基于CAN的汽车怠速自动启停系统毕业设计（论文）word格式.doc

目录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 课题研究背景11.2 课题研究现状及意义21.3 基于CAN的汽车怠速自动启停系统简介31.4 本文课题支撑和主要研究内容41.4.1 本文的课题支撑41.4.2 本文主要研究内容52 CAN总线技术分析62.1 CAN总线协议概述62.2 CAN总线技术与常规布线技术比较62.2.1 常规布线技术的优缺点62.2.2 CAN总线技术的特点72.3 CAN总线的分层结构及功能82.4 CAN总线的报文93 基于CAN的汽车怠速自动启停系统总体方案123.1 基于CAN的汽车怠速自动启停系统功能需求分析123.2 系统构建方法143.3 基于CAN的汽车怠速自动启停系统网络拓扑结构143.3.1 系统通信协议143.3.2 系统网络拓扑结构154 基于CAN的汽车怠速自动启停系统信号采集装置硬件设计174.1 硬件设计平台174.2 硬件总体结构174.3蓄电池电量检测电路184.3.1 NE555芯片介绍184.3.2 蓄电池电量检测电路设计194.4 开关信号处理电路204.4.1 芯片4N25介绍204.4.2开关信号处理电路设计204.5 模拟信号处理电路214.5.1 芯片MC912DP512介绍214.5.2 模拟信号处理电路设计234.6 脉冲信号处理电路234.6.1 芯片6N137介绍234.6.2 脉冲信号处理电路设计245基于CAN的汽车怠速自动启停系统信号采集装置软件设计265.1 软件开发平台简介265.2 主程序流程图265.3 基于CAN的汽车怠速自动启停装置软件初始化275.3.1 PLL初始化275.3.2 ECT初始化285.3.3 累加器初始化295.4 报文发送305.5 车速信号采集程序315.6 系统试验平台建立与性能分析316 总结与展望336.1 全文总结336.2 研究展望33参考文献35附录37致 谢40摘 要随着我国经济的快速发展，汽车行业呈现出空前繁荣的景象。据相关人员保守估计，到2015年我国汽车保有量至少达到1.5亿，这将会加剧交通拥堵状况，提高汽车消耗的能量，增加汽车排放的污染物。而当汽车遇到红灯、堵塞、临时停车等路况时，汽车处于怠速状态，此时往往是燃料消耗和污染物排放量最为严重的工况。基于CAN（Controller Area Network，控制器局域网）的汽车怠速自动启停系统是以CAN总线为信息共享和传输通道，基于汽车各ECU（Electronic Control Unit，电子控制单元）和电器装置的信息集成，综合利用车载网络技术、嵌入式技术、传感检测技术和智能控制技术等，研究并设计了基于CAN的汽车怠速自动启停系统。该系统可在由于拥堵或红灯等路况而引起临时停车时，根据汽车运行状态自动停止发动机运转，以达到节能减排的目的，并根据驾驶员动作信息，快速启动发动机，为车辆再次行进提供动力。本文主要研究工作如下：（1）了解CAN总线相关技术，对比CAN总线技术与常规布线技术，研究CAN总线报文结构。（2）设计基于信号采集系统硬件电路，其中，硬件电路以MC9S12DP512微处理器为核心，需要设计的信号处理电路有：蓄电池监测电路、开关信号处理电路、模拟信号处理电路、脉冲信号处理电路。（3）设计信号采集系统的软件部分，画出软件流程图，并基于Freescale的Code Warrior软件，用C语言编写软件程序，软件主要包括各个工作模块的初始化、报文发送和车速信号的采集。（4）构建实验平台，测试实验系统。关键词：自动启停系统；信号采集装置；MC9S12DP512；CodeWarriorABSTRACTAs the economy of our country develops so fast, the industry of automobile shows the scenes of unprecedented prosperity.According to the conservative estimates of concerned people, there will be at least 150 millon cars in 2015, Which in turn will lead to more