CAN網(wǎng)絡(luò)在汽車上的應(yīng)用分析

易坤仁

【摘 要】隨著現(xiàn)代汽車的不斷發(fā)展，汽車電子設(shè)備不斷增加，汽車綜合性控制系統(tǒng)控制信號需實時交換。CAN是控制器局域網(wǎng)，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性，靈活性特點，由于其良好的性能，汽車領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用CAN總線實現(xiàn)汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，本文重點詳細介紹CAN總線在汽車上的應(yīng)用。介紹了車身控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可作為我國汽車企業(yè)自主開發(fā)CAN總線控制系統(tǒng)有益探索。

【關(guān)鍵詞】CAN;汽車制造

中圖分類號： U463.6 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）23-0043-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.23.018

自80年代后，汽車領(lǐng)域飛速發(fā)展，單片機廣泛應(yīng)用于汽車上，ABS裝置，主動懸架等電子控制單元在汽車上的應(yīng)用日益廣泛。原始的布線方式連接歐諾供電設(shè)備與開關(guān)，大大增加了電線的數(shù)量，電控系統(tǒng)復(fù)雜的線路提高維修的難度，迫切需要運用CAN解決此問題。汽車電控技術(shù)的廣泛應(yīng)用對車內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求，基于CAN總線的通信網(wǎng)絡(luò)具有速度高級通用性好等優(yōu)點，CAN接口的軟硬件設(shè)計能滿足汽車應(yīng)用的需要?？刂破骶钟蚓W(wǎng)是德國Bosch公司為解決現(xiàn)代企業(yè)眾多控制儀器之間數(shù)據(jù)交換開發(fā)的通信協(xié)議，CAN在歐洲被廣泛應(yīng)用于汽車生產(chǎn)中。

1 CAN總線概念

控制器局域網(wǎng)絡(luò)在汽車產(chǎn)業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，出于對安全性，低成本的要求，各種電子控制系統(tǒng)被開發(fā)出來，由于系統(tǒng)之間的通信由多條總線構(gòu)成的情況很多，為適應(yīng)減少線束數(shù)量的需求，1986年德國電器商博世公司開發(fā)面向汽車的CAN通信協(xié)議，現(xiàn)在在歐洲已成為汽車網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準協(xié)議，目前全世界有110多種CAN總線控制器芯片[1]。

總線開放時，具有最高優(yōu)先權(quán)的報文單元贏得總線的訪問權(quán)，可用液晶顯示器作為多主機的公用監(jiān)視器，節(jié)約系統(tǒng)成本。網(wǎng)絡(luò)上的每個主機可同時發(fā)送。收到報文的標(biāo)識符與本機的接收碼寄存器比較，網(wǎng)絡(luò)上的每個節(jié)點可發(fā)送遠程幀，與對應(yīng)的遠程幀以相同的標(biāo)識符ID命名。

數(shù)據(jù)共享減少了數(shù)據(jù)的重復(fù)處理，如對電噴發(fā)動機，其他電器可共享提供的轉(zhuǎn)速等?？墒∪ヮ~外的水穩(wěn)，可將數(shù)據(jù)顯示在儀表上，便于發(fā)動機保養(yǎng)維護。應(yīng)用CAN總線可減少車身布線，采用總線技術(shù)，模塊間的信號傳遞僅需兩條信號線，其他橫貫車身的線不需要布線。數(shù)據(jù)共享節(jié)省了線路，車速信號要接到電流緩速器，悶控制及電噴發(fā)動機。

2 CAN技術(shù)的研究

SAE車輛網(wǎng)絡(luò)委員會將汽車數(shù)據(jù)網(wǎng)劃分為A、B、C三類，最近幾年許多新的車用通信協(xié)議推出，考慮功能分布于位傳輸速率等因素，現(xiàn)有汽車通信網(wǎng)絡(luò)大致分為車輛控制網(wǎng)絡(luò)，排放控制網(wǎng)絡(luò)，安全系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)使用不同的總線結(jié)構(gòu)，目前世界各大汽車公司車身網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)平臺基本建立，全面采用網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)成為可能。

CAN總線技術(shù)在汽車領(lǐng)域占有了一定的市場地位，CAN總線技術(shù)最早為德國Bosch公司研制，在北歐國家早期CAN總線技術(shù)非常流行。由于CAN總線技術(shù)自身的高可靠性，其應(yīng)用日益受到人們的重視。其應(yīng)用范圍向過程工業(yè)，樓宇自動化，農(nóng)業(yè)機械，數(shù)控機床等領(lǐng)域發(fā)展。

