基于CAN總線技術(shù)在汽車中的實(shí)際應(yīng)用

肖相春

（柳州市運(yùn)天運(yùn)運(yùn)輸有限公司，廣西 柳州 545002）

隨著汽車使用電氣設(shè)備越來越多，從發(fā)動(dòng)機(jī)控制到傳動(dòng)系統(tǒng)控制，從行駛、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制，到安全保證系統(tǒng)及儀表報(bào)警系統(tǒng)，從電源管理到提高舒適性而作的各種努力，汽車電氣系統(tǒng)形成一個(gè)復(fù)雜的龐大系統(tǒng)，而這些都要集中在駕駛室進(jìn)行集中控制。

此外，隨著近年ITS的來發(fā)展，以3G（GPS、GIS和GSM）為代表的新型電子通訊產(chǎn)品的出現(xiàn)，對(duì)汽車的綜合布線和信息的共享交互，提出了更高的要求。從布線角度分析，傳統(tǒng)的電氣系統(tǒng)大多采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單一通信方式，相互之間少有聯(lián)系，這樣會(huì)造成龐大的布線系統(tǒng)。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，一輛采用傳統(tǒng)布線方法的高檔汽車中，其導(dǎo)線長(zhǎng)度可達(dá)2000m，電氣節(jié)點(diǎn)達(dá)1500個(gè)。而根據(jù)統(tǒng)計(jì)，該數(shù)字大約每10年增長(zhǎng)1倍。無論從材料成本還是工作效率看，傳統(tǒng)布線方法，都將不能適應(yīng)汽車的發(fā)展。

從信息共享角度分析，現(xiàn)代典型的控制單元有電控燃油噴射系統(tǒng)、電控傳動(dòng)系統(tǒng)、防抱死制動(dòng)系統(tǒng)（ABS）、防滑控制系統(tǒng)（ASR）、廢氣再循環(huán)控制、巡航系統(tǒng)和自動(dòng)恒溫空調(diào)系統(tǒng)。為了滿足各子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，有必要對(duì)汽車公共數(shù)據(jù)實(shí)行共享，如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車輪轉(zhuǎn)速、油門踏板位置等。但每個(gè)控制單元對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，是因數(shù)據(jù)的更新速率和控制周期不同而不同，這就要求其數(shù)據(jù)交換網(wǎng)是基于優(yōu)先競(jìng)爭(zhēng)的模式，且本身具有較高的通信速率，CAN總線正是為滿足這些要求而設(shè)計(jì)的。

1 CAN總線的特點(diǎn)

CAN總線又稱作汽車總線，其全稱為“控制器局域網(wǎng)”（CAN，Controller Area Network）。CAN總線是一種現(xiàn)場(chǎng)總線（區(qū)別于辦公室總線），是德國(guó)Bosch公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多的電控模塊（ECU）之間的數(shù)據(jù)交換，而開發(fā)的一種串行通信協(xié)議。CAN總線的設(shè)計(jì)，充分考慮了汽車上惡劣工作環(huán)境，可靠性高。因此CAN總線在諸多現(xiàn)場(chǎng)總線中獨(dú)占鰲頭，成為汽車總線的代名詞。

完善的汽車CAN總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 汽車CAN總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)圖

CAN總線可有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖，其主要特點(diǎn)是：

（1）CAN總線為多主站總線，各節(jié)點(diǎn)可在任意時(shí)刻向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，不分主從，通信靈活；

（2）CAN總線采用獨(dú)特的非破壞性總線仲裁技術(shù)，優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)，優(yōu)先傳送數(shù)據(jù)，可滿足實(shí)時(shí)性要求；

（3）CAN總線具有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播傳送數(shù)據(jù)的功能；

（4）CAN總線采用短幀結(jié)構(gòu)，每幀有效字節(jié)數(shù)最多為8個(gè)，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低，重新發(fā)送的時(shí)間短。并有CRC及其他校驗(yàn)措施，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃?，適于在高干擾環(huán)境中使用；

（5）CAN總線上某一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤時(shí)，可自動(dòng)脫離總線，而總線上的其他操作不受影響；

（6）CAN總線系統(tǒng)擴(kuò)充時(shí)，可直接將新節(jié)點(diǎn)掛在總線上，因而走線少，系統(tǒng)擴(kuò)充容易，改型靈活。

（7）CAN總線最大傳輸速率可達(dá)1Mb/s（此時(shí)通信距離最長(zhǎng)為40m），直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10 km（速率5 kb/s以下）。

（8）CAN總線上的節(jié)點(diǎn)數(shù)，主要取決于總線驅(qū)動(dòng)電路。在標(biāo)準(zhǔn)幀（11位報(bào)文標(biāo)識(shí)符）可達(dá)110個(gè)，而在擴(kuò)展幀（29位報(bào)文標(biāo)識(shí)符）其個(gè)數(shù)幾乎不受限制。

（9）CAN可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)（成組）及全局廣播集中方式傳送和接受數(shù)據(jù)；

