易坤仁

【摘 要】隨著現(xiàn)代汽車的不斷發(fā)展，汽車電子設(shè)備不斷增加，汽車綜合性控制系統(tǒng)控制信號需實(shí)時交換。CAN是控制器局域網(wǎng)，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性，靈活性特點(diǎn)，由于其良好的性能，汽車領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用CAN總線實(shí)現(xiàn)汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，本文重點(diǎn)詳細(xì)介紹CAN總線在汽車上的應(yīng)用。介紹了車身控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，可作為我國汽車企業(yè)自主開發(fā)CAN總線控制系統(tǒng)有益探索。

【關(guān)鍵詞】CAN;汽車制造

中圖分類號： U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）23-0043-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.23.018

自80年代后，汽車領(lǐng)域飛速發(fā)展，單片機(jī)廣泛應(yīng)用于汽車上，ABS裝置，主動懸架等電子控制單元在汽車上的應(yīng)用日益廣泛。原始的布線方式連接歐諾供電設(shè)備與開關(guān)，大大增加了電線的數(shù)量，電控系統(tǒng)復(fù)雜的線路提高維修的難度，迫切需要運(yùn)用CAN解決此問題。汽車電控技術(shù)的廣泛應(yīng)用對車內(nèi)部通信網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求，基于CAN總線的通信網(wǎng)絡(luò)具有速度高級通用性好等優(yōu)點(diǎn)，CAN接口的軟硬件設(shè)計(jì)能滿足汽車應(yīng)用的需要。控制器局域網(wǎng)是德國Bosch公司為解決現(xiàn)代企業(yè)眾多控制儀器之間數(shù)據(jù)交換開發(fā)的通信協(xié)議，CAN在歐洲被廣泛應(yīng)用于汽車生產(chǎn)中。

1 CAN總線概念

控制器局域網(wǎng)絡(luò)在汽車產(chǎn)業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，出于對安全性，低成本的要求，各種電子控制系統(tǒng)被開發(fā)出來，由于系統(tǒng)之間的通信由多條總線構(gòu)成的情況很多，為適應(yīng)減少線束數(shù)量的需求，1986年德國電器商博世公司開發(fā)面向汽車的CAN通信協(xié)議，現(xiàn)在在歐洲已成為汽車網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，目前全世界有110多種CAN總線控制器芯片[1]。

總線開放時，具有最高優(yōu)先權(quán)的報(bào)文單元贏得總線的訪問權(quán)，可用液晶顯示器作為多主機(jī)的公用監(jiān)視器，節(jié)約系統(tǒng)成本。網(wǎng)絡(luò)上的每個主機(jī)可同時發(fā)送。收到報(bào)文的標(biāo)識符與本機(jī)的接收碼寄存器比較，網(wǎng)絡(luò)上的每個節(jié)點(diǎn)可發(fā)送遠(yuǎn)程幀，與對應(yīng)的遠(yuǎn)程幀以相同的標(biāo)識符ID命名。

數(shù)據(jù)共享減少了數(shù)據(jù)的重復(fù)處理，如對電噴發(fā)動機(jī)，其他電器可共享提供的轉(zhuǎn)速等?？墒∪ヮ~外的水穩(wěn)，可將數(shù)據(jù)顯示在儀表上，便于發(fā)動機(jī)保養(yǎng)維護(hù)。應(yīng)用CAN總線可減少車身布線，采用總線技術(shù)，模塊間的信號傳遞僅需兩條信號線，其他橫貫車身的線不需要布線。數(shù)據(jù)共享節(jié)省了線路，車速信號要接到電流緩速器，悶控制及電噴發(fā)動機(jī)。

2 CAN技術(shù)的研究

SAE車輛網(wǎng)絡(luò)委員會將汽車數(shù)據(jù)網(wǎng)劃分為A、B、C三類，最近幾年許多新的車用通信協(xié)議推出，考慮功能分布于位傳輸速率等因素，現(xiàn)有汽車通信網(wǎng)絡(luò)大致分為車輛控制網(wǎng)絡(luò)，排放控制網(wǎng)絡(luò)，安全系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)使用不同的總線結(jié)構(gòu)，目前世界各大汽車公司車身網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)平臺基本建立，全面采用網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)成為可能。

CAN總線技術(shù)在汽車領(lǐng)域占有了一定的市場地位，CAN總線技術(shù)最早為德國Bosch公司研制，在北歐國家早期CAN總線技術(shù)非常流行。由于CAN總線技術(shù)自身的高可靠性，其應(yīng)用日益受到人們的重視。其應(yīng)用范圍向過程工業(yè)，樓宇自動化，農(nóng)業(yè)機(jī)械，數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域發(fā)展。

