基于CAN網(wǎng)絡的車載應用場景拓展

李尊成　胡翔　趙紫瑤　張凱　趙小羽

摘 要：CAN網(wǎng)絡是當下廣泛應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—通過車與車機的通信實現(xiàn)人與車之間的智能交互。本文簡單介紹CAN網(wǎng)絡的通信原理以及與車機的交互方式，并對其在未來汽車上的應用場景及模式進行探索。

關(guān)鍵詞：CAN網(wǎng)絡 車載游戲 應用場景

1 引言

在汽車領域，智能網(wǎng)聯(lián)和自動駕駛的飛速發(fā)展和社會需求的增長，迫使汽車對各個領域控制系統(tǒng)間的信息交互對數(shù)據(jù)吞吐量和傳輸時延要求亦迅猛提高。當初Bosch在1986年的SAE大會提出CAN通訊，在保留其良好的可靠性及強兼容性的前提下不斷迭代升級，來滿足現(xiàn)如今的信息交互需求。軟件與硬件提升的同時，也帶來了新的汽車場景模式，如車載游戲，車載VR體驗等各種新場景。對于新場景的使用研究，有助于精準定位、拓展交互信息，對解決人們實際生活需求有幫助、或?qū)夹g(shù)提升方向可能存在一定的指導性作用。

2 汽車新場景基礎—CAN網(wǎng)絡

作為實現(xiàn)新場景的基礎：CAN網(wǎng)絡，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，一般稱它為“CANbus”、CAN總線[1]，最開始由德國博世（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、信號傳輸速率快、距離長[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，有一個基準電壓加在CAN-H和CAN-L上，當某一節(jié)點的控制器發(fā)出通訊信號后，通過收發(fā)器轉(zhuǎn)換為電信號，CAN總線上的基準電壓值被修改，CAN-H上的電壓值升高，CAN-L上的電壓值降低，另一節(jié)點的收發(fā)器再將壓差值轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號發(fā)送至控制器上，這時兩個節(jié)點間就完成了一次數(shù)據(jù)的傳輸。

2.2 應用原理

CAN網(wǎng)絡中各節(jié)點間以數(shù)據(jù)幀的作為最小單位進行數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)幀又分為標準幀及擴展幀，根據(jù)處理能力本文采用標準幀格式進行交互，其具有11位幀ID，從0x000到0x7ff，支持2023種報文種類。一個數(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標識幀ID，定義報文想表示的含義，控制段包含幀類型及數(shù)據(jù)長度，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)段中傳輸表達不同意義的數(shù)據(jù)，此時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、長度來截取所需要字段，定義該段的數(shù)據(jù)類型及換算方式，即可解析得相應定義的信號。

例如將制動踏板輸出的信號分為有效性、輸入狀態(tài)、循環(huán)計數(shù)三個，如果車機需要判斷制動踏板是否踩下，假設整個制動踏板信號歸在ID 0x288上，起始字節(jié)為4，起始位為7，數(shù)據(jù)長度為1，則從0x288這個數(shù)據(jù)幀里第4個字節(jié)第7位截取1位二進制數(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中進行運算，就能夠使車機讀取到剎車信號。

3 場景拓展

基于上述應用原理，汽車的行車模式或?qū)⒂芯薮蟾淖儯塑嚮拥膶崿F(xiàn)大大增加，可以利用信號截取的差異性，做不同的場景模式研究。在整車控制、感知單元日益增長的時代，匹配人在車上的肢體動作，聲音，或汽車對外、對內(nèi)獲取的信息流，整合到車機，由車機上的不同應用將這些信息進行相應換算、轉(zhuǎn)化，再與人進行交互。車載游戲場景利用方向盤控制器、油門，制動等各項信號節(jié)點得以實現(xiàn)人車互動的場景。同時，不同的場景模式基于現(xiàn)有圖形、計算等技術(shù)條件，使得車載VR、語音操控，手勢操控等在現(xiàn)在都相繼出現(xiàn)在人們視野。

隨著5G時代的來臨，車機、CAN網(wǎng)絡的高速運行在互聯(lián)網(wǎng)通訊上也得以更進一步的推動，人車的場景模式更有拓展到人車家場景的可能。其關(guān)鍵在于控制模塊與場景變換的演算，這與手機有異曲同工之妙。有意思的是，我們大多數(shù)對于手機的控制習慣，是基于手點擊、或滑動操控屏來實現(xiàn)，語音控制反而大幅度減小，同時強調(diào)手機減少觸控鍵，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，通過語音實現(xiàn)整車控制模式，觸控鍵盤依然是當今汽車的主流，這是基于行車安全的考慮。基于此，這項技術(shù)也將會極大促進其他操作模式（非手控）的研究與發(fā)展。

車載游戲模式的實現(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便在此基礎上實現(xiàn)了用戶動作到車輛信號傳輸?shù)杰嚈C應用的車載游戲模式，駕駛員可以在路邊停車休息時通過油門、剎車、轉(zhuǎn)向操作，由車機畫面及空調(diào)風力等感知部件將操作影響實時反饋給駕駛員，使其得到沉浸式的游戲體驗。未來還可將通訊矩陣開源到第三方，使得更多的APP實裝到車機上，貫徹汽車行業(yè)“新四化”的發(fā)展理念，為用戶帶來移動出行新體驗。

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，實現(xiàn)100%燃油經(jīng)濟化，創(chuàng)造整個社會移動互聯(lián)的生活方式。國內(nèi)在車載游戲領域的延伸并不多，很大的原因就在于目前車載網(wǎng)絡架構(gòu)CAN的信息傳輸寬帶有限，無法滿足攝像系統(tǒng)網(wǎng)絡、信息娛樂系統(tǒng)網(wǎng)絡的帶寬要求，因此以太網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展對車載游戲的應用起著至關(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。未來車輛不再只是交通運輸?shù)妮d體，更是上班一族休息娛樂的場所，改善乘車的枯燥和乏味，實現(xiàn)音頻播放、視頻播放、移動電視、生活資訊、導航定位、移動上網(wǎng)、輔助駕駛、遠程診斷、云端升級和行車安全等功能。

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

4 結(jié)語

我們可以試想未來某天，當一行人外出游玩時，前排乘客在通過車內(nèi)屏幕觀看無延遲的電影，駕駛員在音控導航下專注的專心行駛，導航可以實時播報道路情況與最優(yōu)路線，后排乘客通過車載網(wǎng)絡在玩游戲，而整個交通情況則由車輛攝像頭實時上傳至交通管理相關(guān)部門的后臺，打造真正的實時交通地圖。

基金項目：廣西創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展專項資助項目（桂科AA18242039）;柳州市科學研究與技術(shù)開發(fā)計劃資助項目（2019AD10202）

參考文獻：

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

[2]李恒. 基于CAN網(wǎng)絡的智能車輛管控系統(tǒng)[D].吉林大學，2020.

[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，2019.