1. 研究目的与意义（文献综述）

1 设计的目的及意义

1.1 CAN总线国内外研究现状

近年来，人们对于CAN总线网络的应用越来越关注。现代汽车大多采用CAN总线技术来减少线束并使用电子系统控制车辆，极高的提升了电子系统的可靠性和可维护性。CAN总线技术在车载电子系统上的应用正在被越来越多知名的汽车公司所青睐，并且越来越多的汽车制造商也都参与到了CAN总线的研究和使用之中。

A. A. Salunkhe，Pravin P Kamble等人在印度的一次IEEE电子信息通信技术最新趋势国际会议上就系统描述了使用CAN总线的三个节点之间的通信。其中两个节点旨在获取车辆参数信息，例如速度，发动机温度和制动状态测量。两个节点通过CAN总线传输其感测到的数据。第三节点从CAN总线接收数据并将其显示在GUI（图形用户界面）上，充当服务器，以便用户或所有者可以远程获取此类参数的信息^[1]。而新西兰奥塔哥理工学院工程和设计中心研究所Ziming Qi, Nicholas Sargeant等人更是提出了一种具有多层通信网络的平板电脑控制的4轮独立驾驶和独立转向（4-WIDIS）电动汽车（EV）的新颖设计。平板电脑充当人机界面（HMI），并通过蓝牙和CAN总线连接这两个接口的网关，为各个轮对执行EV操作及控制计算^[2]。西班牙科尔多瓦大学的J.M.Flores, M.Ortiz-Lopez等人也提出了一种完整的CAN BUS硬件和软件平台，并且他们所提出的系统设计已经得到了实现以及实验上的验证^[3]。

在应用于汽车领域的CAN总线技术研究及应用设计方面，不仅欧美印度等国学者取得了大量研究成果，而且中国高校及研究机构也做出很多尝试，收获颇丰。山东省科学院汽车电子技术自动化研究所山东省重点实验室的陈伟、王子学等人以及山东大学电气工程学院的张云就曾在第二届国际计算机应用与系统建模会议上提出了基于CAN总线的汽车报警总线测试系统的设计与实现，并且所设计的系统完全满足了汽车报警器功能测试的时间限制。在实际应用中，该系统具有完整的功能，良好的稳定性，友好的软件界面等功能，在生产过程中起着举足轻重的作用^[4]。吉林大学计算机科学与技术学院,的李广鑫、秦贵和等人基于CAN网络, 设计并实现了一个CAN网关的基本原型，该原型设备能实现子网内部通信的隔离, 有效降低网络流量;支持子网间通信信息的协议转换, 路由转发, 以实现子网间的通信;并能在CAN总线的基础上实现网路控制、差错控制和实时控制等功能。使汽车更方便, 高效地行驶^[5]。华中科技大学机械科学与工程学院的沈瑶，李小清，周云飞三人提出一种基于CAN 总线的电动车控制系统设计方案，该控制系统能提高电动车控制系统间的通信可靠性，实现电池管理系统、电机控制器、充电机和整车控制器的实时通信和集中管理，使电动车运行更加实时和稳定^[6]。陕西西安武警工程学院傅民仓,冯立杰,袁俊飞三人介绍了一种基于CAN 总线的数据采集与控制系统，该系统具有灵活方便、可靠性好、通信速率高、抗干扰能力强、通信出错检测等特点, 是自动化数据采集与控制系统一个很好的解决方案^[7]。

当前，世界上很多的汽车制造企业已经开始运用CAN总线技术，进展较快的有ROYCE、BMW及BENZ等汽车制造企业，这些企业均在国际上享有盛名；而在国内大众途观、帕萨特等也开始运用CAN总线技术。从当前运用CAN总线技术实况看，人们倾向于将CAN总线技术划分成高速、低速等两个层次进行，其中高速范围250kbps-1Mbps，运用最多处在ABS、发动机以及变速箱等部位，而这些部位有个相同共性便是对实时性要求较高；低速总线速度维持在10kbps-125kbps范围内，运用最多的地方在车身控制模块中^[8]。CAN通信协议的总线技术由于其显著的特点，已经成为国际上广泛使用在汽车内部测量与执行部件之间的总线方案，并且获得了飞利浦、西门子、摩托罗拉等公司的支持^[9]

对于CAN技术在国产合资轿车上的应用，之前已有与世界同步推出的上海大众POLO小型车。从技术角度上讲，POLO在同级别车中没有竞争对手。POLO车采用的部分先进技术有:发动机控制系统、自动变速箱、ABS系统、安全气囊、舒适电子系统等之间通过CAN总线实现的通讯联系，该技术的采用拓展了许多控制功能^[10]。对于CAN技术在车身控制方面的应用，国内的安凯汽车股份公司曾做了一些有意义的探索。该公司和创源公司携手在国内率先推出了超豪华型高级网络化客车。安凯HFF6890K 17豪华客车在没有用网络化技术之前线束重量120多公斤，线长2100多米，采用网络化技术后，线束重量仅十几公斤、线长仅200多米，省去了所有的继电器、保险丝^[11]。此外，孙国栋，于士军运用CAN总线技术设计并实现了一种汽车蓄电池低压报警系统设计，实现了低电压报警，避免了汽车电池的低电压造成的危险和经济损失^[12]。长安大学周靖提出了基于CAN总线多功能养护车电子控制系统的设计研究,对多功能养护车向智能化方向发展具有一定的意义^[13]。

