CAN总线技术在现代汽车上的应用与研究

论文稿纸 CAN 总线在现代汽车的研究与应用 CANCAN 总线技术在现代汽车上的研究与应用总线技术在现代汽车上的研究与应用 摘要 CAN Controller Area Network 控制局域网是现场总线的一 种 与其他一般总线相比 它的数据通讯具有突出的可靠性 实用性和灵 合性 在国外 欧洲生产的轿车目前已广泛采用了 CAN 总线来实现数据 的通讯 在国内 目前主要是在一些合资品牌的中高档次的轿车上几乎 采用了该系统 但几乎都是直接采用国外的成熟技术 并不具备自主的 知识产权 国内目前能够自主开发的汽车 CAN 总线系统主要是基于汽车 车身系统来控制 汽车其他系统 CAN 总线的应用在目前还处于研发阶段 本文首先介绍 CAN 总线系统在汽车上应用情况 然后结合我公司车型的 特点 介绍了一种高可靠性 低成本的实用型汽车车身 CAN 总线系统的 设计方案 关键词 CAN 总线 控制器 节点 通讯协议 速率 1 1 引言引言 随着计算机 通讯 微电子技术的迅速发展 以全数字式现场总线 为代表的控制仪表 设备大量应用 使得传统的现场控制技术及现场控 制设备发生了巨大的变化 繁琐的现场连线被简单的 现场总线网络所 代替 系统设计灵活 设备维护简单 信号传输质量也大大提高 为工 业现场控制用户带来巨大好处 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 随着电子技术的迅速发展和在汽车上的广泛应用 汽车电子化程度 越来越高 特别是微控制器进入汽车控制领域后 给汽车发展带来了划 论文稿纸 CAN 总线在现代汽车的研究与应用 时代的变化 汽车的动力性 操作稳定性 安全性 燃油经济性都得到 了大幅提升 电子设备的大量应用 必然导致车身布线愈长愈复杂 运行可靠性 降低 故障维修难度增大 特别是电子控制单元的大量引入 为了提高 信号的利用率 要求大批的数据信息能在不同的电子单元中共享 汽车 综合控制系统中大量的控制信号也需要实时交换 传统线束已远远不能 满足这种需求 针对上述问题 就选择了网络技术 在借鉴计算机网络 技术和现场控制技术的基础上 开发出了各种适用于汽车环境的网络技 术 和其它控制现场相比 汽车内温度变化范围大 45 120 电 磁干扰和其它电子噪声强 环境恶劣 网络在车内的运行可靠性尤为重 要 这不但体现在网络结构自身的容错能力和抗干扰能力上 而且也体 现在信号的编码方式和传输方式上 汽车局域网无一例外地都采用了同 步串行传输方式 数据信号多采用 PWM 和 NRZ 编码 通常位速率高于 100kbps 采用 NRZ 编码 低于 100kbps 采用 PWM 编码方式 2 2 汽车中的信息多路传输与控制器局域网汽车中的信息多路传输与控制器局域网 CAN CAN 汽车中的信息一般是单路传输 随着汽车上电子设备越来越多 许多 汽车电子设备可能会需要同一路信号 如组合仪表和发动机 ECU 都需要车 速信号和转速信号 通常情况下 我们会增加传感器的数量或采用信号分 配器 而采用控制器局域网 CAN 网络上任何节点都能实现数据共享 目 前存在的多种汽车网络标准 其侧重的功能有所不同 为方便研究和设 计应用 SAE 车辆网络委员会将汽车数据传输网划分为 A B C 三类 论文稿纸 CAN 总线在现代汽车的研究与应用 A 类 主要面向传感器和执行器控制的低速网络 通常作为汽车车身 CAN 总线系统的控制 数据传输位速率通常只有 1 10kbps 主要应用于电 动门窗 座椅调节 灯光照明 雨刮和暖风电机 中央门锁 电动后示 镜 倒车雷达 电喇叭等控制 B 类 主要面向独立模块间数据共享的中速网络 位速率一般为 10 100kbps 主要应用于电子车辆信息中心 故障诊断 组合仪表显示 等系统 以减少传感器和其它电子部件的数量 C 类 主要面向高速 实时闭环控制的多路传输网 位速率一般为 100kbps 1Mbps 主要用于悬架控制 牵引控制 发动机控制 防抱死 系统 导航系统 安全气囊等系统 以简化分布式控制和进一步减少车 身线束 3 3 CANCAN 节点传输协议及硬件系统节点传输协议及硬件系统 CAN 是 80 年代初BOSCH 公司为解决现代汽车中众多控制单元 测 试仪器之间的实时数据交换而开发的一种串行通信协议 经多次修订 于 1991 年 9 月形成技术规范 2 0 版本 该版本包括 