基于CAN总线的电加热座椅控制系统设计说明书.doc
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1、目 录摘 要IIIABSTRACTIV1 绪 论11.1 选题的背景与课题概述11.2 汽车加热座椅的研究背景和意义11.3 CAN总线的国内外研究现状11.4 本章小结22 CAN总线原理32.1 CAN总线的特点32.2 CAN总线的技术规范32.2.1 CAN总线的基本概念32.2.2 CAN总线的分层结构42.2.3 CAN报文帧类型格式52.3 本章小结53 系统的硬件设计63.1 汽车座椅加热系统的总体设计63.2 单片机的选择73.3 温度传感器的选择83.4 CAN总线控制器的选择93.5 CAN总线驱动器的选择113.6 CAN总线与单片机连接电路设计133.7 显示器的电路
2、设计133.8 压力传感器功能模块设计153.9 开关和键盘电路设计163.10 最小系统电路173.11 系统功能模块设计183.12 本章小结214 系统的软件设计224.1 软件设计内容与开发测试工具简介224.1.1 软件设计内容简介224.1.2 开发测试工具简介224.2 CAN总线节点的软件设计224.2.1 初始化过程设计224.2.2 发送过程设计234.2.3 接收过程设计244.3 温度控制子节点软件设计254.3.1 温度读取子程序设计264.3.2 温度值处理子程序设计264.3.3 LED数码管显示子程序274.4 控制节点软件设计284.4.1 压力传感器 A/D
3、 转换子程序设计294.4.2 键盘扫描子程序设计294.4.3 温度比较子程序设计304.5 软件抗干扰设计304.5.1 常见的干扰及软件抗干扰方法介绍304.5.2 本系统采用的抗干扰技术314.6 本章小结315 总结与展望33参考文献34附录35致谢4343基于CAN总线的电加热座椅控制系统 摘 要本文是基于CAN总线对座椅进行加热控制的设计。本设计有带温度采集、温度显示和温度调节于一身的控制系统。首先进行总体设计,将系统划分为驾驶员控制的中央节点,副驾驶节点和后排座椅节点。在低成本和高精度的前提下,选择了AT89C51单片机、SJA1000控制器和82C250温度传感器等元器件,同
4、时根据具体的节点情况设计出硬件电路图。软件的程序编写使用的是C语言,模块化的理念,简化了程序的编写。此外,考虑到车辆使用环境对系统存在着干扰,所以增加了抗干扰措施,让系统的运行更加稳定与准确。关键词:CAN总线;电加热座椅;单片机;软件设计;Electric heating seat control system based on CAN busAbstractThis article is based on the design of CAN bus heating control of the seat. This design is a control system with tempe
5、rature acquisition, temperature display and temperature adjustment. First, the overall design was carried out to divide the system into driver-controlled central nodes, first-passenger nodes and rear-row seat nodes. Under the premise of low cost and high precision, the AT89C51 single-chip microcompu
6、ter, SJA1000 controller and 82C250 temperature sensor and other components were selected, and the hardware circuit diagram was designed according to the specific node conditions. The programming of the software uses the C language, the modular concept, and simplifies the programming of the program.