我國在CAN總線研究應(yīng)用方面起步較晚，在汽車上的應(yīng)用自2002年后，在幾大汽車研究單位啟動。目前處于研究初級階段，重點集中于動力系統(tǒng)的CAN通訊，未對汽車車身電控部件進行CAN總線應(yīng)用的研究[2]。

3 CAN總線硬件電路設(shè)計

3.1 CAN管理結(jié)構(gòu)

發(fā)動機，安全氣囊等都是現(xiàn)代汽車動作的核心部件，設(shè)計采用傳輸速率為1000kbps的高速CAN通信網(wǎng)絡(luò)，儀表管理控制等對實時性要求較低。采用傳輸速率小于125kbps的CAN通信網(wǎng)絡(luò)，總線與各節(jié)點進行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連。

采用CAN總線技術(shù)可實現(xiàn)ECU之間的信息共享，如具有CAN總線接口的電噴發(fā)動機，其他電器可共享其提供的水穩(wěn)，機油溫度等。可省去額外的傳感器，將數(shù)據(jù)顯示在儀表上，便于發(fā)動機的維護保養(yǎng)。

新型電子通訊產(chǎn)品對汽車的綜合布線提出了更高的要求，傳統(tǒng)電氣系統(tǒng)布線系統(tǒng)龐大。一輛采用傳統(tǒng)布線方法的高檔汽車導(dǎo)線長度達2000m，CAN總線可有效減少線束長度，如某車針對后門，搖窗機等功能的傳統(tǒng)布線需20-30根，用總線CAN僅需2根，傳統(tǒng)布線方法不能適應(yīng)汽車的發(fā)展。

CAN總線技術(shù)可實現(xiàn)多ECU的實時關(guān)聯(lián)控制，汽車上的多個氣囊通過CAN總線將傳感器信號傳送到中央處理器中。電控噴油系統(tǒng)，防抱死控制系統(tǒng)，廢氣再循環(huán)控制系統(tǒng)，為滿足子系統(tǒng)的實時性要求，需實時共享汽車數(shù)據(jù)?？刂茊卧獙崟r性的要求因數(shù)據(jù)更新速率不同，要求數(shù)據(jù)交換網(wǎng)具有較高的通信率，CAN總線能夠滿足這些要求。

3.2 CAN硬件構(gòu)架

CAN采用PHILIPS公司高性能8位處理器P89C668，自帶串行接口序列，80C51中央處理單元，12個時鐘周期下速度高達330MHz，P89C668是出色的微處理器，8K字節(jié)RAM內(nèi)存是許多高速存儲應(yīng)用場合首選。

PHILIPS提供編程軟件由串行口通信即可實現(xiàn)程序線升級。復(fù)位電路采用X25045芯片進行智能控制，汽車節(jié)點開關(guān)器件復(fù)雜繁多，水溫油位傳感器信號是非線性模擬信號，可靠實時對開關(guān)量進行檢測成為汽車電子硬件必須解決的問題。

4 CAN總線在國內(nèi)汽車產(chǎn)品上的應(yīng)用

4.1 CAN在小轎車上的應(yīng)用

一般小轎車CAN總線的應(yīng)用最為廣泛，CAN總線拓撲結(jié)構(gòu)主要有線型，環(huán)形網(wǎng)絡(luò)與星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。線式拓撲結(jié)構(gòu)采用單線作為傳輸介質(zhì)，站點通過相應(yīng)硬件接口連接到傳輸介質(zhì)，網(wǎng)絡(luò)中氣他站點可同時收到。所有的節(jié)點在同一線路進行通信，總線式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，站點接入靈活。

環(huán)型網(wǎng)絡(luò)中的信息為單方向，信息在網(wǎng)絡(luò)中環(huán)游一圈后由發(fā)動節(jié)點收回。環(huán)型網(wǎng)絡(luò)的任一節(jié)點包括環(huán)中線路損壞都會使網(wǎng)絡(luò)通信故障，環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是傳送速度快[3]。

星型網(wǎng)絡(luò)每個站點通過單獨的通信線路連接到中央節(jié)點。星型拓撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)安裝較總線式容易，價格便宜。移動某一節(jié)點簡單，單個連接點的故障只影響相應(yīng)站點的工作。每個站點直接與中央節(jié)點連接，如中央節(jié)點發(fā)生故障導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

