CAN总线在汽车上的应用.docx

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CAN总线在汽车上的应用

CAN总线在汽车上的应用

雷宇511101807

摘要：

CAN（ControllerAreaNetwork）即控制器局域网络，属于工业现场总线的范畴。

CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。

由于其良好的性能及独特的设计，汽车领域内最广泛的应用了CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。

本文的重点就是详细介绍CAN总线在汽车上的具体应用。

关键词：

CAN总线汽车

引言

自上世纪80年代以后，汽车领域得到了飞速的发展，而单片机与集成电路都广泛应用于汽车上。

防抱死制动装置、电子燃油喷射装置、主动悬架、安全气囊装置、电控门窗装置等等这些电子控制单元在汽车上的应用也越来越多，但是常规的布线方式，已经不适于飞速发展的汽车。

原始的布线方式为电线一端与开关连接，另一端与欧诺供电设备连接，这种连接方式大大增加了电线的数量，虽然在一定程度上，电控系统确实增加了汽车的经济型、动力性、舒适性，但是他复杂的线路将提高维修的难度，也降低了汽车的可靠性。

在此环境的影响下，越来越多人想要运用一种新兴的概念——CAN来解决此问题。

一．CAN总线概述

1.1CAN总线基本概念

控制器局域网络（ControllerAreaNetwork）简称为CAN，在汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。

由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。

为适应“减少线束的数量”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需要，1986年德国电气商博世公司开发出面向汽车的CAN通信协议。

此后，CAN通过ISO11898及ISO11519进行了标准化，现在在欧洲已是汽车网络的标准协议。

目前，全世界有20多家CAN生产商，有110多种CAN总线协议控制器芯片和集成CAN总线协议控制器的微处理器芯片。

1.2CAN总线的特点

（1）多主站依据优先权进行总线访问。

总线开放时，任何单元均可开始发送报文，具有最高优先权的报文的单元赢得总线访问权。

利用这个特点可以用液晶显示器作为多主机的公用监视器，不用每台主机配一个监视器，从而节约系统成本。

（2）无破坏性的基于优先权的仲裁。

网络上的每个主机可以同时发送，哪个主机的数据可以发送出去取决于主机所发送报文的标识符决定的优先权的大小，没有发送出去的帧可自动重发。

以后将介绍数据怎样仲裁。

（3）借助接收滤波的多地址帧传送

收到报文的标识符与本机的接收码寄存器与屏蔽寄存器相比较，符合的报文本机才予以接收。

（4）远程数据请求。

网络上的每个接点可以发送一个远程帧给另一个接点，请求该接点的数据帧，该数据帧与对应的远程帧以相同的标识符ID命名。

（5）配置灵活性

通过八个寄存器进行接点配置，每个接点可以接收，也可以发送。

（6）全系统数据相容性

（7）错误检测和出错信令

有五种错误类型，每个接点都设置有一个发送出错计数器和一个接收出错计数器。

发送接点和接收接点在检测到错误时，出错计数器根据一定规则进行加减，并根据错误计数器数值发送错误标志（活动错误标志和认可错误标志），当错误计数器数值大于255时，该接点变为“脱离总线”状态，输出输入引脚浮空，既不发送，也不接收。

1.3CAN总线的优点

数据共享减少了数据的重复处理，节省了成本。

比如，对于具有CAN总线接口的电喷发动机。

其它电器可共享其提供的转速、水温、机油压力、机油温度、油量瞬时流速等等，一方面可省去额外的水温、油压、油温传感器，另一方面可以将这些数据显示在仪表上，便于司机检查发动机运行工况，从而便于发动机保养维护。

应用CAN总线，可减少车身布线，进一步节省了成本。

由于采用总线技术，模块之间的信号传递仅需要两条信号线。

布线局部化，车上除掉总线外，其他所有横贯车身的线都不再需要了，节省了布线成本。

另外，数据共享也节省了线路，还拿车速信号打比方，在没有总线的情况，车速信号要接到电涡流缓速器、空气悬架、门控制及电喷发动机。

有了总线后只要接到一处，其他电器通过总线共享。

CAN总线系统数据稳定可靠，CAN总线具有线间干扰小、抗干扰能力强的特点。

由于VITI-CAN系统采用的是模块化管理，各模块按其功能分散的摆放在车内，简化了布线并缩短了线束的长度．从而降低了耦合电流的产生，减小了线间干扰。

同时在软件上，CAN总线采用短帧传输，这样使总线数据报文在传输过程中有较

强的抗干扰能力。

CAN总线专为汽车量身订做，可靠性有保障。

CAN总线的设计充分考虑了汽车上恶劣工作环境，比如点火线圈点火时产生的强大的反冲电压，电涡流缓速器切断时产生的浪涌电流及汽车发动机仓100℃左右的高温。

二．CAN总线硬件电路设计

2.1CAN管理结构

图1为CAN总线的管理结构图，其中的发动机、自动变速器、安全气囊、ABS系统等都是现代汽车动作的核心部件，对时间响应要求严格，因而在本设计中采用传输速率为1000Kbps的高速CAN通信网络。