我國在CAN總線研究應(yīng)用方面起步較晚，在汽車上的應(yīng)用自2002年后，在幾大汽車研究單位啟動。目前處于研究初級階段，重點(diǎn)集中于動力系統(tǒng)的CAN通訊，未對汽車車身電控部件進(jìn)行CAN總線應(yīng)用的研究[2]。

3 CAN總線硬件電路設(shè)計(jì)

3.1 CAN管理結(jié)構(gòu)

發(fā)動機(jī)，安全氣囊等都是現(xiàn)代汽車動作的核心部件，設(shè)計(jì)采用傳輸速率為1000kbps的高速CAN通信網(wǎng)絡(luò)，儀表管理控制等對實(shí)時性要求較低。采用傳輸速率小于125kbps的CAN通信網(wǎng)絡(luò)，總線與各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連。

采用CAN總線技術(shù)可實(shí)現(xiàn)ECU之間的信息共享，如具有CAN總線接口的電噴發(fā)動機(jī)，其他電器可共享其提供的水穩(wěn)，機(jī)油溫度等?？墒∪ヮ~外的傳感器，將數(shù)據(jù)顯示在儀表上，便于發(fā)動機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)。

新型電子通訊產(chǎn)品對汽車的綜合布線提出了更高的要求，傳統(tǒng)電氣系統(tǒng)布線系統(tǒng)龐大。一輛采用傳統(tǒng)布線方法的高檔汽車導(dǎo)線長度達(dá)2000m，CAN總線可有效減少線束長度，如某車針對后門，搖窗機(jī)等功能的傳統(tǒng)布線需20-30根，用總線CAN僅需2根，傳統(tǒng)布線方法不能適應(yīng)汽車的發(fā)展。

CAN總線技術(shù)可實(shí)現(xiàn)多ECU的實(shí)時關(guān)聯(lián)控制，汽車上的多個氣囊通過CAN總線將傳感器信號傳送到中央處理器中。電控噴油系統(tǒng)，防抱死控制系統(tǒng)，廢氣再循環(huán)控制系統(tǒng)，為滿足子系統(tǒng)的實(shí)時性要求，需實(shí)時共享汽車數(shù)據(jù)?？刂茊卧獙?shí)時性的要求因數(shù)據(jù)更新速率不同，要求數(shù)據(jù)交換網(wǎng)具有較高的通信率，CAN總線能夠滿足這些要求。

3.2 CAN硬件構(gòu)架

CAN采用PHILIPS公司高性能8位處理器P89C668，自帶串行接口序列，80C51中央處理單元，12個時鐘周期下速度高達(dá)330MHz，P89C668是出色的微處理器，8K字節(jié)RAM內(nèi)存是許多高速存儲應(yīng)用場合首選。

PHILIPS提供編程軟件由串行口通信即可實(shí)現(xiàn)程序線升級。復(fù)位電路采用X25045芯片進(jìn)行智能控制，汽車節(jié)點(diǎn)開關(guān)器件復(fù)雜繁多，水溫油位傳感器信號是非線性模擬信號，可靠實(shí)時對開關(guān)量進(jìn)行檢測成為汽車電子硬件必須解決的問題。

4 CAN總線在國內(nèi)汽車產(chǎn)品上的應(yīng)用

4.1 CAN在小轎車上的應(yīng)用

一般小轎車CAN總線的應(yīng)用最為廣泛，CAN總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有線型，環(huán)形網(wǎng)絡(luò)與星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。線式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用單線作為傳輸介質(zhì)，站點(diǎn)通過相應(yīng)硬件接口連接到傳輸介質(zhì)，網(wǎng)絡(luò)中氣他站點(diǎn)可同時收到。所有的節(jié)點(diǎn)在同一線路進(jìn)行通信，總線式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，造價低廉，站點(diǎn)接入靈活。

環(huán)型網(wǎng)絡(luò)中的信息為單方向，信息在網(wǎng)絡(luò)中環(huán)游一圈后由發(fā)動節(jié)點(diǎn)收回。環(huán)型網(wǎng)絡(luò)的任一節(jié)點(diǎn)包括環(huán)中線路損壞都會使網(wǎng)絡(luò)通信故障，環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是傳送速度快[3]。

星型網(wǎng)絡(luò)每個站點(diǎn)通過單獨(dú)的通信線路連接到中央節(jié)點(diǎn)。星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)安裝較總線式容易，價格便宜。移動某一節(jié)點(diǎn)簡單，單個連接點(diǎn)的故障只影響相應(yīng)站點(diǎn)的工作。每個站點(diǎn)直接與中央節(jié)點(diǎn)連接，如中央節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。

