乘用車CAN總線設(shè)計和驗證方法的實踐

汪思泉

（東風(fēng)汽車公司技術(shù)中心，湖北 武漢 430058）

隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展，人們對乘用車的動力性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、舒適性等方面提出了越來越高的要求，乘用車上電控單元的數(shù)量不斷增加，而且功能也越來越復(fù)雜，實現(xiàn)這些功能需要各個控制單元之間信息共享，高效可靠地協(xié)同工作。乘用車上各個控制單元通過總線相互連接，構(gòu)成了汽車的總線網(wǎng)絡(luò)。

在乘用車的總線網(wǎng)絡(luò)中，控制器局域網(wǎng)（Controller Area Network，以下簡稱CAN）因其技術(shù)成熟、安全可靠、成本適中，適合汽車上控制器之間網(wǎng)絡(luò)通信，而得到了廣泛的應(yīng)用和普及［1］。ISO 11898 CAN總線技術(shù)規(guī)范對總線的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層做了規(guī)定，形成了國際標(biāo)準(zhǔn)，但由于乘用車CAN總線應(yīng)用層協(xié)議沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各個乘用車制造廠都需要自行制定各自的應(yīng)用層協(xié)議。因此如何設(shè)計和驗證乘用車CAN總線網(wǎng)絡(luò)，成為各個乘用車制造廠需要解決的課題。

本文所述的目標(biāo)車型為全新開發(fā)的乘用車車型，電子電器配置較為豐富，除基本的發(fā)動機(jī)控制器、自動變速器控制器、車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)、安全氣囊控制器、電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、車身控制模塊、儀表盤、信息娛樂系統(tǒng)、空調(diào)控制器外，還配置了一些安全、舒適、智能的裝備，如胎壓監(jiān)測系統(tǒng)、電子駐車系統(tǒng)、車窗自動升降系統(tǒng)、智能進(jìn)入系統(tǒng)等。其中，安全氣囊控制器采用K線診斷，不參與CAN總線通信；車窗自動升降系統(tǒng)采用LIN線與車身控制模塊通信；其余控制器或系統(tǒng)都采用CAN總線通信。

1 CAN總線網(wǎng)絡(luò)需求分析

CAN總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計前，需要調(diào)查CAN總線上有哪些控制器節(jié)點，這些控制器節(jié)點需要發(fā)送或接收哪些總線報文。

通過調(diào)查，目標(biāo)車型存在以下CAN總線節(jié)點：發(fā)動機(jī)控制器、自動變速器控制器、車身電子穩(wěn)定系統(tǒng)、電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、電子駐車系統(tǒng)、車身控制模塊、儀表盤、信息娛樂系統(tǒng)、空調(diào)控制器、智能進(jìn)入系統(tǒng)、胎壓監(jiān)測系統(tǒng)。在目標(biāo)車型的基礎(chǔ)上，還可能開發(fā)混合動力車型，需要增加高壓蓄電池管理系統(tǒng)、驅(qū)動電機(jī)控制器、混合動力控制器等節(jié)點。以上控制器節(jié)點的主要功能見表1。

網(wǎng)絡(luò)信號需求通常由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計人員提出，由網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計人員負(fù)責(zé)收集和整理。但有時會出現(xiàn)信號有節(jié)點需要接收，但沒有節(jié)點發(fā)送的情況，這時需要網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計人員通盤考慮，協(xié)調(diào)各方，指定這些信號由哪個節(jié)點負(fù)責(zé)采集和發(fā)送。經(jīng)過整理，目標(biāo)車型的網(wǎng)絡(luò)信號需求見表2。

2 CAN總線網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計

2.1 通信速率的選擇

CAN總線協(xié)議具有高速CAN和低速CAN兩個國際標(biāo)準(zhǔn)，分別是ISO11898-2和ISO11898-3。其中11898-2是高速CAN通信標(biāo)準(zhǔn)，通信速率為125kb／s～1Mb／s，總線最大長度為40m／1Mb／s［2］，適用于汽車實時控制系統(tǒng)，尤其是發(fā)動機(jī)、變速器、制動等系統(tǒng)的控制。11898-3為低速CAN通信標(biāo)準(zhǔn)，通信速率為40～125kb／s，總線最大長度為1 km／40 kb／s［3］，適用于實時性要求不高的系統(tǒng)，如儀表顯示信息、車門控制、空調(diào)控制、傳感器信息、故障診斷等系統(tǒng)，用于車輛狀態(tài)信息和控制命令的傳輸和共享。11898-2和11898-3協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層沒什么不同，但在物理層有些區(qū)別，因此高速和低速CAN節(jié)點不能在同一個網(wǎng)絡(luò)中使用。

