李尊成　胡翔　趙紫瑤　張凱　趙小羽

摘 要：CAN網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)下廣泛應(yīng)用于汽車各子部件之間通訊的通訊協(xié)議。在汽車行業(yè)大力發(fā)展智能網(wǎng)聯(lián)的背景下，CAN通訊技術(shù)又被賦予了新的使命—通過車與車機(jī)的通信實(shí)現(xiàn)人與車之間的智能交互。本文簡(jiǎn)單介紹CAN網(wǎng)絡(luò)的通信原理以及與車機(jī)的交互方式，并對(duì)其在未來(lái)汽車上的應(yīng)用場(chǎng)景及模式進(jìn)行探索。

關(guān)鍵詞：CAN網(wǎng)絡(luò) 車載游戲 應(yīng)用場(chǎng)景

1 引言

在汽車領(lǐng)域，智能網(wǎng)聯(lián)和自動(dòng)駕駛的飛速發(fā)展和社會(huì)需求的增長(zhǎng)，迫使汽車對(duì)各個(gè)領(lǐng)域控制系統(tǒng)間的信息交互對(duì)數(shù)據(jù)吞吐量和傳輸時(shí)延要求亦迅猛提高。當(dāng)初Bosch在1986年的SAE大會(huì)提出CAN通訊，在保留其良好的可靠性及強(qiáng)兼容性的前提下不斷迭代升級(jí)，來(lái)滿足現(xiàn)如今的信息交互需求。軟件與硬件提升的同時(shí)，也帶來(lái)了新的汽車場(chǎng)景模式，如車載游戲，車載VR體驗(yàn)等各種新場(chǎng)景。對(duì)于新場(chǎng)景的使用研究，有助于精準(zhǔn)定位、拓展交互信息，對(duì)解決人們實(shí)際生活需求有幫助、或?qū)夹g(shù)提升方向可能存在一定的指導(dǎo)性作用。

2 汽車新場(chǎng)景基礎(chǔ)—CAN網(wǎng)絡(luò)

作為實(shí)現(xiàn)新場(chǎng)景的基礎(chǔ)：CAN網(wǎng)絡(luò)，是屬于多路傳輸系統(tǒng)的一種。 CAN（Controller Area Network）也就是控制器局域網(wǎng)絡(luò)，一般稱它為“CANbus”、CAN總線[1]，最開始由德國(guó)博世（BOSCH）于1986年組織研發(fā)，后由飛利浦（Philips）制定了相關(guān)協(xié)議規(guī)范，因其抗干擾能力強(qiáng)、信號(hào)傳輸速率快、距離長(zhǎng)[2]，現(xiàn)逐漸發(fā)展成為各家整車廠普遍采用的通訊協(xié)議。

2.1 基本原理

CAN數(shù)據(jù)總線主要是由CAN-H線和CAN-L線組成，各控制節(jié)點(diǎn)通過收發(fā)器以并聯(lián)的形式連接到總線上[3]，示意圖如下：

靜態(tài)下，有一個(gè)基準(zhǔn)電壓加在CAN-H和CAN-L上，當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)的控制器發(fā)出通訊信號(hào)后，通過收發(fā)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，CAN總線上的基準(zhǔn)電壓值被修改，CAN-H上的電壓值升高，CAN-L上的電壓值降低，另一節(jié)點(diǎn)的收發(fā)器再將壓差值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)發(fā)送至控制器上，這時(shí)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間就完成了一次數(shù)據(jù)的傳輸。

2.2 應(yīng)用原理

CAN網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)間以數(shù)據(jù)幀的作為最小單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)幀又分為標(biāo)準(zhǔn)幀及擴(kuò)展幀，根據(jù)處理能力本文采用標(biāo)準(zhǔn)幀格式進(jìn)行交互，其具有11位幀ID，從0x000到0x7ff，支持2023種報(bào)文種類。一個(gè)數(shù)據(jù)幀主要分為信息及數(shù)據(jù)，信息包括仲裁區(qū)和控制段，如圖2所示：

其中仲裁段主要用來(lái)標(biāo)識(shí)幀ID，定義報(bào)文想表示的含義，控制段包含幀類型及數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)則保存在數(shù)據(jù)段。

為了盡量減少所需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)幀，并且將數(shù)據(jù)可視化，通常在每幀的數(shù)據(jù)段中傳輸表達(dá)不同意義的數(shù)據(jù)，此時(shí)可通過人為定義通訊矩陣的方式賦予每段數(shù)據(jù)的意義。通訊矩陣首先確定數(shù)據(jù)幀ID，通過規(guī)定該ID下的數(shù)據(jù)的起始字節(jié)、起始位、長(zhǎng)度來(lái)截取所需要字段，定義該段的數(shù)據(jù)類型及換算方式，即可解析得相應(yīng)定義的信號(hào)。

例如將制動(dòng)踏板輸出的信號(hào)分為有效性、輸入狀態(tài)、循環(huán)計(jì)數(shù)三個(gè)，如果車機(jī)需要判斷制動(dòng)踏板是否踩下，假設(shè)整個(gè)制動(dòng)踏板信號(hào)歸在ID 0x288上，起始字節(jié)為4，起始位為7，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為1，則從0x288這個(gè)數(shù)據(jù)幀里第4個(gè)字節(jié)第7位截取1位二進(jìn)制數(shù)，數(shù)據(jù)類型規(guī)定為布朗型（BLN），即判斷0或1，定義0為放開，1為踩下，將此解析邏輯輸入到車機(jī)中進(jìn)行運(yùn)算，就能夠使車機(jī)讀取到剎車信號(hào)。

