何清華， 成艾國

（湖南大學機械與運載工程學院，湖南 長沙 410082）

世界能源與環(huán)境問題引起越來越多人的關注，各行各業(yè)紛紛采取一系列的節(jié)能環(huán)保措施。而在汽車行業(yè)，人們則把希望寄托于新能源車。各種研究機構先后對新能源車關鍵技術進行研究，企業(yè)相繼開展新能源車的試制，政府出臺各項舉措，大力支持鼓勵新能源車研究與使用。

CAN總線一致被認為是汽車領域最有前途的現場總線。雖然國內對CAN總線的研究都還處于起步階段，國家還是將它列為新能源車必須的通信方式。在這種情況下，如何將CAN更好地應用于新能源車就成為亟待解決的問題之一。本文以純電動汽車為例，介紹了其設計中CAN網絡的開發(fā)過程。

1 CAN概述

1.1 CAN的起源與發(fā)展

CAN全稱為控制器局域網絡 （Controller Area Network），其本質是一種串行總線系統(tǒng)的通信協(xié)議。

1983年，Bosch開始研究應用于汽車的串行總線系統(tǒng)，并于1986年在SAE大會上首次公布CAN協(xié)議。1991年，CAN最先在Benz S系列轎車上實現。時至今日，除了CAN2.0規(guī)范、ISO 11898等底層協(xié)議之外，各領域不同企業(yè)相繼制訂了CAN應用層協(xié)議。汽車行業(yè)最廣為人知的如J1939、GMLAN、CANopen等。總之，CAN總線在其產生后的短短幾十年內，迅速獲得了許多行業(yè)的認可與青睞。

1.2 CAN2.0協(xié)議

依照ISO的OSI參考模型的分層標準，CAN被分為物理層、數據鏈路層及應用層。

物理層的作用是在不同節(jié)點之間根據所有的電氣屬性進行位的實際傳輸。它涉及到位時間、位編碼、同步等內容。CAN2.0協(xié)議沒有定義物理層的驅動器/接收器特性，允許使用者根據應用，對發(fā)送媒體和信號電平進行優(yōu)化。

數據鏈路層分為邏輯鏈路控制子層 （LLC）和媒體訪問控制子層 （MAC）。MAC子層是CAN2.0協(xié)議的核心，它把接收到的報文提供給LLC子層，并接收來自LLC子層的報文。MAC子層負責報文分幀、仲裁、應答、錯誤檢測和標定。

CAN2.0協(xié)議沒有對應用層做任何規(guī)定，應用層協(xié)議一般由使用者定義。

1.3 CAN在純電動汽車上的應用現狀

眾所周知，CAN網絡是為汽車上越來越多的ECU間的通信而開發(fā)的。與傳統(tǒng)的總線通信相比，它具有簡單可靠、節(jié)約空間、輕量化等顯著優(yōu)點。而與目前普遍使用的LIN總線相比，它的優(yōu)點在于傳輸速率高。鑒于動力系統(tǒng)對實時性的要求，CAN總線更適用于動力系統(tǒng)。當然，除了CAN總線之外，MOST總線與FlexRay總線近年也得到一些應用。其中前者傳輸信息量大，多用于信息娛樂系統(tǒng)；后者實時性高，常見于線控轉向、制動等系統(tǒng)。雖然有不少專家預言，未來FlexRay將取代CAN，但同時他們也承認，CAN總線將在相當長的時間內得到普遍應用。

國家陸續(xù)出臺相關政策法規(guī)鼓勵引導新能源車，尤其是純電動汽車產業(yè)的發(fā)展。而純電動汽車的三大核心技術:動力電池、電機及整車控制器，均與CAN總線息息相關，企業(yè)要掌握這3項技術，必須突破CAN總線。

2 純電動汽車CAN網絡設計

2.1 節(jié)點設計

本純電動汽車的整車動力系統(tǒng)由鋰電池與電機組成。另外，為確保動力系統(tǒng)正常工作，相應的管理系統(tǒng)是必不可少的，如電池管理系統(tǒng) （BMS）、電機控制器、整車控制器等，整個CAN網絡的結構見圖1。本車CAN網絡節(jié)點有6個，分別為整車控制器 （VCU）、 顯示ECU （DISPLAY）、 電池管理系統(tǒng)（BMS）、 電機控制器 （MOTORMANAGE）、 高壓電控制器 （HIGHVOLTAGE）及電動助力轉向系統(tǒng)（EPS）。