在CAN總線最初引用到車輛時，多用于傳輸開關(guān)和傳感器狀態(tài)信息、儀表顯示信息、燈光和防盜控制等信息，由于傳輸信息量不多，對網(wǎng)絡(luò)速率要求不高，故選擇低速網(wǎng)絡(luò)，以降低成本。隨著CAN總線在汽車上的廣泛應(yīng)用，尤其是在動力控制系統(tǒng)的應(yīng)用，對網(wǎng)絡(luò)速率有一定的要求，因此選擇高速網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行動力控制系統(tǒng)的通信［4］。由于低速網(wǎng)絡(luò)不能與高速網(wǎng)絡(luò)相兼容，故在網(wǎng)絡(luò)設(shè)計時需要優(yōu)先確定網(wǎng)絡(luò)的通信速率。500 kb／s的通信速率不僅能滿足動力控制系統(tǒng)的需要，還可以兼顧車身信息通信的需要，故為多數(shù)乘用車制造廠家采用，而且可以方便靈活地設(shè)計CAN總線結(jié)構(gòu)，即在總線節(jié)點少、總線負(fù)載率低時，采用單網(wǎng)段的結(jié)構(gòu)，在總線節(jié)點多、總線負(fù)載率高時，采用多網(wǎng)段的結(jié)構(gòu)。

根據(jù)以上分析，目標(biāo)車型所有CAN節(jié)點的通信速率采用500kb／s。

2.2 網(wǎng)段的劃分

確定了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和信號需求后，就可以對這些信號進(jìn)行匯總和分析，評估和預(yù)測總線的負(fù)載率，規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) （即是采用單網(wǎng)段的總線結(jié)構(gòu)，還是采用多網(wǎng)段的總線結(jié)構(gòu)）。從成本、技術(shù)上分析，單網(wǎng)段的總線結(jié)構(gòu)是最簡單、最經(jīng)濟(jì)、最容易實現(xiàn)的方案，但是，一旦網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率超過了臨界值（經(jīng)驗值為30%左右），總線的通信就會受到影響，可能出現(xiàn)總線擁堵、報文不能及時發(fā)送而丟失的后果。出現(xiàn)這種情況，需要考慮采用多網(wǎng)段的總線結(jié)構(gòu)，從而降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率。

對于目標(biāo)車型，如果將以上所有節(jié)點接入同一個網(wǎng)段，初步估算網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率將達(dá)到38.5%左右，大幅超出了負(fù)載臨界值，不利于網(wǎng)絡(luò)可靠運行，也不利于網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展，因此需要采用多網(wǎng)段結(jié)構(gòu)。由于EMS、TCU、ESC、EPB、EPS節(jié)點信號交互頻繁、集中，故將這些節(jié)點劃為一個網(wǎng)段，負(fù)責(zé)動力、制動、安全、轉(zhuǎn)向、車身穩(wěn)定等系統(tǒng)的通信，稱為動力網(wǎng)段；將BCM、IC、VIS、ACU、TPMS、PEPS劃為另一個網(wǎng)段，負(fù)責(zé)車身、娛樂、信息、舒適、防盜等系統(tǒng)的通信，稱為車身網(wǎng)段。初步估算，上述動力網(wǎng)段和車身網(wǎng)段的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率分別為27.5%和13.2%，低于負(fù)載率的臨界值，具備網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展的空間。對于混合動力車型需要新增加的BMS、MCU、VCU節(jié)點，三者的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率估算為18.75%，規(guī)劃一個新網(wǎng)段，稱為混合動力網(wǎng)段，負(fù)責(zé)混合動力系統(tǒng)的通信。

2.3 網(wǎng)關(guān)的確定

在確定了總線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)段后，對于多網(wǎng)段的網(wǎng)絡(luò)，還需要確定網(wǎng)關(guān)的設(shè)計，即網(wǎng)關(guān)通過什么方式實現(xiàn)。目前，有兩種實現(xiàn)方式，一種是獨立式網(wǎng)關(guān)，另一種是集成式網(wǎng)關(guān)。獨立式網(wǎng)關(guān)由單獨的控制器實現(xiàn)，只負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)信號或報文的路由，不負(fù)責(zé)車輛控制功能。獨立式網(wǎng)關(guān)由單獨的控制器負(fù)責(zé)路由，故通信功能可以做得很強(qiáng)大，方便擴(kuò)展和升級，但會增加網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的成本，較少采用。集成式網(wǎng)關(guān)集成在某個CAN節(jié)點內(nèi)，除實現(xiàn)該控制器自身的功能外，還負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)路由，常見的集成式網(wǎng)關(guān)集成在BCM、IC、VCU等控制器中。集成式網(wǎng)關(guān)由某個控制器節(jié)點實現(xiàn)，可以節(jié)省網(wǎng)絡(luò)成本，但會占用該節(jié)點的資源，對節(jié)點的性能要求較高，不方便網(wǎng)關(guān)的擴(kuò)展和升級。

