張晶

摘 要：本文主要介紹了汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)原則，及對(duì)各個(gè)拓?fù)鋬?yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了介紹及總結(jié)，對(duì)從事汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)人員具有一定參考意義。

關(guān)鍵詞：汽車(chē) 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?原則 設(shè)計(jì)

1 引言

隨著汽車(chē)電子技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的智能控制系統(tǒng)應(yīng)用于汽車(chē)，現(xiàn)在應(yīng)用較成熟的通信技術(shù)是CAN總線技術(shù)，即所有模塊遵循統(tǒng)一CAN通訊規(guī)范實(shí)現(xiàn)互相之間的通訊，較高配置的汽車(chē)會(huì)配有上百個(gè)模塊，如何將這些模塊合理的布局在CAN總線上，實(shí)現(xiàn)較高的通訊效率，此文著重對(duì)如何布置出合理的CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣o出一定的建議。

2 CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞牟季中问?/p>

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)對(duì)于汽車(chē)通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)顯得十分重要，它直接關(guān)系到汽車(chē)通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性等，進(jìn)而關(guān)系到整車(chē)的質(zhì)量、安全與開(kāi)發(fā)成本等。目前主要有以下幾種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌嚎偩€型、星型、環(huán)形，見(jiàn)圖1。

2.1 總線型

總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫窃谄?chē)拓?fù)洳季种凶畛Ｒ?jiàn)的一種，采用總分結(jié)構(gòu)。

在CAN通訊模塊數(shù)量較少且網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率在設(shè)計(jì)閾值范圍內(nèi)，通常采用單路CAN總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即一條CAN雙絞線主干線，各分支線分別與CAN主干線連接。布局如圖2。通常在線束最遠(yuǎn)端的兩個(gè)模塊內(nèi)部設(shè)計(jì)有終端電阻，終端阻值在120±3Ω，信號(hào)在傳輸介質(zhì)上傳輸，如果其所感受的傳輸介質(zhì)的瞬態(tài)阻抗一致，則信號(hào)將保持原來(lái)的形狀傳輸下去，但假如在任何一處所受到的瞬態(tài)阻抗發(fā)生變化，信號(hào)在該處會(huì)形成信號(hào)反射，一部分信號(hào)被反射回去，而另一部分繼續(xù)傳播，但信號(hào)已經(jīng)發(fā)生失真，終端電阻的目的是降低信號(hào)反射造成的信號(hào)傳輸失真問(wèn)題，當(dāng)終端電阻阻值超過(guò)一定范圍后也會(huì)造成信號(hào)傳輸?shù)氖д妗９?jié)點(diǎn)的支線長(zhǎng)度一般要求1米以?xún)?nèi)。負(fù)載率一般要求（30±5%）比較合理，總線負(fù)載率過(guò)高會(huì)令各節(jié)點(diǎn)忙于應(yīng)付總線消息的收發(fā)，導(dǎo)致ECU執(zhí)行效率降低，而負(fù)載率過(guò)高則沒(méi)有充分利用網(wǎng)絡(luò)帶寬，浪費(fèi)資源。

網(wǎng)絡(luò)負(fù)載的計(jì)算：總線上實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速率比上理論最大數(shù)據(jù)傳輸速率。

最大數(shù)據(jù)傳輸率：例如速率為500kb/s 高速CAN總線的最大數(shù)據(jù)傳輸速率為每秒可以傳輸500，000Bit的串行數(shù)據(jù)。實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸率：假設(shè)現(xiàn)在總線中只有一幀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8字節(jié)周期為20ms的報(bào)文，周期20ms表示一秒內(nèi)有50次該報(bào)文被發(fā)送。則根據(jù)CAN 2.0標(biāo)準(zhǔn)定義，CAN標(biāo)準(zhǔn)幀的長(zhǎng)度為111Bit（未考慮連續(xù)隱形電平時(shí)自動(dòng)插入一高電平位）。

計(jì)算公式=實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸率/最大數(shù)據(jù)傳輸率=111bit* 50次/500，000bit=1.11%。當(dāng)然總線的負(fù)載也可通過(guò)一些仿真軟件進(jìn)行模擬分析，如CANoe，更加方便快捷。

當(dāng)CAN通訊模塊數(shù)量較多且總線負(fù)載超過(guò)設(shè)計(jì)閾值，需要設(shè)計(jì)多路CAN總線。各路CAN總線之間需要交互的信號(hào)通過(guò)網(wǎng)關(guān)路由進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，同時(shí)網(wǎng)關(guān)路由可以過(guò)濾掉不符合規(guī)則的網(wǎng)絡(luò)ID報(bào)文，減少網(wǎng)絡(luò)不合理的負(fù)載，多路CAN總線如圖3所示。