7、In addition, considering that the vehicle use environment interferes with the system, anti-jamming measures have been added to make the system more stable and accurate.Key words: CAN bus; Electric heated seat; Single-chip computer; Software design;1 绪 论1.1 选题的背景与课题概述在经济快速发展的时代,生活的质量越来越受到人们的关注,汽车的安全性
8、和舒适性也同样需要提高,对于如今的机械运动装置已经很成熟,因为自动控制的低成本和高收益的因素,也越来越受到人们的关注。现如今的汽车几乎都是机械、电子与信息一体化,汽车创新大多数都与汽车电子技术相关。这暗示着汽车要进入由一定机械机构支撑的大量电子系统的阶段1。在提高汽车整体性能的情况下,汽车中的电子器件与设备也随之增加。电子控制技术现如今已经成为功能实现的主流,由于功能的增加,电子设备之间的交互也越来越繁杂,各个控制单元间需要进行大量数据交换,从而线束也会暴增。为了解决线束增多的问题,并且能满足各控制系统高速通信,汽车应用了CAN总线技术。因为CAN总线有高速性、高可靠性等优点,所以CAN总线成
9、为组成汽车车载电子网络中应用最广的技术之一2。CAN总线是由德国博世公司于1986年推出,用于实现汽车的检测和控制而设计的,其总线已经被国际标准组织定为国际标准3。1.2 汽车加热座椅的研究背景和意义现如今汽车产业发展迅速,汽车在大街小巷都随处可见,出门远行旅游必然选择的出行方式。在其普及率持续增高的同时,消费者对于汽车的安全性与舒适性等要求也越来越高,故而在汽车行业快速发展的市场指导下,对于绝大多数桥车而言,座椅的制造成本仅次于发动机。座椅的价格之所以高,是因为座椅是与驾驶员、乘客直接接触的部件,是轿车与乘客直接反馈舒适度的物件。座椅是消费者购车的参考元素之一,因此在设计座椅的过程中,不仅需
10、要注重其安全性,更要考虑其舒适性4。为了让人们在乘坐轿车时感到舒适与体现人文关怀,各大汽车企业将其定为目标。在寒冷的冬天,无论是身处于南方或者北方,在坐座椅的那一瞬间都会感到特别的冰凉,在那一段时间内,消费者很容易着凉感冒,即使驾驶轿车也无不例外。虽然汽车都配备空调,但是空调温度需要较长时间才能达到适宜的温度,可谓远水救不了近火,故而研究汽车加热座椅是十分必要的。1.3 CAN总线的国内外研究现状80年代初期,许多知名的国外汽车公司就尝试了汽车总线技术的研究及应用,目前CAN局域网已成为每一辆客车的标准配置,其它交通工具如火车轮船等也是CAN总线的应用领域,CAN已经成为国际重要的总线之一。我
11、国CAN总线技术起步相对较晚,直到1996年底,邬宽明编著CAN总线原理和应用系统设计才引发了对CAN总线的研究5。从而,激发了各高校、科学院所以及电子公司等研究机构对CAN总线技术的研究热潮。2012年电子科技大学的刘刚提到,目前CAN总线水平仍处于初步阶段,要走的路还很长。2016年吉林大学的秦慧敏利用CAN总线对温度进行采集工作的设计,通过对温度传感器采集数据到单片机上,处理并将数据通过控制器和驱动器在CAN总线一端发送,并在另一端接收,即时的显示温度。2017年,南京邮电大学的基于CAN总线的新型汽车仪表系统的设计与实现一文中,叙述了根据仪表需要实现的功能需求对整体结构的硬件设计,硬件
12、设计包括:主要模块的选型,选取内部集成CAN控制器,CAN收发器,液晶显示器显示数据等,然后完成仪表的主控电路及外围电路,绘出电路板,最后进行软件设计6。1.4 本章小结本章为论文的绪论。主要由三个部分组成,分别是选题的背景与课题概述、汽车加热座椅的研究背景意义和CAN总线的国内外研究现状。针对国内外CAN总线的国内外研究现状,说明国内外研究迫切需求,并了解到汽车加热座椅是一个更好体现人文关怀的课题。2 CAN总线原理2.1 CAN总线的特点(1)多主工作方式。网络拓扑上的节点都能自发地发送报文;在总线空闲的时候,任一节点也能发送报文;最先访问总线的节点优先获得发言权;多个节点同时发送时,依据
