王瑋，初洪超（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

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汽車CAN總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王瑋，初洪超
（安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

摘要：汽車CAN總線技術(shù)在汽車控制器領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛，總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就是由這些控制器通過總線所組成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。如何設(shè)計(jì)合理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如何分析其可行性，文章將給予闡述。

關(guān)鍵詞：CAN總線；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.033

CLC NO.: U462.1Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)05-127-03

前言

CAN（Controller Area Network）即控制器局域網(wǎng)，由于具有高性能、高可靠性以及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，CAN總線越來越受到人們的重視。CAN已經(jīng)形成國際標(biāo)準(zhǔn)，并已經(jīng)被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。

汽車CAN總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是整車CAN網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)計(jì)中非常重要的一環(huán)，它主要包含的如下的信息：

1）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)配置

2）總線條數(shù)與類型

3）總線速率與終端電阻分布

4）診斷方式

通過拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠獲得汽車網(wǎng)絡(luò)的基本信息，了解總線通訊的構(gòu)成。然而設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)存在諸多需要考慮的因素，本文將闡述建立整車總線拓?fù)涞倪^程以及其中的設(shè)計(jì)因素和要點(diǎn)，提供設(shè)計(jì)指導(dǎo)。

1、設(shè)計(jì)應(yīng)用

1.1整車配置分析

表1　CAN通訊模塊

表2　LIN通訊模塊

建立拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之前，首先要確定總線網(wǎng)絡(luò)上的通訊節(jié)點(diǎn)，總線網(wǎng)絡(luò)的通訊節(jié)點(diǎn)來源于整車配置中各個(gè)控制器模塊。因此，根據(jù)開發(fā)車型的配置信息，分析可能需要進(jìn)行CAN/LIN總線通訊的模塊，最終由模塊的工程師來確定是否為總線通訊的節(jié)點(diǎn)。

常見的ECU通訊模塊參考如表1、2：

1.2總線配置分析

在確定了各個(gè)通訊節(jié)點(diǎn)之后，須對(duì)節(jié)點(diǎn)在總線網(wǎng)絡(luò)中的配置進(jìn)行分析，并確定以下三個(gè)方面：

1）高速CAN節(jié)點(diǎn)

高速CAN節(jié)點(diǎn)一般具有通訊速率高、安全等級(jí)高、實(shí)時(shí)性好的要求，例如ABS制動(dòng)防抱死系統(tǒng)對(duì)行車安全起著重要作用，故對(duì)通訊的實(shí)時(shí)性、安全性要求很高。

一般情況下，與動(dòng)力、主動(dòng)及被動(dòng)安全相關(guān)的節(jié)點(diǎn)均設(shè)置為高速CAN節(jié)點(diǎn)。這一類特點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)有發(fā)動(dòng)機(jī)管理模塊、安全氣囊模塊、轉(zhuǎn)向模塊、制動(dòng)模塊等等。

2）低速CAN節(jié)點(diǎn)

低速CAN節(jié)點(diǎn)一般對(duì)通訊速率、安全等級(jí)、實(shí)時(shí)性沒有較高的要求，車身舒適系統(tǒng)一般屬于此范疇。這一類特點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)有車身控制模塊、音響、DVD、空調(diào)以及其他信息娛樂系統(tǒng)等等。

3）LIN節(jié)點(diǎn)

根據(jù)成本要求，部分低速CAN通訊模塊也可以采用LIN總線的方案，例如倒車?yán)走_(dá)，門窗防夾控制等等，這些需要根據(jù)實(shí)車開發(fā)時(shí)模塊的具體要求而定。

由于LIN總線為主從式結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)LIN總線時(shí)需要確定主節(jié)點(diǎn)，一般讓能夠獲取CAN總線信號(hào)的CAN節(jié)點(diǎn)來同時(shí)擔(dān)當(dāng)LIN的主節(jié)點(diǎn)，這樣LIN總線上需要通過CAN總線信號(hào)來做出的邏輯功能可由此節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)。LIN總線的主節(jié)點(diǎn)一般由車身控制器、網(wǎng)關(guān)等來擔(dān)當(dāng)。