traffic jams，more energy comsumption and more vehicle emissions.When facing with the circumstances of red light, traffic jams or emergency parking，the cars are in the idle state, and this time is always the conditions when fuel consumption and pollutant emissions reached the peak. The can-based vehicle automatic start-stop system takes the CAN(Controller Area Network) bus as the channel of sharing and trasporting information.The system is based on the ECU(Electronic Control Unit) of vehicles and the information integration of electrical installation, and it makes full use of the technology of car network，the technology of embedded, the technology of the sensor detection, the technology of intelligent controlling and so on.The system have researched on and designed the can-based vehicle automatic start-stop system.It can lead to the temporary parking when it is crowed or the lights turn to red.And it can stop the engine automatically according to the state of the vehicle in order to get the effect of energy saving.Also it can start the engine quickly on the basis of the action of the driver so as to providing the driving power for the vehicle.The main works of this dissertation are as follows:（1） The related technologies of the CAN bus should be understood,the technologies differences between the CAN bus and the conventional wiring have been compared and we have rearched on the message sructure of the CAN bus.（2） The hardware circuit of the signal acquisition system has been designed,which mainly contains four parts:the battery monitoring circuit;the switch signal processing circuit;the analog signal processing circuit and the pulse signal processing circuit.The core device of these circuits is the microprocessor MC9S12DP512.