2.2 CAN網絡設計

在汽車CAN網絡開發(fā)領域，有人提出過V形設計流程，如圖2所示。與傳統(tǒng)單一方向的流程相比，該流程的特點是每個過程可以指向下一過程，也可返回上一過程，甚至指向其它過程。這種指向與返回是以CAN網絡數據庫為核心內容的，所有過程都是為了最優(yōu)化該數據庫。

2.2.1 網絡定義

在網絡定義階段，我們首先需要對整車需求進行分析，整合需要進行CAN通信的資源分配。一般方法是首先確定CAN網絡結構，然后對每個節(jié)點的地址、收發(fā)信號、報文等進行定義。

由于節(jié)點數量較少，無網關，因此網絡結構簡單，所有節(jié)點直接掛在總線上。物理傳輸使用屏蔽雙絞線，終端電阻120 Ω，分別在整車控制器及電機控制器內。使用29位標識符的擴展幀格式，速率250 kb/s。

按照各節(jié)點優(yōu)先級，節(jié)點地址分配見表1。

表1 CAN網絡節(jié)點地址

節(jié)點地址分配完成后，需要對網絡上各個節(jié)點發(fā)送的信號及報文參數進行定義。表2舉例列出了電動助力轉向系統(tǒng) （EPS）的信號相關參數。

表2 EPS信號列表

以上工作完成后，再結合整車控制策略編寫應用層協(xié)議。此時的設計工作需要落實到每個報文的數據域字節(jié)定義。

2.2.2 仿真驗證

仿真驗證就是對整個網絡進行建模仿真，以驗證之前定義的網絡完整性。隨著開發(fā)的深入，仿真一般從軟件仿真到半物理仿真。該過程可以借用一些軟件工具，如CANoe、MATLAB等。在CANoe中，可以依照以上需求文檔，逐步定義虛擬網絡節(jié)點，報文及信號，最終建立.dbc數據庫文件，然后進行軟件仿真。圖3為本車CANoe網絡仿真窗口。

2.2.3 代碼實現

代碼實現階段需要對節(jié)點通信協(xié)議、接口軟件等編寫源代碼。這一過程可以由專業(yè)代碼編寫團隊或工具完成。此處不再詳細說明。

2.2.4 測試分析

在CAN網絡設計的后期，各節(jié)點硬件設計完成，就可以將圖3中細線的虛擬節(jié)點切換到粗線的實際節(jié)點，然后進行測試分析。測試結果可以在Trace、 Data、 Graphic、 Bus Statistics等子窗口中進行觀察。其中最重要的是Bus Statistics中對整個網絡性能的分析，如總線負載率、峰值負載，以及各種類型幀的數量。圖4就是某車型CAN網絡裝車完成后，用CANoe進行測試的結果。

2.2.5 標定

在以上工作完成后，系統(tǒng)架構基本完成，就可以對集成系統(tǒng)進行測試。設計者需要編寫測試用例，分析在各種情況下系統(tǒng)的性能，如抗干擾性、EMC性能、總線負載率等。系統(tǒng)裝車后，還需要結合整車對其進行標定，即對系統(tǒng)參數進行修改、測試，并最終選取參數最優(yōu)值，修改代碼。

2.3 設計結果驗證

本車CAN網絡搭建完成后，系統(tǒng)測試結果顯示各項通信正常，總線負載率在15%以內。且隨后半年時間內，每周充電1次，行駛120 km以上，整車CAN網絡運行狀況良好。表明本純電動汽車CAN網絡設計圓滿完成。

3 結束語

本文以某純電動汽車為例，介紹了CAN網絡的基本設計思路，且各節(jié)點通信正常，設計結果得到驗證。本文旨在闡述設計思路，因此對某些具體細節(jié)未做過多描述。另外，整車其它低壓電器未納入CAN網絡管理中，也未關注故障診斷。希望在后續(xù)的研究中能夠從這些方面加以改進。

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