基于CAN總線技術(shù)在交通運載工具電氣系統(tǒng)中的應(yīng)用

一、引言

隨著汽車工業(yè)日新月異的發(fā)展，現(xiàn)代汽車上使用了大量的電子控制裝置，許多中高檔轎車上采用了十幾個甚至二十幾個電控單元，而每一個電控單元都需要與相關(guān)的多個傳感器和執(zhí)行器發(fā)生通訊，并且各控制單元間也需要進(jìn)行信息交換，如果每項信息都通過各自獨立的數(shù)據(jù)線進(jìn)行傳輸，這樣會導(dǎo)致電控單元針腳數(shù)增加，整個電控系統(tǒng)的線束和插接件也會增加，故障率也會增加等諸多問題。

為了簡化線路，提高各電控單元之間的通信速度，降低故障頻率，一種新型的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)CAN數(shù)據(jù)總線應(yīng)運而生。CAN總線具有實時性強、傳輸距離較遠(yuǎn)、抗電磁干擾能力強;在自動化電子領(lǐng)域的汽車發(fā)動機控制部件、傳感器、抗滑系統(tǒng)等應(yīng)用中，CAN的位速率可高達(dá)1Mbps。同時，它可以廉價地用于交通運載工具電氣系統(tǒng)中。

二、CAN總線簡介

CAN，全稱為“Controller Area Network”，即控制器局域網(wǎng)，是由ISO定義的串行通訊總線，主要用來實現(xiàn)車載各電控單元之間的信息交換，形成車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)， CAN數(shù)據(jù)總線又稱為CAN—BUS總線。它具有信息共享，減少了導(dǎo)線數(shù)量，大大減輕配線束的重量，控制單元和控制單元插腳最小化，提高可靠性和可維修性等優(yōu)點。

CAN被設(shè)計作為汽車環(huán)境中的微控制器通信，在車載各電子控制裝置ECU之間交換信息，形成汽車電子控制網(wǎng)絡(luò)。其工作采用單片機作為直接控制單元，用于對傳感器和執(zhí)行部件的直接控制。每個單片機都是控制網(wǎng)絡(luò)上的一個節(jié)點，一輛汽車不管有多少塊電控單元，不管信息容量有多大，每塊電控單元都只需引出兩條導(dǎo)線共同接在節(jié)點上，這兩條導(dǎo)線就稱作數(shù)據(jù)總線（Bus）。CAN數(shù)據(jù)總線中數(shù)據(jù)傳遞就像一個電話會議，一個電話用戶就相當(dāng)于控制單元，它將數(shù)據(jù)“講入”網(wǎng)絡(luò)中，其他用戶通過網(wǎng)絡(luò)“接聽”數(shù)據(jù)，對這組數(shù)據(jù)感興趣的用戶就會利用數(shù)據(jù)，不感興趣的用戶可以忽略該數(shù)據(jù)。

一個由CAN總線構(gòu)成的單一網(wǎng)絡(luò)中，理論上可以掛接無數(shù)個節(jié)點，但實際應(yīng)用中，所掛接的節(jié)點數(shù)目會受到網(wǎng)絡(luò)硬件的電氣特性或延遲時間的限制。使用計算機網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的前提是，各電控單元必須使用和解讀相同的“電子語言”，這種語言稱“協(xié)議”。汽車電腦網(wǎng)絡(luò)常見的傳輸協(xié)議有多種，為了并實現(xiàn)與眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換，就必須制定標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議。隨著CAN在各種領(lǐng)域的應(yīng)用和推廣，1991年9月Philips Semiconductors制定并發(fā)布了CAN技術(shù)規(guī)范（Version 2.0）。該技術(shù)包括A和B兩部分。2.0A給出了CAN報文標(biāo)準(zhǔn)格式，而2.0B給出了標(biāo)準(zhǔn)的和擴展的兩種格式。1993年11月ISO頒布了道路交通運輸工具—數(shù)據(jù)信息交換—高速通信局域網(wǎng)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 11898，為控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化鋪平了道路。美國的汽車工程學(xué)會SAE 2000年提出的J 1939，成為貨車和客車中控制器局域網(wǎng)的通用標(biāo)準(zhǔn)。

三、CAN-BUS數(shù)據(jù)總線的組成與結(jié)構(gòu)

CAN-BUS系統(tǒng)主要包括以下部件：CAN控制器、CAN收發(fā)器、CAN-BUS數(shù)據(jù)傳輸線和CAN-BUS終端電阻。：

1．CAN控制器，CAN收發(fā)器

CAN-BUS上的每個控制單元中均設(shè)有一個CAN控制器和一個CAN收發(fā)器。CAN控制器主要用來接收微處理器傳來的信息，對這些信息進(jìn)行處理并傳給CAN收發(fā)器，同時CAN控制器也接收來自CAN收發(fā)器傳來的數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并傳給控制單元的微處理器。

CAN收發(fā)器用來接收CAN控制器送來的數(shù)據(jù)，并將其發(fā)送到CAN數(shù)據(jù)傳輸總線上，同時CAN收發(fā)器也接收CAN數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)，并將其傳給CAN控制器。

2．?dāng)?shù)據(jù)總線終端電阻

CAN-BUS數(shù)據(jù)總線兩端通過終端電阻連接，終端電阻可以防止數(shù)據(jù)在到達(dá)線路終端后象回聲一樣返回，并因此而干擾原始數(shù)據(jù)，從而保證了數(shù)據(jù)的正確傳送，終端電阻裝在控制單元內(nèi)。