多路CAN總線設(shè)計(jì)需要統(tǒng)籌規(guī)劃，如何分配各個(gè)模塊所在的CAN總線有以下原則：

1）信號(hào)交互較多的模塊放置在同一路CAN，這樣可以提高模塊響應(yīng)速度，利于模塊短時(shí)間做出響應(yīng)。例如車(chē)身穩(wěn)定控制模塊ESC、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向模塊EPS、智能駕駛控制模塊RSM與ESC和EPS 交互非常頻繁，在開(kāi)啟緊急制動(dòng)、車(chē)道保持等功能時(shí)需要實(shí)時(shí)控制制動(dòng)和轉(zhuǎn)向，且ESC和EPS要實(shí)時(shí)反饋執(zhí)行的情況，故將這三個(gè)模塊放置在一路CAN網(wǎng)絡(luò)，三者之間的交互不需要通過(guò)網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)，提高了信息實(shí)時(shí)處理效率。

2）具有遠(yuǎn)程通訊的模塊單獨(dú)放置一路CAN，因?yàn)榫哂羞h(yuǎn)程通訊的模塊會(huì)更容易受到外部攻擊，故單獨(dú)放置在一路CAN，且網(wǎng)關(guān)路由在中間可以起到防火墻隔離作用。例如本拓?fù)鋵⑦h(yuǎn)程通訊模塊T-ICE放置在單獨(dú)的一路CAN網(wǎng)絡(luò)上。

3）各個(gè)CAN總線的終端電阻布局在各路CAN總線距離網(wǎng)關(guān)最遠(yuǎn)端模塊內(nèi)部，模塊集成電阻120Ω，同時(shí)除診斷接口每路CAN網(wǎng)關(guān)端口設(shè)計(jì)120Ω電阻，CAN網(wǎng)關(guān)診斷端口電阻為60Ω。如果模塊內(nèi)部不集成終端電阻，也可將終端電阻設(shè)計(jì)在每路CAN雙絞線上距離網(wǎng)關(guān)最遠(yuǎn)端處。

4）與兩路CAN都有頻繁信號(hào)交互的模塊可以橫跨在兩路CAN上，例如混合動(dòng)力汽車(chē)控制器HCU可以橫跨在動(dòng)力CAN與新能源CAN，信息處理實(shí)時(shí)性更高，同時(shí)接入兩路CAN的模塊需要有兩路CAN接口，同理如果與3路或N路CAN都有頻繁交互的模塊可以同時(shí)跨越幾路CAN，現(xiàn)實(shí)中同時(shí)接入3路CAN的模塊較少。

總線型拓?fù)涞膬?yōu)點(diǎn)：

1）總線型結(jié)構(gòu)所需要的電纜長(zhǎng)度小;

2）總線型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。

總線型拓?fù)涞娜秉c(diǎn)：

1）支線與干線連接處需要將線束外皮撥開(kāi)再進(jìn)行焊接融合，工藝復(fù)雜，且報(bào)廢率較高;

2）支線長(zhǎng)度限制嚴(yán)格，不利于線束布置，拓展性較差，且存在支線反射;

3）總的線束長(zhǎng)度有要求，不大于40米。

2.2 星型

星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟苍絹?lái)越多的應(yīng)用于汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，即所有模塊最終匯集于一點(diǎn)，再通過(guò)集線器接在一起，所有模塊之間的通訊都需要經(jīng)過(guò)中心點(diǎn)，如圖4如所示是一款汽車(chē)的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

在星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，每個(gè)模塊通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接到中央點(diǎn)，任何兩站之間通信都通過(guò)中央點(diǎn)進(jìn)行。和總線型拓?fù)湟粯樱捎贑AN總線是個(gè)多主站結(jié)構(gòu)的通信網(wǎng)絡(luò)，只要總線是空閑的，任何一個(gè)端接節(jié)點(diǎn)都可以發(fā)送數(shù)據(jù)，CAN總線采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵⒂泻芏喾矫娴膬?yōu)點(diǎn)，如：

（1）系統(tǒng)沒(méi)有支線的概念，不存在支線反射現(xiàn)象;

（2）網(wǎng)絡(luò)布線簡(jiǎn)單，連接工藝簡(jiǎn)單，不存在焊接造成的線束缺陷;

（3）不考慮集線器端口數(shù)量的情況下，總的線束長(zhǎng)度不受限制;

（4）易于拓展，在原有線束上增加CAN通訊模塊，無(wú)需更改原有CAN雙絞線;

（5）支線長(zhǎng)度沒(méi)有嚴(yán)格限制，最長(zhǎng)可達(dá)15米。

星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙秉c(diǎn)如下，如：

（1）所需的線束長(zhǎng)度較長(zhǎng);

（2）需要增加集線器;