空调控制、雨刷控制、照明控制和仪表管理控制等相对来说对实时性要求较低，采用传输速率小于125Kbps的CAN通信网络，主控制器跨接高、低速两条总线，与各节点进行数据交换，兼起网关作用，实现网络互连。

图1.CAN管理结构

通过上图可以看出采用CAN总线技术可以实现各ECU之间的信息共享，减少不必要的线束和传感器。

例如具有CAN总线接口的电喷发动机，其它电器可共享其提供的转速、水温、机油压力、机油温度、油量瞬时流速等，这样一方面可省去额外的传感器，另一方面可以将这些数据显示在仪表上，便于司机检查发动机运行工况，从而便于发动机的保养维护。

表中给出了汽车部分电控单元产生及发送的数据类型及其他单元对这些信息共享的情况。

新型电子通讯产品的出现对汽车的综合布线和信息的共享交互提出了更高的要求，传统的电气系统大多采用点对点的单一通信方式，相互之间少有联系，这样必然造成庞大的布线系统。

据统计一辆采用传统布线方法的高档汽车中，导线长度可达2000米，电气节点达1500个，而且该数字大约每十年增长1倍。

这种传统布线方法不能适应汽车的发展。

CAN总线可有效减少线束长度，节省空间。

例如某车针对车门、后视镜、摇窗机、门锁控制等功能的传统布线需要20～30根，应用总线CAN则只需要2根。

无论从材料成本还是工作效率看，传统布线方法都将不能适应汽车的发展。

在一定事故下，需要对各ECU进行关联控制，而这是传统汽车控制方法难以完成的，而CAN总线技术可以实现多ECU的实时关联控制。

在发生碰撞事故时，汽车上的多个气囊可通过CAN协调工作，它们通过传感器感受碰撞信号，通过CAN总线将传感器信号传送到一个中央处理器内，控制各安全气囊的启动弹出动作。

电控燃油喷射系统、电控传动系统、防抱死制动系统（ABS）、防滑控制系统（ASR）、废气再循环控制、巡航系统和空调系统。

为了满足各子系统的实时性要求，有必要对汽车公共数据实行共享，如发动机转速、车轮转速、油门踏板位置等。

每个控制单元对实时性的要求是因数据的更新速率和控制周期不同而不同的。

这就要求其数据交换网是基于优先权竞争的模式，且本身具有较高的通信速率，CAN总线正是为满足这些要求而设计的。

2.2CAN硬件构架

核心芯片简介：

本文中，CAN系统采用PHILIPS公司高性能8位微处理器P89C668。

特点如下：

（1）80C51中央处理单元。

（2）64K字节FLASH和8K字节RAM。

（3）自带串行接口序列。

（4）8个中断源；4个中断优先级。

（5）IAP（应用编程）Flash存储器、ISP（系统编程）、BootROM可串口访问升级下载用户程序。

（6）PWM输出，捕捉／比较，高速输出三种工作方式，5路可编程计数器阵列PCA。

（7）12个时钟周期下速度高达33MHz，每个机器周期12个时钟周期操作可选，每个机器周期6个时钟周期操作标准。

从处理能力，存储容量，外围资源以及网络可扩展性方面来评价，P89C668都是一款出色微处理器，适用工控电子等各个领域。

尤其是其8K字节RAM“海量”内存，更是许多高速存储应用场合首选。

CAN接口电路：

采用技术成熟应用广泛SJAl000，6N137，P82C250组成接口电路。

但是，CAN总线两端务必跨接120欧终端电阻。

应用／系统编程电路：

P89C668FLASH空间OXFCOO～0XFFFF烧写入IK字节BootRom程序，PHILIPS提供编程软件由串行口通讯就可以实现程序线升级。

串行数据通讯波特率可达38400bps。

晶振和复位电路：

复位电路采用X25045芯片进行智能控制。

本节点用X25405前两个功能构成可靠复位电路。

开关／数字量，模拟量检测电路：

汽车节点开关器件特别复杂和繁多，而电流检测，水温油位传感器信号都是非线性模拟信号，可靠实时对这些开关/模拟量进行检测成为汽车电子硬件必须解决问题。

三．CAN总线软件设计

系统程序结构分为四个部分：

CAN通讯程序（包括应用层协议SJAl000通讯），外围接口程序（所有检测芯片和驱动芯片驱动），中断服务程序（处理开关信号以及故障报警等消息），主程序（完成系统初始化和任务调度等）如图2所示。

