車載控制器局域網(wǎng)技術分析與研究

郭小蘭

摘 要： 控制器局域網(wǎng)（CAN）廣泛應用于汽車工業(yè)，是目前最有前途的現(xiàn)場總線之一。近年來，進口汽車及國產(chǎn)轎車廣泛采用CAN技術，標志著汽車電子控制技術進入一個新的時代。本文介紹了控制器局域網(wǎng)（CAN）總線特點、構成及通信速率的設定。

關鍵詞： 控制器局域網(wǎng) 總線特點 通信速率

為了減少汽車電器線束，保證各電子控制系統(tǒng)的電子控制單元（控制器）之間快速準確地進行大容量的數(shù)據(jù)通信，目前，國內外中高檔轎車都已開始采用控制器局域網(wǎng)絡（CAN，Controller Are Network）技術。控制器局域網(wǎng)（CAN，Controller Area Network）是汽車應用最多的車載局域網(wǎng)，其通信協(xié)議（即CAN協(xié)議）是一種支持分布式控制或實時控制的串行通信網(wǎng)絡[1]。CAN總線允許多站點同時發(fā)送，因此，既保證信息處理的實時性，又保證網(wǎng)絡系統(tǒng)的可靠性。

1.控制器局域網(wǎng)（CAN）的構成

汽車控制器局域網(wǎng)是指分布在汽車上的多個控制器（即電控單元ECU）在物理上相互連接，并按照網(wǎng)絡通信協(xié)議（CAN協(xié)議）相互通信，以共享硬件、軟件和信息等資源為目的的控制器系統(tǒng)

CAN是由中央控制組件CEM、控制器局域網(wǎng)總線（CAN總線）和若干個電子控制器（電控單元ECU）等器件構成[2]。圖1所示為動力及其傳動系統(tǒng)和車身系統(tǒng)部分ECU組成的CAN示意圖。

中央控制組件CEM由CAN控制器、CAN收發(fā)器和微處理器CPU等組成。CEM既是整車網(wǎng)絡系統(tǒng)的控制中心，又是高速局域網(wǎng)與低速局域網(wǎng)的網(wǎng)關服務器，電路連接如圖2所示。

2.控制器局域網(wǎng)（CAN）總線的特點

CAN總線由物理層和數(shù)據(jù)鏈路層構成，其中數(shù)據(jù)鏈路層定義了不同的信息類型、總線訪問的仲裁規(guī)則、錯誤檢測與處理的方式。所有的錯誤檢測與處理、信息的傳輸與接收等都是通過CAN控制器硬件完成，因此，用戶組建兩線CAN僅需極少的軟件開發(fā)。CAN總線具有以下特點。

（1）所有節(jié)點均可發(fā)送和接收信息。CAN總線是一種共享信息的通信總線，即總線上所有的節(jié)點都可發(fā)送和接收傳輸?shù)男畔ⅲㄓ捎谒械墓?jié)點都能接收全部信息，因此信息不能送達某個指定節(jié)點）。

（2）信息發(fā)送按信息優(yōu)先級進行。與總線相連的所有節(jié)點都可發(fā)送信息，發(fā)送信息的節(jié)點通過改變所連總線的電平就可將信息發(fā)送到接收節(jié)點。在兩個以上節(jié)點同時開始發(fā)送信息的情況下，信息優(yōu)先級最高的節(jié)點獲得發(fā)送權，其他所有節(jié)點轉為信息接收狀態(tài)。

（3）通信速率高。CAN總線采用兩線差分傳輸數(shù)據(jù)，可支持高達1Mbps的通信速率。

（4）通信距離遠。CAN總線上任意兩個節(jié)點之間的最大允許傳輸距離與其信息傳輸速率有關。在1Mbps速率下，CAN總線通信距離可達40m；在10Mbps速率下，通信距離可達6700m。因此，CAN總線既可用于動力及其傳動系統(tǒng)網(wǎng)絡的連接，又可用于車身控制系統(tǒng)網(wǎng)絡的連接。

3.控制器局域網(wǎng)（CAN）總線的連接

在車載局域網(wǎng)中，CAN總線是由兩根線CAN—H（CAN—High或CAN+）數(shù)據(jù)線和CAN—L（CAN-Low或CAN-）數(shù)據(jù)線構成。在某些高檔轎車的CAN中設有第3條CAN總線，用于衛(wèi)星導航系統(tǒng)和智能通信系統(tǒng)。