2 0A 和 2 0B 两部分 其中 2 0A 给出了报文标准格式 2 0B 给出了报文的标准和扩展两种格 式 推出 2 0B 是为了满足美国汽车制造商对 C 类网应用的要求 随后 论文稿纸 CAN 总线在现代汽车的研究与应用 SAE 的货车客车控制和通信网络委员会 J1939 投票通过了将 CAN 作为 C 类数据交换网应用于客车 货车 农业及建筑车辆 目前 支持 CAN 协议的有 INTEL MOTOROLA PHILIPS SIEMENS NEC HONEYWELL 等百余家国际著名公司集成电路 其中 CAN 应用器件也 琳琅满目 层出不穷 已经逐步形成产品系列 以下主要针对汽车车身 CAN 总线系统的电路加以介 开关 数字量 模拟量检测电路 汽车节点的开关器件 车内外灯光 雨刮 暖风 空调 车窗玻璃 电动后视镜 中央门锁 车门 喇叭等等的开关 特别复杂和繁多 采 用电流检测的信号 如水温 油位 机油压力传感器信号都是非线性的 模拟信号 而采用频率检测的信号 如发动机转速 车速是脉冲数字信 号 所以可靠实时地对这些开关 模拟量 数字量进行检测成为汽车电 子硬件必须解决的问题 传统的分立元件保持电路存在可靠性差 尤其 是开关触点氧化严重 浪费大量的微处理器 I O 口等问题 推荐采用 MOTOROLA 公司的多路开关检测芯片 MC33993 其突出优点如下 3 3 5 0V 的 SPI 序列读写 SO SI SCLK 8 路可编程开关输入检测 接地或接电源 14 路接地开关输入检测 每路开关状态改变均能够产生中断 开关输入电压从 14V Vpwr 工作电源 Vpwr 最大可达 40V 开关状态改变时的可选择唤醒 可选择的湿性电流 16mA 或 2mA 22 对 1 的模拟量输出 论文稿纸 CAN 总线在现代汽车的研究与应用 Vpwr 的低功耗电流 standby current 小于 100uA VDD 的低功耗电 流 standby current 小于 10uA 可见只需要四个 CPU 口线 SPI 序列线和片选 就能够完成 22 路 开关量 其中有 8 路可编程为对接电源开关 的检测 还可以进行串行 和并行的多片 MC33993 级连 所谓的湿性电流 wetting current 指 的是 MC33993 内部提供的输入口的上拉和下拉恒流源 可以编程选择为 16mA 或 2mA 这对于保证开关的可靠闭合 去除金属触点的氧化物有着 良好的作用 输入口的恒流源 可以直接驱动 MOSFET 以及 LED 每一个 输入口都可以编程为模拟量输出状态 从而在 AMUX 引脚输出所选输入口 的电压 利用 MC33993 恒流源和模拟量输出可以组成线性的传感器检测 电路 ADC 芯片选用 AD 公司生产的并行数据采样集成芯片 AD1674 它从 引脚到功能都与 AD574 674 完全兼容 但内部增加了采样 保持电路 采 样频率为 100kHZ 并且有全控模式和单一工作模式 其采样精度可达 0 05 符合高速数据采集的要求 功率器件驱动电路 汽车车身控制系统需要驱动大功率的用电器件 比如车内外照明信 号灯 前后雨刮器电机 暖风电机 冷凝散热电机 电动车窗电机 电 动后视镜 电喇叭 中央锁执行器等等 功率驱动器件考虑采用 MOTOROLA 公司的汽车专用功率器件 MC33286 为汽车电气专用智能的双 路控制驱动芯片 与传统的机械继电器相比 自身提供过流和过热保护 响应时间更短 稳定性更高 MC33286 设有两路驱动通道 每路最大工 作电流可达 15A 通过两路输入端口将 CPU 引脚电平信号引入 经过内 论文稿纸 CAN 总线在现代汽车的研究与应用 部的逻辑处理模块转换成输出通道的电平变化 特别适合信号灯以及阻 性负载的驱动 MC33887 是带反馈的 H 桥型驱动芯片 专用来驱动需要 正反转的电机负载 MC33486 与 MC33887 类似 但内部只有半桥须外加 CMOS 管以构成全桥驱动电路 稳定输出可达 10 A 尤其适用于电动车窗 电机之类的大功率并伴有冲击电流的正反相控制要求 3 3 软件结构软件结构 系统的程序结构分为四个部分 CAN 通讯程序 包括应用层协议的 SJA1000 通讯 外围接口程序 所有检测芯片和驱动芯片的驱动 中断服务程序 处理开关信号以及故障报警等消息 主程序 完成系 统初始化和任务调度等 4 4CANCAN 