基于CAN/LIN總線的汽車通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

摘要：隨著我國經(jīng)濟水平的不斷提升，人們對于汽車提出了更高要求。由于汽車上電控系統(tǒng)數(shù)量越來越多，會使汽車的電路越來越復(fù)雜，導致汽車的可靠性下降。為了能夠更好的保證汽車的性能，導致了汽車生產(chǎn)成本的增加。為了能夠有效解決現(xiàn)實生活中所存在的這一問題，本文提出了一種基于CAN總線和LIN總線技術(shù)現(xiàn)代汽車通訊網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方案。在整個設(shè)計方案當中，我們所要用到的是CAN的高速的驅(qū)動系統(tǒng)，將LIN總線技術(shù)運用到了低速的車身系統(tǒng)當中。對于芯片，我們所選擇的是我國汽車典型的電子芯片。這些內(nèi)容的設(shè)計不僅能夠有效地實現(xiàn)對汽車網(wǎng)絡(luò)的控制，同時還有效地降低了汽車生產(chǎn)過程中的成本。使得人們在對汽車的使用過程中能夠更加安心。

關(guān)鍵詞：CAN總線;LIN總線;汽車通訊網(wǎng)絡(luò)

0 ?引言

從上世紀90年代以來，人們對汽車舒適性、經(jīng)濟性要求就越來越高，整個汽車當中，所包含的電控系統(tǒng)數(shù)量越來越多，由于汽車新增加的功能及通訊設(shè)備導致電路更加復(fù)雜，會使汽車在行駛過程中的可靠性降低。為了能夠有效地解決這一問題，就必須要采用能夠滿足高速或者多條道路使用的通訊網(wǎng)絡(luò)，通過共享信息的方式傳送給多種控制系統(tǒng)。

從當前情況看來，我國汽車當中采用的汽車網(wǎng)絡(luò)普遍都是局部網(wǎng)絡(luò)。有著各種各樣的高速發(fā)展的汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，例如高速容錯網(wǎng)絡(luò)協(xié)議FlexRay，應(yīng)用于汽車多媒體，以及導航的MOST，還包含有與計算機網(wǎng)絡(luò)兼容的藍牙系統(tǒng)等內(nèi)容。這篇文章主要側(cè)重于已經(jīng)得到高速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)——CAN總線和LIN總線而展開。

1 ?現(xiàn)狀

1.1 CAN總線

CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)的簡稱，這項內(nèi)容是由德國的以研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品而出名的BOSCH公司開發(fā)研究出來的的，并通過了國家的最終審核，已經(jīng)成為了國際標準。在當前可以算得上國際上應(yīng)用最為廣泛的現(xiàn)場總線之一。

在美洲北部和歐洲西部，CAN總線已經(jīng)成為了整個汽車行業(yè)控制系統(tǒng)當中的一項標準內(nèi)容，并且這項總線專門為大型的貨車和機械車進行工作。

這項總線具有如下幾種特點：

在數(shù)據(jù)通訊的過程當中，不具有先后之分，任何一個節(jié)點都可以向其它的一個或者多個節(jié)點傳送信息，由于其他節(jié)點設(shè)有優(yōu)先接收的順序，所以在接受這些內(nèi)容時不會出現(xiàn)接受故障的問題。

當多個節(jié)點同時發(fā)起通訊功能時，由于優(yōu)先級的設(shè)計，會讓優(yōu)先級低的避讓優(yōu)先級高的，雖然不會出現(xiàn)通訊線路阻塞的情況。

我覺得距離最高，可以達到10千米，最低可以到達40米。

CAN總線在傳輸過程中所需要的介質(zhì)是雙絞線。這種線比較適用于大數(shù)據(jù)長距離或短距離通信，能夠更好地達到實時性的要求。

1.2 LIN總線

隨著對汽車網(wǎng)絡(luò)化這一內(nèi)容研究的不斷深入，LIN總線技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。自從推出LIN總線規(guī)范以來，已經(jīng)進行了四次的修改。國內(nèi)外對這項內(nèi)容的研究量也越來越多，由于這一線路所需要花費的成本比較低。所以它的應(yīng)用范圍在逐漸地擴大。

LIN網(wǎng)絡(luò)設(shè)計過程中的關(guān)鍵內(nèi)容是LIN總線接口的設(shè)計，包含有硬件設(shè)施的設(shè)計和軟件的設(shè)計。LIN的主要特征包括于通用UART接口，所需要花費的成本比較低;符合國際標準，LIN總線僅僅是由3根導線來設(shè)計組成的;傳輸速率最高達每秒2萬字節(jié)，所傳輸?shù)拈L度可以高達40m;有單主機和多從機兩種運行模式，無總線判斷;從機節(jié)點能夠通過自身來完成信息的自動同步;在一定時間內(nèi)能夠完成信號的傳輸工作;接入電源就可以進行使用等。LIN總線主要用作CAN等高速網(wǎng)絡(luò)的子網(wǎng)絡(luò)，能夠有效地的實現(xiàn)傳感器、執(zhí)行器等設(shè)備的連接工作。