3．?dāng)?shù)據(jù)傳輸總線

數(shù)據(jù)傳輸總線大部分車型用的是兩條雙向數(shù)據(jù)線，分為高位﹝CAN-H﹞和低位﹝CAN-L﹞數(shù)據(jù)線。為了防止外界電磁波干擾和向外輻射，兩條數(shù)據(jù)線纏繞在一起，要求至少每2.5cm就要扭絞一次，兩條線上的電位是相反的，電壓的和總等于常值。

四、車載網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用分類

車載網(wǎng)絡(luò)按照應(yīng)用加以劃分，大致可以分為4個系統(tǒng)：車身系統(tǒng)、動力傳動系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、信息系統(tǒng)。

1．動力傳動系統(tǒng)

在動力傳動系統(tǒng)內(nèi)，動力傳動系統(tǒng)模塊的位置比較集中，可固定在一處，利用網(wǎng)絡(luò)將發(fā)動機艙內(nèi)設(shè)置的模塊連接起來。在將汽車的主要因素—跑、停止與拐彎這些功能用網(wǎng)絡(luò)連接起來時，就需要高速網(wǎng)絡(luò)。

動力CAN數(shù)據(jù)總線一般連接3塊電腦，它們是發(fā)動機、ABS/EDL及自動變速器電腦（動力CAN數(shù)據(jù)總線實際可以連接安全氣囊、四輪驅(qū)動與組合儀表等電腦）。總線可以同時傳遞10組數(shù)據(jù)，發(fā)動機電腦5組、ABS/EDL電腦3組和自動變速器電腦2組。數(shù)據(jù)總線以500Kbit/s速率傳遞數(shù)據(jù)，每一數(shù)據(jù)組傳遞大約需要0.25ms，每一電控單元7“20ms發(fā)送一次數(shù)據(jù)。優(yōu)先權(quán)順序為ABS/EDL電控單元→發(fā)動機電控單元→自動變速器電控單元。

在動力傳動系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳遞應(yīng)盡可能快速，以便及時利用數(shù)據(jù)，所以需要一個高性能的發(fā)送器，高速發(fā)送器會加快點火系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳遞，這樣使接收到的數(shù)據(jù)立即應(yīng)用到下一個點火脈沖中去。CAN數(shù)據(jù)總線連接點通常置于控制單元外部的線束中，在特殊情況下，連接點也可能設(shè)在發(fā)動機電控單元內(nèi)部。

2．車身系統(tǒng)

與動力傳動系統(tǒng)相比，汽車上的各處都配置有車身系統(tǒng)的部件。因此，線束變長，容易受到干擾的影響。為了防干擾應(yīng)盡量降低通信速度。在車身系統(tǒng)中，因為人機接口的模塊、節(jié)點的數(shù)量增加，通信速度控制將不是問題，但成本相對增加，對此，人們正在摸索更廉價的解決方案，目前常常采用直連總線及輔助總線。

舒適CAN數(shù)據(jù)總線連接一般連接七個控制單元，包括中央控制單元、車前車后各一個受控單元及四個車門的控制單元。舒適CAN數(shù)據(jù)傳遞有七大功能：中控門鎖、電動窗、照明開關(guān)、空調(diào)、組合儀表、后視境加熱及自診斷功能。控制單元的各條傳輸線以星狀形式匯聚一點。這樣做的好處是：如果一個控制單元發(fā)生故障，其他控制單元仍可發(fā)送各自的數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)使經(jīng)過車門的導(dǎo)線數(shù)量減少，線路變得簡單。如果線路中某處出現(xiàn)對地短路，對正極短路或線路間短路，CAN系統(tǒng)會立即轉(zhuǎn)為應(yīng)急模式運行或轉(zhuǎn)為單線模式運行。

數(shù)據(jù)總線以62.5Kbit/s速率傳遞數(shù)據(jù)，每一組數(shù)據(jù)傳遞大約需要1ms，每個電控單元20ms發(fā)送一次數(shù)據(jù)。優(yōu)先權(quán)順序為：中央控制單元→駕駛員側(cè)車門控制單元→前排乘客側(cè)車門控制單元→左后車門控制單元→右后車門控制單元。由于舒適系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)可以用較低的速率傳遞，所以發(fā)送器性能比動力傳動系統(tǒng)發(fā)送器的性能低。

整個汽車車身系統(tǒng)電路主要有三大塊：主控單元電路、受控單元電路、門控單元電路。

主控單元按收開關(guān)信號之后，先進(jìn)行分析處理，然后通過CAN總線把控制指令發(fā)送給各受控端，各受控端響應(yīng)后作出相應(yīng)的動作。車前、車后控制端只接收主控端的指令，按主控端的要求執(zhí)行，并把執(zhí)行的結(jié)果反饋給主控端。門控單元不但通過CAN總接收主控端的指令，還接收車門上的開關(guān)信號輸入。根據(jù)指令和開關(guān)信號，門控單元會做出相應(yīng)動作，然后把執(zhí)行結(jié)果發(fā)往主控單元。

（1）安全系統(tǒng)

這是指根據(jù)多個傳感器的信息使安全氣囊啟動的系統(tǒng)，由于安全系統(tǒng)涉及到人的生命安全，加之在汽車中氣囊數(shù)目很多，碰撞傳感器多等原因，要求安全系統(tǒng)必須具備通信速度快、通信可靠性高等特點。

（2）信息系統(tǒng)

信息系統(tǒng)在車上的應(yīng)用很廣泛，例如車載電話、音響等系統(tǒng)的應(yīng)用。對信息系統(tǒng)通信總線的要求是：容量大、通信速度非常高。通信媒體一般采用光纖或銅線，因為此兩種介質(zhì)傳輸?shù)乃俣确浅？?，能滿足信息系統(tǒng)的高速化需求。

五、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：

六、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，現(xiàn)已開始在先進(jìn)的汽車上得到應(yīng)用，從而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，以達(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)之目的，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)良的抗干擾性和糾錯能力的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。

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