汽車CAN總線拓撲結構設計

王瑋，初洪超（安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

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汽車CAN總線拓撲結構設計

王瑋，初洪超
（安徽江淮汽車股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

摘要：汽車CAN總線技術在汽車控制器領域應用越來越廣泛，總線拓撲結構就是由這些控制器通過總線所組成的網絡結構。如何設計合理的拓撲結構，如何分析其可行性，文章將給予闡述。

關鍵詞：CAN總線；拓撲結構

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.033

CLC NO.: U462.1Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)05-127-03

前言

CAN（Controller Area Network）即控制器局域網，由于具有高性能、高可靠性以及獨特的設計，CAN總線越來越受到人們的重視。CAN已經形成國際標準，并已經被公認為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。

汽車CAN總線拓撲結構設計是整車CAN網絡通訊設計中非常重要的一環(huán)，它主要包含的如下的信息：

1）網絡節(jié)點配置

2）總線條數(shù)與類型

3）總線速率與終端電阻分布

4）診斷方式

通過拓撲結構能夠獲得汽車網絡的基本信息，了解總線通訊的構成。然而設計拓撲結構時存在諸多需要考慮的因素，本文將闡述建立整車總線拓撲的過程以及其中的設計因素和要點，提供設計指導。

1、設計應用

1.1整車配置分析

表1　CAN通訊模塊

表2　LIN通訊模塊

建立拓撲結構之前，首先要確定總線網絡上的通訊節(jié)點，總線網絡的通訊節(jié)點來源于整車配置中各個控制器模塊。因此，根據(jù)開發(fā)車型的配置信息，分析可能需要進行CAN/LIN總線通訊的模塊，最終由模塊的工程師來確定是否為總線通訊的節(jié)點。

常見的ECU通訊模塊參考如表1、2：

1.2總線配置分析

在確定了各個通訊節(jié)點之后，須對節(jié)點在總線網絡中的配置進行分析，并確定以下三個方面：

1）高速CAN節(jié)點

高速CAN節(jié)點一般具有通訊速率高、安全等級高、實時性好的要求，例如ABS制動防抱死系統(tǒng)對行車安全起著重要作用，故對通訊的實時性、安全性要求很高。

一般情況下，與動力、主動及被動安全相關的節(jié)點均設置為高速CAN節(jié)點。這一類特點的節(jié)點有發(fā)動機管理模塊、安全氣囊模塊、轉向模塊、制動模塊等等。

2）低速CAN節(jié)點

低速CAN節(jié)點一般對通訊速率、安全等級、實時性沒有較高的要求，車身舒適系統(tǒng)一般屬于此范疇。這一類特點的節(jié)點有車身控制模塊、音響、DVD、空調以及其他信息娛樂系統(tǒng)等等。

3）LIN節(jié)點

根據(jù)成本要求，部分低速CAN通訊模塊也可以采用LIN總線的方案，例如倒車雷達，門窗防夾控制等等，這些需要根據(jù)實車開發(fā)時模塊的具體要求而定。

由于LIN總線為主從式結構，在設計LIN總線時需要確定主節(jié)點，一般讓能夠獲取CAN總線信號的CAN節(jié)點來同時擔當LIN的主節(jié)點，這樣LIN總線上需要通過CAN總線信號來做出的邏輯功能可由此節(jié)點來實現(xiàn)。LIN總線的主節(jié)點一般由車身控制器、網關等來擔當。

4）網關節(jié)點

CAN總線的通訊能力是有限的，并不是所有的節(jié)點都可以連接在一條總線上，為了分擔負載，降低風險，在必要時需要分段設計。若整車網絡在設計時存在兩條及兩條以上的總線，且總線之間需要進行信息的交換，則需要開發(fā)網關模塊。

網關模塊負責各條總線之間的信息交換，網關模塊本身有兩種選擇：一是設置獨立的網關模塊，專門用于總線信息交換；二是集成于某一通訊節(jié)點中，負責交換總線信息。通常處于成本考慮采用后者，而集成網關的節(jié)點一般為ICM或BCM。但是當總線數(shù)量較多時，受到處理能力或PCB板布置的限制，單靠集成網關是無法滿足要求的，這時便需要獨立的網關模塊來處理。

1.3總線參數(shù)設定

在確定通訊節(jié)點和總線配置之后，還需要設定總線的相關參數(shù)，體現(xiàn)在如下幾個方面：

1）總線協(xié)議

CAN總線協(xié)議主要有ISO 11898-2、ISO 11898-3，前者為高速CAN總線協(xié)議標準，后者為容錯CAN總線協(xié)議標準。前者可應用于各類節(jié)點，后者主要用于車身控制模塊等對通訊要求不高的節(jié)點?，F(xiàn)代很多車型在總線設計時，往往采用高低速CAN總線均采用ISO 11898-2的方式，即車身CAN系統(tǒng)也采用與動力CAN系統(tǒng)相同的總線協(xié)議，使用高速CAN的收發(fā)器和控制器來進行通訊，這種方式的優(yōu)點在于整車各通訊節(jié)點物理層統(tǒng)一，便于節(jié)點在各路總線上的移植和擴展。