（3） The software of the signal acquisition system has been designed and the software flow chart has been drawed.The program was written with C langugage which based on the Freescales Code Warrior.The initialzation ，the sending of the message and the signal acquisition of the speed are included.（4） A test platform should be built to test the laboratory system.Keywords: Automatic Start-Stop system; Information acquisition device; MC9S12DP512; Code Warrior1 绪论1.1 课题研究背景随着社会经济的发展，我国城市化进程加快，使得城市汽车拥有量快速增长，导致城市交通拥堵状况加剧，能源消耗上升，汽车排放造成的空气污染在城市大气污染中的比例越来越高。据相关报道，机动车在给人们带来交通便捷的同时，也带来许多危害人类健康的环境难题，有些环境问题甚至引起灾难性事件。英国报刊曾在一篇题为毒雾笼罩北京一文中说，由于车辆增加速度过快以及低劣的汽油质量，北京市成为全球机动车尾气污染最严重的城市之一。上海市的机动车总量虽然只相当于日本东京的1/12，但空气中主要由机动车排放的CO、HC和NOx的总量却基本相同。广州市空气污染的主要污染来源是：机动车尾气占22，被市民评为“最不可忍受的污染物”。我国第一批环保模范城的深圳市，大气污染中机动车尾气污染已占70，每年排放的各种有害物质达20多万吨，并且还在以每年超过20的速度上升1。鉴于上述严峻的环境形势，治理或减少汽车尾气排放量这一任务迫在眉睫。而汽车在红灯、堵塞、临时停车等路况时处于怠速状态，此时往往是燃料消耗和污染物排放最为严重的工况。汽车怠速时不仅消耗了燃料，且NOx和CO的排放量都比正常工况高出很多，增加了污染与排放；同时，电气系统的供电由蓄电池提供，因此会对蓄电池造成损害，怠速时间过久还会造成蓄电池电量不足，影响其寿命。调查表明，在城市行车过程中，汽车怠速时间占整个行车时间的22%，以北京市目前的汽车保有量计算，堵车时汽车怠速1小时所造成的损失就高达2000万元。就武汉市而言，2010年汽车保有量已经超过了100万辆，等待红绿灯的平均时间早已超过了30秒，有的甚至达数分钟，而大多数司机都采取怠速等待。据理论分析，火花塞点火发动机燃烧过程中，暖机启动消耗的燃料仅相当于发动机怠速运转0.7秒，因此汽车停止时间只要高于1秒，就应当让发动机熄火，以降低燃料消耗与排放，保护环境，而多数驾驶员并没有此操作习惯2。因此，汽车怠速自动启停系统非常适合在道路拥堵及等待红灯状态下使用，以减少堵车和路口等红灯时因发动机怠速运转而造成的油耗损失和排放。1.2 课题研究现状及意义CAN（Controller Area Network，控制器局域网）总线作为一种可靠的汽车计算机网络总线已开始在先进的汽车上得到应用，使得各汽车ECU（Electronic Control Unit，电子控制单元）能够通过CAN总线所共享所有的信息和资源，达到简化布线、减少传感器数量、避免控制功能重复、提高系统可靠性和可维护性、降低成本、更好地匹配和协调各个控制系统的目的。这样使得汽车的动力性、安全性、操作稳定性都上升到新的高度。技术的先进性是CAN总线在汽车上应用的最大动力，也是各个汽车生产厂商竞相应用CAN总线的主要原因。在现代轿车的设计中，CAN已经成为必须采用的装置，奔驰、宝马、大众、沃尔沃、雷诺等汽车都采用了CAN作为控制器联网的手段。据相关报道，中国首辆CAN网络系统混合动力轿车已在奇瑞公司装配成功，并进行运行。上海大众的帕萨特和POLO汽车上也开始引用了CAN总线技术。CAN总线控制技术是提高汽车性能的一条很好途径。但总的来说，目前CAN总线控制技术在我国汽车工业总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汽车总线的设计，因而存在不少弊端。 随着汽车电子技术的发展，具有高度灵活性、简单扩展性、优良抗干扰性和处理错误能力的CAN总线通信协议必将在汽车电控系统中得到更广泛的应用。目前生产“启停系统”的厂商主要是博世这样的零部件厂商，同时整车厂商也涉足了这一技术。