邱遠(yuǎn)紅，王俊紅，譚福倫

（金龍聯(lián)合汽車工業(yè)（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215026）

CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller Area Network）的簡(jiǎn)稱，是國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，一個(gè)具體的CAN總線系統(tǒng)包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層；其應(yīng)用范圍較廣，J1939協(xié)議是由SAE（美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)）制定，并應(yīng)用于商用車的高速通信協(xié)議，也是目前客車廣泛采用的通信協(xié)議。

隨著CAN總線技術(shù)的推廣，客車車身總線控制越來(lái)越得到普及和應(yīng)用，總線控制器應(yīng)用到了大部分整車電器設(shè)計(jì)中，總線控制器和組合儀表的協(xié)調(diào)工作，推動(dòng)了整車電器智能化的進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)了客車電器設(shè)計(jì)軟硬件的分離，從而推動(dòng)整車電器件通用化發(fā)展的步伐，對(duì)推動(dòng)整個(gè)客車電器的發(fā)展具有積極的意義。本文重點(diǎn)分析目前客車CAN總線的車身控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、控制器以及應(yīng)用注意事項(xiàng)。

1 客車車身控制系統(tǒng)CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

各個(gè)客車廠家車身控制系統(tǒng)產(chǎn)品不同，但基本控制思路大同小異，如傳統(tǒng)車輛，主要采用圖1所示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要有2個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中車輛照明系統(tǒng)、刮水、聲光報(bào)警系統(tǒng)等在車身控制系統(tǒng)；動(dòng)力網(wǎng)絡(luò)主要為發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、ABS等動(dòng)力控制系統(tǒng)。本文重點(diǎn)討論車身控制系統(tǒng)。

車身控制系統(tǒng)主要有組合儀表、開(kāi)關(guān)控制器、車身控制器、行車記錄儀以及其他附件控制單元，組合儀表為人機(jī)交互界面，為駕駛員提供顯示信息，并充當(dāng)“網(wǎng)關(guān)”作用，既連接車身網(wǎng)絡(luò)又連接動(dòng)力網(wǎng)絡(luò)；開(kāi)關(guān)控制器采集車輛開(kāi)關(guān)信號(hào)，把開(kāi)關(guān)量通過(guò)CAN總線系統(tǒng)傳輸?shù)秸麄€(gè)網(wǎng)絡(luò)；車身控制器是車身控制系統(tǒng)的核心，車身控制器根據(jù)開(kāi)關(guān)量信號(hào)、模擬量信號(hào)、CAN總線信號(hào)，進(jìn)行邏輯控制相應(yīng)輸出管腳，實(shí)現(xiàn)車輛電器負(fù)載的控制。

2 基于CAN總線的客車車身控制系統(tǒng)特點(diǎn)

基于CAN總線系統(tǒng)的車身控制系統(tǒng)對(duì)客車來(lái)說(shuō)主要有以下優(yōu)點(diǎn)：①用電器控制簡(jiǎn)化；②信號(hào)實(shí)現(xiàn)共享，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)；③具有過(guò)載保護(hù)以及斷路指示；④能夠自我診斷。

圖1 傳統(tǒng)車輛網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.1 用電器控制簡(jiǎn)化

未使用CAN總線之前，傳統(tǒng)電路設(shè)計(jì)主要是通過(guò)熔斷器盒、開(kāi)關(guān)以及繼電器控制用電器件；整車采用CAN總線后，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)化，開(kāi)關(guān)信號(hào)只需要接入總線控制器，總線控制器根據(jù)總線設(shè)定的邏輯規(guī)則，驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)現(xiàn)用電器件的工作。圖2為傳統(tǒng)電路控制框架，圖3為總線電路控制框架。

圖2 傳統(tǒng)電路控制框架

圖3 總線電路控制框架

圖2中，喇叭和燈具電流經(jīng)過(guò)熔斷器、控制開(kāi)關(guān)或者繼電器到喇叭或者燈具；圖3中，喇叭和熔斷器的控制通過(guò)總線實(shí)現(xiàn)，開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)入車身控制器，車身控制器根據(jù)得到的開(kāi)關(guān)信號(hào)，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的報(bào)文，發(fā)送給整個(gè)車身網(wǎng)絡(luò)，車身控制器根據(jù)設(shè)定的管腳以及設(shè)定的軟件程序，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的用電器工作。

兩種控制方式對(duì)比，總線電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，熔斷器數(shù)量減少，對(duì)開(kāi)關(guān)的負(fù)載性能要求降低；傳統(tǒng)電路實(shí)現(xiàn)方式復(fù)雜，有的控制功能需要多個(gè)繼電器進(jìn)行控制；總線電路控制只需根據(jù)開(kāi)關(guān)邏輯進(jìn)行編程即可實(shí)現(xiàn)，開(kāi)關(guān)只控制信號(hào)，不驅(qū)動(dòng)負(fù)載，所以耐久性能將會(huì)得到提高，也會(huì)降低生產(chǎn)成本。

2.2 信號(hào)實(shí)現(xiàn)共享，簡(jiǎn)化硬件電路設(shè)計(jì)

