汽車CAN總線信號可靠性研究

摘 要：本文結(jié)合整車CAN總線網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際開發(fā)，對CAN規(guī)范中對信號可靠性設(shè)定進(jìn)行梳理;對CAN規(guī)范未定義到進(jìn)行了信號的可靠性研究。

關(guān)鍵詞：CAN規(guī)范;信號可靠性;研究

0 引言

CAN（Controller Area Networking）是控制器局域網(wǎng)，CAN通信協(xié)議主要描述ECU（Eletronic Control Unit）之間的信息傳遞方式，總線的信息傳遞是指將N個(gè)信號加上幀頭、幀尾打包成的固定格式的報(bào)文發(fā)送。各個(gè)ECU根據(jù)通訊矩陣設(shè)定，確認(rèn)自己應(yīng)該發(fā)送和接收哪些信號來實(shí)現(xiàn)自身功能。如果信號有問題，與其相關(guān)的功能就會(huì)異常，所以信號的可靠性顯得尤為重要。

1 信號可靠性的定義

可靠性是指抗故障性及數(shù)據(jù)交換的穩(wěn)定與準(zhǔn)確性。

CAN信號可靠性是指在規(guī)定條件下和規(guī)定時(shí)間區(qū)間信號不被損壞，能穩(wěn)定、準(zhǔn)確被傳遞。

汽車CAN網(wǎng)絡(luò)的信號可靠性取決于多方面因素，如發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)的性能，傳輸路徑，電磁環(huán)境、總線負(fù)載率等都會(huì)影響信號可靠性。報(bào)文傳輸路徑越長，轉(zhuǎn)發(fā)次數(shù)越多，信號延遲就越大;車上電磁環(huán)境越惡劣，對CAN節(jié)點(diǎn)干擾越大，信號完整性就會(huì)越低，即信號越容易失真;總線負(fù)載率影響CAN網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)性，負(fù)載率越高，信號延遲越大，車輛的功能受到影響越嚴(yán)重，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性越低。

2 CAN規(guī)范中的信號可靠性

2.1 CAN協(xié)議對信號可靠性的設(shè)定

CAN協(xié)議中關(guān)于CAN層的定義與OSI（Open System Interconnection）一致，CAN協(xié)議主要定義了OSI模型的最下面兩層[1]：數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。

CAN協(xié)議中各層做了相應(yīng)的規(guī)定來保證信號可靠性的實(shí)現(xiàn)。

物理層設(shè)定同步方式，CAN的數(shù)據(jù)流包含不同的時(shí)鐘，CAN協(xié)議中定義的同步保證報(bào)文可以不管節(jié)點(diǎn)間積累的相位誤差正確的譯碼;位編碼方式可以有效的檢測出位錯(cuò)誤或填充錯(cuò)誤，從而更好的修正信號，提供信號傳遞的可靠性。

數(shù)據(jù)鏈路層CRC （Cyclic Redundancy Check）、應(yīng)答和格式檢查等檢錯(cuò)機(jī)制，錯(cuò)誤恢復(fù)功能等更好的確保了ECU間的數(shù)據(jù)能準(zhǔn)確的發(fā)送和接收。

2.2 其他規(guī)范對信號可靠性的設(shè)定

ISO11898和SAE J1939標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定了CAN總線的終端電阻，防止能量反射，影響信號波形質(zhì)量;還對CAN通信線束長度及總線電阻率進(jìn)行限定，以免能量衰減造成信號波形的衰減。

2.3 小結(jié)

CAN規(guī)范自身不是完美的，所以除了CAN規(guī)范里定義的安全機(jī)制外，新的安全機(jī)制也成為了重要的研究方向。

3 CAN規(guī)范外的信號可靠性實(shí)現(xiàn)研究

CAN的分層不一定嚴(yán)格按照OST模型來分，根據(jù)數(shù)據(jù)的傳輸過程，也可以分為四層圖：應(yīng)用層、交互層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。交互層（SIL）是應(yīng)用層和數(shù)據(jù)鏈路層之間的抽象層，它為上一層提供信號接口，是網(wǎng)絡(luò)（幀級）到本地ECU（信號級）之間提供轉(zhuǎn)換接口。

3.1 物理層

為了保證電平轉(zhuǎn)換，控制總線的電平狀態(tài)、異步串行通信功能可靠的實(shí)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)ECU的物理層接口電路時(shí)，需要考慮增加電路的保護(hù)設(shè)計(jì)，如圖1：

