康昌盛

摘要：隨著汽車工業(yè)不斷發(fā)展，其中使用的電氣化設(shè)備也越來越多，無人駕駛、新能源汽車均是現(xiàn)階段的一個研究方向。但研究方向越智能化，在汽車中線路的綜合布置就需要更加精細化，尤其是無人駕駛方面，更加要求了信息傳輸?shù)闹匾?。在共享交互高度精確的要求下，就需要汽車內(nèi)部總線性能十分優(yōu)越。現(xiàn)在控制局域網(wǎng)CAN就是以比較優(yōu)越的運行性能走進汽車人的眼中，經(jīng)過驗證，發(fā)現(xiàn)CAN在保證性能的情況下，成本也很有優(yōu)勢，這兩方面結(jié)合下，逐步應(yīng)用在汽車的控制網(wǎng)絡(luò)中，并且應(yīng)用前景也越來越廣泛。文章主要以汽車中CAN總線的主要特點、技術(shù)以及在汽車中的實際應(yīng)用展開。

關(guān)鍵詞：汽車CAN總線;技術(shù);應(yīng)用

0 ?引言

隨著車用電器設(shè)備如發(fā)動機、空調(diào)、倒車雷達等電子設(shè)備越來越多，以GPS、GIS、GSM即3G為代表的一系列新型的電子通信產(chǎn)品大規(guī)模應(yīng)用，對汽車線路的綜合布置以及信息之間的相互共享交互有了更高層次的需求。之前對汽車電子產(chǎn)品應(yīng)用能力有限，傳統(tǒng)的線路布置一般都比較單一，相互之間對于信息的交流幾乎沒有，這種認知下導致整個線路十分龐大。并且在材料上，也大大浪費了資源的消耗，還有就是人力成本也相應(yīng)增加。如何將汽車多重功能綜合應(yīng)用并進行信息傳送是一大問題，而CAN總線正好滿足這一要求。汽車的電控燃油系統(tǒng)、防抱死制動系統(tǒng)以及尾氣的循環(huán)利用系統(tǒng)、導航空調(diào)等系統(tǒng)作為一個小小的控制單元，每個控制單元之間對實時性要求的不同，數(shù)據(jù)的更新速率和控制周期都會不同，從而形成一個基于優(yōu)先權(quán)競爭的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，CAN都滿足這些要求。

1 ?CAN總線原理及特點

CAN首先是屬于多路傳輸系統(tǒng)的一種。CAN（ControllerAreaNetwork）也就是控制器局域網(wǎng)絡(luò)，一般稱它為“CANbus”、CAN總線[1]。CAN數(shù)據(jù)總線主要是由一個控制器、一個收發(fā)器、兩個數(shù)據(jù)終端以及兩條數(shù)據(jù)傳輸線組成。除了線路之外，其他一些元件均分布在控制單元內(nèi)。CAN控制器主要作用就是用來接收控制單元從微電腦發(fā)出的指令，這個指令是汽車系統(tǒng)單元傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，然后對數(shù)據(jù)進行處理再傳輸?shù)紺AN收發(fā)器中，同樣的CAN控制器也可以將CAN收發(fā)器中的數(shù)據(jù)進行處理并且傳送到控制單元之中，這是一個雙向傳導的過程。CAN收發(fā)器主要就是信息的轉(zhuǎn)化，它將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為一種電信號運送到數(shù)據(jù)的傳輸線，它擔任信息的轉(zhuǎn)運站，為CAN總線進行信息接收并發(fā)送，因此，CAN收發(fā)器這么重要的作用是其他元件不能代替的。數(shù)據(jù)傳送終端主要就是一個電阻器，主要功能就是防止數(shù)據(jù)在傳送過程中被反射，影響在線數(shù)據(jù)的傳輸。它主要是以回聲的形式返回這是它最重要的一個特點。最后便是數(shù)據(jù)傳輸線，它是對數(shù)據(jù)進行雙向傳輸?shù)?。有兩條數(shù)據(jù)線，分別是CAN高線（CAN-H）和CAN低線（CAN-L）。這兩條線是纏繞在一起的，稱為雙絞線，主要是為了防止外界的電磁波對其的干擾，也為了防止信號對外面的輻射。但是這兩條線路的電壓是相反的，如果一條是5V，那另一條則為0V，我們要始終保證電壓總和是一個常數(shù)，這種方法主要是保護CAN總線，既保證無輻射環(huán)境，也有利于信號源無損耗傳輸。