以機(jī)油壓力傳感器為例，未使用總線之前，發(fā)動(dòng)機(jī)需要采集機(jī)油壓力信號(hào)給發(fā)動(dòng)機(jī)ECU，而為顯示機(jī)油壓力狀態(tài)，組合儀表需要獲取機(jī)油壓力傳感器參數(shù)信息，整車廠也需要安裝機(jī)油壓力傳感器，因而發(fā)動(dòng)機(jī)本體需要安裝2個(gè)機(jī)油壓力傳感器；采用總線系統(tǒng)之后，發(fā)動(dòng)機(jī)本體只需要安裝1個(gè)機(jī)油壓力傳感器，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU根據(jù)采集的機(jī)油壓力參數(shù)，以報(bào)文形式發(fā)送到整個(gè)總線網(wǎng)絡(luò)，組合儀表根據(jù)得到的報(bào)文信息，計(jì)算機(jī)油壓力值，驅(qū)動(dòng)儀表工作。圖4為傳感器信號(hào)采集方式的對(duì)比。

圖4 傳感器信號(hào)采集方式對(duì)比

圖4中，傳統(tǒng)電路中需要2個(gè)傳感器，各用電器分別需要1個(gè)傳感器；而總線電路中只用1個(gè)傳感器，發(fā)動(dòng)機(jī)ECU通過(guò)報(bào)文形式發(fā)送給外部CAN網(wǎng)絡(luò)，組合儀表收到報(bào)文，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。由上可知，2個(gè)傳感器的使用轉(zhuǎn)變?yōu)?個(gè)傳感器的使用，整車總線可實(shí)現(xiàn)用電設(shè)備信號(hào)的共享，降低整車成本。

在客車電器中，有時(shí)多個(gè)用電設(shè)備對(duì)同一信號(hào)都有需求，而只能安裝一個(gè)傳感器。如果多路設(shè)備同時(shí)連接這個(gè)信號(hào)，會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)工作不正常，如發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、行車記錄儀、組合儀表、緩速器等都需要車速信號(hào)，如果把一個(gè)信號(hào)同時(shí)接入各個(gè)用電設(shè)備，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)多個(gè)用電設(shè)備同時(shí)上拉信號(hào)，造成信號(hào)超出電路的檢測(cè)范圍，導(dǎo)致用電設(shè)備工作不正常。如筆者遇到的一個(gè)車速表在怠速抖動(dòng)的故障，其中車速傳感器輸出一路信號(hào)同時(shí)接入到了組合儀表和發(fā)動(dòng)機(jī)ECU，組合儀表的車速表會(huì)出現(xiàn)不正常的抖動(dòng)。車速傳感器以及儀表電路如圖5所示。

圖5 車速傳感器以及儀表電路

圖5a為傳感器電路，圖5b為組合儀表連接傳感器電路，由于發(fā)動(dòng)機(jī)ECU內(nèi)部也有一個(gè)1.8kΩ的上拉電阻，儀表和ECU的同時(shí)上拉，使車速信號(hào)超出組合儀表的檢測(cè)范圍，從而出現(xiàn)組合儀表怠速抖動(dòng)現(xiàn)象。而采用整車總線之后，車速信號(hào)連接到就近總線模塊，總線模塊發(fā)送車速報(bào)文到組合儀表、發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、行車記錄儀、緩速器等，從而減少這種問(wèn)題的發(fā)生。

2.3 具有過(guò)載保護(hù)以及斷路指示

傳統(tǒng)電路中，用電器出現(xiàn)過(guò)載時(shí)，如果超過(guò)熔斷器的設(shè)定范圍，熔斷器熔斷，保護(hù)用電設(shè)備。如果熔斷器設(shè)計(jì)過(guò)大，則會(huì)出現(xiàn)線束過(guò)熱，更為嚴(yán)重狀況則為線束燒毀，用電設(shè)備燒壞，整車著火。采用總線控制后，總線模塊會(huì)根據(jù)設(shè)定的負(fù)載需求，輸出相應(yīng)電流，如果用電器負(fù)載超出設(shè)定功率，總線模塊則會(huì)停止輸出，防止過(guò)載。

在電器設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員要注意核算用電負(fù)載情況，根據(jù)模塊管腳輸出能力，選擇相應(yīng)的管腳。圖6為某型號(hào)模塊部分管腳功率說(shuō)明。

圖6 某型號(hào)車身控制模塊部分管腳功率說(shuō)明

2.4 故障診斷

非總線車型，如果用電器出現(xiàn)故障，售后人員需要按照線束圖進(jìn)行排查，需要有一定的工作經(jīng)驗(yàn)，排查故障困難。若是總線車型，模塊根據(jù)輸出狀態(tài)，進(jìn)行分析判斷，把故障信息通過(guò)報(bào)文發(fā)送給組合儀表，組合儀表顯示故障信息，售后人員根據(jù)顯示信息進(jìn)行針對(duì)性診斷，方便查找問(wèn)題和分析。圖7為儀表診斷界面，儀表顯示的模塊為管腳輸出狀態(tài)。售后根據(jù)顯示狀態(tài)，判斷是模塊問(wèn)題，還是傳感器問(wèn)題等。

