CAN总线技术及其在现代汽车中的应用

1、 CAN总线技术及其在现代汽车中的应用 一 .CAN总线的概念和应用领域简介 CAN（control area network）-控制局域网。CAN总线是现场总线技术的一种。1986年德国最大的工业企业之一ROBER BOSCH公司首次提出了为汽车监控及控制系统设计了CAN总线。它是为了解决现代汽车中ECU之间的数据交换而开发的。它可用来连接汽车和工业应用中的各种电子控制模块。任何一个需要稳定、可靠的且低成本网络系统或设备，都有可能成为CAN节点。迄今为止，全球的CAN节点已达1.5亿个。现在世界上很多著名的汽车都使用CAN 总线来实现内部系统的控制与各检测和执行机构间的数据通信。例如汽车防抱

2、死制动系统，安全气蘘等。实际上，机动车辆总线和工业也有许多的相似之处，即要求成本低，实时处理能力强，抗强电磁干扰，可靠性高等优点。因此CAN总线也广泛应用于离散控制领域中的过程监测和控制，特别是工业自动化的底层监控，以完成控制与监测设备之间和实时可靠的信息交换。二CAN总线的特点 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，其主要特点如下所列：(1) CAN总线采用三层模型：物理层，数据链路层和应用层。拓扑结构为总线型。（2）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。（3）CAN总线采用独特的非破坏性总线仲裁技

3、术，优先级高的节点优先传送数据，可满足实时性要求。（4）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。（5）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。（6）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。（7）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。（8）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）。（9）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

4、志符）可达110个。而在扩展帧（29位报文标志符）其个数几乎不受限制。(10)采用不归码/解码方式，并采用位填充技术。三 .CAN总线的通信原理 3.1 CAN总线协议是建立在国际标准的开放系统OSI 7层互联参考模型基础上的。其模型结构只有三层。即只取OSI底层的物理层，数据链路层和应用层，保证节点间无差错的数据传输。CAN 总线上用“显性”和“隐性”两个互补的逻辑值表示”0”和”1“。如下图1所示，VCNA-H和VCAN-L为CAN总线收发器与总线之间的两接口引脚。信号是以两线之间的”差分“电压形式出现。在隐性状态，VCNA-H和VCAN-L被固定在平均电压的附近。Vdiff近似于0。显性

5、位以大于最小值差分电压表示。CAN总线的通信距离最远可达10km（位速率为5kbps），通信速度最快可为1mbps（此时的最长通信距离可以为40米）。3.2报文传输 CAN技术的报文传输为多主方式工作，网络上的任意节点均可在任意时刻主动的向网络上其他节点发送信息，而不分主从。CAN节点只需通过对报文的表示符滤波即可实现点对点，一点对多点及全局广播等几种方式发送，接收数据。CAN总线的数传输采用帧格式的不同，分为含有11位标准帧含有29位标志符的扩展帧，CAN总线的侦类型分为数据帧，远程帧，错误帧和过载帧。四CAN总线应用技术介绍4.1CAN可靠性为防止汽车在使用寿命期内由于数据交换错误而对司机

6、造成危险，汽车的安全系统要求数据传输具有较高的安全性。如果数据传输的可靠性足够高，或者残留下来的数据错误足够低的话，这一目标不难实现。从总线系统数据的角度看，可靠性可以理解为对传输过程产生的数据错误的识别能力。残余数据错误的概率可以通过对数据传输可靠性的统计测量获得。它描述了传送数据被破坏和这种破坏不能被探测出来的概率。残余数据错误概率必须非常小，使其在系统整个寿命周期内，按平均统计时几乎检测不到。计算残余错误概率要求能够对数据错误进行分类，并且数据传输路径可由一模型描述。如果要确定CAN的残余错误概率，我们可将残留错误的概率作为具有8090位的报文传送时位错误概率的函数，并假定这个系统中有5

7、10个站，并且错误率为1/1000，那么最大位错误概率为1013数量级。4.2CAN错误检测机制CAN拥有互补的错误检测机制，错误漏检的概率几乎为零。它包含有位检查、位填充检查、格式检查、应答检查和循环冗余检查（CRC：CycleRedundancyCheck）等五种不同的错误检查方法。位检查：发送报文的站观测总线电平并探测发送位和接收位的差异，在仲裁阶段不进行位检查。位填充检查：发送站在发送五个连续相等位后会自动插入一个与之互补的补码位；接收时这个填充位被自动丢掉。如果在一帧报文中有6个相同位，CAN就知道发生了错误。格式检查：这种方法通过位场检查帧的格式和大小来确定报文的正确性，用于检查格

8、式上的错误。应答检查：被接收到的帧由接收站通过明确的应答来确认。如果发送站未收到应答，那么表明接收站发现帧中有错误。循环冗余检查（CRC）：在一帧报文中加入冗余检查码，接收站通过CRC可判断报文是否有错。4.3CAN总线的优点1 .成本低. 2.总线利用率高；3.传输距离较远；4.数据传输速率高（1mb/s）；5.可根据报文的ID决定是否接受该报文；6.错误处理和检错机制完善；7.发送的信息遭到破坏后可以自动重发；8、CAN总线的节点设备在错误严重的情况下自动退出CAN总线。9.CAN总线的报文不包含原地址或目标地址，只用标志符来指示优先级。五CAN总线技术在现代汽车中的应用5.1CAN总线技

9、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。优先权信号类型电控燃油喷射系统电控传动系统ABS系统ASR系统废气再循环系统空调系统1实际喷油量发送接收-2发动机转速发送接收接收接收-接收3油量设置接收-发

10、送-4车轮转速接收接收发送接收-5油门踏板位置发送接收接收接收-6变速比接收发送-接收接收-7怠速设置接收-发送发送8冷却液温度发送接收-接收9空气温度发送-接收 表一（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，

11、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4，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。5.2CAN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

12、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。如图2所示，瑞典斯勘尼亚（Scania）卡车采用了三条CAN总线5。CAN-busI包含了不太重要的ECU（影音系统和空调等）；CAN-busII处理的是重要但不与发动机或制动控制直接相关的子系统的通讯（如仪表等）；CAN-busIII是最重要的，它包含了动力系统中所有的ECU（发动机、变速箱、制动管理系统等）。另外，该车中还采用协调系统ECU（COO）作为这三条总线的网关，连接C

13、AN-busI的是诊断总线（Diagnosticbus），可用作错误诊断和纠错。图二大众途安MPV上采用了5条CAN总线把车辆上相关的控制器都串联起来，做到全车信息即时共享。包括：驱动CAN、舒适CAN、仪表CAN、信息娱乐CAN、和诊断CAN。它们之间信息共享，协调工作。例如当诊断CAN发现前左转向灯不亮时，它会诊断出故障提醒驾驶者，同时在转向时，用左前雾灯代替左转向灯。5.3CAN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6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。六总结通过CAN技术的使用，可使汽车更加安全、舒适、可靠，同时可以更简单、迅速地实现车辆的在线编程实现诊断功能。CAN总线技术在我国汽车中将很快得到普及，它是汽车发展的一个趋势。但是CAN总线技术还有其不足，作为一种事件驱动型（event-driven）总线，CAN总线最高速率仅达到1Mbps，无法提供下一代线控系统应用所需的容错功能或带宽。3.3CAN总线技术在汽车中应用的关键技术.参考文献1 阳宪惠.现场总线技术及其应用.北京：清华大学出版社，第一版，1999，70-386.2王箴.