CAN總線及其在汽車中發(fā)展與應(yīng)用

邵宏偉

摘要：論文主要闡述CAN總線的產(chǎn)生發(fā)展，重點(diǎn)研究CAN用在汽車上的優(yōu)越性及發(fā)展前景，討論了在汽車上的總體設(shè)計(jì)方案，并通過其在汽車前照燈上的應(yīng)用具體說明了CAN在汽車上的應(yīng)用。最后。結(jié)合現(xiàn)狀討論了CAN在汽車上的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：CAN傳輸應(yīng)用發(fā)展

一、CAN總線簡(jiǎn)述

（一）CAN總線產(chǎn)生與發(fā)展

控制器局部網(wǎng)（CAN-CONTROLLER AREA NETWORK）是BOSCH公司為現(xiàn)代汽車應(yīng)用領(lǐng)先推出的一種多主機(jī)局部網(wǎng)，由于其卓越性能現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化、多種控制設(shè)備、交通工具、醫(yī)療儀器以及建筑、環(huán)境控制等眾多部門?？刂破骶植烤W(wǎng)將在我國(guó)迅速普及推廣。

由于CAN為愈來愈多不同領(lǐng)域采用和推廣，導(dǎo)致要求各種應(yīng)用領(lǐng)域通信報(bào)文的標(biāo)準(zhǔn)化。為此，1991年9月PHILIPS SEMICONDUCTORS制訂并發(fā)布了CAN技術(shù)規(guī)范（VERSION 2.0）。該技術(shù)規(guī)范包括A和B兩部分。2.0A給出了曾在CAN技術(shù)規(guī)范版本1.2中定義的CAN報(bào)文格式，而2.0B給出了標(biāo)準(zhǔn)的和擴(kuò)展的兩種報(bào)文格式。此后，1993年11月ISO正式頒布了道路交通運(yùn)載工具一數(shù)字信息交換一高速通信控制器局部網(wǎng)（CAN）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（IS011898），為控制器局部網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化推廣鋪平了道路。

（二）CAN總線特點(diǎn)

CAN總線是一種多主總線，通信速率可達(dá)1MBPS。CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對(duì)通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗(yàn)、優(yōu)先級(jí)判別等項(xiàng)工作。

（1）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。

（2）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，并有CRC及其他校驗(yàn)措施，數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低。

（3）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。

（4）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。

（5）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40re），直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km（速率5kbps以下）。

（6）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。

如前所述，各節(jié)點(diǎn)直接掛接在總線上，從而構(gòu)成了多主機(jī)結(jié)構(gòu)，即每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)主機(jī)，因而CAN是一種多主方式的串行通信總線。CAN能夠使用多種物理介質(zhì)，如差分驅(qū)動(dòng)平衡絞線，單線，光纖等。最常用的就是雙絞線?？偩€上的數(shù)據(jù)可具有兩種互補(bǔ)的邏輯值之一，顯性和隱性。顯性表示為邏輯“0”，隱性表示為邏輯“1”。在ISO的標(biāo)準(zhǔn)中兩條總線上的電平如表一所示。如果總線上的兩個(gè)控制器同時(shí)向總線上發(fā)送顯性電平和隱性電平，則總線上始終是顯性電平。

在CAN總線中，以報(bào)文為單位進(jìn)行信息傳遞且各節(jié)點(diǎn)使用相同的位速率。CAN總線上任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的最大通信距離與位速率有關(guān)，表二列出了相關(guān)數(shù)據(jù)。這里的最大通信距離指的是同一總線上兩節(jié)點(diǎn)問的距離。

CAN實(shí)現(xiàn)總線分配的方法，可保證當(dāng)不同的站申請(qǐng)總線存取時(shí)，明確地進(jìn)行總線分配。這種位仲裁的方法可以解決當(dāng)兩個(gè)站同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生的碰撞問題。不同于Ethemet網(wǎng)絡(luò)的消息仲裁，CAN的非破壞性解決總線存取沖突的方法，確保在不傳送有用消息時(shí)總線不被占用。甚至當(dāng)總線在重負(fù)載情下，以消息內(nèi)容為優(yōu)先的總線存取也被證明是一種有效的系統(tǒng)。雖然總線的傳輸能力不足，所有未解決的傳輸請(qǐng)求都按重要性順序來處理。在CSMA/CD這樣的網(wǎng)絡(luò)中，如Ethemet系統(tǒng)往往由于過載而崩潰，而這種情況在CAN中不會(huì)發(fā)生。

（三）CAN總線的組成

CAN數(shù)據(jù)總線由一個(gè)控制器，一個(gè)收發(fā)器，兩個(gè)數(shù)據(jù)傳輸終端以及兩條數(shù)據(jù)線組成。除數(shù)據(jù)傳輸線外，其他元件都置于控制單元內(nèi)部?？刂茊卧δ懿蛔?。