总线系统在东风卡车上的应用方案总线系统在东风卡车上的应用方案 4 14 1 整车总线系统总体结构设计整车总线系统总体结构设计 我公司生产车型主要以卡车为主 相对于轿车来说 卡车的附加值 相对较低 汽车上各系统采用的电子控制器还比较少 目前已经知道在 汽车上采用有 在动力系统上采用了发动机 ECU 控制系统 包括柴油发 动机预热控制器 EGR 废气循环控制器 在制动系统采用了 ABS 防抱死 控制系统 在车身系统则采用得较多 主要有电子组合仪表 无级暖风 灯光亮度调节 中央门锁 电动玻璃升降 电动后示镜 倒车雷达等 基于整个成本的考虑 我们可以采用的网络架构如下图所示 论文稿纸 CAN 总线在现代汽车的研究与应用 卡车 CAN 总线系统网络架构 从该图可以看出 该系统有两条不同速度 CAN 总线系统 这是因为 汽车上各种电器对网络信息传输延迟的敏感性差别很大 发动机控制器 ABS 防抱死控制器等之间的协调关系所要求的实时性很强 而前后车灯 的开关 车门开闭 玻璃升降等简单事件对信息传输延迟的要求要宽松 得多 传输延迟允 10ms 100ms 如果将这些功能简单的节点都挂在高 速总线上 势必会提高对节点的技术要求和成本 故有必要进行多路总 线设计 考虑到与国际上标准的一致性 可采用 2 条 CAN 总线 汽车驱动系统中采用高速 CAN 信息传输速度达 500K 1M bps 其主要连接对象是 发动机 ABS 防抱死控制器及组合仪表信号采集系 统等 驱动系统 CAN 的控制对象都是与汽车行驶控制直接相关的系统 对信号的传输要求有很强的实时性 它们之间存在着较多的信息交流 而且很多都是连续的和高速的 车身系统中采用低速 CAN 信息传输速率为 100Kpbs 主要连接对 象是 前后及车内灯光控制开关 雨刮控制 暖风控制 中央门锁电动 后视镜控制开关 电动车窗升降开关 气候 空调 控制开关 故障诊 论文稿纸 CAN 总线在现代汽车的研究与应用 断系统 组合开关及驾驶员操纵信号采集系统等 车身系统 CAN 的控 制对象主要是低速电机 电磁阀和开关器件 它们对信息传输的实时性 要求不高 但数量较多 将这些电控单元与汽车驱动系统分开有利于保 证驱动系统的实时性 采用低速 CAN 总线还能增加总线的传输距离 提高抗干扰能力 降低硬件成本 两条 CAN 总线相互独立 通过网关服务器进行数据交换和资源共享 在这里车身前模块相当于中央控制器 是整车管理系统的控制核心 也 是整车综合控制的基础 主要功能是对各种信息进行分析处理 并发出 指令 协调汽车各控制单元及电器设备的工作 同时 中央控制器也是 高速 CAN 总线和低速 CAN 总线的网关服务器 4 2 节点的设置节点的设置 根据卡车的特点 我认为在车身系统拟采用两个 CAN 总线控制器对 车身电器进行控制 前模块可以安装在驾驶室中央配电盒或保险丝盒处 控制对象包括内部和前部灯光 暖风 雨刮及喷水 遥控中央门锁 电 动车窗 电动后视镜 电喇叭等 后模块则安装在车的尾部 控制对象 主要包括后部灯光 倒车雷达 另外对其他没有实现智能控制的电器设 备 包括点烟器 收放机 石英钟 空调 电熄火器等 所需的继电器 和保险丝则包含在前模块内部 并在电气上与总线控制部份分开 避免 对控制器产生干扰 这样就可取消中央配电盒或保险丝盒 并且大大减 少了继电器和保险丝的数量 原来所需的中央门锁 倒车雷达 预热控 制 综合报警等控制器 则可完全由前后两个模块来实现 虽然由于增 加两个模块增加了成本 但由于取消了中央配电盒和其他控制器 因而 总体成本不会增加多少 完全可以在汽车上得到实际应用 论文稿纸 CAN 总线在现代汽车的研究与应用 4 3 控制的输入量和输出量控制的输入量和输出量 4 3 1 控制输出量控制输出量 序号输出特性控制设备取电位置建议控 制方式 O1大电流左远光灯常电继电器 O2大电流右远光灯常电继电器 O3大电流左近光灯常电继电器 O4大电流右近光灯常电继电器 O5常电流左前位置 灯 常电HSD O6电 流右前位置 灯 常电HSD O7常电流前左转向 灯 ON 危险报警取自常电 HSD O8常电流前右转向 灯 ON 危险报警取自常电 HSD O9常电流左前雾灯常电继电器 O10常电流 前部 右前雾灯常电继电器 O11常电流左侧转向 灯 ON 危险报警取自常电 HSD O12常电流 侧面 右侧转向 灯 ON 危险报警取自常电 HSD O13常电流车内顶灯直接常电LSD