13、报文的优先权而不是节点的优先权进行总线访问控制。(2)非破坏性总线仲裁技术。总线难免有时会发生冲突,当其发生冲突时,具有高优先级报文的能够不受干扰地进行传输,确保了具有高优先级报文的实时性要求;而低优先级的报文退出传输。(3)具有点对点、一点对多点及全局广播等多种传输方式。(4)请求远程数据。CAN能够通过发送远程帧”来完成对其它节点数据请求的要求。(5)高效的短帧结构。虽然数据帧数据域仅为8个字节,但是传送短报文时效率很高。(6)可靠性高。短帧在传输过程中,所用时间短且受到的干扰概率较低;而且在每帧有位填充和CRC校验的措施,降低了一定的出错率;发送期间因出错或丢失仲裁而发生破坏的帧可以自动
14、重发。(7)自动关闭。如果CAN总线上发生的暂时数据错误或者持续性错误时,总线都是可以判断出其错误的类型。暂时性的数据错误有如外部噪声,持续性数据错误可能会是内部故障、驱动器故障、断线等硬件错误,当节点发生持续错误时,节点能够自动关闭并脱离总线。(8)在11位标准帧报文标识符的CAN总线上的节点目前能达到110个,而29位扩展帧的报文标识符的个数不受限制。(9)总线配置灵活。2.2 CAN总线的技术规范2.2.1 CAN总线的基本概念(1)数据传输率。CAN总线在一个特定的系统里,具有唯一固定的数据传输速度。但是在不同系统的时候,其传输速度会发生变化。(2)系统灵活性。任何硬件和软件的前提下,
15、在不要求节点和应用层发生改变的时候,节点能够直接连到CAN网络上。(3)报文路由。标识符(ID)是报文内容的命名方式,ID没有直接指出报文的目的,但是标识符能够描述数据的含义,方便网络中的所有节点都拥有借助报文滤波决定是否对数据做出反应。CAN2.0A中ID为11位。(4)数据兼容性。CAN总线能够同时被所有的节点和特定的节点接收报文。(5)报文。总线所传递的信息以不同的格式报文来发送。(6)远程数据请求。远程数据以发送远程帧来请求别的节点发送相应的数据帧。(7)故障界定。CAN总线节点有能力识别永久性故障和突发干扰,可自动关闭故障节点。(8)安全性。CAN总线有自检查、位填充和循环冗杂检查等
16、功能。(9)优先权。在总线访问期间,标识符定义静态的报文优先权,从而确定节点报文的优先级。(10)连接。CAN通信链路层是能够连接很多单元的总线,理论上来说,连接的单元数目是无限的,但是单元总数往往受限于延迟时间和线路上的电气负载值,所以总的来说,CAN串行链路连接单元数量是有限的。(11)应答。全部的驱动器也就是收发器都对接收到的报文进行连贯性的检查。对于连贯的报文,驱动器给予应答;对于不连贯的报文,则接收器做出标识。(12)总线控制权。每当总线空闲的时候,任何节点单元都能传送报文。只不过具有高优先级的报文单元能够优先获得总线的指导权。2.2.2 CAN总线的分层结构CAN总线的结构由数据链
17、路层、物理层和应用层三部分组成,数据链路层又有逻辑链路和媒体访问控制两个子层7。如图2.1所示。图2.1 CAN的分层结构和功能CAN总线协议2.0B是参照IOS模式来制定的。将协议分成两个层次即数据链路层和物理层来方便定义和管理。在数据链路层里又被分成逻辑链路控制子层(LLC)和媒体访问控制子层(MAC)。而这两个子层功能与2.0A协议中应用层与传输层功能相同。LLC子层的主要作用为帮助信息交流和协助节点向其他节点发送请求数据的远程帧,判定LLC层收到的消息是否已被接收,同时LLC子层在一些方面还能提供系统的状态,比如系统过载了会提供过载详细信息。MAC子层的功用主要是控制传输规则,即规定帧
18、机构中的控制域,仲裁判别的方式,对错误进行判定,检测报文的错误和错误校准。MAC子层的功用不能随意的更改,因为它的一部分功用设计到用于同步的定时作用8。CAN总线协议2.0B对物理层的定义与2.0A里差不多,物理层定义了实际的信号传输方法。比如传输媒介呀,电压的大小高低,同时在2.0B中还包含了关于编码的时序,编码,译码与同步。物理层没有对驱动器的元件定义,以便技术人员根据实际的需要对总线进行优化9。2.2.3 CAN报文帧类型格式CAN通信协议2.0A规定了四种不同的帧格式:数据帧、远程帧、出错帧和超载帧。数据帧用于传输数据使用;远程帧能够实现请求数据;超载帧实现在扩展帧序列的延迟时间;当局