2 ?通訊協(xié)議

2.1 CAN總線通訊協(xié)議——J1939通訊協(xié)議

這一協(xié)議的內(nèi)容是根據(jù)CAN2.0B作為基礎(chǔ)的，是整個總線的應(yīng)用層次的協(xié)議內(nèi)容。這一協(xié)議內(nèi)容主要分為如下幾點內(nèi)容：優(yōu)先級、數(shù)據(jù)頁、協(xié)議所通過的數(shù)據(jù)的單元內(nèi)容。CAN的通訊協(xié)議能夠幫助定義汽車中控制的各種參數(shù)的內(nèi)容以及設(shè)定的命令的數(shù)據(jù)頁。

2.2 LIN總線通信協(xié)議

該協(xié)議的內(nèi)容通過一些硬件裝備接入到加入口上。這項內(nèi)容主要是應(yīng)用在汽車當中所涉及到的智能傳感器和執(zhí)行器當中。

將傳輸過程中的實際數(shù)據(jù)作為實體幀，一個幀是由幀頭以及回應(yīng)的數(shù)據(jù)部分組成。在一個被激活的網(wǎng)絡(luò)當中，通訊通常是由主節(jié)點進行啟動，通過主節(jié)點將各種各樣的信息數(shù)據(jù)發(fā)送出去。從第一個節(jié)點的任務(wù)開始通過過濾等操作。接收到自身所需要進行的操作，同時會啟動相關(guān)的傳送信息的內(nèi)容，將剩余的信息傳送到下一個環(huán)節(jié)，以此類推。

3 ?總體通訊網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

3.1 整車通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

汽車間不同設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕顒e就是數(shù)據(jù)傳輸?shù)念l率，根據(jù)美國汽車工程師的劃分，將其劃分為了三個等級。

在一個完整的汽車電子控制系統(tǒng)當中，許多動態(tài)的信息必須要實時顯示出來。由于每一個設(shè)備對實時性的要求不同，所以對數(shù)據(jù)更新的速度和控制周期就有不同。例如一個八缸的柴油機運行速度為每分鐘2400轉(zhuǎn)，控制器噴射的時間間隔為6毫秒，噴射持續(xù)的時間為每兩毫秒旋轉(zhuǎn)30度，要想在剩下的四毫秒之內(nèi)完成轉(zhuǎn)速的測量和油量測量任務(wù)等一系列的過程，就需要保證數(shù)據(jù)的傳送和接收在一毫秒鐘之內(nèi)就能完成，才能更好地完成實時性的要求。同時，這些內(nèi)容就要求數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)在優(yōu)先選擇權(quán)的競爭模式當中也要存在著本身具有極高的通信速率。CAN總線就是為滿足這些要求而設(shè)計的。

但是在低速的通訊網(wǎng)絡(luò)當中，要想達到進氣溫度的參數(shù)，20秒之后才能完成，但是冷卻的時間需要一分鐘。燃燒柴油允許的時間約為十分鐘，再加上車燈的開關(guān)，座椅的調(diào)節(jié)和車門的開閉傳輸過程中的延遲時間記錄上，如果將這些較為簡單的節(jié)點直接懸掛在LIN總線上，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的分級控制，同時還能有效降低車輛在開發(fā)過程中的成本。

當傳數(shù)據(jù)傳輸速率較高時，它主要的控制對象就轉(zhuǎn)變成了發(fā)動機控制器和自動變速器等。通過相關(guān)的分級，可以發(fā)現(xiàn)LIN總線屬于A類系統(tǒng)，他傳輸速率可以達到20kbps，它主要控制前后車燈的開啟與關(guān)閉，座椅的調(diào)節(jié)，門鎖的開關(guān)以及雨刷的開閉等內(nèi)容。這些信息對實時性要求不高，但所包含的數(shù)據(jù)較多。利用LIN總線能夠有效地減少其他內(nèi)容的干擾，增加傳輸?shù)木嚯x，降低成本。以門窗的控制為例，只需要一個LIN網(wǎng)絡(luò)也實現(xiàn)它的控制。