動力與傳動系統(tǒng)的控制器采用C類高速CAN總線連接，數(shù)據(jù)傳輸速率可達500kbps，以便實現(xiàn)高速實時控制。車身控制系統(tǒng)的控制器采用了低數(shù)據(jù)傳輸速率的B類CAN總線連接，數(shù)據(jù)傳輸速率為125kbps。各電控單元之間依據(jù)CAN通信協(xié)議相互進行通信，從而完成各種數(shù)據(jù)的交換。在中央電子控制組件CEM中，CAN控制器具有雙通道（CRX0、CTX0通道；CRX1、CTX1通道）的CAN接口，經(jīng)過CAN收發(fā)器分別與高速（500kbps）CAN總線和低速（125kbps）CAN總線連接。各電控單元通過CAN總線與CAN收發(fā)器相連而相互交換數(shù)據(jù)。CAN控制器根據(jù)兩根總線的電位差判定總線電平。總線電平分為顯性電平與隱性電平兩種，二者必居其一。

4.控制器局域網(wǎng)（CAN）通信速率的設定

（1）動力及其傳動系統(tǒng)網(wǎng)絡通信速率的設定。汽車動力及其傳動系統(tǒng)的控制器主要包括發(fā)動機電子控制系統(tǒng)EEC、電子控制自動變速系統(tǒng)ECT、防抱死制動系統(tǒng)ABS、電子調節(jié)懸架系統(tǒng)EMS、車輪防滑轉控制系統(tǒng)ASR、電子控制制動力分配系統(tǒng)EBD、電子控制制動輔助系統(tǒng)EBA、動態(tài)穩(wěn)定控制系統(tǒng)DSC和巡航控制系統(tǒng)CCS等。由于這些系統(tǒng)控制的對象與汽車行駛直接相關，并與發(fā)動機轉速或汽車行駛速度同步，所以其CAN一般都采用C類高速CAN總線連接，數(shù)據(jù)傳輸速率可達1Mbps。將這些控制器連接到CAN總線上，可以實現(xiàn)高速實時控制。

（2）車身控制系統(tǒng)網(wǎng)絡通信速率的設定。汽車車身控制系統(tǒng)主要包括座椅安位置調節(jié)系統(tǒng)SPC、中央門鎖控制系統(tǒng)CLC、自動空調系統(tǒng)ACS和車頂天窗控制系統(tǒng)TWC等。由于這些系統(tǒng)通常是以低速率進行數(shù)據(jù)傳輸，因此車身控制系統(tǒng)采用了低數(shù)據(jù)傳輸速率速的B類總線。早期的汽車車身控制系統(tǒng)通常采用基于J1850標準的總線進行連接。

CAN總線用于車身控制系統(tǒng)的連接時，采用的是一種容錯式總線，即總線內置容錯功能。因為汽車內部CAN總線是由兩根線（CANH、CANL）構成，并采用雙線串行通信方式傳輸數(shù)據(jù)，當2條總線中有1條出現(xiàn)斷路或短接而搭鐵時.網(wǎng)絡可以切換至1線方式繼續(xù)工作。CAN通信協(xié)議要求從2線切換至1線期間不能丟失數(shù)據(jù)位，為此其物理層芯片比動力傳動系統(tǒng)更復雜，數(shù)據(jù)傳輸速率較低，通常采用的傳輸速率為125kbps。此類總線逐漸被局部互聯(lián)網(wǎng)總線（LIN總線）取代，其根本原因是低速CAN總線應用于車身控制面臨的最大困難是成本較高。

5.結語

把眾多的電控單元連成網(wǎng)路，其信號通過總線的形式傳輸，就可以達到信息資源共享的目的。這樣聯(lián)成網(wǎng)絡的控制單元就可以“協(xié)同工作”，從而獲得最佳的工作狀態(tài)，并使汽車具備實現(xiàn)許多復雜功能的能力。CAN可提供高達1Mb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，這使實時控制變得非常容易。另外，硬件的錯誤校驗功能增強了CAN的抗干擾能力。CAN具有國際標準，是目前應用最廣泛的網(wǎng)絡。

參考文獻：

[1]舒華，姚國平.汽車新技術[M].國防工業(yè)出版社，2005.

[2]舒華.汽車電子控制技術[M].人民交通出版社，2011.