CAN总线技术在汽车车身控制中的应用

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1.引言

        20世纪80年代以来，随着集成电路和单片机在汽车上的广泛应用， 汽车上电子控制单元越来越多， 例如电子燃油喷射装置、防抱死制动装置（ABS）、安全气囊装置、电控门窗装置和主动悬架等等。在这种情况下，如果仍采用常规的布线方式，即电线一端与开关相接，另一端与用电设备相通，将导致车上电线数目急剧增加，使得电线的质量占整车质量的4％左右。另外，电控系统的增加虽然提高了轿车的动力性、经济性和舒适性，但随之增加的复杂电路也降低了车辆的可靠性，增加了维修的难度。为此，改革汽车电气技术的呼声日益高涨。因此，一种新的概念——车用控制器局域网络CAN应运而生。



2.CAN简介

       CAN是控制器局域网络(Controller Area Network)的简称，它是由德国的Bosch公司及几个半导体生产商开发出来的，CAN 总线是一种串行多主站控制器局域网总线。它具有很高的网络安全性、通讯可靠性和实时性,简单实用,网络成本低。特别适用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。



3.CAN总线技术特点

        CAN总线可有效支持分布式控制或实时控制，通信介质可以是双绞线，同轴电缆或光纤，其主要特点是：

（1）CAN总线为多主站总线，各节点可在任意时刻向网络上的其他节点发送信息，不分主从，通信灵活

（2）CAN总线采用独特的非破坏性总线仲裁技术，优先级高的节点优先传送数据，可满足实时性要求

（3）CAN总线具有点对点、一点对多点及全局广播传送数据的功能

（4）CAN总线采用短帧结构，每帧有效字节数最多为8个，数据传输时间短，并有CRC及其他校验措施，数据出错率极低

（5）CAN总线上某一节点出现严重错误时，可自动脱离总线，而总线上的其他操作不受影响

（6）CAN总线系统扩充时，可直接将新节点挂在总线上，因而走线少，系统扩充容易，改型灵活

（7）CAN总线最大传输速率可达1Mb/s（此时通信距离最长为40m），直接通信距离最远可达10km（速率5kbps以下）

（8）CAN总线上的节点数主要取决于总线驱动电路。在标准帧（11位报文标识符）可达110个，而在扩展帧（29位报文标识符）其个数几乎不受限制。



4.CAN总线技术在汽车中的应用优势

CAN总线技术在汽车中的应用具有以下优势：

（1）信息共享

采用CAN总线技术可以实现各ECU之间的信息共享，减少不必要的线束和传感器。例如具有CAN总线接口的电喷发动机，其它电器可共享其提供的转速、水温、机油压力、机油温度、油量瞬时流速等，这样一方面可省去额外的水温、油压、油温传感器，另一方面可以将这些数据显示在仪表上，便于司机检查发动机运行工况，从而便于发动机的保养维护。表1给出了汽车部分电控单元产生及发送的数据类型及其他单元对这些信息共享的情况。


汽车部分电控单元数据发送、接受情况

（2）减少线束

        新型电子通讯产品的出现对汽车的综合布线和信息的共享交互提出了更高的要求，传统的电气系统大多采用点对点的单一通信方式，相互之间少有联系，这样必然造成庞大的布线系统。据统计一辆采用传统布线方法的高档汽车中，其导线长度可达2000米，电气节点达1500个，而且该数字大约每十年增长1倍。这种传统布线方法不能适应汽车的发展。CAN总线可有效减少线束，节省空间。例如某车门-后视镜、摇窗机、门锁控制等的传统布线需要20-30根，应用总线CAN则只需要2根。



（3）关联控制

         在一定事故下，需要对各ECU进行关联控制，而这是传统汽车控制方法难以完成的。CAN总线技术可以实现多ECU的实时关联控制。在发生碰撞事故时，汽车上的多个气囊可通过CAN协调工作，它们通过传感器感受碰撞信号，通过CAN总线将传感器信号传送到一个中央处理器内，控制各安全气囊的启动弹出动作。



5.CAN总线技术在汽车中的应用实例

       世界上一些著名汽车制造厂商如奔驰、宝马等都已开始采用CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。目前国产的很多汽车上也引入了CAN总线技术，如大众途安、帕萨特等车型一般将CAN总线分为低速CAN和高速CAN。低速CAN的总线速度为10Kbps-125Kbps，主要运用在车身控制模块领域；高速为250Kbps-1Mbps，应用在发动机、变速箱、ABS等实时性要求强的控制模块。但各种车型都会视具体情况采用适合于自身的总线结构。下面是几种比较典型的CAN总线应用方案。