（10）采用不歸零碼（NRZ，Non-Return-to-Zero）編碼/解碼方式，并采用位填充（插入）技術(shù)。

2 CAN總線技術(shù)優(yōu)勢(shì)

2.1 數(shù)據(jù)共享，降低數(shù)據(jù)重復(fù)成本

對(duì)于具有CAN總線接口的電噴發(fā)動(dòng)機(jī)，其他電器可共享其提供的轉(zhuǎn)速、水溫、機(jī)油壓力、機(jī)油溫度、油量瞬時(shí)流速等等，一方面可省去額外的水溫、油壓、油溫傳感器，另一方面可以將這些數(shù)據(jù)顯示在儀表上，便于司機(jī)檢查發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況，從而便于發(fā)動(dòng)機(jī)的保養(yǎng)維護(hù)。

再比如，電渦流緩速器、空氣懸架、門控制及巡航定速控制，都用到車速數(shù)據(jù)，結(jié)果這些電器都有一套車速處理電路，浪費(fèi)了資源。而采用總線技術(shù)后，都可以從總線上即可獲得車速數(shù)據(jù)。

2.2 車身布線減少，節(jié)省成本

由于采用總線技術(shù)，模塊之間的信號(hào)傳遞，僅需要兩條信號(hào)線。布線局部化，車上除掉總線外，其他所有橫貫車身的線都不再需要了，節(jié)省了布線成本。另外，數(shù)據(jù)共享也節(jié)省了線路，還拿車速信號(hào)打比方，在沒有總線的情況，車速信號(hào)要接到電渦流緩速器、空氣懸架、門控制及電噴發(fā)動(dòng)機(jī)。有了總線后只要接到一處，其他電器可以通過總線共享數(shù)據(jù)。

2.3 硬件方案的軟件化實(shí)現(xiàn)，減小生產(chǎn)成本

發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火控制，點(diǎn)火時(shí)必須滿足下列條件：一是空檔；二是鑰匙處于ON檔，另外還需點(diǎn)火保護(hù)裝置。以往是靠一系列繼電器來實(shí)現(xiàn)這些功能，既不可靠又增大成本，而用軟件實(shí)現(xiàn)，既可靠又無資金投入。軟件具有錯(cuò)誤診斷能力和自動(dòng)恢復(fù)能力，節(jié)省了生產(chǎn)維護(hù)成本。

對(duì)于總線內(nèi)部錯(cuò)誤，總線系統(tǒng)可以通過自身軟件進(jìn)行自動(dòng)恢復(fù)。而非總線車輛，一旦出現(xiàn)故障，第一，更依賴于人工；第二，往往需要對(duì)復(fù)雜線束逐根測(cè)量；第三，需要對(duì)相關(guān)電器依次測(cè)定。整個(gè)過程非常費(fèi)工時(shí)，而且準(zhǔn)確率不高。

2.4 擴(kuò)充性強(qiáng)，產(chǎn)品升級(jí)快，節(jié)省新產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)成本

CAN節(jié)點(diǎn)幾乎可以在不改動(dòng)原有線束的情況下，增加新的組件，數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，CAN總線具有線間干擾小、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。由于VITI-CAN系統(tǒng)采用的是模塊化管理，各模塊按其功能，分散地?cái)[放在車內(nèi)，簡(jiǎn)化了布線并縮短了線束的長(zhǎng)度，從而降低了耦合電流的產(chǎn)生，減小了線間干擾。

同時(shí)在軟件上，CAN總線采用短幀傳輸，這樣使總線數(shù)據(jù)報(bào)文在傳輸過程中有較強(qiáng)的抗干擾能力。CAN總線專為汽車量身訂做，可靠性有保障。CAN總線的設(shè)計(jì)充分考慮了汽車上惡劣工作環(huán)境，比如點(diǎn)火線圈點(diǎn)火時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)大的反沖電壓，電渦流緩速器切斷時(shí)產(chǎn)生的浪涌電流及汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)100℃左右的高溫。

3 CAN總線技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

CAN總線技術(shù)在汽車中的應(yīng)用，具有以下優(yōu)勢(shì)：

3.1 信息共享

采用CAN總線技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)各ECU之間的信息共享，減少不必要的線束和傳感器。例如具有CAN總線接口的電噴發(fā)動(dòng)機(jī)，其他電器可共享其提供的轉(zhuǎn)速、水溫、機(jī)油壓力、機(jī)油溫度、油量瞬時(shí)流速等，這樣一方面可省去額外的水溫、油壓、油溫傳感器，另一方面可以將這些數(shù)據(jù)顯示在儀表上，便于司機(jī)檢查發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況，從而便于發(fā)動(dòng)機(jī)的保養(yǎng)維護(hù)。

3.2 減少線束

新型電子通訊產(chǎn)品的出現(xiàn)，對(duì)汽車的綜合布線和信息的共享交互，提出了更高的要求。傳統(tǒng)的電氣系統(tǒng)，大多采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單一通信方式，相互之間少有聯(lián)系，這樣必然造成龐大的布線系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一輛采用傳統(tǒng)布線方法的高檔汽車中，其導(dǎo)線長(zhǎng)度可達(dá)2000m，電氣節(jié)點(diǎn)達(dá)1500個(gè)，而且該數(shù)字大約每10年增長(zhǎng)1倍。這種傳統(tǒng)布線方法，不能適應(yīng)汽車的發(fā)展。CAN總線可有效減少線束，節(jié)省空間。例如某車門-后視鏡、搖窗機(jī)、門鎖控制等的傳統(tǒng)布線，需要20～30根，應(yīng)用總線CAN則只需要2根。