总的来说，我国在CAN总线的研究与应用方面起步比较晚，而在工程应用几乎是空白，目前都处于研究的初级阶段，还没有拿出产品化的成果。由于这些研究还刚刚处于起步阶段，故而目前的研究重点都集中在动力系统(发动机、自动变速器、电机、电池、仪表等)的CAN通信上，还没有精力针对汽车车身的电子控制部件进行CAN总线的应用研究^[14]。综上所述，我国在CAN 总线研究应用方面起步较晚，国内一些由外国设计的轿车开始使用电子控制网络，但核心技术在外国人手中。国内汽车总线技术的自主开发正在兴起，但还都处在研究阶段。目前CAN总线技术在我国汽车工业中的应用尚处于试验和起步阶段，绝大部分的汽车还没有采用CAN总线技术来对汽车进行相应的设计以及运用。因此自主研发支持CAN规范的汽车电子产品并使之尽快产业化，缩短同国外汽车技术水平的差距，提高自身竞争力势在必行。

1.2 设计的目的

一方面，随着汽车的工业化建设在优化发展的进程中不断前进，由于交通事故所造成的人员伤亡数量并未有所缓解，这在很大程度上导致了严重的经济损失。通常来说，司机在行车过程中会由于种种的因素而无法更多地了解到当前车身状态或者比较容易疏忽一些细节问题而导致不必要的麻烦。比如一些常见的现象，停车离开后会忘记关掉车灯，造成电力资源的耗费甚至于车内蓄电池电量耗完而造成车辆的无法启动；又或者上车后时常忘了系上安全带造成一定的行车安全隐患。同时，除了以上这些易疏忽的小细节之外，还需要对车辆灯丝进行检测，发动机水温过高等车辆内部信息进行安全提示或报警，但因受视野限制，驾驶员常常不能及时发现仪表、报警指示灯的异常指示, 使得汽车故障扩大乃至造成交通事故^[15]。为此, 设计了简单实用的汽车多功能报警器，以实现安全行车的要求。

另一方面，在20世纪80年代中期国际上发展起来的一种崭新的工业控制技术即现场总线控制系统（FCS）极大地简化了传统控制系统繁琐复杂且技术含量低下的布线工艺，使其控制单元的分布和系统检测更趋于合理，使其原来基于设备来选择控制和通信的方式转变为基于网络来选择设备^[16]。随着Internet（互联网）和Intranet（内联网）的迅速发展，现场总线控制技术越来越显示出其传统控制系统无可替代的优越性。现场总线控制技术已成为工业控制领域中的一个热点^[17]。而在当前，现场总线有许多种类，几种有影响的总线为:基金会现场总线、Lonworks, PROFIBUS, CAN, HART等，由于CAN(Controller Area Network)总线最初是针对汽车提出的，故在汽车领域，可以说CAN总线占据着核心地位^[6]。但是由于我国在汽车电子方面的研究起步较晚,虽然总线标准已推出很多年,但我国对应用于汽车领域协议的研究仍需更多的关注和投入。

基于以上两个方面的考虑，同时当前国内对于CAN总线在车用多功能报警器方面的研究也比较少，为了解决以上两方面所存在的现象提出了基于CAN总线车用多功能报警器设计与实现，通过该设计不但提出了一种通过单片机并且结合CAN总线技术实现一个简单而又实用的车用多功能报警器，而且通过设计过程的实践学习达到对CAN总线技术一定的了解并探讨其在车用多功能报警器设计方面更多的应用。

1.3 设计的意义

对于传统的电子控制系统来讲, 其控制器和执行机构之间一般采用一对一、点对点的连接模式, 系统的可靠性不高、扩展性差并且占用了大量空间，而通过采用国际上先进的CAN总线技术，面向汽车车身控制系统研制开发的总线网络电子产品。不光可以提高司乘人员的舒适程度，同时还解决了复杂的线束问题。汽车线路的简化，减少了线束连接的复杂性，使传感器信号线减至最少，控制单元可做到高速数据传输^[18]。而汽车部件数量减少，可靠性能增加，总线节点控制器由此具有很高的可靠性，可实现实时诊断、测试和报警功能。汽车总线网络系统和传统汽车电器控制相比较^[19]，两者的区别如下表1.1所示。

表1.1传统汽车电器控制与汽车总线网络系统的区别

综上所述,本设计的意义在于简化现代汽车车身中繁琐复杂的电子控制设备之间的布线及连线,废除汽车上传统的主电缆线束系统,有效的降低车辆电子控制系统的综合成本及增强系统的可靠性、抗干扰性,提高汽车的系统化、智能化程度^[20],并且为汽车性能的提高提供技术平台或者可行方案。