CAN有兩種比較典型的通信方式，第一種是多主方式，在這種方式下，網(wǎng)絡(luò)上可以在任何一個節(jié)點任意一個位置主動地向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信息，并且不分主次，這種方式最好的特點就是通信比較靈活。也不需要占用節(jié)點地址，從而完成了點對點、一點對多點、全局的進行接收信號傳遞數(shù)據(jù)的任務(wù)。還有一種是主從方式，這種方式主要是根據(jù)各個節(jié)點的優(yōu)先級，在兩個信號同時出現(xiàn)時，按照程序設(shè)定，優(yōu)先等級比較低的主動停止發(fā)送，讓優(yōu)先等級比較高的先完成信息傳遞，完成作業(yè)內(nèi)容，這種方式解決了主線沖突，尤其是當網(wǎng)絡(luò)負載比較嚴重的情況下，盡可能避免了出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓的現(xiàn)象。

CAN總線的特點有下面幾點：

①目前為止，它是成本比較低并且唯一一個擁有國際標準的總線。

②CAN多主方式工作即它不分主次，可以在任何時候在網(wǎng)絡(luò)上的任意一個節(jié)點向其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)送信息，大大提高了利用率。

③采用了短幀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)傳輸時間較短且效率高、質(zhì)量高。

④CAN選擇為雙絞線、光纖或電纜，這種介質(zhì)應(yīng)用靈活。

⑤CAN在有錯誤時，它會自動的關(guān)閉輸出功能，這樣可以保證總線上其他的節(jié)點不受影響繼續(xù)工作，而且發(fā)送信息有破壞時，還可以自動的重新發(fā)送。

⑥CAN的直接通信的距離最遠可以達到10KM并且通信速率最高可以達到1MB/s，這個時候的距離是40m。

2 ?CAN總線的應(yīng)用及發(fā)展

CAN總線在工業(yè)上的應(yīng)用始于汽車且不止于汽車，CAN總線的開始是專門為汽車量身定制的。作為一個控制器系統(tǒng)，局域網(wǎng)通訊協(xié)議CAN總線在汽車上發(fā)揮了重要的作用。CAN總線通訊只需要兩條線路，大大減少了在車身上線路布局。在沒有CAN總線的汽車上，打開車身你會看到很多的線路交叉連接著各種機器元件。這些線路容易老化，不僅危險系數(shù)極高還大大縮短汽車的壽命，給檢修工作帶來不少麻煩。CAN總線可以連接各種傳感器，把傳感器探測到的信號通過CAN總線直接傳遞給中心控制系統(tǒng)，讓中心控制系統(tǒng)做出適當?shù)闹噶钭詣涌刂栖囕v所有系統(tǒng)智能運行。比如連接防撞傳感器、安全囊里的傳感器、路障識別傳感器等。把無人駕駛智能汽車的誕生推上日程。

汽車動力系統(tǒng)CAN主要連接對象是發(fā)動機控制器（ECU）、變速箱、ABS控制器、安全氣囊控制器等等，它們的基本特征相同，都是控制與汽車行駛直接相關(guān)的系統(tǒng)。車身系統(tǒng)CAN主要連接和控制的汽車內(nèi)外部照明、燈光信號、空調(diào)、組合儀表及其他輔助電器等。目前，動力系統(tǒng)CAN和車身系統(tǒng)CAN這兩條獨立的總線之間設(shè)計有“網(wǎng)關(guān)”，以實現(xiàn)在各個CAN之間的資源共享，并將各個數(shù)據(jù)總線的信息反饋到儀表板上。駕車者只要看儀表板，就可以知道各個電控裝置是否正常。

CAN總線系統(tǒng)防干擾能力強，信號穩(wěn)定可靠。這一點對汽車路上安全行駛十分重要。汽車上的機器工作環(huán)境如此惡劣，比如點火線圈點火時產(chǎn)生的強大的反充電壓，電渦流緩沖器切斷時產(chǎn)生的浪涌電流及汽車發(fā)動機倉100℃左右的高溫。這些因素并不會對CAN總線系統(tǒng)運作產(chǎn)生影響。同時，先進的防盜設(shè)計也正基于CAN總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。首先，確認鑰匙合法性的校驗信息通過CAN網(wǎng)絡(luò)進行傳遞，改進了加密算法，其校驗的信息比以往的防盜系統(tǒng)更豐富;其次，車鑰匙、防盜控制器和發(fā)動機控制器相互儲存對方信息，而且在校驗碼中攙雜隨機碼，無法進行破譯，從而提高防盜系統(tǒng)的安全性。而這些功能的實現(xiàn)無一不借助CAN總線來完成，CAN總線成為汽車智能化控制的“定海神針”。