（1）CAN控制器

CAN控制器是用來接收控制單元中微電腦傳來的數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并將其傳往CAN收發(fā)器。同樣CAN控制器也接收CAN收發(fā)器傳來的數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并將其傳往控制單元中的微電腦。

（2）CAN收發(fā)器

CAN收發(fā)器將CAN控制器傳來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并將其送入數(shù)據(jù)傳輸線。它也為CAN控制器接收和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

（3）數(shù)據(jù)傳輸終端

數(shù)據(jù)傳輸終端是一個(gè)電阻器，其作用是防止數(shù)據(jù)在線端被反射，并以回聲的形式返回。數(shù)據(jù)在線端被反射會(huì)影響數(shù)據(jù)的傳輸。

（4）數(shù)據(jù)傳輸線

數(shù)據(jù)傳輸線是雙向?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行傳輸?shù)摹蓷l傳輸線分別被稱為CAN高線和CAN低線。為了防止外界電磁波的干擾和向外輻射，CAN總線將兩條線纏繞在一起。

這兩條線的電位相反，如果一條是5V，另一條就是0V，始終保持電壓總和為一常數(shù)。通過這種方法，CAN數(shù)據(jù)總線得到了保護(hù)，使其免受外界的電磁場(chǎng)干擾。

二、CAN數(shù)據(jù)總線的傳輸原理

圖一為電動(dòng)汽車CAN總線系統(tǒng)原理框圖。該CAN總線系統(tǒng)由中央控制器，電池管理系統(tǒng)，電機(jī)控制系統(tǒng)，制動(dòng)控制系統(tǒng)，儀表控制系統(tǒng)組成。各個(gè)控制器之間通過CAN總線進(jìn)行通信，以實(shí)現(xiàn)傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的共享以及控制指令的發(fā)送和接收等，并使各控制器的控制性能都能有所提高，從而提高系統(tǒng)的控制性能.通信的信息類型為信息類和命令類.信息類主要是發(fā)送一些信息，如傳感器信號(hào)，診斷信號(hào)，系統(tǒng)的狀態(tài)。命令類則主要是發(fā)送給其他執(zhí)行器的命令。通信有以下主要內(nèi)容。

1、車輛起動(dòng)時(shí)的自檢。中央控制器負(fù)責(zé)向各個(gè)模塊發(fā)送自檢命令，并收集各個(gè)模塊的返回信息，通過分析處理，及時(shí)地發(fā)現(xiàn)問題，解決問題。

2、加速過程通信。加速操作時(shí)，中央控制器采集加速踏板信號(hào)，根據(jù)控制策略，通過CAN總線設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速，電池管理系統(tǒng)等參數(shù)。

3、制動(dòng)過程通信。制動(dòng)過程中，制動(dòng)踏板信號(hào)直接下傳到ABS控制器，同時(shí)通過CAN總線上傳到中央控制器。中央控制器根據(jù)控制規(guī)劃，通過CAN總線設(shè)置電機(jī)轉(zhuǎn)速，電池管理系統(tǒng)等參數(shù)。

4、周期性數(shù)據(jù)刷新通信。電機(jī)控制器采集電機(jī)的電樞電流，電機(jī)轉(zhuǎn)速等信息，判斷是否缺相，接收設(shè)定轉(zhuǎn)速；電池管理控制器采集電池溫度，荷電狀態(tài)等信息；接收是否充電指令及充電門限系數(shù)；制動(dòng)控制器采集車輪轉(zhuǎn)速信息，接收?qǐng)?zhí)行制動(dòng)指令；儀表控制器采集并顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速，車速，電池的荷電狀態(tài)值等信息。

5、運(yùn)行過程中監(jiān)控。在車輛運(yùn)行過程中，檢測(cè)總線上數(shù)據(jù)幀的收發(fā)情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)總線異常，自動(dòng)做出緊急處理，甚至向駕駛員發(fā)出警報(bào)。

三、CAN總線前景展望

“汽車電子業(yè)最大的熱點(diǎn)就是網(wǎng)絡(luò)化?！币晃粯I(yè)內(nèi)人士如此描述汽車網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景。德爾福電子與安全部中國(guó)工程經(jīng)理許向東指出，隨著排放法規(guī)的驅(qū)動(dòng)以其在線診斷的需要，通過CAN總線將各系統(tǒng)中的診斷總線連接在一起，通過ECU軟件來實(shí)時(shí)診斷與維修。并且，隨著安全性能日益受到重視，安全氣囊也將逐漸增多，以前是在駕駛員前面安裝一個(gè)，今后側(cè)面與后座都會(huì)安裝安全氣囊，這些氣囊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。在現(xiàn)代轎車的設(shè)計(jì)中，CAN已經(jīng)成為必須采用的裝置。奔馳、寶馬、大眾、沃爾沃、雷諾等汽車都采用了CAN作為控制器聯(lián)網(wǎng)的手段。