图2.软件结构图

四．CAN总线在国内汽车产品上的应用和特点

4.1CAN应用于小车

在一般的小轿车上CAN总线的应用最为广泛，CAN总线的拓扑结构主要有3种：

线型拓扑结构、环型网络拓扑结构、星型网络拓扑结构。

1.线型拓扑结构

（1）线式拓扑结构采用单（双线）线作为传输介质，所有的站点都通过相应的硬件接口直接连接到传输介质（或称总线），任何一个站点发送的信息，网络中的其它站点几乎可以同时收到，这一点与环型网络截然不同。

（2）由于所有的节点都在同一线路上进行通信，因此总线上的任何一处故障都可能导致所有的节点无法正常工作。

（3）总线式网络结构简单，电缆长度要求最短，造价低廉，便于维护，站点接入灵活，如果某个站点失效不会影响其它站点的工作。

图3.线性拓扑结构

2.环型网络拓扑结构

环型网络拓扑结构如图所示，其特点如下：

（1）环型网络中的信息是单方向的，每个收到信息包的节点向它的下游节点转发该信息，信息在网络中环游一圈以后由发送节点进行回收。

（2）环型网络中的任何一个节点（控制单元）包括环中任何一段线路损坏都会使网络的通信出现故障。

所以往往需要在主环之外安装备用环。

（3）环型拓扑结构的优点是传输速度快，抗干扰性强。

但环型网络的通信部件比较昂贵。

管理与总线型相比要麻烦的多。

图4.环型拓扑结构

3.星型网络拓扑结构

星型网络拓扑结构如图所示，其特点介绍如下。

（1）星型网络中有一个惟一的转发节点（中央节点），每一个站点都是通过单独的通信线路连接到中央节点，并由中央节点向目标站点传送信息。

（2）星型拓扑网络的结构安装比总线式容易，通常使用双绞线，因此价格便宜。

由于所有站点都与中心节点相连，所以移动或删除某一个节点变得十分简单，而且单个连接点的故障只影响相应站点的工作，不会影响整个网络。

（3）每一个站点直接与中央节点相连，所以需要大量电缆，如果中央节点发生故障，则整个网络将瘫痪，所以往往对中央节点的可靠性要求非常高。

图5.星型拓扑结构

在实际应用中，以大众汽车的CAN总线系统为例，该系统分为5个不同的总线区域——动力系统、舒适系统、信息系统、诊断系统、仪表系统。

其运行特点有如下4点：

（1）动力CAN数据总线经过短时无载运行后切断，舒适系统CAN数据总线保持随时可用状态；

（2）为了降低供电网络的负荷，若动力总线系统关闭，舒适总线系统则进入休眠状态；

（3）舒适/信息CAN数据总线在一条数据线短路时，可以用另一条线继续工作，并切换进入“单线工作模式”；

（4）动力CAN总线数据信号与舒适/信息CAN数据信号是不同的。

这样一来可以确保车辆在节能的前提下更好地实现CAN总线控制功能，提高了安全系数并避免了突发情况造成的操作失灵，属于较为成熟的CAN总线控制系统。

动力系统主要包含发动机控制单元、ABS控制单元、ESP控制单元、自动变速器控制单元、安全气囊控制单元、组合仪表控制单元等，即传统意义上的发动机控制与底盘控制。

这一市场基本被外资企业垄断，国内企业基本无法进入。

舒适系统和信息系统主要包含自动空调控制单元、车门控制单元、舒适控制单元、收音机和导航显示单元。

也就是传统意义的车身控制单元（BCM模块）。

这一市场国内企业尝试过进入，但是由于资金不足和整车企业不开放网络协议等原因，发展速度并不是很快。

4.2CAN应用于大中型客车

随着中国城市人们生活水平的提高，城市客车设计中“人性化”的要求越来越高，客车厂家为了满足客户日益增加的需求，不断地改善乘车环境，提升驾乘的舒适性。

不断加装电子器件使城市客车电气系统愈加复杂：

全车的控制开关过多，导致在仪表板上已经无法布置；电缆总长不断延伸，重量不断增加。

这样一来，客车电气系统自身的安全性能呈现下降趋势，故障发生频率越来越髙，危及安全的事故（自燃断路、他燃断路）时有发生，受到行业高度关注。

国内主流的客车企业，如郑州宇通、厦门金旅、苏州金龙、北汽福田、安徽安凯、中通客车、青年客车、东风扬子江等都在加大CAN技术的应用力度，致力于在满足“人性化”要求前提下，不断提升客车电控系统技术水平的同时，确保客车安全性的水准持续提升。

