基于CAN總線的客車輕便換檔系統設計與實現

1 引 言

　　隨著社會經濟的快速發展，城市交通曰益繁忙，交通安全問題越來越受到人們的重視。在車輛行駛過程中，駕駛員必須根據道路、交通條件的變化，及時對車輛行駛方向和行駛速度進行調節，使汽車獲得良好的行駛性能和燃油經濟性能。頻繁換檔使駕駛員容易疲勞，注意力分散，致使交通事故增加。本文介紹了一種基于CAN總線的客車輕便換檔系統的設計，利用機電一體化技術實現了客車換檔的轎車化。系統主要是結合客車的換擋系統進行的開發設計，包括前后兩個節點，前置節點為手柄控制發令節點，后置節點為執行控制節點，系統總體框架圖如圖1所示。

2 系統應用設計

　　2.1 系統硬件結構及控制原理

　　為使系統達到反應靈敏、可靠性高的設計要求，前后節點的控制單元均采用Philips公司生產的P87C591單片機，他成功包括了 Philips半導體 SJAl000 CAN控制器的PelICAN功能，符合系統設計要求。主控系統CAN通信部分電路圖如圖2所示[1]：

　　系統中擋位、車速和發動機轉速信號的采集由霍爾元件A3144EU來完成，信號經過放大后，通過光電耦合器TLP521隔離，被送到CPU中。 CPU經過邏輯運算后，將輸出信號經過光電耦合器隔離后，送至大功率的場效應管，由場效應管來驅動電磁閥動作，以控制氣缸動作來完成相應檔位的變換。

　　系統的主要控制過程為：前置節點根據手柄位置的不同以及離合開關的開合實時采集信號并經過邏輯判斷處理成檔位命令，通過CAN總線傳輸到后置節點，后置節點接到檔位命令后，結合車速、發動機轉速及當前擋位對換檔時機進行判斷，然后向執行器發出動作指令。執行器按指令要求使相應的電磁閥開始動作，從而控制對應氣缸動作，來實現擋位的變換。在擋位轉換完成后，還要對反饋信號處理，確定換擋動作完成后，再做出下一步的操作。車型有5個上擋位和一個倒擋位，采用電控氣操作方式，其具體擋位與電磁閥位置如圖3所示。

　　如圖3所示，當閥1通氣、閥2斷氣時，活塞被推到氣缸右端，通過活塞桿把撥叉推到預定位置，將此位置定義為KA層；當閥1斷氣、閥2通氣時，定義為KC 層；當兩個閥都斷氣，由于變速箱內回位彈簧的作用，將會自動定位到中間層，定義為KB層。層位選定后，再通過相應位置上兩個上檔氣閥的作用以實現不同方向的上下檔動作，從而完成預定的選檔和換檔動作。

　　2.2 系統軟件設計

　　實際應用對系統的實時性與可靠性要求較高，在軟件設計中采用了多任務實時操作系統μC／OS-Ⅱ的編程方法，即將應用程序分解為若干個獨立的進程，再另外創建一個監控進程，監視各個進程的運行情況，這樣就保證系統運行的實時性和可靠性[2]。

　　系統采用Keil C51編譯器，結合所用單片機P89C591的技術特點，移植一個支持P89C591的μC／OS-Ⅱ操作系統的工作內容包括：

　　(1) 在OS_CPU.H中用#define設置一個常量值用于控制任務堆棧的增長方向。

　　(2) 在OS_CPU.H中聲明10個數據類型。

　　(3) 在OS_CPU.H中用#define定義3個宏。

　　(4) 在OS_CPU.C中編寫6個簡單的C語言函數，即初始化任務堆棧、任務創建鉤掛函數、任務刪除鉤掛函數、任務切換鉤掛函數、統計任務鉤掛函數和定時鉤掛函數。

　　(5) 在OS_CPU_A.ASM中編寫4個匯編語言函數。

????????? 系統共需創建4個任務，系統任務分配情況如圖4所示。

　　CAN總線掃描任務定時掃描CAN總線的各寄存器，用于接收前置節點發送的手柄位置信號。

　　顯示任務主要擔任顯示、刷新等職責，用于調試過程中觀察動作的完成情況。

　　系統主任務用于執行數據的邏輯分析判斷及超限報警等功能。數據采集任務將實時掃描各個數據采集端口，用于采集車速，發動機轉速等參數。

　　主函數負責系統的初始化以及任務的創建、啟動等。

　　各個任務之間通過信號量、消息隊列等途徑可以相互通信，以保證任務執行得實時與同步。

3 系統通信機制設計

　　輕便換檔系統對通信系統的要求是：數據傳輸可靠，實時性高，傳輸速率高，誤碼率低[3]。CAN總線作為一種有效支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡，具有很強的靈活性、簡單的擴展可能性、優良的通信實時性以及通信的可靠性和檢錯能力，能夠應用于各種苛刻的電子環境，已經成為汽車的首選網絡通訊總線形式。

　　CAN總線的模型結構只有3層：物理層、數據鏈路層和應用層，傳輸介質為雙絞線，通信速率最高可達1 Mb／s(40 m)，其通信方式靈活，無需站地址等節點信息，采用非破壞性總線仲裁技術，滿足實時要求。

　　在研究CAN 2.0B規范的基礎上，采用自定義通訊協議的方案實現了系統前后兩個節點的通訊。前節點發出命令，后節點接收后不發確認信號，前節點收到后節點的信息后判斷是否正確，如果不正確或在規定的時間內收不到，則重新發命令，重發超過規定的次數為通訊故障；后節點發出信息，前節點接收后不發確認信息，前節點在規定的時間內收不到則為通訊故障。節點數據幀基本結構定義如下：

????? 系統中每個節點數據幀用ID區別，每個節點可定義多個不同的數據幀，用以傳送不同的信息。

　　系統抗干擾設計　

　　系統將從軟硬件兩方面采取措施，綜合防止干擾對單片機系統工作的影響。

　　硬件方面主要是切斷來自傳輸通道和電源線的干擾，設計中通過濾波電容、光電耦合器的應用以及合理的元件布局和布線，有效地抑制分布電容的干擾、電磁互感、漏磁的干擾等，同時PCB板科學的接地，很好地解決信號完整性問題，改善了PCB板的電磁兼容性(EMC)。

　　軟件方面則是通過指令冗余、軟件陷阱和看門狗技術來保證程序的正常運轉，有效地解決了程序運行過程中的跑飛和死循環問題。

5 結 語

　　客車輕便換檔系統將手動換檔改為電控輕便換檔，使車輛得到了更為出色的換檔舒適性與經濟性，徹底實現客車換檔的轎車化，既保留了機械變速器效率高、成本低、結構簡單的優點，又充分利用了電控響應速度快，可控性高的特性，符合汽車技術電子化、智能化、人性化的發展方向。

　　本文創新點在于摒棄以往單片機系統軟件編程的單任務模式，采用嵌入式實時多任務操作系統μC／OS-Ⅱ的編程方法，使系統的實時性得到更大提高。經實踐證明，系統運行可靠，通訊正常，并達到了較高的性能指標。系統只需要進行少量的調整，就能適用于各類型的客車，具有廣闊的發展和應用前景。