目標(biāo)車型是量產(chǎn)車型，對成本有嚴(yán)苛的控制，因此本著成本最優(yōu)、功能夠用的原則，目標(biāo)車型采用集成式網(wǎng)關(guān)方案。由于BCM是通用化較高的產(chǎn)品，而儀表盤IC在不同車型平臺有不同的配置規(guī)格，通用化程度相對低，目標(biāo)車型的儀表盤本身就需要全新設(shè)計，綜上考慮，選擇儀表盤IC作為網(wǎng)關(guān)。經(jīng)過上述方案設(shè)計后，目標(biāo)車型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)就基本形成，見圖1。

目標(biāo)車型基礎(chǔ)上的混合動力車型，有車身、動力、混合動力3個網(wǎng)段，對網(wǎng)關(guān)的路由能力要求較高，需要網(wǎng)關(guān)有足夠的資源及時地處理信號或者報文的路由，應(yīng)對方案是在儀表的基礎(chǔ)上升級網(wǎng)關(guān)，或者開發(fā)獨立式網(wǎng)關(guān)，其中獨立式網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)見圖2。

2.4 網(wǎng)絡(luò)信號矩陣的設(shè)計

前文已經(jīng)提到，在設(shè)計車輛CAN總線方案前，需要調(diào)查網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)男盘?，調(diào)查的內(nèi)容包括信號名稱、信號由哪個節(jié)點采集并發(fā)送、信號傳輸周期、信號長度、信號精度、信號偏移量、信號定義、信號接收節(jié)點等信息。以車門狀態(tài)、發(fā)動機(jī)狀態(tài)、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速信號為例，調(diào)查結(jié)果見表3。

可以看出，一個總線信號需要用一個或多個bit來表示，因此需要對總線上傳輸?shù)男盘栠M(jìn)行組合，以此提高數(shù)據(jù)場的利用率。信號組合遵循的原則有：同一個節(jié)點采集的信號可以進(jìn)行組合，不同節(jié)點上的信號不能直接組合；相同發(fā)送周期的信號可以組合，不同發(fā)送周期的信號不可以組合；盡可能提高數(shù)據(jù)場的利用率，減少報文的數(shù)量，同時預(yù)留必要的空余位，以便擴(kuò)展其他信號。

表3 部分網(wǎng)絡(luò)信號實例表

完成信號的組合后，需要給各個報文分配ID。CAN協(xié)議支持兩種報文格式，一種是11位標(biāo)識符的標(biāo)準(zhǔn)幀，另一種是29位標(biāo)識符擴(kuò)展幀［4］，目前各大乘用車制造廠采用11位標(biāo)識符的標(biāo)準(zhǔn)幀。11位標(biāo)識符ID不僅表示了報文的代碼，用于報文的識別，還規(guī)定了報文的優(yōu)先級。根據(jù)CAN總線的通信機(jī)制，多個節(jié)點同時發(fā)送數(shù)據(jù)、競爭總線的訪問權(quán)時，標(biāo)識符ID數(shù)值較小的報文獲得總線控制權(quán)，其他競爭的節(jié)點自動轉(zhuǎn)入監(jiān)聽狀態(tài)，其余節(jié)點也進(jìn)入監(jiān)聽狀態(tài)［4］?；诖?，與車輛動力系統(tǒng)、制動及安全系統(tǒng)相關(guān)的報文優(yōu)先分配較小的ID。此外，發(fā)送周期短、實時性要求高的報文，也應(yīng)該優(yōu)先分配較小的ID。發(fā)動機(jī)、變速器、BCM部分報文發(fā)送周期、ID見表4。

目標(biāo)車型的網(wǎng)絡(luò)信號經(jīng)組合封裝、分配ID后就形成了報文，所有報文經(jīng)列表匯總就形成了信號矩陣，見表5。信號矩陣能夠直觀、清楚地定義信號和報文的信息，是網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層開發(fā)的依據(jù)。