2. 研究的基本内容与方案

2 基本内容和技术方案

2.1 基本内容

基于CAN总线的汽车多功能报警器采用CMOS专用集成电路, 具有体积小、耗电少、报警及时准确的优点。汽车工作正常时,它不工作, 只有在报警瞬间才工作。实现基于CAN总线车用多功能报警器，具体研究内容及所需满足要求如下：

1．通过了解车用多功能报警器的组成和工作原理，找出该课题可能的设计方法和手段。

2．熟悉单片机开发环境。掌握MCU的特点和开发过程。

3．熟练掌握C语言或汇编语言编程，以实现单片机的软件设计和程序下载。

4．汽车综合报警器实现灯丝检测功能、安全带提示功能、发动机水温过高报警、车灯未关警示。

5．掌握CAN总线的相关知识，设计出CAN的硬件接口电路，并设计CAN收发的软件程序。

6．用单片机、CAN控制器、AD采样电路等实现车用多功能报警器。

2.2 技术方案

2.2.1 硬件设计方案

图2.1 硬件设计框图

该设计具体的硬件设计框图如图2.1所示，总的硬件设计分为三个模块。其中，中控MCU是该设计的核心模块，主要涉及汽车发动机启动状态的控制以及对总的汽车状态进行监测和控制。AD采样模块MCU主要负责汽车灯丝检测功能和发动机水温过高报警功能的AD采样及相应的执行措施，当检测到灯丝超过一定限流值时由AD采样模块进行分析处理，而后给出相应的报警提示；同样，当发动机水温过高时经AD采样模块MCU监视到之后通过CAN控制器实现CAN协议而后通过CAN收发器实现CAN控制器逻辑电平到CAN差分电平的转换再传输到CAN总线上，之后再通过CAN 收发器和CAN控制器实现与中控MCU的通信。

硬件设计框图中，中控MCU作为汽车的核心模块除了涉及到汽车动力系统及转向系统等优先级较高的模块系统外，还对本次设计的报警模块控制起着绝对性作用，即中控MCU决定报警模块所产生的报警信号是否有效。比如本次设计内容中的安全带未系提示只有在车辆启动之后才会生效，车灯未关更多的是在发动机熄火之后车主离开车辆时才会生效，而在正常行驶或者发动机启动后仅仅在仪表盘显示车灯开启或关闭状态。灯丝检测和水温告警也必须在发动机处于工作状态下才会正常工作。在本次设计内容中所涉及到的4个报警功能的实现也是有优先级的区分的，优先级最高的首先是发动机水温过高报警，其次是灯丝检测，当几个模块同时响应时则通过中控MCU来进行优先级别的处理。

2.2.2 软件设计方案

基于CAN总线车用多功能报警器的软件设计主要包括三大部分:CAN节点初始化、数据发送以及数据接收。

CAN节点初始化即CAN控制器的初始化，该初始化只有在复位模式下才可以进行。如图2.2所示，CAN控制器的初始化主要包含工作方法的设置、接受滤波方法的设置、接受屏蔽寄存器和接受代码寄存器的设置、波特率参数设置和中断允许寄存器的设置等^[21]。在完成CAN控制器的初始化设置以后, CAN控制器就可以回到工作状况, 进行正常的通讯工作。

图2.2 CAN控制器初始化程序的流程图

根据CAN协议规范, 数据的发送和接收由CAN控制器独立完成^[22]。发送中断服务程序流程图如图2.3所示。在数据的发送过程中, 单片机必须将要发送的数据传送到发送缓冲器, 然后将命令寄存器中的发送请求标志置位。数据的发送过程可由CAN控制器的中断请求控制或由查询控制段的状态标志控制。数据的发送过程分两个部分, 一部分由单片机的主程序控制完成, 另外一部分由CAN控制器发送中断服务程序完成。

数据的接收也是由CAN控制器独立完成, 数据的接收过程可由CAN控制器的中断请求控制或由查询控制段的状态标志控制，本采用CAN控制器中断方式实现数据的接收过程。数据接收程序流程图如图2.4所示，收到的数据放在接收缓冲器内, 同时将状态寄存器的接收缓冲器状态标志RBS和接收中断标志RI置位。如果数据接收被使能, 单片机可以将接收缓冲器内的新数据读出, 并存储到单片机的内存单元, 然后释放接收缓冲。

图2.4 数据接收程序流程图

3. 研究计划与安排

3 进度安排

第1周—第1周 搜集资料，文献翻译；英文资料翻译

第2周—第2周 撰写文献综述；

第3周—第3周 撰写开题报告；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] a. a. salunkhe, pravin p kamble, rohit jadhav．design and implementation of canbus protocol for monitoring vehicle parameters[m].india：ieee international conference onrecent trends in electronics information communication technology，2016.

[2] ziming qi, ping dong, kuang ma.a design of in-car multi-layer ommunication network with bluetooth and canbus[m]. new zealand :ieee advanced motion control,2016.

[3] j.m.flores, m.ortiz-lopez,f.j.quiles-latorre. complete hardware and software bench for the canbus[j].spain: university of cordoba, 2018.