大眾汽車的CAN總線系統(tǒng)分為5個不同的總線區(qū)域，其動力CAN數(shù)據(jù)總監(jiān)經(jīng)短時無載運行后切除，舒適CAN數(shù)據(jù)總線在一條數(shù)據(jù)線短路時，可用另一條繼續(xù)工作。動力CAN總線數(shù)據(jù)與信息CAN數(shù)據(jù)信號不同。確保車輛更好的實現(xiàn)CAN總線控制功能，避免突發(fā)情況造成操作失靈。

動力系統(tǒng)主要包括發(fā)動機控制單元，組合儀表控制單元等，市場基本被外資企業(yè)壟斷，信息系統(tǒng)主要包含自動空調(diào)控制單元，舒適控制單元等，國內(nèi)企業(yè)由于資金不足等原因，發(fā)展速度較慢。

4.2 CAN在大中型客車中的應(yīng)用

隨著城市生活水平的提高，客車廠家為滿足客戶日益增加的需求，加裝電子器件使客車電氣系統(tǒng)愈加復(fù)雜，電纜總長不斷延伸，客車電氣系統(tǒng)安全性能呈現(xiàn)下降趨勢。高危安全事故時有發(fā)生。國內(nèi)主流的客車企業(yè)，如鄭州宇通，蘇州金龍，中通客車等都在加大CAN技術(shù)的應(yīng)用力度，致力于不斷提高客車電控系統(tǒng)技術(shù)水平，確保客車安全性水平的提升。

大中型客車CAN總線應(yīng)用在動力傳動系統(tǒng)方面，CAN總線技術(shù)在變速箱TCU等關(guān)鍵零部件方面全部應(yīng)用，部分廠商未使用CAN總線接口。

由于客戶要求分散，依靠CAN總線智能的配置功能，實現(xiàn)系統(tǒng)的靈活配置成為趨勢。客車CAN總線系統(tǒng)研發(fā)進入壁壘較低，國內(nèi)主要研發(fā)CAN總線產(chǎn)品的企業(yè)集中于大中型客車市場。

總線智能化診斷成為電氣化發(fā)展的主流。目前國內(nèi)企業(yè)主要的競爭點在于與外資產(chǎn)品的價格上，國內(nèi)企業(yè)與外資企業(yè)在用戶體驗上的競爭稍有遜色。

客車車身控制要形成獨立的解決方案，國內(nèi)推出車身CAN總線控控制系統(tǒng)，通過BCM模塊架構(gòu)全車網(wǎng)絡(luò)平臺，優(yōu)化控制邏輯等形成車身智能控制。國外企業(yè)電子企業(yè)與國內(nèi)企業(yè)時間介入差距不大，目前市場國內(nèi)擁有自主產(chǎn)權(quán)知識的企業(yè)占主導(dǎo)地位。

4.3 CAN在重型貨車中的應(yīng)用

CAN總線技術(shù)在全世界范圍應(yīng)用不斷擴大，SAE 1939由SAE制定，適用卡車及客車產(chǎn)品，已基本被許多國家接受采用。定義網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層，提出電子系統(tǒng)間的開放互聯(lián)系統(tǒng)，使電控單元之間可實現(xiàn)相互通信，電控單元可通過網(wǎng)絡(luò)連接彼此通信不需額外的功能接口。

SAE1939-11中描述的物理層可作為主網(wǎng)，橋接器用來連接子網(wǎng)，可行的放置方式是在需要提供地址分配進行電氣分離的每個掛車放置橋接器。臺車使用與掛車使用的橋接器是可行的。

載貨車企業(yè)針對不同產(chǎn)品對CAN車身控制系統(tǒng)功能要求不同，需針對不同功能對協(xié)議中的冗余部分進行剪裁，改造空間較大。尚未形成統(tǒng)一的模式，對系統(tǒng)供應(yīng)商的科研能力提出較高的要求，目前國內(nèi)CAN總線系統(tǒng)供貨商多為原西門子VDO。

5 結(jié)語

技術(shù)的先進性是汽車應(yīng)用的最大動力，CAN已成為現(xiàn)代轎車設(shè)計中必須采用的裝置，大眾等汽車都采用了CAN作為控制器聯(lián)網(wǎng)的手段，奇瑞公司已裝配成功國內(nèi)首輛CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)混合動力轎車，POLO汽車等開始引進此技術(shù)，CAN總線技術(shù)將成為汽車領(lǐng)域發(fā)展的新方向。

【參考文獻】

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[3]賈愛芹，閆志國.CAN總線在汽車上的應(yīng)用探討[J].南方農(nóng)機，2018，49（13）：194+199.