CAN總線應用說明

李 安 楊立慧|文

CAN總線應用說明

李 安 楊立慧|文

目前我國商用車使用CAN總線最廣泛的是客車領域，由于客戶對成本和車輛等級的要求，諸多法規(guī)政策都對CAN總線提出了更加詳盡的需求定義。

I n t r o d u c t i o n o f t h e Controller Area Network

Starting from this issue, the magazine will conduct a series articles introducing new technologies of electronic facilities and equipment of commercial vehicles.The Controller Area Network must be the first one.This article provides a brief introduction of CAN concept, current development in domestic commercial vehicle market and application introduction.

上期說到電控發(fā)動機控制器(ECU)還有一個功能就是能夠儲存大量的運行數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)通過各種通信方式傳遞給使用者。正是這些數(shù)據(jù)的共享，使“將在外君命有所不受”的粗放型運輸管理向數(shù)據(jù)化的精細管理升級成為可能。本期開始我們將針對商用車電子電氣的新技術(shù)進行講解。

CAN總線概念

商用車電子電氣技術(shù)首當其沖的就是CAN總線。CAN是“Controller Area Network”3個單詞的縮寫，翻譯為“控制器局域網(wǎng)”。從字面看，CAN由2個關(guān)鍵詞組成，即控制器和局域網(wǎng)。首先車上要有控制器，然后將控制器連接成局域網(wǎng)?？刂破鞯哪芰Q定了這個網(wǎng)絡能實現(xiàn)多少功能，聯(lián)網(wǎng)后又擴展了控制器的功能，使該網(wǎng)絡成為一個整體——架構(gòu)。

控制器自身又被稱為ECU (Electronic Control Unit)電子控制單元，也稱車載電腦等。從用途上講則是汽車專用微機控制器，也叫汽車專用單片機。它的組成部分和普通單片機一樣，只是相關(guān)電氣元件的性能要求更高。從應用層面可以理解為：替代保險繼電器，車輛不再需要中央電器盒；根據(jù)自身采集的信息進行程序化的控制，實現(xiàn)自我檢測；將自我診斷的故障信息采用故障燈閃爍的方式展現(xiàn)給使用者。目前商用車上配有控制器的部件包括發(fā)動機、自動變速器、ABS、車身電路、電控空氣懸架、空調(diào)等。近幾年，伴隨新能源汽車的發(fā)展，全車電控時代已經(jīng)來臨，但是各控制器之間會出現(xiàn)功能重疊、資源重復使用等矛盾，例如發(fā)動機、自動變速器、電控空氣懸架、液力緩速器都需要車速信號，為此傳統(tǒng)電路甚至配裝速度分配器導致車輛線路臃腫。

如果我們在控制器里裝上“網(wǎng)卡”，然后用網(wǎng)線將各控制器連接成網(wǎng)絡，同時將故障信息展示功能擴展到傳感器信息、負載狀態(tài)等數(shù)據(jù)，再按照同一規(guī)則放在網(wǎng)絡里，就實現(xiàn)上述數(shù)據(jù)網(wǎng)絡內(nèi)控制器共享，達到優(yōu)化和提升網(wǎng)絡功能的作用。那么，上文的傳感器問題就可以采用就近控制器采集速度傳感器信號并發(fā)送到網(wǎng)絡，全網(wǎng)控制器共享，實現(xiàn)一個傳感器支持多個控制器工作，還能實現(xiàn)跨控制器控制，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集、儲存、

輸出，成為車輛的大數(shù)據(jù)時代的基礎。

下面我們以發(fā)動機水溫、轉(zhuǎn)速、機油壓力、前后小燈為例，對傳統(tǒng)電路和CAN總線電路進行比較。由圖1可以看出，傳統(tǒng)電路線路多，信息無法共享；CAN總線電路各控制器各司其職，信息通過網(wǎng)絡傳遞減少線束。

隨著車輛電控能力的不斷發(fā)展，整車的電子電氣系統(tǒng)越來越多，包括動力系統(tǒng)、車身控制系統(tǒng)、信息、娛樂、服務等。如此多的電子系統(tǒng)如果簡單地疊加就會出現(xiàn)各系統(tǒng)之間的干擾、沖突以及成本高、功能過剩等問題。作為車輛電子系統(tǒng)的“通信兵”——總線系統(tǒng)可以有效將各電子系統(tǒng)連接在一個架構(gòu)內(nèi)，并通過正向分解所有客戶需求，形成不同的功能模式，根據(jù)功能模式形成性價比最優(yōu)的部件結(jié)構(gòu)，最后實現(xiàn)最優(yōu)布局的整車電器解決方案，在業(yè)內(nèi)被稱為整車電子電氣架構(gòu)EEA(Electronic & Electrical Architecture)。EEA相當于汽車電子電氣系統(tǒng)的總布置，具體來說，就是在功能需求、法規(guī)和設計要求等特定約束下，通過對功能、性能、成本和裝配等各方面進行分析，所得到的最優(yōu)的電子電氣系統(tǒng)模型。

