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1.引言 20世紀80年代以來，隨著集成電路和單片機在汽車上的廣泛應用， 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，如果仍采用常規的布線方式，即電線一端與開關相接，另一端與用電設備相通，將導致車上電線數目急劇增加，使得電線的質量占整車質量的4％左右。另外，電控系統的增加雖然提高了轎車的動力性、經濟性和舒適性，但隨之增加的復雜電路也降低了車輛的可靠性，增加了維修的難度。為此，改革汽車電氣技術的呼聲日益高漲。因此，一種新的概念——車用控制器局域網絡CAN應運而生。 2.CAN簡介 CAN是控制器局域網絡(Controller Area Network)的簡稱，它是由德國的Bosch公司及幾個半導體生產商開發出來的，CAN 總線是一種串行多主站控制器局域網總線。它具有很高的網絡安全性、通訊可靠性和實時性,簡單實用,網絡成本低。特別適用于汽車計算機控制系統和環境溫度惡劣、電磁輻射強和振動大的工業環境。 3.CAN總線技術特點 CAN總線可有效支持分布式控制或實時控制，通信介質可以是雙絞線，同軸電纜或光纖，其主要特點是： （1）CAN總線為多主站總線，各節點可在任意時刻向網絡上的其他節點發送信息，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，優先級高的節點優先傳送數據，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據的功能 （4）CAN總線采用短幀結構，每幀有效字節數最多為8個，數據傳輸時間短，并有CRC及其他校驗措施，數據出錯率極低 （5）CAN總線上某一節點出現嚴重錯誤時，可自動脫離總線，而總線上的其他操作不受影響 （6）CAN總線系統擴充時，可直接將新節點掛在總線上，因而走線少，系統擴充容易，改型靈活 （7）CAN總線最大傳輸速率可達1Mb/s（此時通信距離最長為40m），直接通信距離最遠可達10km（速率5kbps以下） （8）CAN總線上的節點數主要取決于總線驅動電路。在標準幀（11位報文標識符）可達110個，而在擴展幀（29位報文標識符）其個數幾乎不受限制 4.CAN總線技術在汽車中的應用優勢 CAN總線技術在汽車中的應用具有以下優勢： （1）信息共享 采用CAN總線技術可以實現各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總線接口的電噴發動機，其它電器可共享其提供的轉速、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據顯示在儀表上，便于司機檢查發動機運行工況，從而便于發動機的保養維護。表1給出了汽車部分電控單元產生及發送的數據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據發送、接受情況 （2）減少線束 新型電子通訊產品的出現對汽車的綜合布線和信息的共享交互提出了更高的要求，傳統的電氣系統大多采用點對點的單一通信方式，相互之間少有聯系，這樣必然造成龐大的布線系統。據統計一輛采用傳統布線方法的高檔汽車中，其導線長度可達2000米，電氣節點達1500個，而且該數字大約每十年增長1倍。這種傳統布線方法不能適應汽車的發展。CAN總線可有效減少線束，節省空間。例如某車門-后視鏡、搖窗機、門鎖控制等的傳統布線需要20-30根，應用總線CAN則只需要2根。 （3）關聯控制 在一定事故下，需要對各ECU進行關聯控制，而這是傳統汽車控制方法難以完成的。CAN總線技術可以實現多ECU的實時關聯控制。在發生碰撞事故時，汽車上的多個氣囊可通過CAN協調工作，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，控制各安全氣囊的啟動彈出動作。 5.CAN總線技術在汽車中的應用實例 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總線來實現汽車內部控制系統與各檢測和執行機構間的數據通信。目前國產的很多汽車上也引入了CAN總線技術，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域；高速為250Kbps-1Mbps，應用在發動機、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構。下面是幾種比較典型的CAN總線應用方案。 5.1 CAN總線方案一 CAN總線應用方案一如圖1所示。 CAN總線應用方案一 方案一是一個完整的分布式汽車電子控制系統，它采用多子網結構，將信息交換比較密切的系統放在一個子網中，使整個系統具有很高的實時性，不同子網之間根據不同的應用特點，采用不同的物理層接口以及通信速率，優化了系統結構。方案一簡化了各個CAN子網的設計難度，但是整車的網絡系統設計以及總線通信協議比較復雜，硬件上對網關的要求比較高，需要有強大的數據處理能力，而且系統成本比較高，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總線網絡分為高速網絡和低速網絡兩部分，高速網采用雙線式高速CAN總線(1Mbps)，低速網采用雙線式CAN總線(125gbps)IS011519。儀表顯示模塊作為網關完成兩部分數據之間的傳輸。CAN總線應用方案二如圖2所示。 CAN總線應用方案二 整個系統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據，而安全總線中一般是突發性的數據，只要選擇合適的幀優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，這兩部分中對數據的實時性要求不高，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總線可大大節省成本，所以LIN總線得到了越來越廣泛的應用。 LIN(Local Interconnect Network)總線是一種低成本的串行通訊網絡，用于實現汽車中的分布式電子系統控制。LIN總線的目標是為現有汽車網絡(例如CAN總線)提供輔助功能。LIN的標準化將簡化多種現存的多點解決方案，且將降低在汽車電子領域中的開發、生產、服務和后勤成本。 典型的LIN總線應用是汽車中的聯合裝配單元，如門、座椅、空調、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絡中并得到十分方便的維護和服務。下面的方案中包括15個CAN節點和31個LIN節點，充分體現了CAN以及LIN各自的特點。CAN總線應用方案三如圖3所示。 CAN總線應用方案三 方案3是一個很完整的方案，但是實際應用過程中，考慮到系統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。具體應用需要根據不同的車型做出適當的修改滿足各自的要求。本車身控制模塊在總線方案2基礎上加以簡化，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總線應用方案四如圖4所示。 6. CAN總線技術在汽車中應用的關鍵技術 利用CAN總線構建一個車內網絡，需要解決的關鍵技術問題有： （1）總線傳輸信息的速率、容量、優先等級、節點容量等技術問題 （2）高電磁干擾環境下的可靠數據傳輸 （3）確定最大傳輸時的延時大小 （4）網絡的容錯技術 （5）網絡的監控和故障診斷功能 （6）實時控制網絡的時間特性 （7）安裝與維護中的布線 （8）網絡節點的增加與軟硬件更新(可擴展性) 7：結束語 CAN總線作為一種可靠的汽車計算機網絡總線已開始在先進的汽車上得到應用,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,達到簡化布線、減少傳感器數量、避免控制功能重復、提高系統可靠性和可維護性、降低成本、更好地匹配和協調各個控制系統的目的。這樣使得汽車的動力性、操作穩定性、安全性都上升到新的高度。隨著汽車電子技術的發展,具有高度靈活性、簡單的擴展性、優良的抗干擾性和處理錯誤能力的CAN總線通信協議必將在汽車電控系統中得到更廣泛的應用。 |
