基于CAN/LIN總線的汽車通信網絡設計

摘要：隨著我國經濟水平的不斷提升，人們對于汽車提出了更高要求。由于汽車上電控系統數量越來越多，會使汽車的電路越來越復雜，導致汽車的可靠性下降。為了能夠更好的保證汽車的性能，導致了汽車生產成本的增加。為了能夠有效解決現實生活中所存在的這一問題，本文提出了一種基于CAN總線和LIN總線技術現代汽車通訊網絡的設計方案。在整個設計方案當中，我們所要用到的是CAN的高速的驅動系統，將LIN總線技術運用到了低速的車身系統當中。對于芯片，我們所選擇的是我國汽車典型的電子芯片。這些內容的設計不僅能夠有效地實現對汽車網絡的控制，同時還有效地降低了汽車生產過程中的成本。使得人們在對汽車的使用過程中能夠更加安心。

關鍵詞：CAN總線;LIN總線;汽車通訊網絡

0 ?引言

從上世紀90年代以來，人們對汽車舒適性、經濟性要求就越來越高，整個汽車當中，所包含的電控系統數量越來越多，由于汽車新增加的功能及通訊設備導致電路更加復雜，會使汽車在行駛過程中的可靠性降低。為了能夠有效地解決這一問題，就必須要采用能夠滿足高速或者多條道路使用的通訊網絡，通過共享信息的方式傳送給多種控制系統。

從當前情況看來，我國汽車當中采用的汽車網絡普遍都是局部網絡。有著各種各樣的高速發展的汽車網絡技術，例如高速容錯網絡協議FlexRay，應用于汽車多媒體，以及導航的MOST，還包含有與計算機網絡兼容的藍牙系統等內容。這篇文章主要側重于已經得到高速發展的網絡技術——CAN總線和LIN總線而展開。

1 ?現狀

1.1 CAN總線

CAN是控制器局域網絡的簡稱，這項內容是由德國的以研發和生產汽車電子產品而出名的BOSCH公司開發研究出來的的，并通過了國家的最終審核，已經成為了國際標準。在當前可以算得上國際上應用最為廣泛的現場總線之一。

在美洲北部和歐洲西部，CAN總線已經成為了整個汽車行業控制系統當中的一項標準內容，并且這項總線專門為大型的貨車和機械車進行工作。

這項總線具有如下幾種特點：

在數據通訊的過程當中，不具有先后之分，任何一個節點都可以向其它的一個或者多個節點傳送信息，由于其他節點設有優先接收的順序，所以在接受這些內容時不會出現接受故障的問題。

當多個節點同時發起通訊功能時，由于優先級的設計，會讓優先級低的避讓優先級高的，雖然不會出現通訊線路阻塞的情況。

我覺得距離最高，可以達到10千米，最低可以到達40米。

CAN總線在傳輸過程中所需要的介質是雙絞線。這種線比較適用于大數據長距離或短距離通信，能夠更好地達到實時性的要求。

1.2 LIN總線

隨著對汽車網絡化這一內容研究的不斷深入，LIN總線技術得到了迅速的發展。自從推出LIN總線規范以來，已經進行了四次的修改。國內外對這項內容的研究量也越來越多，由于這一線路所需要花費的成本比較低。所以它的應用范圍在逐漸地擴大。

LIN網絡設計過程中的關鍵內容是LIN總線接口的設計，包含有硬件設施的設計和軟件的設計。LIN的主要特征包括于通用UART接口，所需要花費的成本比較低;符合國際標準，LIN總線僅僅是由3根導線來設計組成的;傳輸速率最高達每秒2萬字節，所傳輸的長度可以高達40m;有單主機和多從機兩種運行模式，無總線判斷;從機節點能夠通過自身來完成信息的自動同步;在一定時間內能夠完成信號的傳輸工作;接入電源就可以進行使用等。LIN總線主要用作CAN等高速網絡的子網絡，能夠有效地的實現傳感器、執行器等設備的連接工作。

2 ?通訊協議

2.1 CAN總線通訊協議——J1939通訊協議

這一協議的內容是根據CAN2.0B作為基礎的，是整個總線的應用層次的協議內容。這一協議內容主要分為如下幾點內容：優先級、數據頁、協議所通過的數據的單元內容。CAN的通訊協議能夠幫助定義汽車中控制的各種參數的內容以及設定的命令的數據頁。

2.2 LIN總線通信協議

該協議的內容通過一些硬件裝備接入到加入口上。這項內容主要是應用在汽車當中所涉及到的智能傳感器和執行器當中。

將傳輸過程中的實際數據作為實體幀，一個幀是由幀頭以及回應的數據部分組成。在一個被激活的網絡當中，通訊通常是由主節點進行啟動，通過主節點將各種各樣的信息數據發送出去。從第一個節點的任務開始通過過濾等操作。接收到自身所需要進行的操作，同時會啟動相關的傳送信息的內容，將剩余的信息傳送到下一個環節，以此類推。

3 ?總體通訊網絡設計

3.1 整車通信網絡設計

汽車間不同設備之間數據傳輸的主要差別就是數據傳輸的頻率，根據美國汽車工程師的劃分，將其劃分為了三個等級。

在一個完整的汽車電子控制系統當中，許多動態的信息必須要實時顯示出來。由于每一個設備對實時性的要求不同，所以對數據更新的速度和控制周期就有不同。例如一個八缸的柴油機運行速度為每分鐘2400轉，控制器噴射的時間間隔為6毫秒，噴射持續的時間為每兩毫秒旋轉30度，要想在剩下的四毫秒之內完成轉速的測量和油量測量任務等一系列的過程，就需要保證數據的傳送和接收在一毫秒鐘之內就能完成，才能更好地完成實時性的要求。同時，這些內容就要求數據通訊網在優先選擇權的競爭模式當中也要存在著本身具有極高的通信速率。CAN總線就是為滿足這些要求而設計的。