汽车怠速自动启停系统的应用现状具体如下：雪铁龙于2004年在C3上搭载“启停系统”；奔驰smart for two以及路虎的神行者2代都搭载了启停系统；长安CX30搭载了博世的启停系统；奇瑞汽车早在2008年的奥运会期间就推出了A5 BSG，作为奥运期间的服务用出租车，该车搭载有启停系统（目前已经停产)；宝马也是最早采用“启停系统”的厂商之一，目前已经在宝马海外车型上大规模应用，各大厂商的新能源车型计划中几乎都包括“启停系统”；据了解，大众旗下的高尔夫、迈腾在未来都将配备该项技术；福特的嘉年华与新福克斯、马自达的新款马3也将采用该系统。但是，由于技术不够成熟，以前的“启停系统”的作用并没有发挥出来，只是增加了车辆成本，却未达到良好的效果，汽车网络控制领域还未出现“启停系统”。换句话说，中国在汽车启停系统这一块，远远落后于日本，美国，欧洲等发达地区。这项技术在今天仍没有得到推广，较好的启停系统只用于高档轿车和豪华轿车上，大部分轿车并没有搭载这个系统。而且，使用了启停系统的普通车型，其效果不够理想，没能产生足够的经济价值。搭载“启停系统”的门槛相对较低，同时在其成本上也不会有太大的障碍，这使得绝大多数厂商都有可能推出搭载“启停系统”的车型，特别是在欧洲市场，“启停系统”已经成为很多的车型的标准配置。随着更严格排放法规的实施，更多厂商将会使用这一项配置。目前像博世这样掌握“启停技术”的厂商也在大力推广这一配置，即使是自身没有投入这项技术研发的整车厂商也可以通过购买的方式为旗下的产品搭载这一配置。所以一旦国内消费者接受并认可“启动系统”技术，这一系统的发展空间将会快速增长。汽车怠速自动启停系统具有很大的发展空间。据相关报道，汽车怠速自动启停系统可降低汽车约8%的油耗和排放。对国家和社会来说，如果用35年时间准备，一年装车500万辆，则每年可节约4.7亿升燃油和减少1300万吨CO2的排放量，累积效应十分可观。本项目预期成果服务于汽车领域，直接应用于乘用车，以突破国外技术壁垒，推动汽车电子技术的发展，达到汽车节能减排目的。1.3 基于CAN的汽车怠速自动启停系统简介如图1-1所示为简化的汽车CAN 总线结构，其中，发动机、ABS（Anti-locked Braking System，防抱死刹车系统）系统、自动变速器、安全气囊等都是现代汽车动力的核心部件，对时间响应要求严格，因而需要采用传输速率高的CAN通信网络。车灯控制、中央门锁控制、照明控制和仪表管理控制等相对来说实时性要求较低，采用传输速率低的低速CAN通信网络即可满足要求。主控制器跨接高、低速两条总线，与各节点进行数据交换，建起网关作用，实现网络互连3。总之，硬件方案软件化实现，简化了设计，降低了成本。图1-1 汽车系统CAN总线结构CAN总线在汽车中的应用具有以下优势：l 信息共享。采用CAN总线技术可以实现各ECU之间的信息共享，减少不必要的线束和传感器。例如具有CAN总线接口的电喷发动机，其它电器可共享其提供的转速、水温、机油温度、油量瞬时流速等信息。l 减少线束。传统电信系统单一点对点的通信方式已经不能满足现代复杂的通信要求，不仅浪费布线，增加重量，还不利于系统扩充，因此并不能适应汽车的发展。而CAN总线可有效减少线束，节省空间。例如某车门-后视镜、摇窗机、门锁控制等的传统布线需要20-30根，应用总线CAN则只需要2根。l 易于扩充。传统的布线方式导致系统布线复杂，而且点对点的信息传输方式导致系统扩充比较复杂。而CAN总线特有的优点使系统的扩充容易实现，这一更有利于汽车的发展。 本设计考虑到我国城市交通运行的拥堵现状况，并针对汽车节能减排现状及发展趋势，采用CAN总线，基于汽车各ECU和电器装置的信息集成，综合利用车载网络技术、嵌入式技术、传感检测技术和智能控制技术等，研究并设计汽车怠速自动启停系统。该系统针对城市道路交通拥堵和汽车怠速停车现状，在车辆因为拥堵或红灯等因素临时停车时，根据汽车运行状态，自动停止发动机运转，以达到节能减排的目的；并根据驾驶员动作信息，快速启动发动机，为车辆再次行进提供动力。本文主要是针对该系统的信号采集装置进行相关设计。其中，硬件电路主要以MC9S12DP512微处理器为核心，对一系列开关、模拟和高速脉冲信号进行处理；软件系统的开发平台是Freescale的Code Warrior软件，该平台通过所采集的信号对汽车启动停止条件进行分析判断，并且发出相应的控制信号。