1.引言

        20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著集成電路和單片機(jī)在汽車上的廣泛應(yīng)用， 汽車上電子控制單元越來(lái)越多， 例如電子燃油噴射裝置、防抱死制動(dòng)裝置（ABS）、安全氣囊裝置、電控門窗裝置和主動(dòng)懸架等等。在這種情況下，如果仍采用常規(guī)的布線方式，即電線一端與開(kāi)關(guān)相接，另一端與用電設(shè)備相通，將導(dǎo)致車上電線數(shù)目急劇增加，使得電線的質(zhì)量占整車質(zhì)量的4％左右。另外，電控系統(tǒng)的增加雖然提高了轎車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和舒適性，但隨之增加的復(fù)雜電路也降低了車輛的可靠性，增加了維修的難度。為此，改革汽車電氣技術(shù)的呼聲日益高漲。因此，一種新的概念——車用控制器局域網(wǎng)絡(luò)CAN應(yīng)運(yùn)而生。

簡(jiǎn)介

        CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network)的簡(jiǎn)稱，它是由德國(guó)的Bosch公司及幾個(gè)半導(dǎo)體生產(chǎn)商開(kāi)發(fā)出來(lái)的，CAN 總線是一種串行多主站控制器局域網(wǎng)總線。它具有很高的網(wǎng)絡(luò)安全性、通訊可靠性和實(shí)時(shí)性,簡(jiǎn)單實(shí)用,網(wǎng)絡(luò)成本低。特別適用于汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強(qiáng)和振動(dòng)大的工業(yè)環(huán)境。

總線技術(shù)特點(diǎn)

       CAN總線可有效支持分布式控制或?qū)崟r(shí)控制，通信介質(zhì)可以是雙絞線，同軸電纜或光纖，其主要特點(diǎn)是：

（1）CAN總線為多主站總線，各節(jié)點(diǎn)可在任意時(shí)刻向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，不分主從，通信靈活

（2）CAN總線采用獨(dú)特的非破壞性總線仲裁技術(shù)，優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)優(yōu)先傳送數(shù)據(jù)，可滿足實(shí)時(shí)性要求

（3）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

（4）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

（5）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

（6）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

（7）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40m），直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km（速率5kbps以下）

（8）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

總線技術(shù)在汽車中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

CAN總線技術(shù)在汽車中的應(yīng)用具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）信息共享

        采用CAN總線技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)各ECU之間的信息共享，減少不必要的線束和傳感器。例如具有CAN總線接口的電噴發(fā)動(dòng)機(jī)，其它電器可共享其提供的轉(zhuǎn)速、水溫、機(jī)油壓力、機(jī)油溫度、油量瞬時(shí)流速等，這樣一方面可省去額外的水溫、油壓、油溫傳感器，另一方面可以將這些數(shù)據(jù)顯示在儀表上，便于司機(jī)檢查發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行工況，從而便于發(fā)動(dòng)機(jī)的保養(yǎng)維護(hù)。表1給出了汽車部分電控單元產(chǎn)生及發(fā)送的數(shù)據(jù)類型及其他單元對(duì)這些信息共享的情況。

汽車部分電控單元數(shù)據(jù)發(fā)送、接受情況

（2）減少線束

       新型電子通訊產(chǎn)品的出現(xiàn)對(duì)汽車的綜合布線和信息的共享交互提出了更高的要求，傳統(tǒng)的電氣系統(tǒng)大多采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單一通信方式，相互之間少有聯(lián)系，這樣必然造成龐大的布線系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)一輛采用傳統(tǒng)布線方法的高檔汽車中，其導(dǎo)線長(zhǎng)度可達(dá)2000米，電氣節(jié)點(diǎn)達(dá)1500個(gè)，而且該數(shù)字大約每十年增長(zhǎng)1倍。這種傳統(tǒng)布線方法不能適應(yīng)汽車的發(fā)展。CAN總線可有效減少線束，節(jié)省空間。例如某車門-后視鏡、搖窗機(jī)、門鎖控制等的傳統(tǒng)布線需要20-30根，應(yīng)用總線CAN則只需要2根。

