基于CAN总线的ECU设计

摘要：为了组建基于CAN总线的控制单元，本文设计了一款兼容标准8051内核的MCU，提出总体设计方案，分层去实现各模块的功能。利用流水线的设计技术，对MCU标准核进行了精简和优化，从而提高了产品的综合处理速度，并减少了成品的设计面积。按照自上而下的设计方法，设计了MCU的各个单元模块。并依据模块的特性，设计仿真测试文件，进行了模块的仿真测试，并设计引导程序，实现了在FPGA中的验证。此款ECU能准确地采集信息，并实现在CAN总线上可靠、稳定的通信功能，

关键词：8051IP核 电子控制单元 微控制器 CAN总线

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）12-0163-01

前言

伴随着现代汽车大工业的迅速发展，单片机和电子控制单元的应用越来越广，需求越来越多，使用率越来越高。电子控制单元的种类亦层出不穷。国内大部分电子控制单元采用单片机加器件来实现，优点是价格低廉，缺点缺很多；大部分集成芯片依靠进口，成本很高，不适合普及应用。总结了国内、国际发展状况和特点。本文设计一款集成度高，使用方便，价格低廉的集成电子控制单元。

1 电子控制单元简介

电子控制单元（ECU）又称行车电脑。从用途上讲则是汽车专用微机控制器。它和普通的单片机一样，由CPU、ROM、RAM、I/O、A/D等模块组成。功用是根据其内存的程序和数据对空气流量计及各种传感器输入的信息进行运算、处理、判断，然后输出指令，向喷油器提供一定宽度的电脉冲信号以控制喷油量，从而实现集中控制功能。汽车电子的核心是电子控制单元，不但应用在发动机上，在许多低速控制系统中都有广泛的应用。随着电子控制单元的种类不断增多，复杂而庞大的线路也成为一大困扰。汽车中的各个单元之间需要一种可靠的，高效的数据传输总线，并能将各种单元进行有效的连接，组成一个网络，CAN总线就能有效的实现这个功能。

2 电子控制单元（ECU）的单元设计

2.1 MCU的总体设计

鉴于设计成本以及成品的整体尺寸，本设计选用了应用广泛并且运行稳定的8051内核作为微控制器MCU。此微控制器具有8位数据宽度，能处理8位二进制数据或者程序代码，并协调和控制各个单元模块完成工作，以实现对编译指令的解码，资源调度以及分配，并可以保护中断以及恢复现场等功能。本控制器的结构如图1所示。

本设计采用标准硬件描述语言VHDL作为设计语言，成功设计、裁剪并综合了一款兼容标准8051的IP核，微处理器是由定时器/计数器（Timer）、逻辑运算单元（ALU）、串口以及控制单元组成的。并配置RAM、ROM及其RAMX等存储单元，组成处理器整体。微控制器模块采用自上而下的设计原理，顶层是程序测试层，由testbenchfiles等文件构成，分别对测试第二层各个模块进行仿真测试，第二层包括内/外RAM，内置ROM，加上微控制器核。微控制器是本设计的中心部分，分别由定时/计数器（Timer）、算数逻辑单元（ALU）、及中央控制单元和用于通信功能的串口组成。其中算数逻辑单元包括算数逻辑核，加减法运算核以及多路选择器，和进位调整器组成，用于实现基本的加减等算数运算，与或非等逻辑运算。控制单元包括用于储存状态的存储单元，以及用于处理各种状态的状态机（FSM），控制单元用于编码指令的解码控制。

2.2 CAN总线的实现

按协议标准来分，CAN总线分为两种，一种是标准的CAN总线，标准CAN总线具有11位标志符。另一种是扩展式的CAN总线，标识符长度长达29位。综合考虑本设计产品的复杂性，运算速度，设计选用了标准的CAN总线。如图5所示，设计采用自上而下的设计方法，分别设计了时序逻辑单元，用于处理时序信息；位处理逻辑单元，用于处理各个位上的数据信息以及位逻辑运算；以及用于存储数据信息的存储器单元。CAN总线通过接口逻辑单元（IML）与微处理器MCU相连，并向处理器传输中断信息和状态信息等数据信息。

3 系统仿真，FPGA验证及结果

应用ModelSim仿真软件分别对微控制器的算数逻辑单元，定时/计数器，串口，以及CAN总线等各个单元进行了时序的仿真，达到了预期的时序要求。编写用于自启动的bootloader文件，并将整体代码下载到FPGA上进行系统级验证，达到了预期的效果。完成各种MCU的控制功能，并具有稳定的CAN总线通信功能。

4 结语

本文结合了多门学科技术，结合市场需求，研制了一款标准的电子控制单元，并综合了CAN现场总线，使此款控制单元更加具有通用性。MCU核是一款完全兼容8051内核的处理器，采用自上而下的设计方法，设计各个模块单元。并依据模块的特性，设计仿真测试文件，进行了仿真测试，并设计引导程序，实现了在FPGA中的验证。实验表明，该ECU能准确地采集信息，并可以在CAN总线网络上可靠通信。具有集成度高，稳定性好，应用方便等特点，拥有较高的应用价值和前景。

参考文献

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