5.1 CAN总线方案一

CAN总线应用方案一如图1所示。


CAN总线应用方案一

        方案一是一个完整的分布式汽车电子控制系统，它采用多子网结构，将信息交换比较密切的系统放在一个子网中，使整个系统具有很高的实时性，不同子网之间根据不同的应用特点，采用不同的物理层接口以及通信速率，优化了系统结构。方案一简化了各个CAN子网的设计难度，但是整车的网络系统设计以及总线通信协议比较复杂，硬件上对网关的要求比较高，需要有强大的数据处理能力，而且系统成本比较高，适合于中高档轿车采用。



5.2 CAN总线方案二

        方案二中整车的CAN总线网络分为高速网络和低速网络两部分，高速网采用双线式高速CAN总线(1Mbps)，低速网采用双线式CAN总线(125gbps)IS011519。仪表显示模块作为网关完成两部分数据之间的传输。CAN总线应用方案二如图2所示。


CAN总线应用方案二

整个系统分为高速和低速两部分。动力传动总线和安全总线合并成高速总线，这样做降低了通信的实时性，但是考虑到传动系总线中一般是周期性的数据，而安全总线中一般是突发性的数据，只要选择合适的帧优先级就可以弥补这个缺点。舒适总线和信息总线合并为低速总线，这两部分中对数据的实时性要求不高，125Kbps的速率完全可以满足需求。

方案二系统成本不高，且性能也没有太大的损失，性价比又不错，适合于中低档轿车采用。



5.3 CAN总线方案三

       由于使用CAN总线会使系统成本增加，在一些不需要CAN总线的带宽和多功能的场合，使用LIN总线可大大节省成本，所以LIN总线得到了越来越广泛的应用。



       LIN(Local Interconnect Network)总线是一种低成本的串行通讯网络，用于实现汽车中的分布式电子系统控制。LIN总线的目标是为现有汽车网络(例如CAN总线)提供辅助功能。LIN的标准化将简化多种现存的多点解决方案，且将降低在汽车电子领域中的开发、生产、服务和后勤成本。

       典型的LIN总线应用是汽车中的联合装配单元，如门、座椅、空调、照明灯等。对于成本比较敏感的单元，LIN可以使机械元件可以很容易的连接到汽车网络中并得到十分方便的维护和服务。下面的方案中包括15个CAN节点和31个LIN节点，充分体现了CAN以及LIN各自的特点。CAN总线应用方案三如图3所示。




5.3 CAN总线应用方案三

        方案3是一个很完整的方案，但是实际应用过程中，考虑到系统的性价比以及安装等方面的因素，可采用如下图所示的简化方案，图中CAN总线虚线表示这部分在不影响性能的前提下，可以用LIN总线替代，可以降低系统成本。



5.4 CAN总线方案四

方案4主要是针对希望采用总线的中低档轿车，这就决定了系统必须具有很高的性价比，而且成本也是一个重要的方面。具体应用需要根据不同的车型做出适当的修改满足各自的要求。本车身控制模块在总线方案2基础上加以简化，保留中央控制模块和四个门模块作为车身控制总线方案。CAN总线应用方案四如图4所示。



6. CAN总线技术在汽车中应用的关键技术

        利用CAN总线构建一个车内网络，需要解决的关键技术问题有：

（1）总线传输信息的速率、容量、优先等级、节点容量等技术问题

（2）高电磁干扰环境下的可靠数据传输

（3）确定最大传输时的延时大小

（4）网络的容错技术

（5）网络的监控和故障诊断功能

（6）实时控制网络的时间特性

（7）安装与维护中的布线

（8）网络节点的增加与软硬件更新(可扩展性)

7。结束语

        CAN总线作为一种可靠的汽车计算机网络总线已开始在先进的汽车上得到应用,使得各汽车计算机控制单元能够通过CAN总线共享所有的信息和资源,达到简化布线、减少传感器数量、避免控制功能重复、提高系统可靠性和可维护性、降低成本、更好地匹配和协调各个控制系统的目的。这样使得汽车的动力性、操作稳定性、安全性都上升到新的高度。随着汽车电子技术的发展,具有高度灵活性、简单的扩展性、优良的抗干扰性和处理错误能力的CAN总线通信协议必将在汽车电控系统中得到更广泛的应用。