CAN/LIN網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在獵豹CS10應(yīng)用

林元新，謝有浩

（安徽獵豹汽車有限公司，安徽 滁州 239064）

CAN/LIN網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在獵豹CS10應(yīng)用

林元新，謝有浩

（安徽獵豹汽車有限公司，安徽 滁州 239064）

簡(jiǎn)述汽車網(wǎng)絡(luò)CAN/LIN總線技術(shù)要點(diǎn)，介紹應(yīng)用層協(xié)議、規(guī)范、開發(fā)工具；分析具體車型CAN/LIN網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的應(yīng)用，CAN/LIN具體報(bào)文解析。

CAN總線；LIN總線；應(yīng)用層協(xié)議；總線開發(fā)工具；CAN、LIN報(bào)文；報(bào)文解析

目前，網(wǎng)絡(luò)通信在車輛上應(yīng)用逐漸普及，早期只有中高端轎車上才使用的CAN總線、LIN總線技術(shù)，已經(jīng)成為乘用車的標(biāo)準(zhǔn)配置。自主車型的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)測(cè)試與合資公司的差距也越來越小，其設(shè)計(jì)開發(fā)過程也逐漸與國(guó)際接軌。CAN、LIN、OSEK、UDS等網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的應(yīng)用提升了汽車產(chǎn)品的配置靈活性和品牌競(jìng)爭(zhēng)力。同時(shí)，相對(duì)早期“硬線”電氣系統(tǒng)，其開發(fā)和維護(hù)的復(fù)雜程度有較大提升，對(duì)電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、測(cè)試、驗(yàn)證提出了更高要求。

本文以獵豹CS10為參考車型，簡(jiǎn)要介紹網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的CAN/LIN總線技術(shù)要點(diǎn)、應(yīng)用層協(xié)議、規(guī)范和汽車網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中涉及的設(shè)計(jì)、開發(fā)、測(cè)試，并進(jìn)行報(bào)文實(shí)例分析。

1 定義

1）CAN總線 CAN全稱為控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network），是一種能有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。其協(xié)議也發(fā)展為重要的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO11898、ISO11519 ）。

2）LIN總線 LIN全稱為本地互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)（Local Interconnect Network），是一種低成本的串行通信網(wǎng)絡(luò)，用于汽車電子系統(tǒng)的分布式控制。目標(biāo)是為現(xiàn)有汽車網(wǎng)絡(luò)（如CAN總線）提供輔助功能。LIN聯(lián)盟逐步將LIN總線推廣到ISO國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO 17987）。

3）OSEK規(guī)范 OSEK全稱為汽車電子開放式系統(tǒng)及其接口（Open Systems and their Interfaces for the Electronics in Motor Vehicles）。OSEK規(guī)范主要由4部分組成：通信規(guī)范（OSEK Communication，OSEK COM） ；網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)范（ OSEK Net Management，OSEK NM）；操作系統(tǒng)規(guī)范（OSEK Operating System，OSEK OS）和OSEK實(shí)現(xiàn)語言（OSEK Implementation Language，OIL）。隨著該規(guī)范應(yīng)用的不斷深入，其結(jié)構(gòu)和功能不斷完善和優(yōu)化，版本也不斷升級(jí)和擴(kuò)展，并提交ISO審議。

4）UDS UDS全稱為統(tǒng)一診斷服務(wù)（Unified diagnostic services），UDS與OBD最大的區(qū)別就在于“Unified”上，UDS是面向整車所有車載ECU，而OBD是面向排放相關(guān)ECU。UDS是一個(gè)應(yīng)用層協(xié)議（ISO 14229系列），它可以在CAN線上實(shí)現(xiàn)，也可以在Ethernet上實(shí)現(xiàn)。基于UDS協(xié)議的診斷又被稱為增強(qiáng)型診斷 （Enhanced diagnostic），UDS沒有統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)，不是法規(guī)要求的，其優(yōu)勢(shì)在于方便生產(chǎn)線檢測(cè)設(shè)備的開發(fā)，同時(shí)更大地方便了車聯(lián)網(wǎng)功能實(shí)現(xiàn)和售后維修保養(yǎng)。

5）CANoe相關(guān) 汽車總線開發(fā)工具和嵌入式源代碼提供商Vector，為汽車總線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)、建模、仿真、分析、測(cè)試和ECU開發(fā)、測(cè)試、標(biāo)定和診斷等領(lǐng)域提供一系列強(qiáng)有力的軟硬件工具和源代碼。具體包括用于CAN/LIN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和控制單元仿真和測(cè)試的工具CANoe；記錄、評(píng)價(jià)CAN總線信號(hào)電平的工具CANscope；CAN總線干擾生成工具CANstress；CAN總線數(shù)據(jù)記錄器CANlog；測(cè)試和標(biāo)定軟件工具CANape；總線分析工具CANalyzer。這些工具被OEM和供應(yīng)商的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)工程師、開發(fā)工程師和測(cè)試工程師所廣泛使用。

