CAN总线技术在汽车中的应用.docx

技术导向CAN总线技术在汽车中的应用【摘要】文章首先概述了CAN总线技术,并详细阐述了CAN总线技术的特点和优点,及其结构和数据，传输原理,从而引出CAN总线研究的重点、关键技术及其在现代汽车上的应用现状和发展趋势。【主题词】CAN总线汽车应用前言近20年来,随着现代电子技术、信息技术的发展,汽车上由电子控制单元(ECU)控制的部件数量越来越多,例如,数字式电控燃油喷射系统(DEFI)、废气再循环控制系统(EGR)、防抱死制动系统(ABS)、防滑控制系统(ASR)、牵引力控制系统(TRC)、车辆稳定控制系统(VSC)、巡航系统(CCS)等等。大量传感器、集成电路和计算机芯片等电子元器件在汽车上的广泛应用,在提高汽车动力性、经济性、舒适性和安全性的同时,也带来其他问题：(1)电子设备的大量应用必然导致车身布线愈来愈复杂、运行可靠性降低、故障维修难度增大,必然造成庞大的布线系统。比如在沃尔沃公司生产的S80型轿车中,所安装的电缆长达1200 m,有54根保险丝。从材料成本和工作效率看,传统布线方法都将不能适应汽车的发展。(2)上述DEFI、EGR、ABS、ASR等子系统对控制信息的共享和实时性的要求,需要共享发动机转速、车轮转速、油门踏板位置等公共数据,同时各个子系统对实时性的要求因为数据的更新速率和控制周期的不同而有差别。传统的线缆已远远不能满足这种需求。(3)为了使不同厂家生产的部件能在同一辆汽车中协调工作,必须按照某种约定的标准来解决其状态信号和控制信息的传递问题。针对上述问题,在借鉴计算机网络技术和现场控制技术的基础上,诞生了各种适用于汽车环境的汽车网络技术。经过长时间发展,已形成Hart、Lonworks、Profibus、Bitbus及CAN等多种现场总线协议。CAN是控制器局域网络的简称,它由德国的Bosch公司及几个半导体生产商开发的，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。因此CAN总线在诸多总线中独占鳌头,逐渐成为汽车总线的代名词。1、CAN总线技术的特点和优点CAN总线与一般的通信总线相比,它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其主要特性如下：(1)具有较高的性价比。它结构简单,器件容易购置,每个节点的价格较低,而且开发过程中能充分利用现在的单片机开发工具；(2)是目前为止唯一有国际标准的现场总线；(3)为多主方式工作,网络上任一节点均可在任意时刻主动向网络上其他节点发送信息而不分主从,通信方式灵活,且无需站地址等节点信息；(4)网络上的节点信息分成不同的优先级, 可满足不同的实时要求,高优先级的数据最多可在134s内得到传输;(5)采用非破坏性总线仲裁技术,当多个节点同时向总线发送信息时,优先级较低的节点会主动地退出发送,而最高优先级的节点不受影响地继续传输数据,从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪情况；(6)只需通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据, 无需专门的“调度”;(7)直接通信距离最远可达10km(速率5kb/s以下),通信速率最高可达1Mkb/s(此时通信距离最长为40m);(8)节点数主要取决于总线驱动电路,目前可达成110个;(9)采用短帧结构,传输时间短,受干扰概率低,具有极好的检错效果;(10)每帧信息都有CRC校验及其他检错措施,保证了数据出错率极低;(11)通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤,选择灵活;(12)节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能,以使总线上其他节点的操作不受影响；2、CAN总线的结构和数据传输原理2.1CAN总线的结构CAN总线由导线、控制器、收发器和终端电阻组成。若采用两根普通铜导线绞在一起的双绞线,其截面积约为0.35mm2,最新的动力总线截面积可达0.7mm2。控制器对收到和发送的信号进行翻译。收发器负责接收和发送网络上共享的信息。整个系统有两个终端电阻,分别装在系统的两个控制单元内,其作用是阻止CAN总线信号产生变化电压的反射。当终端电阻出现故障时,因为线路的反射影响,控制单元的信号无效。2.2CAN总线的数据传输原理CAN总线系统中传输的数据为二进制的数字信息,每条信息的格式都是相同的,由开始域、状态域、空位、检查域、数据域、安全域、确认域和结束域8部分组成。当某个控制单元发出一条信息后,CAN总线会将其传输给网络上的各个控制单元,而这些控制单元会有选择地接收。实际上网络上所有控制单元都在不断往CAN总线上发送各种各样的信息,这就需要通过状态域的数值来区分优先权的大小,优先权大的先发送,以便重要信息能够及时地接收使用。同一控制单元发出的信息其状态域的数值即优先权也不完全相同,保证重要信息尽快接收;同一控制单元发出的信息其发送的频率也不完全相同,重要的信息发送频率高。3、CAN总线的研究重点和关键技术CAN总线规定了物理层和数据链路层的协议,其应用层的协议需要用户自己定义。支持CAN的芯片有很多,用户自己开发的应用层协议也有很多。因此,汽车CAN总线的研究重点是：针对具体的车型开发ECU的硬件和应用层的软件,并构建车内网络。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)。4、CAN总线在汽车上的应用现状目前,汽车上的网络连接方式主要采用2条CAN总线。1条用于驱动系统的高速CAN,速率达到500kb/s;另1条用于车身系统的低速CAN, 速率大约是10125kb/s。驱动系统的高速CAN的主要连接对象是发动机、ABS、ASR、TCS控制器和组合仪表等。它们都是控制与汽车行驶直接相关的系统。车身系统的低速CAN的主要连接对象是4门以上的中控门锁与防盗控制开关、电动车窗、后视镜和车厢内照明灯等。有些先进的轿车除了上述2条CAN总线外,还会有第3条CAN总线,它主要负责卫星导航及智能通讯系统。驱动系统的高速CAN和车身系统的低速CAN这2条独立的总线之间没有联系,通过设置“网关”,在各个CAN之间搭桥,可以实现资源共享。此外，将各个数据总线的信息反馈到仪表板总成的显示屏上,驾车者只要看仪表板,就可以知道各个电控装置是否工作正常。目前,支持CAN协议的有英特尔、摩托罗拉、惠普、西门子、MICROCHIP、NEC、SILIONI等著名公司。欧洲大部分汽车制造商,如宝马、保时捷、劳斯莱斯、大众、沃尔沃、雷诺等都已经使用了CAN总线。奔驰公司生产的大部分轿车和载货汽车都使用基于CAN的发动机管理系统,它的传送速度为500kb/s。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、东风雪铁龙赛纳、东风标致307、苏州金龙、一汽大众宝来、斯太尔王系列等车型。国内较早研究CAN总线的有北京航空航天大学、清华大学、中国汽车技术研究中心等单位, 不过目前的研究还处于起步阶段。研制生产CAN元器件的厂家很少,具有自主知识产权的专用芯片更少。结语随着电子技术和大规模集成电路的迅速发展,网络控制芯片性能逐步提高,体积逐步减小, 价格进一步降低,为汽车局域网的普及推广创造了良好的条件。CAN以其优异的品质具有明显的优势,越来越受到业界的欢迎。CAN总线在汽车上的广泛应用将使汽车的动力性、操纵稳定性、安全性、燃油经济性都上升到新的高度,给汽车技术的发展注入新的活力。参考文献1付亮,李伟.CAN总线技术及其在现代汽车中的应用.中国汽车制造,2006.072王箴.CAN总线在汽车中应用.中国汽车报,2004.093葛林,周文华,徐航