但是在低速的通訊網絡當中，要想達到進氣溫度的參數，20秒之后才能完成，但是冷卻的時間需要一分鐘。燃燒柴油允許的時間約為十分鐘，再加上車燈的開關，座椅的調節和車門的開閉傳輸過程中的延遲時間記錄上，如果將這些較為簡單的節點直接懸掛在LIN總線上，不僅能夠實現網絡的分級控制，同時還能有效降低車輛在開發過程中的成本。

當傳數據傳輸速率較高時，它主要的控制對象就轉變成了發動機控制器和自動變速器等。通過相關的分級，可以發現LIN總線屬于A類系統，他傳輸速率可以達到20kbps，它主要控制前后車燈的開啟與關閉，座椅的調節，門鎖的開關以及雨刷的開閉等內容。這些信息對實時性要求不高，但所包含的數據較多。利用LIN總線能夠有效地減少其他內容的干擾，增加傳輸的距離，降低成本。以門窗的控制為例，只需要一個LIN網絡也實現它的控制。

CAN總線和LIN總線是兩個相互獨立的存在，能夠通過中央控制系統的控制，來實現數據的共享與交換。中央控制系統是整個汽車管理過程中的核心，同時它也作為二者的網關服務器，它的主要功能就是對收集到的各種信息進行處理，并發出相關的指令，使得汽車當中的各個單元配件正常工作。

3.2 接口設計

整個車的通訊網絡是通過CAN節點和LIN節點連接到總線上形成的一個局域網絡，所以對于接口的設計十分重要。

目前從事CAN總線和LIN總線芯片開發制造的廠商很多，例如飛利浦等廠商。所以，設計人員可以根據自身的需求來對不同種類的芯片做出選擇，這里的中央控制系統選擇了在汽車電子應用中具有十分強大功能的八位單片機——FREESCALE的MC68HC908AZ60芯片。這一芯片內部已經形成了一個低速的CAN控制器，適合應用于各種板塊，其中還包含有一個SCI版塊。這一新片除了能夠完成兩種網絡之間的通訊連接之外，還能夠發揮出其自身的控制功能。

LIN節點選擇的是這個FREESC-ALE器件。其中LIN收發器采用的是MC33399，LIN節點MCU選擇mc68hc805 PV8。由于汽車上電磁干擾比較大，為了能夠有效減少電磁對汽車運行過程中的干擾，所以在控制區域收發器之間增加了光電隔離電路，從而來提升自身系統的抗干擾能力。

CAN智能節電選擇的是飛利浦當中的PCA82C250作為收發器。CAN節點的MCU選擇的是P89C591，主要是這一器件內部具有CAN控制器的接口，所以不需要對控制器進行再次的選擇。設計人員還可以使用微型控制器加上外接的CAN控制器這樣的連接方式。PCA82C250能夠提供給總線發動能力來提升對CAN控制器差遣的能力。在低速情況下，或者總線長度比較短時，一般采用的是斜率控制方式來限制它上升和下降的斜率，同時能夠有效的發揮出降低射頻干擾的能力。斜率可以通過調節來完成，將其連接至接地的電阻進行控制。當通訊信號傳輸到導線的端點時會發生信號的反射，反射出來的信號會對正常信號的傳輸過程產生影響輸。所以總線的兩端需要連接終端電阻，以便更好的消除掉由于發射信號對其的影響。

4 ?車身系統方案

結合控制結構和車身系統本身的特點，我們需要設計一種控制最優，成本最低的方案。由于兩種總線在車身系統和驅動系統有著很大的差別，所以在選擇總線的時候，需要考慮到車身各種元件功能，以便更好地降低總線節點的成本。

這協議的選擇上，由于之前LIN技術還不夠成熟，所以一般采用的都是CAN技術。由于這項技術它本身所存在的固有特性，雖然能夠順利的完成汽車的各項操作控制功能，但是對于成本所提出的要求比較高。同時，由于這一總線系統控制的主要是低速電機系統，對于實時性等內容并沒用很高的要求，且需要的數量較少，但是比較重要的是對硬件成本較高，所以比較適合采用LIN總線。同時，從當前的控制領域看來，由于LIN總線成本較低，比較適合應用在汽車的控制上，所以這一總線系統的特性獲得了很大程度上的應用。同時由于它自身防控干擾的能力比較強，所以主要應用在那些要求不是很嚴格的部件控制上。

5 ?結束語

這篇文章的研究設計是基于總線的車載通訊網絡系統，利用了相關的模型來進行了仿真實驗。由于總線當中各個節點的模型都能夠正確發送和接收數據，通過網關的連接，還能夠進行不同的數據之間的轉化，有效地完成了網關的數據幀轉發和通信控制功能。

參考文獻：

[1]路平，孫燦，張進明.基于CAN/LIN總線技術的車身控制器設計與應用[J].汽車電器，2016（02）：14-15，19.

[2]莊會泉.基于CAN/LIN總線的汽車車身網絡設計[D].河北工業大學，2014.

[3]劉曉明，高青春，熊東.基于CAN/LIN總線的汽車通信網絡設計[J].微機發展，2005（08）：78-80，84.

作者簡介：相鐵武（1979-），男，浙江嵊州人，總經理，中級職稱，研究生，研究方向為并聯機器人、相關控制器設計、控制程序及相關軟件算法。