汽車(chē)高速CAN線纜的傳輸特性研究

陳凡

（江門(mén)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電技術(shù)系，廣東 江門(mén) 529090）

汽車(chē)高速CAN線纜的傳輸特性研究

陳凡

（江門(mén)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電技術(shù)系，廣東 江門(mén) 529090）

目前對(duì)于汽車(chē)高速控制器局域網(wǎng)（CAN）線纜的傳輸特性認(rèn)識(shí)存在一些問(wèn)題，未能很好地解釋高速CAN的某些工作特性與故障現(xiàn)象. 通過(guò)對(duì)高速CAN的工作環(huán)境與結(jié)構(gòu)分析，建立了高速CAN線纜的傳輸模型，進(jìn)行了相關(guān)計(jì)算驗(yàn)證，并應(yīng)用新模型解釋了高速CAN線路系統(tǒng)的故障現(xiàn)象.

控制器局域網(wǎng)；傳輸特性；雙絞線

車(chē)載網(wǎng)絡(luò)整合了大部分汽車(chē)電控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)各電控系統(tǒng)的信息共享和協(xié)同工作，在汽車(chē)上已得到廣泛應(yīng)用，車(chē)載網(wǎng)絡(luò)常包含多種網(wǎng)絡(luò)，控制器局域網(wǎng)（CAN）是當(dāng)前主要使用的一種車(chē)載網(wǎng)絡(luò). 根據(jù)速率不同，又可分為高速CAN與低速CAN[1-2]，其他車(chē)載網(wǎng)絡(luò)還有LIN、MOST、FlexRay等. 一個(gè)典型的車(chē)載網(wǎng)絡(luò)中，動(dòng)力、車(chē)身和信息娛樂(lè)系統(tǒng)使用不同的網(wǎng)絡(luò)，并通過(guò)網(wǎng)關(guān)相連. 每個(gè)次級(jí)網(wǎng)絡(luò)使用不同的協(xié)議. 其中高速CAN主要應(yīng)用于汽車(chē)的動(dòng)力與安全系統(tǒng)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、ABS等，而低速CAN主要應(yīng)用于汽車(chē)空調(diào)、車(chē)窗控制、儀表等. 高速CAN的傳輸速度大于125kb/s，通常為500kb/s，低速CAN的傳輸速度低于125kb/s，通常為100kb/s. CAN網(wǎng)絡(luò)的常用傳輸介質(zhì)為雙絞線.

目前國(guó)內(nèi)對(duì)于車(chē)載網(wǎng)絡(luò)的研究集中于具體應(yīng)用，相關(guān)基礎(chǔ)研究較少，對(duì)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)故障的診斷也存在困難. 對(duì)于CAN總線的傳輸線纜，國(guó)內(nèi)有過(guò)相關(guān)研究[3-5]，文獻(xiàn)[3]使用純電阻網(wǎng)絡(luò)分析高速CAN總線，但忽略分布電感和分布電容，無(wú)法解釋總線系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)高速CAN網(wǎng)絡(luò)上的觀測(cè)波形. 文獻(xiàn)[5]采用基本傳輸線模型分析CAN總線，得出100kHz的信號(hào)僅能傳遞不超過(guò)20m，終端阻抗應(yīng)等于雙絞線阻抗，但該結(jié)論與汽車(chē)上實(shí)際使用的高速CAN特性參數(shù)有明顯差異. 因此上述的一些CAN傳輸線纜模型未能很好地解釋汽車(chē)高速CAN的工作特性，也不能說(shuō)明高速CAN總線的故障現(xiàn)象. 故有必要對(duì)汽車(chē)高速CAN傳輸線纜的工作過(guò)程進(jìn)行研究.

1 高速CAN線纜模型

高速CAN為多主網(wǎng)絡(luò)，所有節(jié)點(diǎn)同為主從節(jié)點(diǎn). 每段信息幀內(nèi)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)為主動(dòng)，其他節(jié)點(diǎn)處于被動(dòng)狀態(tài). 完整的高速CAN總線包括節(jié)點(diǎn)、傳輸線纜和終端電阻，如圖1所示. 汽車(chē)各電控單元（ECU）通過(guò)控制器與收發(fā)器向雙絞線發(fā)送信號(hào)，并接收雙絞線上的信號(hào). 傳輸信號(hào)在各項(xiàng)參數(shù)和工作環(huán)境處于最壞情況下仍能保持完整性是對(duì)CAN總線的首要要求. CAN總線除了使用盡可能低的時(shí)鐘振蕩頻率外，還在雙絞線上傳輸差分信號(hào)，以防止外界電磁干擾.

高速CAN網(wǎng)絡(luò)中，傳輸速率越高，所需的時(shí)鐘頻率越高. 如CAN控制器SJA1000的傳輸速率最高為1Mb/s，時(shí)鐘頻率為24MHz. 此時(shí)鐘頻率下，傳輸線應(yīng)為長(zhǎng)線，即分布參數(shù)電路. 考慮到雙絞線的兩條線路同時(shí)發(fā)送信號(hào)，可認(rèn)為兩條線路均存在分布電感，兩線路之間存在分布電容. 由于CAN系統(tǒng)線路長(zhǎng)度一般較短，可忽略分布電阻和導(dǎo)納，建立如圖2所示的線路模型. 圖中R1和R2為終端電阻，CAN模塊內(nèi)置收發(fā)器，既發(fā)送信號(hào)也接收信號(hào). 圖2即高速CAN網(wǎng)絡(luò)的傳輸模型.