3 場(chǎng)景拓展

基于上述應(yīng)用原理，汽車的行車模式或?qū)⒂芯薮蟾淖?，人車互?dòng)的實(shí)現(xiàn)大大增加，可以利用信號(hào)截取的差異性，做不同的場(chǎng)景模式研究。在整車控制、感知單元日益增長(zhǎng)的時(shí)代，匹配人在車上的肢體動(dòng)作，聲音，或汽車對(duì)外、對(duì)內(nèi)獲取的信息流，整合到車機(jī)，由車機(jī)上的不同應(yīng)用將這些信息進(jìn)行相應(yīng)換算、轉(zhuǎn)化，再與人進(jìn)行交互。車載游戲場(chǎng)景利用方向盤控制器、油門，制動(dòng)等各項(xiàng)信號(hào)節(jié)點(diǎn)得以實(shí)現(xiàn)人車互動(dòng)的場(chǎng)景。同時(shí)，不同的場(chǎng)景模式基于現(xiàn)有圖形、計(jì)算等技術(shù)條件，使得車載VR、語(yǔ)音操控，手勢(shì)操控等在現(xiàn)在都相繼出現(xiàn)在人們視野。

隨著5G時(shí)代的來(lái)臨，車機(jī)、CAN網(wǎng)絡(luò)的高速運(yùn)行在互聯(lián)網(wǎng)通訊上也得以更進(jìn)一步的推動(dòng)，人車的場(chǎng)景模式更有拓展到人車家場(chǎng)景的可能。其關(guān)鍵在于控制模塊與場(chǎng)景變換的演算，這與手機(jī)有異曲同工之妙。有意思的是，我們大多數(shù)對(duì)于手機(jī)的控制習(xí)慣，是基于手點(diǎn)擊、或滑動(dòng)操控屏來(lái)實(shí)現(xiàn)，語(yǔ)音控制反而大幅度減小，同時(shí)強(qiáng)調(diào)手機(jī)減少觸控鍵，提升感官上的調(diào)性與科技感;而我們的汽車在控制模式這方面，則是反其道而行之，通過語(yǔ)音實(shí)現(xiàn)整車控制模式，觸控鍵盤依然是當(dāng)今汽車的主流，這是基于行車安全的考慮?；诖?，這項(xiàng)技術(shù)也將會(huì)極大促進(jìn)其他操作模式（非手控）的研究與發(fā)展。

車載游戲模式的實(shí)現(xiàn)，正是車聯(lián)網(wǎng)質(zhì)的飛躍的產(chǎn)物，例如上汽通用五菱聯(lián)合華為HiCar便在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了用戶動(dòng)作到車輛信號(hào)傳輸?shù)杰嚈C(jī)應(yīng)用的車載游戲模式，駕駛員可以在路邊停車休息時(shí)通過油門、剎車、轉(zhuǎn)向操作，由車機(jī)畫面及空調(diào)風(fēng)力等感知部件將操作影響實(shí)時(shí)反饋給駕駛員，使其得到沉浸式的游戲體驗(yàn)。未來(lái)還可將通訊矩陣開源到第三方，使得更多的APP實(shí)裝到車機(jī)上，貫徹汽車行業(yè)“新四化”的發(fā)展理念，為用戶帶來(lái)移動(dòng)出行新體驗(yàn)。

通過以太網(wǎng)科技和產(chǎn)品不僅可以“娛樂”客戶，更可以降低車輛發(fā)生事故的概率，降低碳排放，實(shí)現(xiàn)100%燃油經(jīng)濟(jì)化，創(chuàng)造整個(gè)社會(huì)移動(dòng)互聯(lián)的生活方式。國(guó)內(nèi)在車載游戲領(lǐng)域的延伸并不多，很大的原因就在于目前車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)CAN的信息傳輸寬帶有限，無(wú)法滿足攝像系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)、信息娛樂系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的帶寬要求，因此以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展對(duì)車載游戲的應(yīng)用起著至關(guān)重要的作用，而車載游戲也必然將是以太網(wǎng)技術(shù)最終的產(chǎn)物之一。未來(lái)車輛不再只是交通運(yùn)輸?shù)妮d體，更是上班一族休息娛樂的場(chǎng)所，改善乘車的枯燥和乏味，實(shí)現(xiàn)音頻播放、視頻播放、移動(dòng)電視、生活資訊、導(dǎo)航定位、移動(dòng)上網(wǎng)、輔助駕駛、遠(yuǎn)程診斷、云端升級(jí)和行車安全等功能。

現(xiàn)如今完全意義上的自動(dòng)駕駛技術(shù)尚未到達(dá)普世的階段，人的行車操控作為控制中介依舊無(wú)法忽視，在這個(gè)過程中減少每一個(gè)人為操控的小場(chǎng)景，都是車機(jī)、CAN網(wǎng)絡(luò)算法的催化劑。

4 結(jié)語(yǔ)

我們可以試想未來(lái)某天，當(dāng)一行人外出游玩時(shí)，前排乘客在通過車內(nèi)屏幕觀看無(wú)延遲的電影，駕駛員在音控導(dǎo)航下專注的專心行駛，導(dǎo)航可以實(shí)時(shí)播報(bào)道路情況與最優(yōu)路線，后排乘客通過車載網(wǎng)絡(luò)在玩游戲，而整個(gè)交通情況則由車輛攝像頭實(shí)時(shí)上傳至交通管理相關(guān)部門的后臺(tái)，打造真正的實(shí)時(shí)交通地圖。

基金項(xiàng)目：廣西創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展專項(xiàng)資助項(xiàng)目（桂科AA18242039）;柳州市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計(jì)劃資助項(xiàng)目（2019AD10202）

參考文獻(xiàn)：

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

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[3]張棟才. 基于CAN和OBD-Ⅱ的車載數(shù)據(jù)采集與信息交互終端開發(fā)[D].重慶大學(xué)，2019.