LIN總線協(xié)議為LIN1.0/1.3/2.0/2.1等版本，根據(jù)需要進行選擇，LIN協(xié)議具有向下兼容的特點，高版本可以兼容低版本的協(xié)議。

2）總線速率

總線速率根據(jù)總線協(xié)議具有不同的范圍，其中ISO 11989-2的總線最高速率為1Mbps，而ISO 11898-3的總線最高速率為125kbps。

LIN總線的最高通訊速率為20kbps。

總線速率根據(jù)具體需求而定，一般高速CAN為500kbps，而低速CAN為125kbps或100kbps。實時性較高的信息處于安全和性能的考慮，所在的總線所要求的速率較高，如動力、安全系統(tǒng)的信息。

3）診斷協(xié)議

現(xiàn)行CAN總線執(zhí)行的診斷標準有兩種，一是KWP2000診斷協(xié)議，一是UDS統(tǒng)一診斷協(xié)議，根據(jù)具體需要進行開發(fā)。

4）終端電阻

在總線中，CAN_H、CAN_L間需要具有一定電阻，用于吸收反射波，其設計方案如下圖1、2所示。在ISO 11898-2總線協(xié)議情況下，總線中需要2個節(jié)點具有終端電阻，且阻值為120歐姆，因此需要在拓撲結構中說明；而在ISO 11898-3的情況下，每個節(jié)點均有終端電阻，關于阻值的定義可在ISO11898-3中查詢。

圖1　終端電阻方案1

1.4總線拓撲圖設計

在分析完以上各個問題之后，最后進行就是整個CAN總線系統(tǒng)的拓撲圖設計，拓撲結構中包含節(jié)點個數(shù)、總線條數(shù)和類型、終端電阻分布、傳輸速率、診斷類型和接口等信息。拓撲結構采用圖形表示方法，如下圖3所示：

完整的總線拓撲結構設計可參考下圖：

2、驗證分析

總線拓撲結構設計是否合理，是需要通過分析和驗證的，分析手段主要為網絡負載率計算或測試。

按照總線設計原則，為了保證信息傳輸?shù)目煽啃裕苊庑盘栄舆t，一般每條CAN總線在正常情況下通訊的負載不應超過30％。負載率可以通過人工計算和工具測試來進行。

1）人工計算

當總線通訊的信息幀確定以后，每一幀消息所占用的負載率如下：

其中：C—消息幀負載率

L—消息幀字節(jié)數(shù)

T—信號幀發(fā)送周期，單位為ms

S—總線速率，單位為kbit/s

將一條CAN總線上所有傳輸?shù)南加玫呢撦d率相加，即可得到總負載率，若每條總線負載率值小于30％，則該總線拓撲結構可以滿足設計要求；若有超過30％的現(xiàn)象，則需要通過調節(jié)消息的傳輸周期或減少幀的個數(shù)來降低負載率，若周期和幀個數(shù)無法改變或改變后仍不滿足要求，則需要對拓撲結構進行調整，使負載率達到合理范圍。

下表為計算示例：

表3　負載率計算示例

2）工具測試

總線負載率除了人工計算，也可以通過測試工具對設計好的總線進行仿真分析，分析結果更為準確，總線設計常用的工具有Vector公司CANoe。

圖4　CANoe的仿真示例

經過以上一系列的設計，便完成了CAN總線拓撲設計。隨著汽車電子化智能化的發(fā)展，在實際應用中，CAN總線模塊越來越多，總線結構也越來越復雜，但基本的設計方法仍然是一致的。

3、總結

總線拓撲結構是整車CAN總線網絡的框架，決定著汽車網絡的設計質量，只有合理的拓撲結構才能使得總線網絡具備可靠的信息傳輸和更好的拓展性。因此，掌握總線拓撲結構設計的影響因素和要點尤為重要，并且通過分析驗證來確定其合理性，保障網絡通訊質量。

參考文獻

[1]史久根. CAN現(xiàn)場總線系統(tǒng)設計技術[M]. 第1版，北京：國防工業(yè)出版社，2004. 21～22.

[2]ISO 11898-2, Road vehicles—Controller area network (CAN)—Part 2: High-speed medium access unit[S].

[3]ISO 11898-3, Road vehicles—Controller area network (CAN)—Part 3: Low-speed, fault-tolerant, medium-dependent interface[S].

Topology Design Of The Vehicle CAN Bus

Wang Wei, Chu Hongchao
（Anhui Jianghuai Autobile Co., Ltd, Technical Center, Anhui Heifei 230601）

Abstract:The application of the CAN bus technology become more and more extensive which usd in Vehicle controller area. The topology is a network structure composed by these controllers.How to design a rational topology and how to analyse the feasibility,this text will specify.

Keywords:CAN Bus; Topology

中圖分類號：U462.1

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7988（2016）05-127-03

作者簡介：王瑋，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術中心。