圖1 高速CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖2 高速CAN傳輸模型

2 模型計(jì)算與分析

圖3 等效電路圖

當(dāng)作為傳輸線考慮時(shí)，信號(hào)沿線路傳遞，線路上某處的信號(hào)既是時(shí)間函數(shù)，也是位置函數(shù). CAN-H路和CAN-L路兩路信號(hào)同時(shí)發(fā)射. 設(shè)距信號(hào)始端z處的CAN-H路電壓和電流分別為UH(z)和IH(z)，經(jīng)過(guò)dz段后電壓和電流分別為UH(z)+dUH(z )和IH(z)+dIH(z)，同理可定義CAN-L路電壓電流為UL(z)和IL(z). 取模型中的某一段如圖3所示，定義順時(shí)針為電壓電流的方向.

根據(jù)基爾霍夫電壓及電流定律可建立如下方程：

化簡(jiǎn)可得：

由于z為線路上距信號(hào)源的距離，則線路上距終端電阻z′=L-z處的電壓、電流表達(dá)式可寫(xiě)為：

上述式中，z′表示入射波傳輸方向，-z′表示反射波傳輸方向，Ui0=A1eγL為CAN-H入射波電壓的復(fù)振幅，Ur0=A2e-γL為CAN-H反射波電壓的復(fù)振幅.

行波狀態(tài)下，無(wú)反射波，此時(shí)終端電阻上（z′=0處）的電壓和電流分別為：

由此可見(jiàn)，高速CAN網(wǎng)絡(luò)使用兩個(gè)終端電阻的目的并非是為了使其并聯(lián)電阻值等于線路的阻抗，因此不能用其他阻值的終端電阻取代兩個(gè)120Ω的終端電阻. 在高速CAN系統(tǒng)中，多個(gè)CAN模塊分處線路的不同位置，為保證每個(gè)CAN模塊在發(fā)送信息時(shí)均不出現(xiàn)反射波，需要兩個(gè)終端電阻.

3 模型的應(yīng)用

當(dāng)某一終端電阻斷路時(shí)，終端電阻兩端電流為零. 根據(jù)式（9）和（10），可知Ui0=Uro，入射波電壓等于反射波電壓，信號(hào)發(fā)生全反射，線路上出現(xiàn)駐波，信號(hào)嚴(yán)重失真，與實(shí)際觀察信號(hào)（圖5）相符. 可見(jiàn)利用該模型能夠很好地解釋高速CAN的故障現(xiàn)象.

圖4 短路后的信號(hào)

圖5 斷路后的信號(hào)

4 結(jié)束語(yǔ)

車(chē)載網(wǎng)絡(luò)既要求較高的傳輸速率，也要求極高的可靠性，尤其對(duì)于動(dòng)力系統(tǒng)而言. 高速CAN的信號(hào)傳輸過(guò)程體現(xiàn)了這一特點(diǎn). 根據(jù)線纜特性模型和相關(guān)的實(shí)際故障波形分析，可以發(fā)現(xiàn)，汽車(chē)CAN總線傳輸速率的提高，需要更高的時(shí)鐘頻率，信號(hào)的傳輸方式將發(fā)生變化，應(yīng)使用傳輸線模型解釋高速CAN網(wǎng)絡(luò)的工作過(guò)程. 且由于兩條線路同時(shí)發(fā)送信號(hào)，在建立傳輸線模型時(shí)應(yīng)認(rèn)為兩條線路上均存在分布電感. 通過(guò)對(duì)高速CAN傳輸線纜的研究，有助于CAN的設(shè)計(jì)應(yīng)用和故障診斷，也可為研究更高傳輸速率的FlexRay提供參考.

[1] International Organization for Standardization. ISO11898-2, Road vehicles-controller area network (CAN)-part2：High-speed medium access unit [S]. Switzerland： Internationd Organization for Standardization, 2003.

[2] International Organization for Standardization. ISO11898-2006, Road vehicles-controller area network (CAN)-part3： Low-speed, fault tolerant, medium-depentent interface [S]. Switzerland： Internationd Organization for Standardization, 2006.

[3] 朱齊丹，汪瞳. CAN通信物理層建模與仿真[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2008, 44(36)： 11-15.

[4] 簡(jiǎn)義全，駱昌日，駱世廣. 基于集總參數(shù)模型的CAN總線物理層的仿真[J]. 高等函授學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2011, 24(4)： 9-12.

[5] 李曉瑜，鄭德生，李司光，等. CAN信號(hào)在線纜中傳輸特性的研究[J]. 微電子學(xué)與計(jì)算機(jī). 2009, 26(6)：230-235.

[6] 趙克玉，許福永. 微波原理與技術(shù)[M]. 北京：高等教育出版社，2006.

[7] GERKE T, SCHANZE C. Development and verification of in-vehicle networks in a virtual environment [R]. Detroit： SAE World Congress, 2005.

[責(zé)任編輯：韋 韜]

Research on the Transmission Characteristics of In-Vehicle High-Speed CAN Wires

CHEN Fan
(Department of Mechanical and Electrical Technology, Jiangmen Polytechnic College, Jiangmen 529090, China)

At present there are some problems in the understanding of the transmission features of in-vehicle high speed CAN lines whose working features and faults are not well explained. This paper establishes a transmission model of high-speed CAN based on an analysis of its working environment and structure, conducts related calculation verification and explains the faults with the new model.

controller area network; transmission characteristics; twisted pairs

TN913.3

A

1006-7302（2014）01-0036-04

2013-09-19

陳凡（1980—），男，湖北天門(mén)人，講師，碩士，研究方向?yàn)槠?chē)電子控制技術(shù).