（3）對(duì)中央及集線點(diǎn)通訊能力要求較高。

2.3 混合型

混合型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼慈诤狭诵切秃涂偩€型兩者，示意圖如圖5所示。

混合型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙诤狭藘烧叩膬?yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，具體布置網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾r(shí)要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整以達(dá)到高效合理的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。例如如果總體雙絞線長(zhǎng)度無(wú)法保證40米以?xún)?nèi)就不能單純的采用總線型，但又出于低成本的考慮，可以采用混合型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

2.4 環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

將所有模塊依次連接在一起，每個(gè)模塊即需要負(fù)責(zé)各自的通訊，同時(shí)也要承擔(dān)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)通訊的需求，如果一個(gè)模塊出了問(wèn)題，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)癱瘓，目前汽車(chē)上很少應(yīng)用這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

信號(hào)傳輸介質(zhì)。通常汽車(chē)高速CAN網(wǎng)絡(luò)采用雙絞線進(jìn)行通訊，如圖6所示，雙絞線有屏蔽式和非屏蔽式兩種，一般傳統(tǒng)燃油汽車(chē)上通常使用是非屏蔽式雙絞線。針對(duì)新能源或者混合動(dòng)力汽車(chē)，因?yàn)楦邏翰考陨砥帘卧O(shè)計(jì)不合理會(huì)使CAN總線上具有很大的電磁干擾，因此通常會(huì)使用屏蔽式雙絞線以減少電磁干擾的影響。

LIN通訊主要是基于CAN網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通訊的，通常LIN通訊針對(duì)實(shí)時(shí)性要求不高的模塊，如車(chē)身上天窗、氛圍燈等。

診斷OBD接口通?？梢栽O(shè)計(jì)在動(dòng)力CAN上，同時(shí)也跨幾路CAN網(wǎng)絡(luò)，或者單獨(dú)連接網(wǎng)關(guān)，單獨(dú)連網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)通常是需要通過(guò)特定的安全訪問(wèn)才能讀到整車(chē)報(bào)文，目的是起到一定的安全訪問(wèn)限制。

3 汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浒l(fā)展規(guī)劃

3.1 平臺(tái)化

主機(jī)廠發(fā)展趨勢(shì)是基于平臺(tái)化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)。即根據(jù)每個(gè)模塊的功能定義及網(wǎng)絡(luò)通訊策略，每個(gè)模塊應(yīng)在CAN拓?fù)鋺?yīng)該有最優(yōu)位置，避免經(jīng)常性的變動(dòng)各個(gè)模塊在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渖系奈恢?，造成拓?fù)渫ㄓ嵕仃嚨幕靵y，不利于網(wǎng)絡(luò)通信策略規(guī)劃及診斷策略規(guī)劃。平臺(tái)化網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)各模塊硬件最大平臺(tái)化應(yīng)用，從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度來(lái)講，對(duì)主機(jī)廠及供應(yīng)商都有一定的好處。

3.2 可拓展性強(qiáng)

未來(lái)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟?guī)劃要有較強(qiáng)的拓展性。當(dāng)增加相應(yīng)的電子模塊后，原有的拓?fù)淇梢园菰黾拥碾娮幽K而保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳话l(fā)生較大改變，只改變局部的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)即可。這需要在設(shè)計(jì)拓?fù)鋾r(shí)參考未來(lái)行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，預(yù)測(cè)在哪路CAN網(wǎng)絡(luò)上需要預(yù)留較大的網(wǎng)絡(luò)帶寬。

3.3 高速

CAN通訊在汽車(chē)上應(yīng)用已經(jīng)幾十年了，目前及在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)是可以滿(mǎn)足汽車(chē)通訊需求，但隨著汽車(chē)智能化發(fā)展，尤其是針對(duì)未來(lái)可能實(shí)現(xiàn)的無(wú)人駕駛等技術(shù)在汽車(chē)上的應(yīng)用，對(duì)信息實(shí)時(shí)處理速度要求非常高，對(duì)網(wǎng)絡(luò)通訊速度提出了更高的要求。

3.4 簡(jiǎn)約化

隨著域控制器在汽車(chē)上應(yīng)用，整車(chē)控制器會(huì)更多的進(jìn)行融合優(yōu)化，基于控制模塊的減少整車(chē)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)會(huì)趨于簡(jiǎn)單化，整車(chē)會(huì)使用較少的線束，信號(hào)將更多的依賴(lài)于模塊內(nèi)部的處理，實(shí)時(shí)性會(huì)大大提高。

4 總結(jié)

汽車(chē)拓?fù)湓O(shè)計(jì)就好比排兵布陣，合理的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)可以讓汽車(chē)有更安全更卓越的電氣性能，因此工程師在布局時(shí)要全面多角度進(jìn)行規(guī)劃，通過(guò)對(duì)模塊功能、信號(hào)需求、實(shí)際布線長(zhǎng)度、診斷策略、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)合理設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

參考文獻(xiàn)：

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