基于CAN的汽车自动启停系统信号采集装置主要采集一系列开关、模拟和高速脉冲信号，设计相关信号处理电路将这些信号转化为MC9S12DP512微处理器可接收的标准电平信号或模拟信号，并将这些信号送入MC9S12DP512微处理器中进行处理，然后判断汽车是否处于怠速或启动状态，从而发出相关控制命令。除此之外，由于所用蓄电池电平（12V）跟电路板供电电平（5V）不兼容，故另需设计电平转换电路。1.4 本文课题支撑和主要研究内容1.4.1 本文的课题支撑本文课题支撑源于以下科研项目：2011年武汉理工大学“大学生节能减排社会实践与科技竞赛”项目：“基于CAN的汽车怠速自动启停系统”（校一等奖）。1.4.2 本文主要研究内容本文提出了基于CAN的汽车怠速自动启停装置，主要研究了基于CAN的汽车怠速自动启停装置的信号采集装置，其中，该装置的硬件电路主要以MC9S12DP512微处理器为核心，软件系统的开发平台是Freescale的CodeWarrior软件。本文共分为五章，其主要内容更如下：第一章介绍提出基于CAN的汽车怠速自动启停装置的背景以及该装置的发展现状，提出基于CAN的汽车怠速自动启停系统的基本框架，并阐明了提出该系统的意义。第二章对CAN总线进行了详细的分析，介绍了CAN总线的技术规范、特点与结构，着重分析了CAN总线的报文，并将其与常规布线技术做比较。第三章对基于CAN的汽车怠速自动启停系统作了简单的总体介绍，分析了系统的功能需求，提出了系统的总体构建方法，介绍了系统的通信协议，并提出了系统的网络拓扑结构。第四章对基于CAN的汽车怠速自动启停系统信号采集装置硬件设计作了详细说明，信号采集装置主要包括蓄电池电量检测电路、开关信号处理电路、模拟信号处理电路和脉冲信号（车速信号）处理电路。第五章主要对信号采集装置的软件部分作了详细说明，软件设计主要包括工作模块初始化、报文发送和车速信号采集处理。其中，工作模块主要包括PLL(Phase Locked Loop，锁相环)模块、ECT（Ehanced Capture Timer，增强型捕捉定时器）模块。第六章主要对全文进行总结，并且就该系统的未来应用前景进行了展望。2 CAN总线技术分析2.1 CAN总线协议概述CAN 是Controller Area Network（控制器局域网）缩写，是ISO国际标准化的串行通信协议。CAN总线属于现场总线的范畴，是一种有效支持分布式控制系统的串行通信网络。CAN最初是由德国的Bosch（博士）公司为汽车的监测与控制设计的，但由于CAN总线本身的突出特点，其应用领域目前已不再局限于汽车行业，而向过程工业、机械工业、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。由于其高性能、高可靠性及独特的设计，CAN总线越来越受到人们的重视，国际上已经有很多大公司的产品采用了这一技术。CAN已经形成国际标准（ISO11898），并已成为工业数据通信的主流技术之一。 CAN总线又称作汽车总线，它能将各个单一的控制单元以某种形式（总线形、环形、星形、网形等）连接起来，形成一个完整的系统。在该系统中，各控制单元都以相同的规则进行数据传输交换和共享，称为数据传输协议。CAN总线主要由四部分组成：导线、控制器、收发器和终端电阻。其中导线为由两根普通铜导线绞在一起的双绞线。控制器的作用是对收到和发送的信号进行翻译。收发器负责接收和发送网络上共享的信息。电阻是阻止CAN总线信号产生变化电压的发射，当电阻出现故障，控制单元的信号无效4。2.2 CAN总线技术与常规布线技术比较2.2.1 常规布线技术的优缺点如图2-1所示，这是汽车内简单的常规方法布线图。常规布线方法即电线一端与开关连接，另一端与用电设备相通，这样将导致车上电线数目急剧增加，使得电线的质量占整车质量的4左右，这样会增加汽车布线中所用铜线，从而增加成本以及汽车重量。另外，电控系统的增加虽然提高了轿车的动力性、经济性和舒适性，但随之增加的复杂电路也降低了车辆的可靠性，点对点布线法使得故障的查找相当麻烦，增加了维修的难度。最后，对系统进行扩充也是一个比较困难的问题。图2-1 常规方法布线网络图2.2.2 CAN总线技术的特点CAN总线与一般的通信总线相比，其数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。