引 言 隨著科學技術的進步和發(fā)展，對車輛駕駛性能和安全舒適性的要求大為提高，使得車輛上的電子控制單元數量逐步增加。 但是，車輛上的電控單元（如，各種開關、執(zhí)行器、傳感器等）的連接仍然以傳統(tǒng)的配線束來實現，使得車內線束過多且布線復雜，從而造成了嚴重的電磁干擾，導致系統(tǒng)的可靠性下降。在高級轎車上，電子元件及其系統(tǒng)占據了整車超過20％的價格，而且，有日漸增加的趨勢。在這種情況下，車內電控線路就會更加復雜，如何使車內的裝置網絡化，并降低配線束數量等成為改善車內系統(tǒng)的一個重點研究方向。 在車輛的網絡化與通信系統(tǒng)中，局部網絡的方法越來越豐富，其中，CAN，Profibus，LON，ASI，EIB與eBus等網絡技術已經發(fā)展的相當成熟，各種網絡技術的標準化也相繼出臺，而且，這些成熟的網絡技術已經完成集成化工作。CAN總線在穩(wěn)定性、即時性及其性價比等方面在汽車應用中都顯示出較強的優(yōu)勢，作為分布式控制中的局域網技術具有較強的競爭力。目前，很多汽車采用CAN總線將整個汽車控制系統(tǒng)聯(lián)系起來統(tǒng)一管理，實現數據共享和相互之間協(xié)同工作，使車內線束布線方便可靠，提高了汽車整體的安全性和性價比，增強了自身的競爭力。 實現車輛系統(tǒng)的網絡化控制的前提是網絡接點的智能化設計，包括傳感器、控制器和執(zhí)行器的智能化。本文以線控電子節(jié)氣門為研究對象，設計了腳踏板位置傳感器、節(jié)氣門位置傳感器和節(jié)氣門位置控制執(zhí)行器的CAN總線智能化接點，以此為基礎組成CAN總線控制網絡，完成對節(jié)氣門位置的精確控制。 1、車輛CAN總線與分布式控制系統(tǒng)結構 控制局域網（controller area network，CAN）屬于工業(yè)現場總線，是德國Bosch公司20世紀80年代初作為解決現代汽車中眾多的控制與測試儀器間的數據交換而開發(fā)的一種通信協(xié)議。1993年11月，ISO正式頒布了高速通信CAN的國際標準（ISO 11898）。CAN總線系統(tǒng)中現場數據的采集由傳感器完成，目前，帶有CAN總線接口的傳感器種類還不多，價格也較貴。 車輛控制系統(tǒng)中存在大量傳感器、電子控制單元、執(zhí)行機構等，通常，多控制器共享同樣的傳感器信息，而且，實時性、快速性的要求較高，如何將它們連接起來組成分布式控制網絡系統(tǒng)是現代控制系統(tǒng)的一個重要發(fā)展方向。現場總線控制系統(tǒng)（field control system，FCS）就是其中的一種典型的控制網絡結構的實現。CAN屬于現場總線的范疇，它是一種有效支持分布式控制或實時控制的多主串行總線，以其短報文幀和優(yōu)異的CSMA／BA逐位仲裁協(xié)議而被受現場設備互連的青睞。 基于CAN總線的車輛分布式控制網絡系統(tǒng)如圖1所示，采用現場總線式集散系統(tǒng)（field distributed control system，FDCS）結構，由傳感器、執(zhí)行器、控制器智能節(jié)點以及CAN現場控制網絡組成。多個智能節(jié)點各自獨立完成數據采集、系統(tǒng)設定、運行控制等，通過CAN現場總線，各智能節(jié)點之間交換各種數據和管理控制信息。 2、線控電子節(jié)氣門系統(tǒng)原理與結構 電子節(jié)氣門控制技術最早出現于20世紀80年代初期，起初僅應用于高檔轎車上。隨著電子技術的日益發(fā)展，能源問題和環(huán)境問題的日益突出以及對汽車性能要求的提高，電子節(jié)氣門成為全電控發(fā)動機上最重要的控制裝置，并已開始廣泛應用到各種車輛上，其優(yōu)點在于可根據駕駛員愿望、排放、油耗和安全需求，使節(jié)氣門快速精確地控制在最佳開度，并可設置多種控制功能來改善駕駛安全性和舒適性。目前，對這一技術進行研究的有BMW，BOSCH，豐田等公司，而且，BMW，通用，豐田，AUDI等廠商在其部分車型上已經成功應用。 如圖2所示，系統(tǒng)由加速踏板位置傳感器和電子節(jié)氣門體組成，節(jié)氣門體包括執(zhí)行器、節(jié)氣門閥和節(jié)氣門位置傳感器3部分，它們被封裝為一體。執(zhí)行器由一個直流電機和相關的傳動部件組成。加速踏板是一個高精度線性電位器，作為駕駛員期望的節(jié)氣門開度的傳感器裝置，其輸出是一個與腳踏板行程成正比的模擬電壓信號；節(jié)氣門體由正向和反向2只位置傳感器作為控制中節(jié)氣門開度反饋信號，它通過節(jié)氣門體內部的一對高精度電位器獲取當前開度下相應的電壓反饋值，該反饋值與節(jié)氣門打開角度成線性變化。 