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1.引言 20世紀(jì)80年代以來，隨著集成電路和單片機在汽車上的廣泛應(yīng)用， 汽車上電子控制單元越來越多， 例如電子燃油噴射裝置、防抱死制動裝置（ABS）、安全氣囊裝置、電控門窗裝置和主動懸架等等。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力性、經(jīng)濟性和舒適性，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)運而生。 2.CAN簡介 CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network)的簡稱，它是由德國的Bosch公司及幾個半導(dǎo)體生產(chǎn)商開發(fā)出來的，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、通訊可靠性和實時性,簡單實用,網(wǎng)絡(luò)成本低。特別適用于汽車計算機控制系統(tǒng)和環(huán)境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業(yè)環(huán)境。 3.CAN總線技術(shù)特點 CAN總線可有效支持分布式控制或?qū)崟r控制，通信介質(zhì)可以是雙絞線，同軸電纜或光纖，其主要特點是： （1）CAN總線為多主站總線，各節(jié)點可在任意時刻向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點發(fā)送信息，不分主從，通信靈活 （2）CAN總線采用獨特的非破壞性總線仲裁技術(shù)，優(yōu)先級高的節(jié)點優(yōu)先傳送數(shù)據(jù)，可滿足實時性要求 （3）CAN總線具有點對點、一點對多點及全局廣播傳送數(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，數(shù)據(jù)傳輸時間短，并有CRC及其他校驗措施，數(shù)據(jù)出錯率極低 （5）CAN總線上某一節(jié)點出現(xiàn)嚴(yán)重錯誤時，可自動脫離總線，而總線上的其他操作不受影響 （6）CAN總線系統(tǒng)擴充時，可直接將新節(jié)點掛在總線上，因而走線少，系統(tǒng)擴充容易，改型靈活 （7）CAN總線最大傳輸速率可達(dá)1Mb/s（此時通信距離最長為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)點數(shù)主要取決于總線驅(qū)動電路。在標(biāo)準(zhǔn)幀（11位報文標(biāo)識符）可達(dá)110個，而在擴展幀（29位報文標(biāo)識符）其個數(shù)幾乎不受限制 4.CAN總線技術(shù)在汽車中的應(yīng)用優(yōu)勢 CAN總線技術(shù)在汽車中的應(yīng)用具有以下優(yōu)勢： （1）信息共享 采用CAN總線技術(shù)可以實現(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)動機，其它電器可共享其提供的轉(zhuǎn)速、水溫、機油壓力、機油溫度、油量瞬時流速等，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，便于司機檢查發(fā)動機運行工況，從而便于發(fā)動機的保養(yǎng)維護。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)大多采用點對點的單一通信方式，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)計一輛采用傳統(tǒng)布線方法的高檔汽車中，其導(dǎo)線長度可達(dá)2000米，電氣節(jié)點達(dá)1500個，而且該數(shù)字大約每十年增長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、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)可以實現(xiàn)多ECU的實時關(guān)聯(lián)控制。在發(fā)生碰撞事故時，汽車上的多個氣囊可通過CAN協(xié)調(diào)工作，它們通過傳感器感受碰撞信號，通過CAN總線將傳感器信號傳送到一個中央處理器內(nèi)，控制各安全氣囊的啟動彈出動作。 5.CAN總線技術(shù)在汽車中的應(yīng)用實例 世界上一些著名汽車制造廠商如奔馳、寶馬等都已開始采用CAN總線來實現(xiàn)汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)與各檢測和執(zhí)行機構(gòu)間的數(shù)據(jù)通信。目前國產(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，主要運用在車身控制模塊領(lǐng)域；高速為250Kbps-1Mbps，應(yīng)用在發(fā)動機、變速箱、ABS等實時性要求強的控制模塊。但各種車型都會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)放在一個子網(wǎng)中，使整個系統(tǒng)具有很高的實時性，不同子網(wǎng)之間根據(jù)不同的應(yīng)用特點，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)。方案一簡化了各個CAN子網(wǎng)的設(shè)計難度，但是整車的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計以及總線通信協(xié)議比較復(fù)雜，硬件上對網(wǎng)關(guān)的要求比較高，需要有強大的數(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 整個系統(tǒng)分為高速和低速兩部分。動力傳動總線和安全總線合并成高速總線，這樣做降低了通信的實時性，但是考慮到傳動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)先級就可以彌補這個缺點。舒適總線和信息總線合并為低速總線，這兩部分中對數(shù)據(jù)的實時性要求不高，125Kbps的速率完全可以滿足需求。 方案二系統(tǒng)成本不高，且性能也沒有太大的損失，性價比又不錯，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合，使用LIN總線可大大節(jié)省成本，所以LIN總線得到了越來越廣泛的應(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)化將簡化多種現(xiàn)存的多點解決方案，且將降低在汽車電子領(lǐng)域中的開發(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。對于成本比較敏感的單元，LIN可以使機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和服務(wù)。下面的方案中包括15個CAN節(jié)點和31個LIN節(jié)點，充分體現(xiàn)了CAN以及LIN各自的特點。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是一個很完整的方案，但是實際應(yīng)用過程中，考慮到系統(tǒng)的性價比以及安裝等方面的因素，可采用如下圖所示的簡化方案，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比，而且成本也是一個重要的方面。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)上加以簡化，保留中央控制模塊和四個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)建一個車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問題有： （1）總線傳輸信息的速率、容量、優(yōu)先等級、節(jié)點容量等技術(shù)問題 （2）高電磁干擾環(huán)境下的可靠數(shù)據(jù)傳輸 （3）確定最大傳輸時的延時大小 （4）網(wǎng)絡(luò)的容錯技術(shù) （5）網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控和故障診斷功能 （6）實時控制網(wǎng)絡(luò)的時間特性 （7）安裝與維護中的布線 （8）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的增加與軟硬件更新(可擴展性) 7：結(jié)束語 CAN總線作為一種可靠的汽車計算機網(wǎng)絡(luò)總線已開始在先進(jìn)的汽車上得到應(yīng)用,使得各汽車計算機控制單元能夠通過CAN總線共享所有的信息和資源,達(dá)到簡化布線、減少傳感器數(shù)量、避免控制功能重復(fù)、提高系統(tǒng)可靠性和可維護性、降低成本、更好地匹配和協(xié)調(diào)各個控制系統(tǒng)的目的。這樣使得汽車的動力性、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、簡單的擴展性、優(yōu)良的抗干擾性和處理錯誤能力的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。 |