O14常电流车牌牌照灯常电HSD O15常电流左倒车灯ONHSD O16常电流右倒车灯ONHSD O17常电流左后雾灯ONHSD O18常电流右后雾灯ONHSD O19常电流左制动灯ONHSD O20常电流右制动灯ONHSD O21常电流左后转向 灯 ON 危险报警取自常电 HSD O22常电流右后转向 灯 ON 危险报警取自常电 HSD O23常电流左后位置 灯 ONHSD O24常电流 尾部 右后位置 灯 ONHSD O25常电流照明控制面板 及开关照 明 常电HSD O26电流沉雨刮块档ACC继电器 O27常电沉 雨刮 喷水雨刮慢档ACC继电器 论文稿纸 CAN 总线在现代汽车的研究与应用 O28常电沉喷水电机ACC继电器 O29常电流电喇叭电 源 常电继电器 O31常电流石英钟直接常电FUSE O32常电流收放机电 源 ACC 后直接有电FUSE O33常电流点烟器ACC 后直接有电FUSE O37常电流暖风暖风电机ACC继电器 O38常电流散热电机ACCFUSE 继电器 O39常电流 空调 压缩机 提升电磁 阀 ACCFUSE 继电器 O40常电流中控锁电 机正反 常电继电器 O41常电流 中控锁 2 4 个 中控锁电 机正反 常电继电器 O42常电流电动车窗 2 4 个 电动车窗 电机 ON继电器 从上述表格可以看出 在选择功率器件驱动方面 由于成本的考虑 对如远近光 前雾灯等电流比较大的器件 可以采用继电器 而对另外 如转向灯 位置灯等工作电流比较小的器件 可以采用功率驱动芯片 另对一些象收放机 石英钟等没有必要采用智能控制的设备则直接采用 保险丝供电 以降低整个成本 由于其他功能扩展需要 可以在前模块 上可预留 5 10 个保险备用 在后模块上 由于尾部灯光功率较小 需 要具备防水功能 因此全部采用功率驱动芯片控制 4 3 2 开关输入量 开关输入量 序号特性名称备注 K1控火充电指示输入信号 K2控火钥匙 ACC 档 K3控火钥匙 ON 档 K4控火钥匙 ST 档 K6控地小灯一档开关 K7控地双向压力 K8控地远光灯开关 K9控地超车开关 论文稿纸 CAN 总线在现代汽车的研究与应用 K10控地前雾灯开关 K11控地后雾灯开关 K12控地危险报警开关常电 K13控地左转向开关 K14控地右转向开关 K15控地近光灯开关 K16控地雨刮复位开关 K17控地暖风开关 K18控地AC 开关 暖风开关和空调开关同时闭 合后 空调开始工作 K19控地雨刮慢档开关 K20控地雨刮快档开关 K21控地间歇档开关间歇时间为 6S K22控地喷水开关喷水开关接通后雨刮动作 2 次 K23控地 制动灯开关 K24控地倒车开关 K25控地车门开关常电 K26控地喇叭开关常电 K27控地油水分离到仪表 K28控地机油压力到仪表 K29控地真空压力到仪表 K30控地制动液面过低到仪表 K31控地摩擦片开关到仪表 K32控地驻车制动到仪表 K33控地手动上锁开锁常 电 K34遥控上锁 遥控距离 8m 遥控器 K35遥控开锁 遥控距离 8m 遥控器 从上述表格可以看出 除点火锁的 ACC ON ST 外 对其他一些 开关信号 我们全部采用了接地控制 这主要是从安全角度来考虑 由 于整车负极搭铁 采用接地控制可以有效避免由于导线磨损或铜芯外露 引起的接地短路 从而可以减少火灾隐患 因而在输入端无需串接保险 4 4 组合仪表和中央显示器组合仪表和中央显示器 组合仪表采用步进电机机芯结构 仪表中央有一块小 LCD 液晶显示 屏 除了显示小计和累计里程外 还可显示出故障设备的位置或故障代 码 此外在一些较为高档的车上 还可显示倒车雷达和室内外温度等信 论文稿纸 CAN 总线在现代汽车的研究与应用 息 4 5 通讯协议通讯协议 对于各节点之间数据的通讯协议 CAN 的底层协议可以完全按照 SAEJ1939 来实现 而对应用层协议 SAEJ1939 71 对车身部分并没有规 定 因此必需为总线系统编制网络通讯协议代码 我们可以根据 SAEJ1939 21 专用 B 的格式来制订 以下对该协议作一个简要介绍 论文稿纸 CAN 总线在现代汽车的研究与应用 4 5 1 ID 码定义 Buffer1 4 7 Buffer1 0 3 Buffer2 4 7 Buffer2 0 3 Buffer3 4 7 Buffer3 0 3 Buffer4 4 7 Buffer4 0 3 PRIORITYPGN PGN SA 源