(lán)色較粗線代表CAN總線，它連接了傳動(dòng)裝置控制單元、燈控單元、門控單元、座椅控制單元以及儀表盤控制單元等等。紅色較細(xì)線代表LIN總線，由LIN總線構(gòu)成的LIN網(wǎng)絡(luò)作為CAN網(wǎng)絡(luò)的輔助網(wǎng)絡(luò)，連接了車窗控制單元、雨刷控制單元、天窗控制單元等低速設(shè)備。
　　LIN網(wǎng)絡(luò)［7］（Local Interconnect Network），由汽車廠商為汽車開發(fā)，作為CAN網(wǎng)絡(luò)的輔助網(wǎng)絡(luò)，目標(biāo)應(yīng)用在低端系統(tǒng)，不需要CAN的性能、帶寬以及復(fù)雜性。LIN的工作方式是一主多從，單線雙向低速傳送數(shù)據(jù)（最高20K位/），與CAN相比具有更低的成本，且基于UART接口，無需硬件協(xié)議控制器，使系統(tǒng)成本更低。
　　4.2系統(tǒng)中CAN硬件接口設(shè)計(jì)
　　在汽車中ECU的設(shè)計(jì)，應(yīng)該首先從安全的角度來考慮，對于關(guān)鍵控制部分如：汽車引擎、剎車裝置、安全氣囊等單元應(yīng)該采用分散式控制；而對于那些與安全無關(guān)的單元如：燈控單元、門控單元、座椅控制單元等出于成本的考慮可以采用CAN與LIN混合的集中控制方式。圖4給出ECU結(jié)構(gòu)圖。
　　4.3DLL模塊的實(shí)現(xiàn)
　　MB90F543具有兩個(gè)CAN控制器分別為CAN0和CAN1，我們只用CAN0，這樣CAN1可以在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)使用。CAN控制器具有如下的特點(diǎn)［8］：
　�。�1）符合規(guī)范CAN2.0A和CAN2.0B；
　�。�2）支持通過接收遠(yuǎn)程幀發(fā)送數(shù)據(jù)；
　�。�3）16個(gè)收、發(fā)緩沖區(qū)，每個(gè)緩沖區(qū)都具有29比特ID和8字節(jié)數(shù)據(jù)，多級緩沖配置；
　�。�4）每個(gè)緩沖區(qū)支持標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀的多種過濾方式；
　�。�5）波特率可從10Kbit/s到1Mbit/s。
　　在我們系統(tǒng)中使用規(guī)范CAN2.0A，波特率為125k/s，并且為每類消息分配了一個(gè)獨(dú)立的緩沖區(qū)，這樣做可以減少中斷程序的處理時(shí)間，從而提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。
　　
　　5結(jié)束語
　　
　　汽車電子設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化是組成車載監(jiān)控系統(tǒng)的一個(gè)重要條件，同時(shí)也是車載設(shè)備發(fā)展的一個(gè)重要方向。CANopen協(xié)議作為CAN總線的應(yīng)用層協(xié)議，在車輛領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。本文通過把車載平臺(tái)做成符合CANopen協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化裝置，從而增強(qiáng)了設(shè)備的可擴(kuò)展性，同時(shí)也提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕�可以滿足現(xiàn)代化應(yīng)用環(huán)境中的實(shí)際需求。
　　
　　參考文獻(xiàn)
　　［1］www.can-cia.de.
　�。�2］ www.省略.
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　�。�4］CiA Draft Standard Proposal DSP 402, Version 1.0 Device Profiles Drives and Motion Control.
　�。�5］ CANopen application profile for lift control systems CiA DSP 417.
　�。�6］ M. Cheng, et al. Design and implementation of a braincomputer interface with high transfer rates IEEE Trans. Biomed. Eng., 2002，49：pp.1181-1186.
　�。�7］CiA DSP-401,Version 1.4,Dec 1996.
　　［8］CANopen high-level protocol for CAN-bus H.Boterenbrood NIKHEF,March 20,2000.
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