圖7 儀表診斷界面

3 車身控制模塊原理

車身控制模塊硬件電路由CAN收發(fā)器、CAN控制器、MCU以及功能電路組成，結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖8 總線模塊硬件電路

CAN收發(fā)器主要是把物理層電信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換的器件，具有與CAN控制器連接接口的收發(fā)引腳TX和RX，還有一對(duì)與CAN總線接口的CAN_H和CAN_L。要發(fā)送的數(shù)據(jù)從TX輸入，經(jīng)收發(fā)器轉(zhuǎn)換為CAN信號(hào)電平，從CAN_H和CAN_L輸出到CAN總線電纜上；同時(shí)CAN_H和CAN_L上信號(hào)電平也被實(shí)時(shí)地轉(zhuǎn)換為邏輯信號(hào)從RX輸出到CAN控制器；同時(shí)要注意，TX發(fā)送的數(shù)據(jù)也會(huì)被RX接收，CAN控制器可以實(shí)時(shí)檢查發(fā)出的數(shù)據(jù)是否異常。

CAN控制器是總線模塊的核心部件，集成了CAN規(guī)范中數(shù)據(jù)鏈路層的全部功能，自動(dòng)完成CAN-Bus協(xié)議的解析。

MCU（Micro Control Unit）即為微控制單元，又稱單片微型計(jì)算機(jī)（Single Chip Microcomputer）或者單片機(jī)，將計(jì)算機(jī)的CPU、RAM、ROM、定時(shí)計(jì)數(shù)器和多種I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片級(jí)的計(jì)算機(jī)，為不同的應(yīng)用場(chǎng)合做不同組合控制。按照計(jì)算速度以及運(yùn)算能力，輸入輸出路數(shù)等選擇，有8位、16位、32位單片機(jī)。

功能電路主要是實(shí)現(xiàn)總線請(qǐng)求的相應(yīng)功能。目前客車總線模塊主要有以下電路：開(kāi)關(guān)電路、模擬電路、脈沖電路、電源降壓電路、功率輸出電路、電源輸出電路等。

4 車身控制系統(tǒng)電器設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

整車廠電器設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行總線設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要根據(jù)總線模塊管腳輸入、輸出特性，分配各個(gè)管腳功能，主要包括開(kāi)關(guān)量輸入定義、功率輸出定義、模擬量輸入定義、電源分配，管腳邏輯控制器等。但在設(shè)計(jì)中還需要注意以下幾點(diǎn)。

1）首先要設(shè)計(jì)車身控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；每個(gè)節(jié)點(diǎn)需要在哪個(gè)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)的終端要確定為哪個(gè)零部件。

2）車身網(wǎng)絡(luò)和動(dòng)力網(wǎng)絡(luò)要做好區(qū)分，不能把網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)錯(cuò)掛，造成系統(tǒng)工作不正常。

3）節(jié)點(diǎn)和主干網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)嚴(yán)格按照ISO11898要求執(zhí)行。

4）車身控制模塊不能簡(jiǎn)單用于代替熔斷絲盒，要最大化發(fā)揮車身控制模塊的邏輯控制功能；客戶定制的特殊控制需求盡量通過(guò)模塊實(shí)現(xiàn)，減少其他控制器的使用。

5）考慮到模塊間處理時(shí)間的延遲，某些點(diǎn)控系統(tǒng)，各個(gè)控制開(kāi)關(guān)盡量放在一個(gè)模塊。如刮水控制，刮水開(kāi)關(guān)的高速控制、低速控制、間歇控制、回位信號(hào)盡量放在一個(gè)模塊，防止出現(xiàn)模塊間通信延遲，刮水不能關(guān)閉的現(xiàn)象。

6）同一系統(tǒng)的模塊具有通用性，請(qǐng)注意電器設(shè)計(jì)中通過(guò)設(shè)定管腳的地址線進(jìn)行區(qū)分，在電器設(shè)計(jì)中不要遺漏。

7）車身控制模塊布置盡量合理，方便連接用電器；模塊管腳盡量合理利用，大功率管腳和小功率管腳合理分配，使之各盡其能，盡量減少不同線束之間多余的線束對(duì)接。

5 結(jié)論

客車CAN總線模塊系統(tǒng)經(jīng)過(guò)了多年發(fā)展，已經(jīng)具有相當(dāng)規(guī)模，但是客車電器CAN化需要走的路還相當(dāng)長(zhǎng)，客車還未形成統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，車身控制模塊的結(jié)構(gòu)與控制還有相當(dāng)大的優(yōu)化空間，還需要整車廠和零部件廠聯(lián)合攻關(guān)，相互扶持，共同成長(zhǎng)。

［1］ 耿振江.汽車控制單元類電氣設(shè)備CAN連接的優(yōu)化［J］.汽車電器，2007（1）；13-15.

［2］ 周立功，嚴(yán)寒亮，黃曉清.項(xiàng)目驅(qū)動(dòng)-CAN-bus現(xiàn)場(chǎng)總線基礎(chǔ)教程［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012.