本项目采用CAN构建汽车怠速自动启停系统，可有效减少线束、消除信号冗余、易于扩展功能，最终实现信息集成控制5。其特点如下：l 总线访问采用基于优先权的多主方式。CAN总线的最大特点是任一节点所发送的数据信息不包括发送节点或接收节点的物理地址。信息的内容通过一个标识符（ID）作标记，在整个网络中，该标识符是唯一的。网络上的其他节点收到信息后，每一节点都对这个标识符进行检测，以判断此信息是否与自己有关。若是相关信息，则它将得到处理；否则被忽略。这一方式称为多主方式。标识符还决定了信息的优先权。ID值越小，其优先权越高。l CAN采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点可不受影响的继续传输数据。CAN总线采用带有冲突检测的载波侦听多路访问方法，它能通过无破坏性仲裁解决冲突。CAN总线上数据采用非归零编码，数据位可以具有两种互补的逻辑值，即显性（“0”）和隐性（“1”）。总线按照线与机制对任一潜在冲突进行仲裁，显性电平覆盖隐性电平。l CAN程序通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据，无需专门的“调度”。利用接收滤波对帧实现了多点传送。在CAN系统中，节点可以不用任何有关系统配置（如节点地址）的信息。接收器对信息的接受或拒绝时建立在一种称为帧接收滤波的处理方法上的。该处理方法能判断出接收到的信息是否和接收器有关联，所以接收器没必要判别出谁是信息的发送器，反过来也是如此。 l CAN的直线通信距离最长可达10km（速率5Kbps以下），通信速率最高可达1Mbps（此时通信距离最长为40m）l 采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有良好的检错效果。l CAN的每帧信息都有CRC（Cyclic Redundancy Check，循环冗余校验码）校验及其它检错措施，保证了数据出错率极低。l CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。l CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出的功能，以使总线上其它节点的操作不受限制。2.3 CAN总线的分层结构及功能CAN遵循ISO/OSI标准模型，定义了OSI（Open System Interconnect，开放系统互连）模型的数据链路层（包括逻辑链路控制子层LLC和媒体访问子层MAC）和物理层。如图2-2所示，逻辑链路子层LLC子层的主要功能是报文滤波、超载通知和恢复管理。媒体访问控制子层MAC子层的功能主要是传送规则，以及控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定和故障界定。MAC子层也要确定为开始一次新的发送，总线是否开放或者是否马上开始接收，位定时也是MAC子层的一部分。物理层是实现ECU与总线相连的电路6。图2-2 CAN层级式体系结构2.4 CAN总线的报文CAN总线的报文传送由4种不同类型的帧表示和控制，分别是：l 数据帧，携带数据由发送器至接收器；l 远程帧，通过总线单元发送，以请求发送具有相同标识符的数据帧；l 出错帧，由检测出总线错误的任何单元发送；l 超载帧，用于提供当前和后续数据帧的附加延迟。数据帧和远程帧借助帧间空间和当前帧分开。（1）数据帧数据帧由7个通的位场组成，即帧起始、仲裁场、控制场、数据场、CRC场、应答场和帧结束。CAN总线技术规范2.0数据帧的组成如图2-3所示。在CAN总线技术规范2.0中存在两种不同的帧格式，其主要区别在于标识符的长度，具有11位标识符的帧称为标准帧，而包括29位标识符的称为扩展帧。标准格式的数据帧结构如图2-4所示。扩展格式的数据帧结构如图2-5所示。 图2-3 CAN总线技术规范2.0数据帧的组成图2-4 标准格式的数据帧图2-5 扩展格式的数据帧其中，SRR为代替远程请求位，IDE为标识位扩展位，RTR为远程发送请求位。（2）远程帧接收数据的节点可以通过发送远程帧要求源节点发送数据，它由6个不同位场组成：帧起始、仲裁帧、控制场、CRC场、应答场和帧结束。远程帧和数据帧的结构基本相同，其中RTR位为隐形，且不存在数据场，远程帧组成如图2-6所示。