現(xiàn)在汽車的技術(shù)性能已經(jīng)越來越好，但結(jié)構(gòu)也變得越來越復雜，因此出現(xiàn)故障時，診斷難度也越來越大，因此就需要建立一個系統(tǒng)來監(jiān)控整車的運行狀態(tài)，不斷的檢測汽車情況，出現(xiàn)故障時候也能夠采取一定的措施，但是一些問題需要專業(yè)的人員來解決，更加需要一個相互連接的系統(tǒng)，因此利用CAN總線系統(tǒng)構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境再讓電動汽車和充電樁通過以太網(wǎng)，WiFi或GPRS網(wǎng)絡(luò)接入電動汽車制造商和充電樁運營商的監(jiān)控中心。電動汽車廠商和充電樁運營商監(jiān)控中心：包含了企業(yè)的全部核心應(yīng)用。其一般由有線網(wǎng)絡(luò)接入（帶有固定公網(wǎng)IP地址）、支持VPN接入的防火墻、企業(yè)應(yīng)用服務(wù)器群，及維護人員組成。作為管理人員可通過人工方式，或企業(yè)已有的應(yīng)用服務(wù)，對現(xiàn)場的電動汽車進行維護或監(jiān)控。出差維護工程師：身處異地的維護工程師會由于多種原因參與到遠程的客戶支持中。維護工程師可以接入Internet，通過電動汽車廠家監(jiān)控中心的安全認證，與客戶現(xiàn)場的設(shè)備建立連接，實現(xiàn)遠程診斷維修[2]。

CAN總線與5G網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合打造全新的升級版車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。達到車與車、車與人、車與城市更加緊密的聯(lián)系在一起，形成一個無縫隙對接網(wǎng)。傳統(tǒng)意義的車聯(lián)網(wǎng)因網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的限制只是簡單的將機車聯(lián)網(wǎng)，聯(lián)網(wǎng)節(jié)點以機車為單位，只能在網(wǎng)絡(luò)上獲得關(guān)于車輛的地點、位置、速度等簡單的信息。這些信息量還不能夠滿足我們對汽車的控制與管理。5G時代的來臨，解決了數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膯栴}，CAN總線與5G網(wǎng)絡(luò)搭建的升級版車聯(lián)網(wǎng)不再僅僅以機車節(jié)點為單位，甚至可以以機車上的每一個傳感器、控制器、電子設(shè)備為單位。通過無線網(wǎng)絡(luò)的傳播，可以在網(wǎng)絡(luò)中獲取更過關(guān)于汽車的信息。比如可以隨時遠程了解汽車發(fā)動機、汽車油量、電量、精準里程、精準軌跡、甚至車燈狀態(tài)等情況。對車輛控制器的遠程控制可以實現(xiàn)對整輛車的遠程操控，無人駕駛。

實現(xiàn)汽車CAN總線聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，當前基于GSM網(wǎng)絡(luò)的GPRS技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于各個領(lǐng)域，如果將CAN總線通信與5G無線網(wǎng)絡(luò)對接，將進一步突破CAN總線通訊方式的地域限制，充分發(fā)揮無限網(wǎng)通信，免布線，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣等優(yōu)點。升級版的車輛網(wǎng)不管對車輛的遠程操作，還是對車輛的安全管理，又或者對車輛制造商的后期車輛維護與保險公司對車輛的損壞理賠甄別都無疑是不可多得的工具。

3 ?結(jié)語

隨著現(xiàn)代化集成程度越來越高，CAN的應(yīng)用也越來越普遍。醫(yī)療、航天、軍工均有涉獵。在信息化極高的今天，要對通信理論、傳輸調(diào)度進行完善。汽車領(lǐng)域，電子技術(shù)的速猛發(fā)展，各大廠商都開始角逐車載網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的制定，不斷的完善創(chuàng)新各自的車載網(wǎng)絡(luò)標準。但是從發(fā)展來看，還需要更加注重安全性、有效性以及緊湊型、使用壽命長等特點，而且各大廠商沒有形成一個整體，不能形成國際標準，后續(xù)研究中車載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該會形成一個網(wǎng)絡(luò)標準化，有助于行業(yè)不斷前進。

參考文獻：

[1]相鐵武.基于CAN/LIN總線的汽車通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計[J].內(nèi)燃機與配件，2020（06）：213-214.

[2]梁應(yīng)杰.淺談汽車CAN網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)[J].日用電器，2016（11）：52-54.

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