目前我國很多乘用車廠家已經(jīng)建立了自己的電子電氣架構(gòu)平臺，根據(jù)乘用車的經(jīng)驗，可以實現(xiàn)減輕質(zhì)量，降低成本，改善各種使用性能的便捷性，縮短開發(fā)的整個周期，降低開發(fā)過程中所花費的成本。我國客車市場通過近年的發(fā)展，CAN總線系統(tǒng)也形成了若干種總線架構(gòu)模式，已經(jīng)具備電子電氣架構(gòu)平臺的發(fā)展基礎。筆者相信，在正向研發(fā)的思路下，商用車電子電氣架構(gòu)會使中國客車CAN總線系統(tǒng)實現(xiàn)客戶利益最大化、主機廠和零部件廠商收益最大化的多贏。

我國商用車CAN總線市場形態(tài)

目前我國商用車使用CAN總線最廣泛的是客車領域，由于客戶對成本和車輛等級的要求，諸多法規(guī)政策都對CAN總線提出了更加詳盡的需求定義，主要包括：2004年5月1日起施行的《道路交通安全法》其《實施條例》第14條規(guī)定：用于公路營運的載客汽車、重型載貨汽車、半掛牽引車應當安裝、使用符合國家標準的汽車行駛記錄儀；《JT/ T 325 2004營運客車類型劃分及等級評定》新增：特大、大型高三、高二級的客車“在底盤動力總成間配置CAN總線”的要求；GB17691-2005《車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)》，使商用車發(fā)動機進入電控時代；《JT/ T 325 2010營運客車類型劃分及等級評定》新增：特大、大型、中型中級以上的客車配裝具備行車記錄儀功能的衛(wèi)星定位系統(tǒng)；《JT/T 888 2014公共汽車類型劃分及等級評定》“所有高等級公交客車標配CAN總線”。除了以上法規(guī)要求，車輛的功能性需求

如舒適性、低底盤、鉸接車、新能源等，也都對CAN總線提出了需求。

結(jié)合以上需求，再從CAN總線網(wǎng)絡技術(shù)層面可以把我國的CAN總線網(wǎng)絡分成單網(wǎng)絡架構(gòu)和多網(wǎng)絡架構(gòu)。單網(wǎng)絡架構(gòu)主要是在底盤動力總成信息總線網(wǎng)絡的基礎上，擴展到儀表收集信息并顯示、衛(wèi)星定位裝置所需數(shù)據(jù)實現(xiàn)CAN通信。多網(wǎng)絡架構(gòu)主要是在單網(wǎng)絡架構(gòu)上進行網(wǎng)絡擴充，引入智能化的車身及底盤電氣控制網(wǎng)絡、服務類電子設備信息總線網(wǎng)絡，其目的是通過提高車輛信息化和智能化水平，最終滿足車輛安全、環(huán)保以及舒適性等更高要求。

因此，我國的客車CAN總線可以這樣來理解：實現(xiàn)車載控制器之間的信息共享、協(xié)同聯(lián)控的局域網(wǎng)絡，微觀上使用智能的電子電控電路取代傳統(tǒng)的電器電路(例如取消中央電器盒），通過現(xiàn)場總線方式將各控制器連接成局域網(wǎng)絡；宏觀上是基于車載控制器局域網(wǎng)絡將客戶電氣需求最大化、電氣結(jié)構(gòu)最優(yōu)化。根據(jù)目前我國客車電子電控化的程度，CAN總線經(jīng)歷了以下發(fā)展歷程：基于發(fā)動機電控的動力總成數(shù)據(jù)交換需求、行車記錄儀和衛(wèi)星定位裝置數(shù)據(jù)收集需求的信息共享階段——基于動力總成、底盤總成、車身電氣實現(xiàn)電控功能的信息共享、協(xié)同聯(lián)控階段——基于全車電氣的信息共享、協(xié)同聯(lián)控的全車網(wǎng)絡化階段。