（3）關(guān)聯(lián)控制

        在一定事故下，需要對(duì)各ECU進(jìn)行關(guān)聯(lián)控制，而這是傳統(tǒng)汽車控制方法難以完成的。CAN總線技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多ECU的實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)控制。在發(fā)生碰撞事故時(shí)，汽車上的多個(gè)氣囊可通過(guò)CAN協(xié)調(diào)工作，它們通過(guò)傳感器感受碰撞信號(hào)，通過(guò)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。

總線技術(shù)在汽車中的應(yīng)用實(shí)例

       世界上一些著名汽車制造廠商如奔馳、寶馬等都已開(kāi)始采用CAN總線來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)與各檢測(cè)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)間的數(shù)據(jù)通信。目前國(guó)產(chǎn)的很多汽車上也引入了CAN總線技術(shù)，如大眾途安、帕薩特等車型一般將CAN總線分為低速CAN和高速CAN。低速CAN的總線速度為10Kbps-125Kbps，主要運(yùn)用在車身控制模塊領(lǐng)域；高速為250Kbps-1Mbps，應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、ABS等實(shí)時(shí)性要求強(qiáng)的控制模塊。但各種車型都會(huì)視具體情況采用適合于自身的總線結(jié)構(gòu)。下面是幾種比較典型的CAN總線應(yīng)用方案。

5.1 CAN總線方案一

      CAN總線應(yīng)用方案一如圖1所示。

CAN總線應(yīng)用方案一

       方案一是一個(gè)完整的分布式汽車電子控制系統(tǒng)，它采用多子網(wǎng)結(jié)構(gòu)，將信息交換比較密切的系統(tǒng)放在一個(gè)子網(wǎng)中，使整個(gè)系統(tǒng)具有很高的實(shí)時(shí)性，不同子網(wǎng)之間根據(jù)不同的應(yīng)用特點(diǎn)，采用不同的物理層接口以及通信速率，優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。方案一簡(jiǎn)化了各個(gè)CAN子網(wǎng)的設(shè)計(jì)難度，但是整車的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及總線通信協(xié)議比較復(fù)雜，硬件上對(duì)網(wǎng)關(guān)的要求比較高，需要有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，而且系統(tǒng)成本比較高，適合于中高檔轎車采用。

5.2 CAN總線方案二

       方案二中整車的CAN總線網(wǎng)絡(luò)分為高速網(wǎng)絡(luò)和低速網(wǎng)絡(luò)兩部分，高速網(wǎng)采用雙線式高速CAN總線(1Mbps)，低速網(wǎng)采用雙線式CAN總線(125gbps)IS011519。儀表顯示模塊作為網(wǎng)關(guān)完成兩部分?jǐn)?shù)據(jù)之間的傳輸。CAN總線應(yīng)用方案二如圖2所示。

CAN總線應(yīng)用方案二

       整個(gè)系統(tǒng)分為高速和低速兩部分。動(dòng)力傳動(dòng)總線和安全總線合并成高速總線，這樣做降低了通信的實(shí)時(shí)性，但是考慮到傳動(dòng)系總線中一般是周期性的數(shù)據(jù)，而安全總線中一般是突發(fā)性的數(shù)據(jù)，只要選擇合適的幀優(yōu)先級(jí)就可以彌補(bǔ)這個(gè)缺點(diǎn)。舒適總線和信息總線合并為低速總線，這兩部分中對(duì)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性要求不高，125Kbps的速率完全可以滿足需求。