3、智能化傳感器CAN總線接口設計 智能傳感器接點的設計是基于Microchip公司的PIC16F877A單片機和獨立CAN總線控制器MCP2510和CAN收發(fā)器PCA82C250來完成的。 PIC16F877A采用RISC指令系統(tǒng)的高性能8為微處理器，哈佛總線結構、低功耗、高速度。內部集成了ADC、串行外圍接口（SPI）和Flash程序存儲器，具有PWM輸出等多種功能。PIC16F877A通過SPI接口可以實現與CAN控制器MCP2510的無縫連接。 基于PIC16F877A的CAN智能傳感器節(jié)點的硬件原理圖如圖3所示。 智能傳感器CAN節(jié)點的通信模塊由獨立CAN控制器MCP2510和CAN收發(fā)器PCA82C250組成。MCP2510可以完成CAN總線的物理層和數據鏈路層的所有功能，支持高速SPI接口（最高數據傳輸速率可以達到5MB／s），支持CAN2.0A／CAN2.0B協(xié)議。CAN收發(fā)器PCA82C250是CAN控制器與物理總線之間的接口，對物理總線提供差動發(fā)送能力，對CAN控制器提供差動接收能力，同時，它可增大通信距離，提高嵌入式CAN智能節(jié)點的抗干擾能力。 PIC16F877A通過SPI與CAN控制器MCP2510連接，其串行數據輸入（SDI）腳與MCP2510的SO腳相連，其串行數據輸出（SDO）腳與MCP2510的SI腳相連，其串行時鐘（SCK）腳與MCP2510的SCK腳相連。MCP2510的復位信號、片選信號由單片機提供。 通過設置PIC16F877A的SPI接口狀態(tài)寄存器和控制寄存器使SPI接口工作于主動方式。PIC16F877A與MCP2510進行通信時的時序是非常重要的。發(fā)送數據時，先發(fā)送寫指令，再發(fā)送寄存器地址，最后發(fā)送數據。當MCP2510接收到由總線傳來的數據時會產生中斷，單片機響應中斷，讀取數據時先發(fā)送讀指令，再發(fā)送寄存器地址，數據會自動寫入單片機SPI接口的緩沖器中。 由于單片機本身帶有10位A／D轉換器，因此，腳踏板位置傳感器和節(jié)氣門位置傳感器輸出的模擬信號直接接入單片機進行數模轉換，不需要增加新的A／D轉換裝置，在圖3中，傳感器經由RA0／AN0輸入，為了濾掉高頻噪聲，在模數輸入口接了一個RC濾波電路。同時，電子節(jié)氣門裝置執(zhí)行器直流電機的控制中，PIC16F877A有PWM口，通過連接驅動電路可以對直流電機進行驅動，本裝置驅動器采用L298。 整套CAN總線控制網絡由腳踏板智能位置傳感器節(jié)點、節(jié)氣門體位置傳感器和執(zhí)行器節(jié)點以及控制器節(jié)點組成，其中，腳踏板智能位置傳感器節(jié)點、節(jié)氣門體位置傳感器和執(zhí)行器節(jié)點由單片機CAN總線機構完成，其主要功能是向控制器傳遞腳踏板位置和反饋信號節(jié)氣門位置信號，同時，接收控制器向執(zhí)行器發(fā)出的驅動指令信號?？刂破鞑捎梦C通過研華公司PCL-841卡實現CAN總線通信和相應的控制算法完成對線控電子節(jié)氣門的控制。 4、系統(tǒng)控制原理與實驗結果 系統(tǒng)控制流程如圖4所示。 控制系統(tǒng)是一個閉環(huán)控制的過程，腳踏板位置傳感器作為系統(tǒng)的輸入，A／D轉換后通過CAN總線發(fā)送到控制器。同樣，節(jié)氣門位置傳感器作為反饋信號，A／D轉換后通過CAN總線發(fā)送到控制器，兩信號在控制器中進行比較，并由控制器采用相應的控制算法（如PID等）進行決策，決策結果由CAN總線發(fā)送到節(jié)氣門體位置傳感器和執(zhí)行器節(jié)點，該節(jié)點微處理器產生相應的PWM信號經由驅動裝置驅動執(zhí)行機構的運行。 為了驗證控制系統(tǒng)的性能，采用自適應PID控制算法進行了實驗平臺和實車實驗，實驗結果如圖5。其中，PPS表示腳踏板位置，TPS1表示實驗平臺下節(jié)氣門位置實驗結果，TPS2表示實車情況下節(jié)氣門位置實驗結果。從控制結果來看，能夠滿足電子節(jié)氣門控制的實時性和精度要求，同時，經過實車環(huán)境的測試，系統(tǒng)具有一定的抗噪能力。 5、結論 CAN總線作為一種可靠的汽車計算機網絡總線已在許多先進汽車上得到應用，將CAN總線應用于智能傳感器中，使傳感器獲得的信號能通過總線實時地、可靠地、高速而準確地進行傳輸，使得各汽車計算機控制單元能夠通過CAN總線共享所有信息和資源，達到簡化布線、減少傳感器數量、避免控制功能重復、提高系統(tǒng)可靠性、降低成本、更好地匹配和協(xié)調各個控制系統(tǒng)的目的。同時，由于整個智能傳感器網絡采用全數字化的通信，因此，總線也具有很好的抗干擾能力，是未來智能化傳感器和智能化控制網絡的發(fā)展趨勢。