2 獵豹CS10網(wǎng)絡(luò)通信的具體實(shí)現(xiàn)和主要特點(diǎn)

采用德國(guó)Vector公司的CANoe（CAN Open Environment）、CANscope等專業(yè)工具進(jìn)行設(shè)計(jì)和開發(fā)，開發(fā)劃為3個(gè)階段：①功能建模和仿真；②系統(tǒng)部分的實(shí)現(xiàn)；③整個(gè)系統(tǒng)的集成。用CANoe建立仿真模型，在仿真模型基礎(chǔ)上進(jìn)行ECU的功能評(píng)估。綜合使用這些專業(yè)工具對(duì)CAN網(wǎng)絡(luò)通信的正確性、可靠性、合理性進(jìn)行多角度全方位的評(píng)估；定位故障、解決CAN和LIN總線應(yīng)用的各種問題，確保各項(xiàng)性能指標(biāo)符合設(shè)計(jì)要求。

CAN、LIN總線主要性能指標(biāo)包括：網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率、吞吐量、平均信息時(shí)延、通信沖突率、網(wǎng)絡(luò)利用率、網(wǎng)絡(luò)效率、負(fù)載完成率、總線電阻、總線波形。CS10網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 CAN、LIN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

2.1 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用

2.1.1 CAN總線

CAN總線采用11位標(biāo)準(zhǔn)ID，通信速率為500 kb/s，動(dòng)力系統(tǒng)和車身控制系統(tǒng)共用總線，沒有采用網(wǎng)關(guān)。支持應(yīng)用層協(xié)議和規(guī)范有：①OSEK網(wǎng)絡(luò)管理規(guī)范的直接網(wǎng)絡(luò)管理；②UDS用于車輛投放市場(chǎng)后的診斷，可通過UDS讀取診斷信息、進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)；③CCP用于開發(fā)階段的控制參數(shù)標(biāo)定。

圖2為CAN總線標(biāo)準(zhǔn)幀報(bào)文，實(shí)際上還有以下5種報(bào)文，用于滿足特定的信息傳輸需求，如：①數(shù)據(jù)幀：發(fā)送節(jié)點(diǎn)向接收節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)的幀；②遠(yuǎn)程幀：請(qǐng)求發(fā)送具有同一識(shí)別符的數(shù)據(jù)幀；③錯(cuò)誤幀：節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到總線錯(cuò)誤就發(fā)出錯(cuò)誤幀；④過載幀：在先行和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀（或遠(yuǎn)程幀）之間提供一附加的延時(shí)；⑤幀間隔：將數(shù)據(jù)幀及遠(yuǎn)程幀與前面的幀分離開來的幀。

圖2 CAN標(biāo)準(zhǔn)幀報(bào)文圖解

2.1.2 LIN總線

LIN總線通信采用LIN 2.1協(xié)議，通信速率為：19 200 b/s，一共3條總線：BCM、RLS、SunRoof一路；PEPS、ESCL一路；PEPS與IMMO基站一路。

CAN、LIN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。其中BCM、RLS、SunRoof三節(jié)點(diǎn)組成LIN網(wǎng)絡(luò)：所有報(bào)文的頭部由BCM發(fā)出，BCM任務(wù)是主任務(wù)，也就是總線行為由BCM調(diào)度，不同ID的響應(yīng)部分由對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的從任務(wù)發(fā)出。LIN總線通信過程如圖3所示。

圖3 LIN總線報(bào)頭和響應(yīng)圖解

BCM、RLS、SunRoof的LIN總線標(biāo)準(zhǔn)幀報(bào)文格式如圖4所示?？偩€包含以下6種報(bào)文滿足特定的信息傳輸需要：①無條件幀（Unconditional frame）：主任務(wù)發(fā)出報(bào)頭，一個(gè)任務(wù)響應(yīng)，一個(gè)或多個(gè)任務(wù)接收；②事件觸發(fā)幀（Event triggered frame）：增強(qiáng)LIN總線的響應(yīng)能力，避免為了很少發(fā)生的事件而對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行輪詢，從而浪費(fèi)了大量的帶寬；③零星幀（Sporadic frame）：共用一個(gè)時(shí)間隙，在需要時(shí)由主任務(wù)發(fā)送報(bào)頭和響應(yīng)；④診斷幀（Diagnostic frame）：用來傳輸診斷或配置信息；⑤用戶自定義幀（User-defined frame）：可以傳輸任何信息，由用戶自己定義；⑥保留幀（Reserved frame）：標(biāo)識(shí)符為63（0x3f）的特定幀。