图2-6远程帧的组成（3）出错帧出错帧由错误标志和错误界定符两个域组成。接收节点发现总线上的报文有错误时，将自动发出活动错误标志，它是六个连续的显性位。其他节点检测到活动错误标志后发送错误认可标志，它由六个连续的隐性位组成。当错误标志发生后，每一个CAN节点监视总线，直至检测到一个显性电平的跳变。此时表示所有的节点已经完成了错误标志的发送，并开始发送八个隐性电平的界定符。如图2-7所示。图2-7出错帧的组成（4）超载帧超载帧包括两个位场：超载标志和超载界定符，如图2-8所示。存在两种导致超载标志的超载条件：一个是要求延迟下一个数据帧或远程帧的接收器的内部条件；另一个是在间隙场检测到显性位。超载标志由6个显性位组成。图2-8 超载帧的组成3 基于CAN的汽车怠速自动启停系统总体方案3.1 基于CAN的汽车怠速自动启停系统功能需求分析为了解决上述问题，本系统的设计需要满足如下几点要求：l 能实现对大多数手动档与自动档汽车的兼容，通过对现有汽车的改装来安装本系统并正常工作，以提高本系统的适用性及可推广性。l 针对汽车怠速自动启停需求，充分考虑各种情况，并提出实际可行、符合大多数人驾驶习惯的控制方法，在保证不会因系统误操作而影响司机正常驾驶的情况下，实现系统功能。l 以汽车怠速自动启停关联信息的网络传输为目标，提出基于CAN的汽车怠速自动启停系统构建方法，并合理控制系统的成本。模拟汽车在路过一个交通路口时启停系统的工作过程如下：驾驶员坐在驾驶舱内，前方路口的红灯亮起，驾驶员踩下制动踏板，停车摘档。这时候，汽车怠速自动启停系统自动检测：发动机空转且没有挂档；车轮转速传感器显示为零且车速在一定时间内逐渐减为零；电池电量显示有足够的能量进行下一次启动；控制开关处于开启状态。满足这几个条件后，系统将发出熄火指令，使得发动机自动停止转动。同时红色信号灯亮提示驾驶员发动机已熄火。而当信号灯变绿后，对于手动动挡汽车，只要驾驶员踩下离合器，随即该系统就可以立即感知此变化信号并且发出指令快速地启动发动机。对于自动挡汽车，驾驶员只需要挂档或者踩下油门踏板，该系统就能立即采集到信号并且立即启动发动机，车辆即可迅速移动，完全不影响驾驶乐趣。但是，在某些情况下，汽车怠速自动启停系统是不发出信号的， 比如蓄电池电量很低时，或者汽车处于斜坡上时，这样的话发动机在很短暂的停车后马上继续工作；或者如果空调系统设在为挡风玻璃“防冰”、“防雾”挡上的时候发动机也不会熄火。另外，在发动机关闭的时候，一旦出现蓄电池电量低于限定值、制动系统内压力下降到某一点之下、车辆出现向前或者向后“溜车”等情况，发动机将会被毫无延迟地重新启动。针对手动档汽车与自动档汽车分别设计汽车怠速自动启停系统系统功能流程图如图3-1和图3-2所示。图3-1 手动档汽车的系统功能示意图如图3-1所示，系统一共有 6个输入量：主控开关、档位信号、发动机信号、车速信号、离合器信号和电池电量信号，这些信号的处理都是通过信息采集模块完成的，通过记录变化过程或是状态的改变来决定系统能否作出反应。图3-2 自动档汽车的系统功能示意图自动挡和手动档的工作原理相同，只是自动挡在档位为P（停车档）档位时，系统同样是不起作用的，这与自动挡汽车的起动机与点火系统有关。3.2 系统构建方法从汽车运行特征和驾驶员驾车特征入手，分析汽车怠速自动启停系统特征，基于面向对象技术，建立汽车怠速自动启停系统需求模型；从网络传输速率、数据传输距离、媒体访问控制方式、报文调度方法、应用领域和成本等方面分析CAN网络协议；基于功能驱动方法，选用合适的网络类型（总线结构，单网络），构建基于CAN的汽车怠速自动启停系统；针对CAN网络特点，设计基于CAN的汽车怠速自动启停系统报文调度方法，设计应用层协议；基于嵌入式单片机技术，选择合适的通信模块，采用单芯片开发解决方案，开发基于CAN的汽车怠速自动启停系统网络通信接口。3.3 基于CAN的汽车怠速自动启停系统网络拓扑结构3.3.1 系统通信协议CAN总线与一般的通信总线相比，其数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。本项目采用CAN构建汽车怠速自动启停系统，可有效减少线束、消除信号冗余、易于扩展功能，最终实现信息集成控制。关于CAN总线的相关技术在前面第二章已经作了详细介绍，下面主要介绍基于CAN的SAE J1939协议。