19、部发生出错条件后将会出现一个全局信号,这个就是出错帧产生的10。CAN2.0B中,根据其标识符的长度不同而进行两种不同的帧格式分类,11位标识符的帧是标准帧,29位的帧叫做扩展帧。(如图2.2所示)。图2.2扩展帧的组成2.3 本章小结本章主要阐述了CAN总线方面的相关技术,先对CAN总线相关技术进行一个基本的概述以及对CAN通讯总线技术基本的特点进行介绍。紧接着详细描述了CAN总线技术规范,主要分为CAN总线的基本概念说明、CAN总线技术的分层结构和CAN总线报文帧类型格式这三个方面。通过对本章理论知识的学习,对CAN总线技术的相关理论知识有了充分地理解,为接下来论文的研究和设计提供了理论依
20、据。3 系统的硬件设计3.1 汽车座椅加热系统的总体设计在进行系统的硬件选择时,应当在满足所需的性能要求外,更应该遵循稳定性高、可靠性强、运算速度快、精度高和功耗低等原则。能够通过按键方便快捷地控制座椅温度度数,能够自动加热到所设定的温度并且保持,更要有加热保护功能等性能要求11。总体设计由中央节点、副驾驶座椅控制节点和后排座椅节点组成,它们之间通过CAN总线来完成信息的交互与实现相应的功能。中央节点由三个开关、压力感应器、加热片、LED数码管、温度传感器、单片机、控制器和驱动器组成。副驾驶节点由压力传感器、加热片、LED数码管、单片机、键盘、开关、温度传感器、CAN控制器、CAN驱动器组成。
21、后排座椅节点所连接元件与副驾驶节点所连元件一样。中央节点设置三个开关的目的是为了让驾驶员不仅能控制驾驶座椅,更能够控制副驾驶与后排座椅温度的开启与关闭。总体设计图如图3.1所示。图3.1总体设计图3.2 单片机的选择在满足功能需求的条件下,并且系统应具有体积小、成本低和高精度等要求下,选择使用AT89C51单片机。AT89C51是一款低电压高性能的单片机,片内有可反复擦写的Flash只读程序存储器和随机存取数据存储器12。其主要性能参数如下:l 完全兼容与51单片机系列指令系统l 可以重复擦写的4K字节Flash存储器l 1000次擦写周期l 全静态操作:0HZ-24HZl 三级加密程序存储器
22、l 128*8字节内部RAM l 32个可编程I/O口线l 6个中断源l 可编程串行UART通道 l 低功耗空闲和掉电模式 引脚功能说明: 图3.2 AT89C51 引脚VCC:电源电压 GND:地 P0口:一个8位双向开路每脚可吸收8TTL门电流I/O口,管脚首次写入1时,定义为高阻输入。P1口:具有上拉电阻功能的8位双向I/O口,其被内部上拉表示输入,被外部下拉表示输出。P2口:与P1口有类似的功能,具有上拉电阻功能的8位双向I/O口,其被内部上拉表示输入,被外部下拉表示输出。但具有作为外部程序存储器进行选取时,其输出高八位的地址。在给出地址“1”时,利用内部上拉优势,对外部存储器进行读写
23、输出特殊存储器的功能内容。P3口:具有上拉电阻功能的8位双向I/O口,其被内部上拉表示输入,被外部下拉表示输出。P3口不仅仅是一般的I/O口,它还具有口管脚备选功能:l P3.0 RXD (串行的输入口)l P3.1 TXD (串行的输出口)l P3.2 INTO (外部中断0)l P3.3 INT1(外部中断1)l P3.4 TO(计时器0外部输入)l P3.5 T1(计时器1外部输入)l P3.6 WR(存储器外部数据写选通)l R3.7 RD(存储器外部数据写选通)l P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST:复位输入。当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电
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