圖4 LIN總線報(bào)文圖解

BCM、RLS、SunRoof節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的LIN總線報(bào)文見表1。

表1 LIN總線報(bào)文

其中保護(hù)的標(biāo)識(shí)符（Protect ID）由標(biāo)識(shí)符（ID）和奇偶校驗(yàn)符（Parity）組成，保護(hù)的標(biāo)識(shí)符與標(biāo)識(shí)符對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2。

表2 保護(hù)的標(biāo)識(shí)符與標(biāo)識(shí)符對(duì)應(yīng)關(guān)系

2.1.3 自定義串行通信

自定義串行通信是基于標(biāo)準(zhǔn)12 V電平的單線異步通信，通信波特率為2 400 b/s。用于玻璃升降器主副窗開關(guān)之間交互信息使用。自定義串行通信拓?fù)湟妶D5。左前門開關(guān)為主機(jī)，右前門開關(guān)、左后門開關(guān)、右后門開關(guān)均為從機(jī)。數(shù)據(jù)由主機(jī)發(fā)出，所有從機(jī)監(jiān)聽總線狀態(tài)、接收數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)休眠和喚醒。

圖5 自定義串行通信拓?fù)鋱D

2.2 整車喚醒、休眠機(jī)制

當(dāng)點(diǎn)火開關(guān)IG OFF時(shí)，一項(xiàng)功能要求總線上的節(jié)點(diǎn)與另一個(gè)節(jié)點(diǎn)通信，此時(shí)該網(wǎng)段上的所有節(jié)點(diǎn)將被喚醒。如果跨網(wǎng)段，還需要喚醒所有網(wǎng)段上的相關(guān)節(jié)點(diǎn)，但是不相關(guān)節(jié)點(diǎn)因此也進(jìn)入非低功耗狀態(tài)，這會(huì)造成不必要的功耗。例如：為了保證車輛安全，點(diǎn)火鑰匙斷開時(shí)，還需要一段時(shí)間的總線通信，通常為幾分鐘到幾十分鐘。在這段時(shí)間內(nèi)，因?yàn)槟承┕?jié)點(diǎn)的通信需求，網(wǎng)絡(luò)上不相關(guān)節(jié)點(diǎn)也進(jìn)入喚醒狀態(tài)，增加電池電量消耗，從而影響汽車的下一次起動(dòng)對(duì)電量的需求。

獵豹CS10采用OSEK 網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)（OSEKNM）、硬線休眠喚醒和延時(shí)休眠喚醒結(jié)合方式，很好地解決了這個(gè)問題。

2.2.1 硬線休眠

通過喚醒信號(hào)線，BCM實(shí)現(xiàn)對(duì)ABS、IPC、SCLM、LFDM休眠喚醒控制，當(dāng)此信號(hào)線為高平時(shí)喚醒相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)控制器。硬線休眠拓?fù)鋱D如圖6所示。

圖6 硬線休眠喚醒拓?fù)鋱D

2.2.2 延時(shí)休眠

EPB在點(diǎn)火鑰匙斷開10 min后進(jìn)入休眠。休眠后不發(fā)報(bào)文，總線報(bào)文也不喚醒此節(jié)點(diǎn)。

2.2.3 OSEK網(wǎng)絡(luò)管理

CAN、LIN總線拓?fù)鋱D見圖1。參與OSEK網(wǎng)絡(luò)管理的節(jié)點(diǎn)有：BCM、 PEPS，通過CAN總線發(fā)送特定報(bào)文，交互信息，協(xié)調(diào)各節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)狀態(tài)切換。

1）特定報(bào)文 ①Ring報(bào)文：邏輯環(huán)報(bào)文。在穩(wěn)定的邏輯環(huán)中，節(jié)點(diǎn)用于傳遞狀態(tài)信息的網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文。②Alive報(bào)文：網(wǎng)段中的節(jié)點(diǎn)完成初始化或被跳過后，發(fā)送此報(bào)文，用于表明新的節(jié)點(diǎn)加入到邏輯環(huán)中。③LimpHome報(bào)文：接收錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器或發(fā)送錯(cuò)誤計(jì)數(shù)器超過閾值的節(jié)點(diǎn)周期性發(fā)送此報(bào)文。

