胡紅兵

汽車CAN網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和分析

胡紅兵

東南（福建）汽車工業(yè)有限公司研發(fā)中心

CAN總線是一種具有高保密性、高抗干擾能力、有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，本文結(jié)合CAN總線在汽車上應(yīng)用的狀況，充分說明CAN總線在汽車上發(fā)展的優(yōu)勢和特點(diǎn)。

CAN網(wǎng)絡(luò)；發(fā)展；應(yīng)用

汽車總線技術(shù)是伴隨著汽車電子而發(fā)展起來的。汽車上ECU（電子控制單元）數(shù)量的不斷增多，ECU控制功能的不斷復(fù)雜，致使ECU需要采集和控制的信息以及ECU間交互的信息越來越多。傳統(tǒng)的“點(diǎn)對點(diǎn)”線束連接方式導(dǎo)致車上線束龐大、系統(tǒng)復(fù)雜，故障率高，已不能滿足汽車電子發(fā)展的需要。于是在20世紀(jì)80年代，國外工程師開始研究汽車總線技術(shù)。

汽車總線技術(shù)的應(yīng)用，從發(fā)展過程來看，在不同國家使用的技術(shù)有所不同，分別存在有美國SAEJ1850、法國VAN、德國CAN等多種形式。CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)）總線是德國BOSCH公司于1986年在美國SAE大會上首先提出的，1992年最先采用CAN總線的奔馳轎車下線，2000年左右CAN總線在國外廣泛使用。目前CAN總線以其優(yōu)越的通信性能已成為汽車總線應(yīng)用的主流。

當(dāng)今社會對汽車性能的要求不斷提高，汽車安全性、舒適性、操控性、環(huán)保性以及新能源等技術(shù)，是工程師不斷需要面臨和解決的課題。為了提升整車性能，乘車上控制器ECU的數(shù)目不斷增多，一臺高檔奔馳轎車上的ECU數(shù)目可以達(dá)到100多個(gè)，這么龐大的ECU，它們之間的信息交互必須通過總線。目前CAN總線在汽車動(dòng)力總成中占了85%的市場份額，2009年全球主要汽車生產(chǎn)廠商生產(chǎn)歐III、歐IV、歐V排放標(biāo)準(zhǔn)的汽車后，采用CAN總線的汽車將超過95%。

汽車技術(shù)的發(fā)展，使得汽車內(nèi)部已不斷形成一個(gè)龐大復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，更多的新型汽車總線技術(shù)，如FlexRay（基于底盤類系統(tǒng)）、MOST（基于車載娛樂系統(tǒng)）等，也應(yīng)用于汽車上，如圖1。

圖1 汽車網(wǎng)絡(luò)中的各種總線

汽車電子技術(shù)的發(fā)展，使得汽車的電控功能向著分布式的方向發(fā)展，電控單元需要大量的傳感器信號，并且電控單元之間需要交互大量的信息。傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式是“點(diǎn)對點(diǎn)”的連線方式。例如，某個(gè)傳感器的信號，有多個(gè)電控單元需要，這樣各電控單元與該傳感器之間都需要連線。

隨著車上電控單元的數(shù)量不斷增加，“點(diǎn)對點(diǎn)”的連線方式使得整車線束的用線量非常龐大，布線非常復(fù)雜，這樣也導(dǎo)致整車的質(zhì)量不斷增加。CAN總線是串行總線，在使用時(shí)，只需在電控單元上追加CAN總線通信的外圍電路和接口，便可將電控單元連接于網(wǎng)絡(luò)上。通過一條CAN線，代替了原來的大量線束，實(shí)現(xiàn)了控制單元的信息共享，簡化了線束設(shè)計(jì)，降低了線束布置的復(fù)雜性，同時(shí)降低了故障率。

使用CAN總線后，大量的信息可以被共享，這樣可以實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜、更加可靠的分布式功能控制算法和邏輯。底盤總成系統(tǒng)，如ESP系統(tǒng)，AT系統(tǒng)等，通常需要發(fā)動(dòng)機(jī)、制動(dòng)系統(tǒng)、變速器之間進(jìn)行CAN總線通信；舒適系統(tǒng)，如車身控制模塊之間，需要CAN總線通信；新能源系統(tǒng)，電機(jī)、電池、發(fā)動(dòng)機(jī)等動(dòng)力總成之間，需要CAN總線通信。