信號共模扼流圈，可抑制傳輸線上的共模干擾，而令傳輸線上的數(shù)據(jù)信號可暢通無阻地通過。ESD保護(hù)齊納二極管，可提高抗靜電能力。

CAN收發(fā)器是控制器局域網(wǎng)CAN協(xié)議驅(qū)動(dòng)器和物理總線之間的接口，它的性能參數(shù)直接影響CAN網(wǎng)絡(luò)的性能。如收發(fā)器的EMC、ESD、工作溫度范圍如果沒有達(dá)到指定要求，就會(huì)影響整車CAN網(wǎng)絡(luò)的信號，可能導(dǎo)致信號變形，影響信號的可靠性。所以在新項(xiàng)目開展中，主機(jī)廠可以指定性能高的CAN收發(fā)器的型號，這樣信號的一致性不僅更好，網(wǎng)絡(luò)的抗干擾性也得到更大的保證。

3.2 交互層

3.2.1 信號的參數(shù)設(shè)定

CAN信號的默認(rèn)值，在網(wǎng)絡(luò)非正常運(yùn)行或網(wǎng)絡(luò)故障出現(xiàn)時(shí)ECU功能處理必不可少。對于發(fā)送ECU來說，在應(yīng)用程序更新為有效信號值前COM驅(qū)動(dòng)將發(fā)送這默認(rèn)值。對于接收ECU來說，在接收到有效網(wǎng)絡(luò)有效信號前或網(wǎng)絡(luò)發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)，應(yīng)用程序?qū)⑹褂眠@默認(rèn)值。

默認(rèn)值沒有標(biāo)準(zhǔn)定義，主機(jī)廠可以根據(jù)具體情況定義，但要與整車的功能策略定義方向一致，如ECU以接收信號CraOuSts（信號值為0=No crash 和 1=crash）為依據(jù)來實(shí)現(xiàn)碰撞斷油功能，實(shí)現(xiàn)策略為收到CraOuSts為1，ECU執(zhí)行斷油操作，為0不做反應(yīng)。斷油跟安全相關(guān)，必須是真碰撞才執(zhí)行斷油，所以網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，默認(rèn)值不能為1，要求設(shè)定為0。

CAN信號的錯(cuò)誤值表示發(fā)送ECU發(fā)現(xiàn)了錯(cuò)誤或信號不可用時(shí)發(fā)出來的值，錯(cuò)誤值不要求每個(gè)信號都定義，重要的信號可以定義錯(cuò)誤值，使接收ECU更好應(yīng)用此信號。

CAN信號值定義一項(xiàng)原則：為了使信號值不出現(xiàn)丟失，可能同時(shí)出現(xiàn)的信號值，不能放在同一個(gè)信號里面，如信號PeA（1=ES，2=PE）定義就不合理，2個(gè)信號值都可能同時(shí)出現(xiàn)，總線上只能發(fā)送一個(gè)值，1個(gè)值就會(huì)丟失掉。

3.2.2 重要信號的保護(hù)

扭矩類重要的信號，對傳輸可靠性要求更嚴(yán)格，雖然CAN總線各規(guī)范定義了安全機(jī)制如CRC，但不夠，所以規(guī)范外的各安全機(jī)制應(yīng)運(yùn)而生。

報(bào)文循環(huán)計(jì)數(shù)器，該信號算法在0～15之間循環(huán)計(jì)數(shù)，從0開始，每發(fā)一幀報(bào)文加1，加到15后返回0重新計(jì)數(shù)。接收方在收到該報(bào)文時(shí)，首先判斷報(bào)文循環(huán)計(jì)數(shù)器是不是滿足算法要求，如滿足說明這次收到的報(bào)文有效，如不滿足這次報(bào)文不可靠應(yīng)丟棄。

報(bào)文總和校驗(yàn)（CheSum），信號長度一般為8bits，算法可以根據(jù)需要自定義。算法CheSum = { （byte1 +…byte7 ?） && （ 0XFF） }接收方在接收到報(bào)文時(shí)，先判斷報(bào)文總和校驗(yàn)是不是滿足該的算法要求，如果滿足，說明這次接收到的報(bào)文有效，如果不滿足，說明這次報(bào)文不可靠放棄使用這次報(bào)文。

有效校驗(yàn)值（簡寫為Vd），信號長度為1bits，表示兩個(gè)狀態(tài)，即有效和無效。例如信號sig1很重要，會(huì)有一個(gè)信號sig1Vd加于校驗(yàn)，sig1和sig1Vd需要打包在一幀報(bào)文中。接收方在接收到報(bào)文時(shí)，先會(huì)讀取信號sig1Vd，如果值為無效，就判斷sig1無效，不再去讀取，如果sig1Vd有效，說明sig1有戲，再去讀取sig1。