大眾汽車的CAN總線系統(tǒng)分為5個不同的總線區(qū)域，其動力CAN數(shù)據(jù)總監(jiān)經(jīng)短時無載運(yùn)行后切除，舒適CAN數(shù)據(jù)總線在一條數(shù)據(jù)線短路時，可用另一條繼續(xù)工作。動力CAN總線數(shù)據(jù)與信息CAN數(shù)據(jù)信號不同。確保車輛更好的實(shí)現(xiàn)CAN總線控制功能，避免突發(fā)情況造成操作失靈。

動力系統(tǒng)主要包括發(fā)動機(jī)控制單元，組合儀表控制單元等，市場基本被外資企業(yè)壟斷，信息系統(tǒng)主要包含自動空調(diào)控制單元，舒適控制單元等，國內(nèi)企業(yè)由于資金不足等原因，發(fā)展速度較慢。

4.2 CAN在大中型客車中的應(yīng)用

隨著城市生活水平的提高，客車廠家為滿足客戶日益增加的需求，加裝電子器件使客車電氣系統(tǒng)愈加復(fù)雜，電纜總長不斷延伸，客車電氣系統(tǒng)安全性能呈現(xiàn)下降趨勢。高危安全事故時有發(fā)生。國內(nèi)主流的客車企業(yè)，如鄭州宇通，蘇州金龍，中通客車等都在加大CAN技術(shù)的應(yīng)用力度，致力于不斷提高客車電控系統(tǒng)技術(shù)水平，確保客車安全性水平的提升。

大中型客車CAN總線應(yīng)用在動力傳動系統(tǒng)方面，CAN總線技術(shù)在變速箱TCU等關(guān)鍵零部件方面全部應(yīng)用，部分廠商未使用CAN總線接口。

由于客戶要求分散，依靠CAN總線智能的配置功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的靈活配置成為趨勢?？蛙嘋AN總線系統(tǒng)研發(fā)進(jìn)入壁壘較低，國內(nèi)主要研發(fā)CAN總線產(chǎn)品的企業(yè)集中于大中型客車市場。

總線智能化診斷成為電氣化發(fā)展的主流。目前國內(nèi)企業(yè)主要的競爭點(diǎn)在于與外資產(chǎn)品的價格上，國內(nèi)企業(yè)與外資企業(yè)在用戶體驗(yàn)上的競爭稍有遜色。

客車車身控制要形成獨(dú)立的解決方案，國內(nèi)推出車身CAN總線控控制系統(tǒng)，通過BCM模塊架構(gòu)全車網(wǎng)絡(luò)平臺，優(yōu)化控制邏輯等形成車身智能控制。國外企業(yè)電子企業(yè)與國內(nèi)企業(yè)時間介入差距不大，目前市場國內(nèi)擁有自主產(chǎn)權(quán)知識的企業(yè)占主導(dǎo)地位。

4.3 CAN在重型貨車中的應(yīng)用

CAN總線技術(shù)在全世界范圍應(yīng)用不斷擴(kuò)大，SAE 1939由SAE制定，適用卡車及客車產(chǎn)品，已基本被許多國家接受采用。定義網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層，提出電子系統(tǒng)間的開放互聯(lián)系統(tǒng)，使電控單元之間可實(shí)現(xiàn)相互通信，電控單元可通過網(wǎng)絡(luò)連接彼此通信不需額外的功能接口。

SAE1939-11中描述的物理層可作為主網(wǎng)，橋接器用來連接子網(wǎng)，可行的放置方式是在需要提供地址分配進(jìn)行電氣分離的每個掛車放置橋接器。臺車使用與掛車使用的橋接器是可行的。

載貨車企業(yè)針對不同產(chǎn)品對CAN車身控制系統(tǒng)功能要求不同，需針對不同功能對協(xié)議中的冗余部分進(jìn)行剪裁，改造空間較大。尚未形成統(tǒng)一的模式，對系統(tǒng)供應(yīng)商的科研能力提出較高的要求，目前國內(nèi)CAN總線系統(tǒng)供貨商多為原西門子VDO。

5 結(jié)語

技術(shù)的先進(jìn)性是汽車應(yīng)用的最大動力，CAN已成為現(xiàn)代轎車設(shè)計(jì)中必須采用的裝置，大眾等汽車都采用了CAN作為控制器聯(lián)網(wǎng)的手段，奇瑞公司已裝配成功國內(nèi)首輛CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)混合動力轎車，POLO汽車等開始引進(jìn)此技術(shù)，CAN總線技術(shù)將成為汽車領(lǐng)域發(fā)展的新方向。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李添瑜.汽車電子簡介及網(wǎng)絡(luò)在汽車上的應(yīng)用[J].山西電子技術(shù)，2019（01）：6-7+37.

[2]周定華，付貝貝.電動/混合動力汽車的CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[J].電子技術(shù)與軟件工程，2018（22）：23-25.

[3]賈愛芹，閆志國.CAN總線在汽車上的應(yīng)用探討[J].南方農(nóng)機(jī)，2018，49（13）：194+199.