       方案二系統(tǒng)成本不高，且性能也沒(méi)有太大的損失，性價(jià)比又不錯(cuò)，適合于中低檔轎車采用。

5.3 CAN總線方案三

       由于使用CAN總線會(huì)使系統(tǒng)成本增加，在一些不需要CAN總線的帶寬和多功能的場(chǎng)合，使用LIN總線可大大節(jié)省成本，所以LIN總線得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

      LIN(Local Interconnect Network)總線是一種低成本的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)現(xiàn)汽車中的分布式電子系統(tǒng)控制。LIN總線的目標(biāo)是為現(xiàn)有汽車網(wǎng)絡(luò)(例如CAN總線)提供輔助功能。LIN的標(biāo)準(zhǔn)化將簡(jiǎn)化多種現(xiàn)存的多點(diǎn)解決方案，且將降低在汽車電子領(lǐng)域中的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、服務(wù)和后勤成本。

       典型的LIN總線應(yīng)用是汽車中的聯(lián)合裝配單元，如門、座椅、空調(diào)、照明燈等。對(duì)于成本比較敏感的單元，LIN可以使機(jī)械元件可以很容易的連接到汽車網(wǎng)絡(luò)中并得到十分方便的維護(hù)和服務(wù)。下面的方案中包括15個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)和31個(gè)LIN節(jié)點(diǎn)，充分體現(xiàn)了CAN以及LIN各自的特點(diǎn)。CAN總線應(yīng)用方案三如圖3所示。

CAN總線應(yīng)用方案三

       方案3是一個(gè)很完整的方案，但是實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，考慮到系統(tǒng)的性價(jià)比以及安裝等方面的因素，可采用如下圖所示的簡(jiǎn)化方案，圖中CAN總線虛線表示這部分在不影響性能的前提下，可以用LIN總線替代，可以降低系統(tǒng)成本。

5.4 CAN總線方案四

       方案4主要是針對(duì)希望采用總線的中低檔轎車，這就決定了系統(tǒng)必須具有很高的性價(jià)比，而且成本也是一個(gè)重要的方面。具體應(yīng)用需要根據(jù)不同的車型做出適當(dāng)?shù)男薷臐M足各自的要求。本車身控制模塊在總線方案2基礎(chǔ)上加以簡(jiǎn)化，保留中央控制模塊和四個(gè)門模塊作為車身控制總線方案。CAN總線應(yīng)用方案四如圖4所示。

6. CAN總線技術(shù)在汽車中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

       利用CAN總線構(gòu)建一個(gè)車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題有：

（1）總線傳輸信息的速率、容量、優(yōu)先等級(jí)、節(jié)點(diǎn)容量等技術(shù)問(wèn)題

（2）高電磁干擾環(huán)境下的可靠數(shù)據(jù)傳輸

（3）確定最大傳輸時(shí)的延時(shí)大小

（4）網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)技術(shù)

（5）網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控和故障診斷功能

（6）實(shí)時(shí)控制網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間特性

（7）安裝與維護(hù)中的布線

（8）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的增加與軟硬件更新(可擴(kuò)展性)

7：結(jié)束語(yǔ)

      CAN總線作為一種可靠的汽車計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)總線已開(kāi)始在先進(jìn)的汽車上得到應(yīng)用,使得各汽車計(jì)算機(jī)控制單元能夠通過(guò)CAN總線共享所有的信息和資源,達(dá)到簡(jiǎn)化布線、減少傳感器數(shù)量、避免控制功能重復(fù)、提高系統(tǒng)可靠性和可維護(hù)性、降低成本、更好地匹配和協(xié)調(diào)各個(gè)控制系統(tǒng)的目的。這樣使得汽車的動(dòng)力性、操作穩(wěn)定性、安全性都上升到新的高度。隨著汽車電子技術(shù)的發(fā)展,具有高度靈活性、簡(jiǎn)單的擴(kuò)展性、優(yōu)良的抗干擾性和處理錯(cuò)誤能力的CAN總線通信協(xié)議必將在汽車電控系統(tǒng)中得到更廣泛的應(yīng)用。