表4 部分網(wǎng)絡(luò)報文發(fā)送周期、ID表

表5 目標(biāo)車型信號矩陣匯總表

2.5 網(wǎng)關(guān)的設(shè)計

前面提到，多網(wǎng)段的CAN總線網(wǎng)絡(luò)必須配置網(wǎng)關(guān)，實現(xiàn)報文或信號的路由和轉(zhuǎn)發(fā)，目前網(wǎng)關(guān)采用報文路由和信號路由兩種方式。報文路由指網(wǎng)關(guān)從源網(wǎng)段接收到需要路由的報文后，直接將其轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)網(wǎng)段，報文的ID、發(fā)送周期可根據(jù)需要做些更改。報文路由一般在網(wǎng)關(guān)的底層程序就能實現(xiàn)，無需上層應(yīng)用程序的支持，因此可以節(jié)省網(wǎng)關(guān)的資源。信號路由指網(wǎng)關(guān)將接收到的多個報文進(jìn)行解析，提取需要的信號，并將提取的信號重新封裝，分配ID，轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)網(wǎng)段。信號路由可以提高報文數(shù)據(jù)場的利用率，降低目標(biāo)網(wǎng)段的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，但會占用網(wǎng)關(guān)的資源，對網(wǎng)關(guān)處理器的要求較高。

舉例說明：在目標(biāo)車型中，車速報文由ESC節(jié)點發(fā)送，位于動力網(wǎng)段，同網(wǎng)段內(nèi)的EMS、TCU、EPS、EPB等節(jié)點可直接接收車速報文，而車身網(wǎng)段的IC、VIS、PEPS節(jié)點也需要車速報文。儀表盤IC作為網(wǎng)關(guān)，將車速報文從動力網(wǎng)段路由到車身網(wǎng)段后，車身網(wǎng)段的IC、VIS、PEPS節(jié)點就可獲得車速報文了。再如發(fā)動機(jī)的冷卻水溫度、變速器的檔位信號、發(fā)動機(jī)的狀態(tài)信號，位于動力網(wǎng)段，由不同的節(jié)點通過不同的報文發(fā)送，車身網(wǎng)段上的IC、PEPS節(jié)點需要這些信號。儀表IC作為網(wǎng)關(guān)，如果直接轉(zhuǎn)發(fā)這些報文，雖然達(dá)到了信號共享的目的，但增加了車身網(wǎng)段的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率。合適的做法是IC解析這些信號，重新封裝后發(fā)送到車身網(wǎng)段上，這樣可以減少車身網(wǎng)段報文的數(shù)量，降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率。

3 CAN總線網(wǎng)絡(luò)仿真

在完成了網(wǎng)絡(luò)方案設(shè)計后，可以利用網(wǎng)絡(luò)仿真驗證方案的合理性、可靠性、擴(kuò)展性。網(wǎng)絡(luò)仿真可在計算機(jī)平臺上進(jìn)行，利用CAN卡、CANoe、Davinci等總線工具完成仿真，仿真內(nèi)容包括總線負(fù)載率、報文發(fā)送最大等待時間、錯誤幀的影響、總線擴(kuò)展性能評估等項目。

總線的負(fù)載率是評價報文實時發(fā)送的重要參數(shù)。在創(chuàng)建了整車網(wǎng)絡(luò)仿真環(huán)境后，可以利用Bus－Statistics查看總線負(fù)載率。根據(jù)經(jīng)驗，總線的負(fù)載率在30%以下，可以保證網(wǎng)絡(luò)的正常通信。

報文發(fā)送最大等待時間與報文的優(yōu)先級、總線負(fù)載率等因素有直接關(guān)系，如果報文發(fā)送等待時間超過了報文周期，會導(dǎo)致報文丟失，因此要求各個報文的發(fā)送最大等待時間小于報文的發(fā)送周期。通過仿真，分析各個報文的等待時間，便可直觀地判斷報文發(fā)送等待時間是否滿足要求。通過向仿真網(wǎng)絡(luò)中增加錯誤幀，分析總線的負(fù)載率變化可以評估錯誤幀對網(wǎng)絡(luò)的影響。通過向仿真網(wǎng)絡(luò)加入周期為10、20、50、100ms不同周期的多個報文，分析總線的負(fù)載率變化可評估網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性。