2）CAN休眠報(bào)文解析 OSEK網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文ID的高字節(jié)為固定值0x04，低字節(jié)為發(fā)送方地址編碼（0x0a為BCM，0x12為PEPS），報(bào)文數(shù)據(jù)的高字節(jié)為目標(biāo)地址，低字節(jié)為表明報(bào)文類型、節(jié)點(diǎn)狀態(tài)等信息。CAN總線休眠報(bào)文見表3。

表3 CAN總線休眠報(bào)文

2.2.4 LIN睡眠和喚醒

主節(jié)點(diǎn)發(fā)送ID為0x3C，第1字節(jié)為0x00的零星幀，使處于工作狀態(tài)的從節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠。

當(dāng)總線空閑4～10 s，所有從節(jié)點(diǎn)必須進(jìn)入睡眠。

LIN喚醒（Wake Up）：處于睡眠狀態(tài)的LIN網(wǎng)絡(luò)中，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送喚醒信號(hào)，LIN2.1規(guī)定的喚醒信號(hào)為0xF0。LIN網(wǎng)絡(luò)管理狀態(tài)切換如圖7所示。

圖7 LIN網(wǎng)絡(luò)管理狀態(tài)切換圖解

圖8 UDS診斷服務(wù)請(qǐng)求和響應(yīng)圖解

2.3 UDS統(tǒng)一診斷服務(wù)

通過OBD口連接專用通信設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)：故障診斷、讀寫VIN、防盜匹配、齒訊學(xué)習(xí)、標(biāo)定學(xué)習(xí)、程序更新、真空加注等功能。如圖8所示，一個(gè)診斷儀和一個(gè)ECU通信的方式是直接通信。由診斷儀發(fā)出診斷請(qǐng)求，該請(qǐng)求包含一個(gè)服務(wù)的I D，診斷服務(wù)標(biāo)識(shí)符縮寫為SID。一旦ECU接收到之后，對(duì)該請(qǐng)求進(jìn)行處理，處理之后回SID+40作為一個(gè)肯定響應(yīng)；如果沒有處理，則回一個(gè)7F。7F為否定響應(yīng)的標(biāo)識(shí)符，7F、請(qǐng)求服務(wù)標(biāo)識(shí)符SID和錯(cuò)誤代碼NRC構(gòu)成一個(gè)完整的否定響應(yīng)回復(fù)。

3 報(bào)文解析

1）EMS故障碼報(bào)文解析（表4）

表4 EMS故障碼報(bào)文解析

2） 坡道起步輔助（HAS）傳感器標(biāo)定報(bào)文解析（表5）

表5 坡道起步輔助（HAS）傳感器標(biāo)定報(bào)文解析

4 結(jié)束語

通過CAN、LIN總線技術(shù)的應(yīng)用，獵豹CS10經(jīng)過驗(yàn)證，不斷完善并逐步成熟。軟硬件平臺(tái)化、完整的架構(gòu)、合理的開發(fā)流程、科學(xué)的測(cè)試驗(yàn)證手段，通過技術(shù)沉淀，可以快速移植到相關(guān)車型的開發(fā)。目前，以此平臺(tái)化設(shè)計(jì)的車型還包括獵豹Q6AT車型、獵豹CS9系列車型，這種平臺(tái)化模式不但縮短開發(fā)周期，各項(xiàng)性能也得到了有效保障。

［1］ CANoe7.2用戶手冊(cè)CANone_Manual_En［Z］.

［2］ LIN Specification Package Revision 2.1［Z］.

［3］ OSEK/VDX Opearating System Specification 2.2.3［Z］.

［4］ OSEK/VDX NM Concept & API 2.5.2［Z］.

［5］ ISO 11898-1：2003（E）［S］.

［6］ ISO 11898-2：2003（E）［S］.

（編輯 楊 景）

Application of CAN/LIN Network Communication Technology in LIEBAO CS10

LIN Yuan-xin， XIE You-hao
（Anhui Leopaard Motor Co., Ltd., Chuzhou 239064, China）

This article briefly introduces technical points of CAN/LIN bus of the automotive network， application layer protocol， its specification and development tools. Specific models of CAN/LIN network communication technology application are analyzed， as well as CAN/LIN message parsing.

CAN bus；LIN bus；application layer protocol；bus development tools；CAN， LIN message；message parsing

U463.6

B

1003-8639（2017）07-0022-04

2017-02-01

林元新（1974-），男，汽車設(shè)計(jì)工程師，主要從事汽車電器設(shè)計(jì)和測(cè)試工作。