建立網(wǎng)絡(luò)平臺之后可降低整車的開發(fā)成本。“降低開發(fā)成本”，是指對于整個(gè)企業(yè)來講，所有車型的開發(fā)都基于同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)平臺；前期的網(wǎng)絡(luò)平臺開發(fā)，可為后續(xù)車型復(fù)用。

下線檢測（EOL）和售后服務(wù)的實(shí)現(xiàn)，是基于汽車的診斷。早期的診斷方式是通過K線診斷，但是K線診斷速率低，歐美已逐漸淘汰，而轉(zhuǎn)向通過CAN線診斷。

診斷是網(wǎng)絡(luò)平臺中網(wǎng)絡(luò)需求規(guī)范的重要內(nèi)容，診斷不僅僅是讀取故障代碼、清除故障代碼；通過診斷，還可以實(shí)現(xiàn)下線檢測、售后服務(wù)等工作。下線檢測時(shí)，檢測設(shè)備通過CAN總線與控制單元進(jìn)行通信，可對汽車進(jìn)行下線檢測和靈活的功能配置。4S店進(jìn)行售后維修時(shí)，診斷設(shè)備通過總線對控制單元進(jìn)行診斷，通過這種方式，便于產(chǎn)品維修記錄跟蹤、減少維修時(shí)間、提高維修效率、降低維修成本。同時(shí)在產(chǎn)品功能升級和召回時(shí)，通過診斷方式，可方便的進(jìn)行ECU軟件刷新。如圖2。

圖2 網(wǎng)絡(luò)平臺的組成

我國已加入世貿(mào)組織，且為全球車輛法規(guī)協(xié)調(diào)的《1998年協(xié)定》簽約國之一，汽車標(biāo)準(zhǔn)向國際接軌是提高我國汽車技術(shù)的關(guān)鍵措施之一。同時(shí)，國家不斷出臺新政策激勵(lì)先進(jìn)技術(shù)的引用和研發(fā)。

2006年2月，國務(wù)院關(guān)于印發(fā)實(shí)施《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020 年）》若干配套政策的通知<國發(fā)（2006）第006號>文。通知指出：加大對企業(yè)自主創(chuàng)新投入的所得稅前抵扣力度。允許企業(yè)按當(dāng)年實(shí)際發(fā)生的技術(shù)開發(fā)費(fèi)用的150％抵扣當(dāng)年應(yīng)納稅所得額。實(shí)際發(fā)生的技術(shù)開發(fā)費(fèi)用當(dāng)年抵扣不足部分，可按稅法規(guī)定在5 年內(nèi)結(jié)轉(zhuǎn)抵扣。企業(yè)提取的職工教育經(jīng)費(fèi)在計(jì)稅工資總額2.5％以內(nèi)的，可在企業(yè)所得稅前扣除。研究制定促進(jìn)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合的稅收政策。

2008年4月，科技部、財(cái)政部、國家稅務(wù)總局關(guān)于印發(fā)《高新技術(shù)企業(yè)認(rèn)定管理辦法的通知》<國科發(fā)火（2008）172號>文。在《國家重點(diǎn)支持的高新技術(shù)領(lǐng)域》中包括自動(dòng)化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、功能全、測量范圍廣、適應(yīng)性強(qiáng)的能源測量、記錄和節(jié)能檢測新技術(shù)；汽車電子技術(shù)，用于：車身穩(wěn)定系統(tǒng)、懸架控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)力分配系統(tǒng)、制動(dòng)力分配系統(tǒng)、制動(dòng)防抱死系統(tǒng)、安全氣囊、自動(dòng)避障系統(tǒng)、自動(dòng)停車系統(tǒng)、車載故障診斷系統(tǒng)、車身總線系統(tǒng)、智能雨刷、智能防盜系統(tǒng)等。CAN總線能夠?yàn)檫@些系統(tǒng)提供有力的技術(shù)支持。

2009年3月20日，國務(wù)院辦公廳公布了《汽車產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃》。規(guī)劃提出了若干項(xiàng)政策措施，包括加大技術(shù)進(jìn)步和技術(shù)改造投資力度。其中包括今后三年在新增中央投資中安排100億元作為技術(shù)進(jìn)步、技術(shù)改造專項(xiàng)資金，重點(diǎn)支持汽車生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)品升級，提高節(jié)能、環(huán)保、安全等關(guān)鍵技術(shù)水平；開發(fā)填補(bǔ)國內(nèi)空白的關(guān)鍵總成產(chǎn)品；建設(shè)汽車及零部件共性技術(shù)研制和檢測平臺；發(fā)展新能源汽車及專用零部件等。并制訂了《汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步和技術(shù)改造項(xiàng)目及產(chǎn)品目錄》（同國家發(fā)改委發(fā)布的《汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步與技術(shù)改造投資方向（2009-2011年）》）。其中明確列出汽車電子控制系統(tǒng)規(guī)格：