3.3 關(guān)聯(lián)控制

在一定事故下，需要對(duì)各ECU進(jìn)行關(guān)聯(lián)控制，而這是傳統(tǒng)汽車控制方法難以完成的。CAN總線技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)多ECU的實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)控制。在發(fā)生碰撞事故時(shí)，汽車上的多個(gè)氣囊可通過CAN協(xié)調(diào)工作，它們通過傳感器感受碰撞信號(hào)，通過CAN總線將傳感器信號(hào)傳送到一個(gè)中央處理器內(nèi)，控制各安全氣囊的啟動(dòng)彈出動(dòng)作。

4 CAN總線技術(shù)應(yīng)用方案

4.1 應(yīng)用方案一

此方案是一個(gè)完整的分布式汽車電子控制系統(tǒng)，其采用多子網(wǎng)結(jié)構(gòu)，將信息交換比較密切的系統(tǒng)放在一個(gè)子網(wǎng)中，使整個(gè)系統(tǒng)具有很高的實(shí)時(shí)性，不同子網(wǎng)之間，根據(jù)不同的應(yīng)用特點(diǎn)，采用不同的物理層接口，以及通信速率，優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。如圖2所示。

圖2 CAN總線應(yīng)用方案一

該方案簡(jiǎn)化了各個(gè)CAN子網(wǎng)的設(shè)計(jì)難度，但是整車的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及總線通信協(xié)議比較復(fù)雜，硬件上對(duì)網(wǎng)關(guān)的要求比較高，需要有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，而且系統(tǒng)成本比較高，適合于中高檔轎車采用。

4.2 應(yīng)用方案二

圖3 CAN總線應(yīng)用方案二

整車的CAN總線網(wǎng)絡(luò)，分為高速網(wǎng)絡(luò)和低速網(wǎng)絡(luò)兩部分，高速網(wǎng)采用雙線式高速CAN總線（1Mb/s），低速網(wǎng)采用雙線式CAN總線（125 kb/s）。儀表顯示模塊作為網(wǎng)關(guān)完成兩部分?jǐn)?shù)據(jù)之間的傳輸。CAN總線應(yīng)用方案二如圖3所示。

整個(gè)系統(tǒng)分為高速和低速兩部分，動(dòng)力傳動(dòng)總線和安全總線合并成高速總線。這樣做，降低了通信的實(shí)時(shí)性，但是考慮到傳動(dòng)系總線中一般是周期性的數(shù)據(jù)，而安全總線中一般是突發(fā)性的數(shù)據(jù)，只要選擇合適的幀優(yōu)先級(jí)，就可以彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn)。舒適總線和信息總線合并為低速總線，這兩部分中對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求不高，125 kb/s的速率完全可以滿足需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

CAN總線作為一種可靠的汽車計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)總線，已開始在先進(jìn)的汽車上得到應(yīng)用，使得各汽車計(jì)算機(jī)控制單元，能夠通過CAN總線共享所有的信息和資源，達(dá)到簡(jiǎn)化布線、減少傳感器數(shù)量、避免控制功能重復(fù)、提高系統(tǒng)可靠性和可維護(hù)性、降低成本、更好地匹配和協(xié)調(diào)各個(gè)控制系統(tǒng)的目的。這樣使得汽車的動(dòng)力性、操作穩(wěn)定性、安全性都上升到新的高度。隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，具有高度靈活性、簡(jiǎn)單的擴(kuò)展性、優(yōu)良的抗干擾性和處理錯(cuò)誤能力的CAN總線通信協(xié)議，必將在汽車電控系統(tǒng)中得到更廣泛的應(yīng)用。

在國(guó)外，汽車總線技術(shù)已經(jīng)基本形成了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，硬件接口也已統(tǒng)一，芯片也已定型、量產(chǎn)。目前國(guó)內(nèi)許多汽車電子廠商都在開發(fā)CAN總線系統(tǒng)，各個(gè)產(chǎn)品正在陸續(xù)推出。就中國(guó)而言，汽車總線更是一項(xiàng)朝陽(yáng)產(chǎn)業(yè)，有著無限的前景；目前在進(jìn)入家庭的10萬元車型中，廣本飛度、POLO勁取已經(jīng)采用CAN線技術(shù)，汽車電氣維修率低，市場(chǎng)反映良好，相信總線系統(tǒng)在中國(guó)汽車工業(yè)的普及應(yīng)用，已經(jīng)為期不遠(yuǎn)。

[1]鄔寬明.CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[2]周 震.基于CAN總線的車身控制模塊[M].南京：南京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[3]王 箴.CAN總線在汽車中應(yīng)用[N].中國(guó)汽車報(bào)，2009-09-28（28）.