由于CAN协议仅定义了物理层和数据链路层，为了使汽车电子控制系统在一个标准网络架构下实现不同ECU间的通信，美国SAE（Society of Automotive Engineer，汽车工程师协会）在CAN2.0B的基础上制定了SAE J1939协议。因此，本系统基于SAE J1939设计并实现网络应用层功能。SAE J1939的物理层和数据链路层是以CAN2.0B协议为基础的，因此它和CAN网络一样，波特率可达250kb/s，任何节点在空闲时可向总线上传输报文，每个报文都包含标识符，采用非破坏仲裁机制解决冲突。SAE J1939的分层结构如图3-3所示。从图中可以看出，CAN 协议在OSI(开放式系统互连)模型中只定义了物理层和数据链路层的MAC层，SAE J1939以CAN2.0B为基础，它在此基础上还定义了网络层和应用层的协议。但是，SAE J1939为传输层、会话层和表示层预留了位置，以便将来进行扩展7。 图3-3 与OSI模型相对应的SAE J 1939分层结构模型 3.3.2 系统网络拓扑结构基于CAN的汽车怠速自动启停系统以屏蔽双绞线为信息传输通道，以CAN为信息传输协议，按照区域自治原则进行模块划分，即根据几何位置相近、功能相似、性能要求基本一致的原则对汽车怠速启停相关信息进行集成控制。该系统拓扑结构为总线式，由3个模块构成，分别是前控模块、后控模块和主控模块。系统网络拓扑原理如图3-4所示。图3-4 基于CAN的汽车怠速自动启停系统网络拓扑其中，前控模块用于接收CAN总线上传输的控制消息，基于SAE J1939应用层协议解码后，根据控制规则完成对起动机的控制；同时该模块还会采集前部各种状态信号，基于SAE J1939应用层协议形成状态消息，并发送到CAN总线上，供主控模块使用。后控模块采集后部各种状态信号，基于SAE J1939应用层协议形成状态消息，并发送到CAN总线上，供主控模块使用。主控模块用于接收CAN总线上传输的状态消息，基于SAE J1939应用层协议解码后，根据控制规则完成形成控制指令；该模块同时基于SAE J1939应用层协议形成控制消息，并发送到CAN总线上，以控制前控模块。4 基于CAN的汽车怠速自动启停系统信号采集装置硬件设计4.1 硬件设计平台对硬件部分的设计涉及硬件原理图的绘制，以及依据原理图制作PCB板，本项目采用的设计软件平台是Protel 99SE。4.2 硬件总体结构为便于产业化推广，本项目设计了系统的通用硬件电路，各模块可基于此进行增减。如图4-1所示，硬件电路由MC9S12DP512微处理器、CAN通讯电路、电源处理电路、开关信号处理电路、模拟信号处理电路、脉冲信号处理电路、输出驱动电路及显示部分等组成。信号采集装置包括数字信号（开关、档位、手刹）处理、模拟信号（离合器、油门踏板、刹车、电池电量）转换与处理、高速脉冲信号（车速）处理这几个部分。图4-1硬件电路原理框图4.3蓄电池电量检测电路4.3.1 NE555芯片介绍NE555是一种应用特别广泛的集成电路，属于小规模集成电路，在很多电子产品中都有应用。其内部结构可等效成23个晶体三极管、17个电阻、两个二极管，组成了比较器、RS触发器等多组单元电路.特别是由三只精度较高5K电阻构成了一个电阻分压器.为上.下比较器提供基准电压.所以称之为5558.NE555定时器的内部电路图及各引脚如图4-2所示.各引脚功能如下：1 接地。 2 触发点，这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC 。 3 输出，当时间周期开始555的输出脚位，周期的结束输出回到OV左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 mA 。 图4-2 NE555定时器的内部电路图及各引脚4 重置（复位），一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。 5 控制，这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。如果控制电压端（5）外接电压VIC，则比较器C1、C2的基准电压就变为VIC和VIC/2。6 阈值输入。7 放电，这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。 8 V +，这是555