報(bào)文循環(huán)計(jì)數(shù)器、報(bào)文總和校驗(yàn)、有效校驗(yàn)值進(jìn)一步加強(qiáng)的信號保護(hù)作用，加強(qiáng)收發(fā)雙方的握手，使用到的信號更安全可靠，功能和性能實(shí)現(xiàn)更有保障。但不是說每個(gè)信號或每幀報(bào)文都需要用到這三個(gè)冗余信號，這會(huì)增加網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān)。設(shè)計(jì)師可以根據(jù)具體功能性能，給重要信號增加，更好的平衡網(wǎng)絡(luò)。

有效校驗(yàn)值使用沒有限定條件，但是報(bào)文循環(huán)計(jì)數(shù)器、報(bào)文總和校驗(yàn)不是什么情況下都可以使用，一般情況要求通過網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)不能使用。因?yàn)榫W(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)的信號，基本通過報(bào)文拆包、組包和更改發(fā)送周期，這樣網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)后，這兩個(gè)信號計(jì)算的結(jié)果有變化。

3.3 應(yīng)用層

3.3.1 信號ID的分配研究

CAN總線根據(jù)標(biāo)識(shí)符（ID）決定優(yōu)先級進(jìn)行仲裁，兩個(gè)以上的ECU同時(shí)開始發(fā)送報(bào)文時(shí)，對各報(bào)文ID 的每個(gè)位進(jìn)行逐個(gè)仲裁比較。仲裁獲勝（被判定為優(yōu)先級最高）的ECU可繼續(xù)發(fā)送報(bào)文，仲裁失利的ECU則立刻停止發(fā)送而進(jìn)行接收工作。所以優(yōu)先級低的ID存在發(fā)送延遲，進(jìn)而可能影響功能的實(shí)現(xiàn)。這是CAN總線系統(tǒng)客觀存在的缺陷，不可避免的。但可以根據(jù)整車的功能性能需求，合理分配ID，實(shí)現(xiàn)即使信號發(fā)送延遲，也不會(huì)對整車功能實(shí)現(xiàn)、性能穩(wěn)定造成影響，ID分配原則為：分配優(yōu)先級高的ID，如 安全、實(shí)時(shí)性要求高，如碰扭矩信號;分配優(yōu)先級低的ID， 實(shí)時(shí)性要求不高，如診斷信號。

3.3.2 信號打包位置研究

關(guān)于信號打包位置，如果信號能放在一個(gè)字節(jié)里，就不要放兩個(gè)，放兩個(gè)字節(jié)增加誤讀風(fēng)險(xiǎn)。

3.3.3 信號解讀研究

關(guān)于信號解讀，對ECU來說，最好只解讀本ECU使用的信號比特位，沒有使用到的比特位不解讀，以免產(chǎn)生錯(cuò)誤。一般情況下，主機(jī)廠給每個(gè)ECU釋放的DBC，只與本ECU有關(guān)，無關(guān)的信號ECU1是看不到的，如圖2字節(jié)4高四位整車是有信號的，ECU1看不到。

3.3.4 特殊信號的發(fā)送策略

有些ECU以IG off/on為條件，當(dāng)IG on時(shí)， ECU喚醒網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)IG off時(shí)，ECU退出網(wǎng)絡(luò)。但在IG off時(shí)，某些功能需要ECU提供信號，所以 ECU不能以IG off/on為當(dāng)喚醒休眠條件，需進(jìn)行特殊的定義。

3.4 CAN總線網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載率

CAN總線網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載率是CAN總線一個(gè)非常重要的網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，負(fù)載率如果過高，會(huì)引起網(wǎng)絡(luò)延遲，嚴(yán)重可能引起網(wǎng)絡(luò)堵塞。影響網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率的主要有兩個(gè)因素，報(bào)文數(shù)量和報(bào)文周期。在CAN總線開發(fā)前期，需要根據(jù)項(xiàng)目需求，評估報(bào)文的數(shù)量和報(bào)文的周期，用專業(yè)的軟件（如Volcano Network Architect）進(jìn)行時(shí)序分析和負(fù)載率的計(jì)算，以此作為CAN網(wǎng)絡(luò)開發(fā)可行性的依據(jù)。

4結(jié)束語

本文主要對CAN規(guī)范中對信號可靠性的設(shè)定進(jìn)行梳理;對CAN規(guī)范未定義的信號可靠性實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究，主要從物理層、交互層、應(yīng)用層以及CAN網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載率方面，對影響和提高信號可靠性的因素進(jìn)行了分析。

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作者簡介：莊麗興（1986-），女，海南?？谌耍究?，助理工程師，研究方向：汽車網(wǎng)絡(luò)通訊。