通過仿真可以得出，目標(biāo)車型動力網(wǎng)段負(fù)載率為28.2%，車身網(wǎng)段負(fù)載率為13.95%，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率滿足要求；各個發(fā)送報文的發(fā)送最大等待時間小于報文周期，且相對值在25%以內(nèi)，滿足要求；增加10、20、50、100ms不同周期的錯誤幀，總線負(fù)載率分別上升2.58%、1.29%、0.52%、0.26%，但仍在或接近30%以內(nèi)，可以接受。在動力網(wǎng)段、車身網(wǎng)段同時模擬加入2個節(jié)點，每個節(jié)點發(fā)送2個周期為10ms、2個周期為20ms、2個周期為50ms、2個周期為100 ms的報文，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率增加18.6%左右，對于動力網(wǎng)段，增加節(jié)點后負(fù)載率遠(yuǎn)超過30%，達(dá)到46.8%，擴(kuò)展性能非常有限；車身網(wǎng)段達(dá)到了32.55%，具備一定的擴(kuò)展空間。

4 CAN網(wǎng)絡(luò)的測試和驗證 （表6）

在CAN總線各節(jié)點完成試制，具備樣件的測試條件后，就可以開展CAN總線的測試和驗證工作。CAN總線測試分為節(jié)點測試和總線系統(tǒng)集成測試兩部分。節(jié)點測試針對每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點單獨完成，用以驗證單個節(jié)點是否滿足總線的設(shè)計要求?？偩€系統(tǒng)集成測試是在電器臺架或者試驗樣車上將各個節(jié)點連接形成完整的CAN總線系統(tǒng)，對總線系統(tǒng)進(jìn)行測試，以驗證系統(tǒng)運行的正確性、完整性和穩(wěn)定性。

表6 CAN總線測試用例

CAN總線測試，首先需要制定測試規(guī)范，然后根據(jù)測試規(guī)范編寫測試用例，構(gòu)建測試環(huán)境，進(jìn)行實際測試，記錄測試結(jié)果，最終形成測試報告。由于目前乘用車行業(yè)沒有統(tǒng)一的CAN總線測試規(guī)范，各個乘用車制造廠家需要自行制定CAN總線測試規(guī)范。CAN總線的測試規(guī)范的制定，可以依據(jù)設(shè)計需求和相關(guān)的規(guī)范，確定試驗需求和測試用例。每個測試用例包括測試目的、測試環(huán)境、測試方法和步驟、判定依據(jù)、測試結(jié)果等內(nèi)容。

CAN總線測試可以按照通信協(xié)議層劃分為物理層測試、數(shù)據(jù)鏈路層測試、應(yīng)用層測試等測試項目，各層的測試用例見表6。物理層測試是驗證CAN接口電路設(shè)計、信號電平特性、總線物理故障等方面的性能，是保證節(jié)點能夠正確連接入總線的基礎(chǔ)；數(shù)據(jù)鏈路層測試位時間、采樣點項目，用以保證各個節(jié)點的通信參數(shù)能夠保持一致，所組成的網(wǎng)絡(luò)能夠正常有效工作；應(yīng)用層測試包括報文接收超時、報文發(fā)送超時、報文一致性、報文發(fā)送周期誤差、網(wǎng)關(guān)路由功能項目，是為了驗證節(jié)點或網(wǎng)絡(luò)可以正常通信、滿足設(shè)計的要求。

為了驗證CAN總線的可靠性，可以借助試驗樣車高寒、濕熱、綜合路況、8萬公里耐久試驗項目，搭載CAN總線的可靠性測試。試驗方法是將總線記錄儀搭載在試驗樣車上，記錄網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)的錯誤幀，定期導(dǎo)出記錄儀內(nèi)存卡上的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析。

5 結(jié)束語

本文所述的CAN總線網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)按照需求分析、方案設(shè)計、仿真分析、節(jié)點測試和驗證、網(wǎng)絡(luò)集成測試和驗證5個階段進(jìn)行，每個階段互相銜接，層層遞進(jìn)，是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和開發(fā)常用的方法，該方法在目標(biāo)車型上得到了充分的應(yīng)用和實踐。截止2015年8月份，目標(biāo)車型已經(jīng)進(jìn)入量產(chǎn)階段有12個月時間，市場保有量接近5萬臺，所有售出車輛的CAN總線網(wǎng)絡(luò)運行正常，沒有故障和問題報告，較充分地驗證了CAN總線的正確性、穩(wěn)定性和可靠性。

本文所述的CAN總線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和驗證方法在目標(biāo)車型和其他車型上的成功實踐，證明了該方法是一種操作性強(qiáng)、行之有效的工程方法。

［1］ 鄔寬明.CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1996.

［2］INTERNATIONAL STANDARD.ISO 11898-2，Road Vehicle-Controller area network，Part 2：High-speed medium access unit，2003.

［3］INTERNATIONAL STANDARD.ISO 11898-3，Road Vehicle-Controller area network，Part 3：Low-speed，fault-tolerant，medium-dependent interface，2003.

［4］ BOSCH.CAN Specification Version 2.0，1991.