CAN總線和LIN總線是兩個相互獨立的存在，能夠通過中央控制系統(tǒng)的控制，來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享與交換。中央控制系統(tǒng)是整個汽車管理過程中的核心，同時它也作為二者的網(wǎng)關(guān)服務(wù)器，它的主要功能就是對收集到的各種信息進行處理，并發(fā)出相關(guān)的指令，使得汽車當中的各個單元配件正常工作。

3.2 接口設(shè)計

整個車的通訊網(wǎng)絡(luò)是通過CAN節(jié)點和LIN節(jié)點連接到總線上形成的一個局域網(wǎng)絡(luò)，所以對于接口的設(shè)計十分重要。

目前從事CAN總線和LIN總線芯片開發(fā)制造的廠商很多，例如飛利浦等廠商。所以，設(shè)計人員可以根據(jù)自身的需求來對不同種類的芯片做出選擇，這里的中央控制系統(tǒng)選擇了在汽車電子應(yīng)用中具有十分強大功能的八位單片機——FREESCALE的MC68HC908AZ60芯片。這一芯片內(nèi)部已經(jīng)形成了一個低速的CAN控制器，適合應(yīng)用于各種板塊，其中還包含有一個SCI版塊。這一新片除了能夠完成兩種網(wǎng)絡(luò)之間的通訊連接之外，還能夠發(fā)揮出其自身的控制功能。

LIN節(jié)點選擇的是這個FREESC-ALE器件。其中LIN收發(fā)器采用的是MC33399，LIN節(jié)點MCU選擇mc68hc805 PV8。由于汽車上電磁干擾比較大，為了能夠有效減少電磁對汽車運行過程中的干擾，所以在控制區(qū)域收發(fā)器之間增加了光電隔離電路，從而來提升自身系統(tǒng)的抗干擾能力。

CAN智能節(jié)電選擇的是飛利浦當中的PCA82C250作為收發(fā)器。CAN節(jié)點的MCU選擇的是P89C591，主要是這一器件內(nèi)部具有CAN控制器的接口，所以不需要對控制器進行再次的選擇。設(shè)計人員還可以使用微型控制器加上外接的CAN控制器這樣的連接方式。PCA82C250能夠提供給總線發(fā)動能力來提升對CAN控制器差遣的能力。在低速情況下，或者總線長度比較短時，一般采用的是斜率控制方式來限制它上升和下降的斜率，同時能夠有效的發(fā)揮出降低射頻干擾的能力。斜率可以通過調(diào)節(jié)來完成，將其連接至接地的電阻進行控制。當通訊信號傳輸?shù)綄Ь€的端點時會發(fā)生信號的反射，反射出來的信號會對正常信號的傳輸過程產(chǎn)生影響輸。所以總線的兩端需要連接終端電阻，以便更好的消除掉由于發(fā)射信號對其的影響。

4 ?車身系統(tǒng)方案

結(jié)合控制結(jié)構(gòu)和車身系統(tǒng)本身的特點，我們需要設(shè)計一種控制最優(yōu)，成本最低的方案。由于兩種總線在車身系統(tǒng)和驅(qū)動系統(tǒng)有著很大的差別，所以在選擇總線的時候，需要考慮到車身各種元件功能，以便更好地降低總線節(jié)點的成本。

這協(xié)議的選擇上，由于之前LIN技術(shù)還不夠成熟，所以一般采用的都是CAN技術(shù)。由于這項技術(shù)它本身所存在的固有特性，雖然能夠順利的完成汽車的各項操作控制功能，但是對于成本所提出的要求比較高。同時，由于這一總線系統(tǒng)控制的主要是低速電機系統(tǒng)，對于實時性等內(nèi)容并沒用很高的要求，且需要的數(shù)量較少，但是比較重要的是對硬件成本較高，所以比較適合采用LIN總線。同時，從當前的控制領(lǐng)域看來，由于LIN總線成本較低，比較適合應(yīng)用在汽車的控制上，所以這一總線系統(tǒng)的特性獲得了很大程度上的應(yīng)用。同時由于它自身防控干擾的能力比較強，所以主要應(yīng)用在那些要求不是很嚴格的部件控制上。

5 ?結(jié)束語

這篇文章的研究設(shè)計是基于總線的車載通訊網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，利用了相關(guān)的模型來進行了仿真實驗。由于總線當中各個節(jié)點的模型都能夠正確發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)關(guān)的連接，還能夠進行不同的數(shù)據(jù)之間的轉(zhuǎn)化，有效地完成了網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)幀轉(zhuǎn)發(fā)和通信控制功能。

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作者簡介：相鐵武（1979-），男，浙江嵊州人，總經(jīng)理，中級職稱，研究生，研究方向為并聯(lián)機器人、相關(guān)控制器設(shè)計、控制程序及相關(guān)軟件算法。