我國客車CAN總線的最低要求是滿足行車記錄儀、衛(wèi)星定位裝置(北斗監(jiān)控系統(tǒng))、動力總成的數(shù)據(jù)需求。一般由一個控制器采集車輛的各種信號、數(shù)據(jù)，然后由儀表顯示。隨著技術(shù)的發(fā)展，控制器和儀表被集成一體，可以將數(shù)據(jù)通過CAN網(wǎng)絡傳遞給衛(wèi)星定位裝置。這樣的總線架構(gòu)減少了一個控制器，使得整車線路在增加兩三根CAN線后和傳統(tǒng)線路只有儀表接頭的區(qū)別，不但優(yōu)化了設計，而且也使維修趨同傳統(tǒng)線路；同時也避免了衛(wèi)星定位裝置自己采集信號的大量接線，減少了線路。這是以信息傳遞共享為主要功能的總線架構(gòu)，它是達到法規(guī)要求的單網(wǎng)總線架構(gòu)。

除了上述最基本的要求，社會對車輛還有環(huán)保、安全的要求?？刂破魍ㄟ^使用大功率晶體管技術(shù)實現(xiàn)無電火花的智能開關(guān)，從而替代保險、繼電器，避免了繼電器、保險電火花的安全隱患；控制器電路是程控電路，如果沒有軟件設定，負載就無法工作，能夠有效避免客戶私自改裝車輛電路的隱患。另外，客戶對車輛可維護性也有需求，所以程控電路的控制器必須有完善的自檢測技術(shù)。目前我國客車總線架構(gòu)已經(jīng)出現(xiàn)了控制器完全或部分替代中央電器盒的架構(gòu)，該架構(gòu)是以突出控制器的安全、程控優(yōu)勢為主的總線架構(gòu)。部分替代架構(gòu)是在整車電路里增加一個控制器，再將替代的保險和繼電器在中央電器盒上取消，也就是控制器和中央電器盒同時存在；而完全替代中央電器盒的架構(gòu)，在整車電路里沒有增加部件，只是部件替換，實現(xiàn)了功能完善、設計簡單、維修方便，但是價格會略高一些。

高等級車輛大量使用電控系統(tǒng)(ABSASR、EBSEPS、電控空氣懸架、液力緩速器、自動變速器等)來提高整車的安全性和舒適性，但較多的控制器導致網(wǎng)絡數(shù)據(jù)龐大，以及控制器協(xié)調(diào)工作的技術(shù)要求。對此，我國客車CAN總線采用一種被稱之為全車總線的架構(gòu)來解決相應問題：根據(jù)車輛用電器位置布置多個車身控制器，采用網(wǎng)絡傳遞和控制器接收執(zhí)行全車電氣功能。因為控制器之間采用網(wǎng)絡傳遞，所以有效減少了線束量。另外車身數(shù)據(jù)會和動力數(shù)據(jù)分成2個網(wǎng)絡，有效解決多個控制器網(wǎng)絡通信的問題。

近幾年新能源技術(shù)突飛猛進，特別是車輛上的電氣設備成倍增加，通信數(shù)據(jù)更是出現(xiàn)爆炸性增長。普通網(wǎng)絡架構(gòu)已經(jīng)無法滿足大量數(shù)據(jù)的需求，于是新能源客車CAN總線會有3條網(wǎng)絡用于架構(gòu)中，有效地解決了數(shù)據(jù)傳遞和控制器協(xié)調(diào)工作問題。

除了以上幾種總線架構(gòu)外，目前歐洲還有一種先進的網(wǎng)絡架構(gòu)——以太網(wǎng)總線架構(gòu)。歐洲城市公共交通需要充分考慮城市客車全方位的智能化和信息化，于是在多網(wǎng)絡架構(gòu)的基礎上，將信息、監(jiān)控、經(jīng)營、服務等性質(zhì)的控制器采用傳遞速度快、傳遞數(shù)據(jù)量大的以太網(wǎng)進行聯(lián)網(wǎng)，然后將以太網(wǎng)連接到整車CAN網(wǎng)絡中，從而滿足全車智能化、信息化的需求。

作為一種新技術(shù)，各種架構(gòu)讓我們的車輛使用者應接不暇。那么，從應用層面需要作哪些準備？筆者從使用維護的角度做了幾點總結(jié)：第一，衛(wèi)星定位裝置網(wǎng)絡化，減少衛(wèi)星定位裝置自身采集信號的線路，避免安全隱患；第二，針對具備保險繼電器盒的車身控制器，一定要配置故障自檢功能；第三，一車安裝多個車身控制器時，盡量選擇可互換通用的車身控制器；第四，新能源車輛應選用2條以上的網(wǎng)絡架構(gòu)方式，解決因數(shù)據(jù)量過大導致數(shù)據(jù)堵塞引起的控制器重啟的問題，可以避免控制器重啟而引起車輛拋錨。