● 車載故障診斷儀（OBD）選擇性采用CAN診斷通信協(xié)議；

● 車身總線控制系統(tǒng)選擇性采用低速CAN總線實(shí)現(xiàn)車身電子系統(tǒng)智能化、人性化控制；

● 發(fā)動(dòng)機(jī)鎖止防盜系統(tǒng)與發(fā)動(dòng)機(jī)控制器的通訊通過CAN等方式實(shí)現(xiàn)；

● 數(shù)字化儀表系統(tǒng)具有CAN總線接口，實(shí)現(xiàn)與總線網(wǎng)絡(luò)通訊。

國外的主要汽車制造商在使用CAN總線技術(shù)時(shí)，大都是通過建立網(wǎng)絡(luò)平臺的方式實(shí)現(xiàn)的。經(jīng)過長期的不斷積累和發(fā)展，各大企業(yè)大都建立起了各自企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)平臺，如GM公司的GMLAN 、Ford公司的FNOS，三菱汽車的SWS（SMART WIRING SYSTEM）等。

GMLAN（General Motors local area network）作為通用公司全球范圍內(nèi)車輛的通訊標(biāo)準(zhǔn),負(fù)責(zé)提供一組串行總線來實(shí)現(xiàn)ECU之間的相互通訊。其中,GMLAN信號和報(bào)文定義的指導(dǎo)方針包含了GMW3203定義的內(nèi)容、定義允許的信號類型、定義新信號的標(biāo)準(zhǔn)、將信號放入報(bào)文中的規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文的標(biāo)準(zhǔn);GMLAN模型參照ISO/OSI的通訊標(biāo)準(zhǔn),分成交互層、網(wǎng)絡(luò)層、節(jié)點(diǎn)管理層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層等7個(gè)層次;GMLAN系列文件標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范分成硬件部分、策略部分和軟件部分,共12個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，通用林蔭大道和科魯茲均采用GMLAN通訊標(biāo)準(zhǔn)。

網(wǎng)絡(luò)平臺為汽車的設(shè)計(jì)、開發(fā)、測試、生產(chǎn)以及售后服務(wù)，提供了總線技術(shù)支撐?；诰W(wǎng)絡(luò)平臺，汽車制造商可為不同車型的電控單元設(shè)計(jì)類似的網(wǎng)絡(luò)通信規(guī)范，以減少網(wǎng)絡(luò)通信開發(fā)的時(shí)間和成本。另外，通過不斷的積累，成熟的網(wǎng)絡(luò)平臺還能提升產(chǎn)品可靠性。

網(wǎng)絡(luò)平臺可分為商用車、乘用車、新能源車等不同車型平臺。每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)平臺又分為網(wǎng)絡(luò)需求規(guī)范（或者網(wǎng)絡(luò)協(xié)議）、網(wǎng)絡(luò)測試以及協(xié)議棧（總線網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的嵌入式軟件），如圖3所示。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)平臺的開發(fā)需要圍繞這三類技術(shù)提供流程、方法、工具和人力資源的支持。三類技術(shù)研發(fā)的內(nèi)容和重點(diǎn)各不相同。

網(wǎng)絡(luò)需求規(guī)范是分層編寫的，編寫時(shí)應(yīng)考慮協(xié)議棧的軟件實(shí)現(xiàn)。內(nèi)容包括，物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、交互層、傳輸協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)管理和診斷等內(nèi)容。

圖3 網(wǎng)絡(luò)需求規(guī)范（協(xié)議棧）的分層結(jié)構(gòu)

物理層和數(shù)據(jù)鏈路層是網(wǎng)絡(luò)通信的底層，是網(wǎng)絡(luò)通信實(shí)現(xiàn)的基本要求。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO或BOSCH公司對CAN總線的底層規(guī)范做出了詳細(xì)規(guī)定，這些規(guī)定包含于ISO11898、BOSCH CAN2.0中，但是這些規(guī)定都只針對芯片。整車廠制定網(wǎng)絡(luò)需求規(guī)范的目的是對ECU供應(yīng)商的ECU產(chǎn)品、對線束供應(yīng)商的線束產(chǎn)品提出要求。因此，整車廠需要在這些規(guī)范基礎(chǔ)上，對ECU通信的硬件電路、EMC（電磁兼容性）、ECU通信的魯棒性、工作電壓范圍、通信報(bào)文的標(biāo)示符（ID）劃分等提出更多要求，并進(jìn)行大量仿真和試驗(yàn)，以找到最佳設(shè)計(jì)方案。