4）網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)

CAN總線的通訊能力是有限的，并不是所有的節(jié)點(diǎn)都可以連接在一條總線上，為了分擔(dān)負(fù)載，降低風(fēng)險(xiǎn)，在必要時(shí)需要分段設(shè)計(jì)。若整車網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)時(shí)存在兩條及兩條以上的總線，且總線之間需要進(jìn)行信息的交換，則需要開發(fā)網(wǎng)關(guān)模塊。

網(wǎng)關(guān)模塊負(fù)責(zé)各條總線之間的信息交換，網(wǎng)關(guān)模塊本身有兩種選擇：一是設(shè)置獨(dú)立的網(wǎng)關(guān)模塊，專門用于總線信息交換；二是集成于某一通訊節(jié)點(diǎn)中，負(fù)責(zé)交換總線信息。通常處于成本考慮采用后者，而集成網(wǎng)關(guān)的節(jié)點(diǎn)一般為ICM或BCM。但是當(dāng)總線數(shù)量較多時(shí)，受到處理能力或PCB板布置的限制，單靠集成網(wǎng)關(guān)是無法滿足要求的，這時(shí)便需要獨(dú)立的網(wǎng)關(guān)模塊來處理。

1.3總線參數(shù)設(shè)定

在確定通訊節(jié)點(diǎn)和總線配置之后，還需要設(shè)定總線的相關(guān)參數(shù)，體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

1）總線協(xié)議

CAN總線協(xié)議主要有ISO 11898-2、ISO 11898-3，前者為高速CAN總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，后者為容錯(cuò)CAN總線協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。前者可應(yīng)用于各類節(jié)點(diǎn)，后者主要用于車身控制模塊等對(duì)通訊要求不高的節(jié)點(diǎn)?，F(xiàn)代很多車型在總線設(shè)計(jì)時(shí)，往往采用高低速CAN總線均采用ISO 11898-2的方式，即車身CAN系統(tǒng)也采用與動(dòng)力CAN系統(tǒng)相同的總線協(xié)議，使用高速CAN的收發(fā)器和控制器來進(jìn)行通訊，這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于整車各通訊節(jié)點(diǎn)物理層統(tǒng)一，便于節(jié)點(diǎn)在各路總線上的移植和擴(kuò)展。

LIN總線協(xié)議為LIN1.0/1.3/2.0/2.1等版本，根據(jù)需要進(jìn)行選擇，LIN協(xié)議具有向下兼容的特點(diǎn)，高版本可以兼容低版本的協(xié)議。

2）總線速率

總線速率根據(jù)總線協(xié)議具有不同的范圍，其中ISO 11989-2的總線最高速率為1Mbps，而ISO 11898-3的總線最高速率為125kbps。

LIN總線的最高通訊速率為20kbps。

總線速率根據(jù)具體需求而定，一般高速CAN為500kbps，而低速CAN為125kbps或100kbps。實(shí)時(shí)性較高的信息處于安全和性能的考慮，所在的總線所要求的速率較高，如動(dòng)力、安全系統(tǒng)的信息。

3）診斷協(xié)議

現(xiàn)行CAN總線執(zhí)行的診斷標(biāo)準(zhǔn)有兩種，一是KWP2000診斷協(xié)議，一是UDS統(tǒng)一診斷協(xié)議，根據(jù)具體需要進(jìn)行開發(fā)。

4）終端電阻

在總線中，CAN_H、CAN_L間需要具有一定電阻，用于吸收反射波，其設(shè)計(jì)方案如下圖1、2所示。在ISO 11898-2總線協(xié)議情況下，總線中需要2個(gè)節(jié)點(diǎn)具有終端電阻，且阻值為120歐姆，因此需要在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中說明；而在ISO 11898-3的情況下，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均有終端電阻，關(guān)于阻值的定義可在ISO11898-3中查詢。