大中型客车CAN总线应用特点主要有以下几点：

（1）在动力传动系统方面，CAN总线技术在发动机ECU、变速箱TCU、ABS/ESP等关键零部件方面已经全部应用。

国内部分厂商通过协调关键零部件厂商可以开放相关的CAN总线协议，并将其集成到自身的整车网络中。

还有一部分厂商并没有使用CAN总线接口，或是让零部件供应商协调，自己并不参与。

（2）在客车应用上，由于用户要求分散、车型变化多，依靠CAN总线智能的配置功能，将功能模块化、通用化，实现系统的灵活智能配置已经成为趋势。

客车CAN总线系统基于国际通用的协议J1939进行研发，进入壁垒较低，更容易实现突破，因此国内主要研发CAN总线产品的企业都集中在大中型客车这一市场。

（3）在总线通讯协议开发的同时，主机厂越来越重视网络诊断功能的开发。

依靠总线进行智能化诊断已经成为电气化发展的主流。

目前国内企业在这一方面的技术水平已相当过硬，最主要的竞争点在于国内产品与外资产品的价格和用户体验上：

国内企业在价格上占据优势，而外资企业在用户体验上更胜一筹。

客车由于车身最复杂，车身控制一般要形成独立的解决方案。

国内企业针对这一需求推出完整的车身CAN总线控制系统，不但解决了电器、ECU之间通信及节省线束等问题，还通过输入/输出模块（即BCM模块）架构起全车网络平台，优化控制逻辑、诊断等形成车身智能控制。

在这一市场，国外汽车电子企业与国内汽车电子企业介入时间差距不大，国内部分产品的技术指标已达到国际先进水平。

目前，这一市场已基本处于国内拥有自主知识产权产品的企业占主导地位的发展阶段。

4.3CAN应用于中重型载重货车

CAN总线技术在全世界范围的应用范围在不断扩大。

ISO11898作为硬件协议，SAE1939已基本被越来越多的国家所接受并被采用。

SAE1939由SAE（美国汽车工程师协会）制定，适用卡车及客车产品。

SAE1939在CAN的基础上定义网络层和应用层，提出一个电子系统间的开放互联系统。

即通过提供一个标准的框架，使电控单元（ElectronicControlUnits，ECU）之间可以实现相互通信，也就是遵循同一个J1939/0X文件的电控单元可以通过该网络连接且彼此通信而不需要额外的功能接口。

下图所示的网络，仅包含一个独立的物理层，由主网及连接其上的一个或多个子网构成。

图6.独立网络

网络还可以由多重子网构成，如下图所示。

SAE1939-11或-15中描述的物理层都可以作为主网或子网物理层。

桥接器是用来将子网与主网或子网与子网连接在一起的。

一种可行的放置方式是在需要提供地址分配和将挂车子网与主网进行电气分离的每个挂车或台车上放置一个桥接器。

虽然没有明确地说明，但台车使用与挂车相同的桥接器和子网结构是可行的。

图7.多重子网

由于采用CAN总线系统的产品使电子电器架构更为优化、操作更加人性化，提升了自身的竞争力。

国内在这一方面起步比较早的企业是中国重汽集团，在2004年即开始在部分车型上配装CAN总线控制系统，截止到2010年，其车身控制系统已配装在HOWO中高端产品和A7产品上，装车的套数达到10万套以上。

另外，一汽集团的J6重型载货车、J5中高端车型，东风汽车公司的天龙、霸龙等产品、陕汽集团的曼系列产品和北汽福田欧曼中高档产品上，均已应用CAN总线车身控制系统和有关技术。

载货车企业针对不同产品对CAN车身控制系统的功能要求也不尽相同，虽然同样基于国际上公开的J1939协议，但需要针对不同功能对协议中的冗余部分进行剪裁、不足部分还需要进行添加，改造的空间较大。

由于尚未形成统一的模式和框架，对于系统供应商的科研能力和应变能力提出较高的要求。

目前国内CAN总线系统的供货商多为大陆集团下属的原西门子VDO，国内企业产品的市场占有率较低。

五．结束语

技术的先进性是总线在汽车上应用的最大动力,也是汽车生产商竞相应用总线的主要原因。

在现代轿车的设计中,CAN已经成为必须采用的装置,奔驰、宝马、大众、沃尔沃、雷诺等汽车都采用了CAN作为控制器联网的手段。

据相关报道，奇瑞公司已经配装成功国内首辆CAN网络系统混合动力轿车，并已投入运行中。

POLO汽车、上海大众的帕萨特也都开始引用此技术，相信CAN总线技术将会成为汽车领域发展的途径。

参考文献

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