網(wǎng)絡(luò)管理和診斷也是網(wǎng)絡(luò)需求規(guī)范的研究重點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)管理用于維護(hù)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)ECU正常上電、初始化、通信、斷電、關(guān)閉、休眠以及喚醒等各個(gè)狀態(tài)。診斷最初只是用于診斷設(shè)備讀取存儲在ECU中的故障碼，而如今診斷不僅支持測試和標(biāo)定，還支持ECU軟件刷新，下線檢測等許多功能，從而減少了因?yàn)檐浖收隙a(chǎn)生的產(chǎn)品召回?fù)p失。整車制造商對網(wǎng)絡(luò)管理和診斷的研發(fā)，需要基于ISO 17356、ISO 14229等國際標(biāo)準(zhǔn)，如此可以使多家整車廠共享供應(yīng)商資源，減少供應(yīng)商更改軟件的成本，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

網(wǎng)絡(luò)測試的研發(fā)首先是測試規(guī)范的制定，其次是自動(dòng)化測試的實(shí)現(xiàn)。

測試規(guī)范用于驗(yàn)證供應(yīng)商開發(fā)和生產(chǎn)的ECU、線束是否滿足制定的網(wǎng)絡(luò)需求規(guī)范。它為網(wǎng)絡(luò)需求規(guī)范中的每一項(xiàng)要求提供了測試的設(shè)備、條件、環(huán)境、方法、評價(jià)指標(biāo)的描述。

利用試驗(yàn)臺架和專業(yè)工具，可以將測試規(guī)范的每一個(gè)測試項(xiàng)，轉(zhuǎn)變?yōu)槌绦蚩刂频淖詣?dòng)測試，減少人工，這些是歐美整車廠的普遍做法。自動(dòng)化測試不僅減少了人工成本，還提高了測試效率，避免人為測試失誤。另外，人數(shù)的減少也有利于企業(yè)管理和應(yīng)對經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn)。雖然第一次開發(fā)自動(dòng)化測試設(shè)備需要投入較大資金和時(shí)間，但是基于平臺的網(wǎng)絡(luò)測試確保了設(shè)備的復(fù)用性，使得此后的測試資金和時(shí)間投入大幅度減少。

協(xié)議棧是網(wǎng)絡(luò)平臺更加核心的技術(shù)。

協(xié)議棧使得整車廠和供應(yīng)商之間的接口關(guān)系發(fā)生了巨大變化，由“文檔”接口變?yōu)榱恕按a”接口。文檔可能產(chǎn)生歧義，即使沒有歧義，供應(yīng)商開發(fā)ECU 需要先理解，再編程實(shí)現(xiàn)文檔的要求，然后反復(fù)進(jìn)行測試和修改，開發(fā)周期長。協(xié)議棧避免和減少了文檔產(chǎn)生的問題。整車廠直接提供協(xié)議棧給供應(yīng)商，不僅可以避免對文檔理解的歧義，保證開發(fā)與設(shè)計(jì)的一致性，還可以減少開發(fā)和測試周期。

網(wǎng)絡(luò)平臺的開發(fā)是一個(gè)逐步而漫長的過程，需要不斷實(shí)踐。GM、Ford、VW等汽車企業(yè)網(wǎng)絡(luò)平臺的發(fā)展已經(jīng)經(jīng)歷了近10年的時(shí)間。目前，國內(nèi)的整車廠要想建立網(wǎng)絡(luò)平臺面臨很大的挑戰(zhàn)，但是通過與國際化企業(yè)的深入合作，將能逐步追趕上先進(jìn)的水平，從而減少項(xiàng)目的成本和周期，提升產(chǎn)品可靠性，有效組織社會資源。

[1] 甘永梅.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用. 機(jī)械工業(yè)出版社.

[2] 雷霖.現(xiàn)場總線控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù).電子工業(yè)出版社.

[3] 鄔寬明.CAN總線原理和應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京航空航天大學(xué)出版社.

Application and Analysis of CAN in Car

Hu Hongbing

(Southeast (Fujian) Automobile Industry Co., Ltd., Fuzhou 350119, China)

CAN BUS is a type of serial communication network, which is characterized by high confidentiality, high anti-interference ability, effective support of distributed control and real-time control. The application of CAN in vehicle is described. The advantages and features of CAN network are discussed.

CAN network; development; application