圖1　終端電阻方案1

1.4總線拓?fù)鋱D設(shè)計(jì)

在分析完以上各個(gè)問題之后，最后進(jìn)行就是整個(gè)CAN總線系統(tǒng)的拓?fù)鋱D設(shè)計(jì)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中包含節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)、總線條數(shù)和類型、終端電阻分布、傳輸速率、診斷類型和接口等信息。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用圖形表示方法，如下圖3所示：

完整的總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可參考下圖：

2、驗(yàn)證分析

總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理，是需要通過分析和驗(yàn)證的，分析手段主要為網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率計(jì)算或測試。

按照總線設(shè)計(jì)原則，為了保證信息傳輸?shù)目煽啃?，避免信?hào)延遲，一般每條CAN總線在正常情況下通訊的負(fù)載不應(yīng)超過30％。負(fù)載率可以通過人工計(jì)算和工具測試來進(jìn)行。

1）人工計(jì)算

當(dāng)總線通訊的信息幀確定以后，每一幀消息所占用的負(fù)載率如下：

其中：C—消息幀負(fù)載率

L—消息幀字節(jié)數(shù)

T—信號(hào)幀發(fā)送周期，單位為ms

S—總線速率，單位為kbit/s

將一條CAN總線上所有傳輸?shù)南加玫呢?fù)載率相加，即可得到總負(fù)載率，若每條總線負(fù)載率值小于30％，則該總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以滿足設(shè)計(jì)要求；若有超過30％的現(xiàn)象，則需要通過調(diào)節(jié)消息的傳輸周期或減少幀的個(gè)數(shù)來降低負(fù)載率，若周期和幀個(gè)數(shù)無法改變或改變后仍不滿足要求，則需要對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，使負(fù)載率達(dá)到合理范圍。

下表為計(jì)算示例：

表3　負(fù)載率計(jì)算示例

2）工具測試

總線負(fù)載率除了人工計(jì)算，也可以通過測試工具對(duì)設(shè)計(jì)好的總線進(jìn)行仿真分析，分析結(jié)果更為準(zhǔn)確，總線設(shè)計(jì)常用的工具有Vector公司CANoe。

圖4　CANoe的仿真示例

經(jīng)過以上一系列的設(shè)計(jì)，便完成了CAN總線拓?fù)湓O(shè)計(jì)。隨著汽車電子化智能化的發(fā)展，在實(shí)際應(yīng)用中，CAN總線模塊越來越多，總線結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，但基本的設(shè)計(jì)方法仍然是一致的。

3、總結(jié)

總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是整車CAN總線網(wǎng)絡(luò)的框架，決定著汽車網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)質(zhì)量，只有合理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)才能使得總線網(wǎng)絡(luò)具備可靠的信息傳輸和更好的拓展性。因此，掌握總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響因素和要點(diǎn)尤為重要，并且通過分析驗(yàn)證來確定其合理性，保障網(wǎng)絡(luò)通訊質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

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[2]ISO 11898-2, Road vehicles—Controller area network (CAN)—Part 2: High-speed medium access unit[S].

[3]ISO 11898-3, Road vehicles—Controller area network (CAN)—Part 3: Low-speed, fault-tolerant, medium-dependent interface[S].

Topology Design Of The Vehicle CAN Bus

Wang Wei, Chu Hongchao
（Anhui Jianghuai Autobile Co., Ltd, Technical Center, Anhui Heifei 230601）

Abstract:The application of the CAN bus technology become more and more extensive which usd in Vehicle controller area. The topology is a network structure composed by these controllers.How to design a rational topology and how to analyse the feasibility,this text will specify.

Keywords:CAN Bus; Topology

中圖分類號(hào)：U462.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7988（2016）05-127-03

作者簡介：王瑋，就職于安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心。