智能网联汽车之线控底盘技术及应用-课件 ch01 线控底盘的检查

线控底盘的检查智能网联汽车之线控底盘技术及应用项目一01线控底盘的检查新能源汽车新能源汽车与智能网联汽车新能源汽车是指采用新型动力系统，完全或主要依靠新型能源驱动的汽车，包括纯电动汽车、插电式混合动力汽车（含增程式电动汽车）和燃料电池汽车等。其中，纯电动汽车是指完全由可充电电池提供动力的汽车，具有噪声小、结构简单、舒适性高、综合碳排放量低等优点，核心技术包括动力电池、电驱系统、电控系统等，其结构如图1-1-1（a）所示。插电式混合动力汽车是指由两个或多个能单独或同时工作的动力系统组成的汽车，分为串联式混合动力汽车、并联式混合动力汽车、混联式混合动力汽车3种，其结构如图1-1-1（b）所示。新能源汽车新能源汽车与智能网联汽车新能源汽车新能源汽车与智能网联汽车增程式电动汽车本质上是一种串联式混合动力汽车，在纯电动汽车的传动系统的基础上，增加了一个增程器，以延长续航里程。燃料电池汽车是以燃料电池系统作为动力源或主动力源，将燃料的化学能直接转化为电能的汽车，具有高效、清洁、零污染等优点，主要有氢燃料电池汽车、甲醇燃料电池汽车等。智能网联汽车新能源汽车与智能网联汽车智能网联汽车是指搭载先进的车载传感器、控制器、执行器等装置，并融合现代通信与网络技术，实现汽车与“X”（代指汽车、道路、行人及互联网等）的智能信息交换、共享，具备复杂环境感知、智能决策、协同控制等功能，可实现“安全、高效、舒适、节能”行驶，最终可实现替代人来操作的新一代汽车。车联网是以车内网、车际网和车云网为基础，依据特定的通信协议和数据传输标准，通过汽车与“X”的互联互通，实现车辆和交通管理智能化，并为驾驶员提供动态信息服务的一种网络。“”新能源汽车与智能网联汽车新能源汽车产业与智能网联汽车产业交叉融合在新能源汽车产业快速发展的过程中，智能化和网联化的特征日益凸显。汽车智能化是指综合运用现代通信与网络、电子信息、人工智能等先进技术，实现汽车的动力智能、底盘智能、座舱智能、驾驶智能、生产智能、检测智能等，其中动力智能又包括动力系统运维与监管智能、能源补给智能等。汽车网联化是指综合运用LTE（LongTermEvolution，长期演进）、5G、以太网等先进的信息通信技术，实现汽车与路侧单元、其他智能汽车、云端服务器等的互联互通、信息共享、业务协同，最终实现车辆智能控制，并为驾驶员提供动态信息服务，服务于智能交通系统。汽车网联化是实现智能化功能扩展的重要手段，是单车智能向多体协同智能演进的必要途径。新能源汽车与智能网联汽车新能源汽车产业与智能网联汽车产业交叉融合2016年，《节能与新能源汽车技术路线图1.0》中首次提出智能化和网联化分级，随后演化出智能网联汽车的概念，形成当前新能源汽车产业与智能网联汽车产业交叉融合、螺旋支撑的协同发展新局面。新能源汽车和智能网联汽车是汽车电子信息化、智能化、网联化的现代高科技产物，是集环境感知、决策规划、控制执行于一体的移动信息处理平台和现代运载工具。自动驾驶是依靠人工智能、视觉计算、雷达和定位等系统协同工作，以自动的方式持续、安全、有效地执行部分或全部驾驶任务的前沿技术，分为L0至L5级。国际自动机工程师学会（SAEInternational）定义的自动驾驶等级如图1-1-2所示（因为L0级表示没有任何智能驾驶功能，所以此图中省略了L0级）。新能源汽车与智能网联汽车新能源汽车产业与智能网联汽车产业交叉融合新能源汽车与智能网联汽车自动驾驶技术的三大关键系统自动驾驶技术的三大关键系统分别为感知层、决策层、执行层，如图1-1-3所示。新能源汽车与智能网联汽车自动驾驶技术的三大关键系统自动驾驶技术的三大关键系统分别为感知层、决策层、执行层，如图1-1-3所示。负责收集和理解车辆周围环境的信息，常见硬件主要包括激光雷达、毫米波雷达、高清摄像头、GNSS（GlobalNavigationSatelliteSystem，全球卫星导航系统）、RTK（Real-TimeKinematic，实时动态）定位系统、IMU（InertialMeasurementUnit，惯性测量单元）等。感知层根据感知层提供的信息，制定驾驶策略和路径规划。决策层负责将决策层的指令转化为车辆的实际操作，控制车辆的加速、制动、转向等执行机构，以确保车辆按照决策层的指令精确执行操作。底盘线控化是实现L2+自动驾驶的关键一环。执行层线控底盘认知汽车底盘的组成及功能汽车底盘作为汽车的关键组成部分，犹如汽车的“骨架”和“神经系统”，承担着支撑车身、传递动力、控制行驶方向与速度、保障车辆稳定性和舒适性及确保驾驶安全等重要使命。它通常由传动系、转向系、行驶系和制动系四大系统组成，如图1-1-4所示。这四大系统协同工作，可实现驱动、换挡、制动和转向等核心功能。线控底盘认知汽车底盘的组成及功能支撑与安装：底盘为发动机及其他各部件、总成提供稳固的支撑与安装基础，构建起汽车的整体结构框架。动力传递：底盘接收发动机或驱动电机输出的动力，并通过传动系将动力高效传递到驱动轮，驱动汽车行驶。行驶控制：借助转向系和制动系，可以实现对车辆行驶方向与速度的精确控制，确保车辆按照驾驶员的意图行驶。稳定性和舒适性：行驶系中的悬架系统能够有效吸收路面冲击，减小车辆振动，提升车辆行驶的稳定性和人员乘坐的舒适性。安全保障：制动系和底盘的整体设计紧密配合，保障车辆在各种复杂路况下都能安全可靠地行驶。汽车底盘的作用主要体现线控底盘认知汽车底盘的发展历程汽车底盘历经了从零散式设计到智能化设计的漫长演进过程，逐步实现了集成化、轻量化和智能化，各发展阶段均具有鲜明的特点，如图1-1-5所示。线控底盘认知线控底盘的工作原理线控底盘技术是实现高级别自动驾驶的关键技术。与传统汽车底盘相比，线控底盘的核心特点是取消了操纵机构与执行机构之间的机械连接，完全摒弃了机械能量传递方式，转而采用电信号传输和电子控制方式。在传统汽车底盘中，驾驶员通过机械连接装置直接操控车辆。例如，当驾驶员踩下制动踏板、油门踏板或转动方向盘时，作用力通过机械连接装置（如连杆、拉线等）传递到执行机构（如制动卡钳、节气门等），并在液压、气压等辅助系统的支持下，完成相应的车辆动作。线控底盘认知线控底盘的工作原理在线控底盘系统中，驾驶员的操作被转化为电信号。具体来说，当驾驶员踩下制动踏板、油门踏板或转动方向盘时，安装在踏板或方向盘上的传感器（如位移传感器、压力传感器等）会将这些操作转化为电信号。这些电信号通过车载网络（如CAN或以太网）传输至电子控制单元（ElectronicControlUnit，ECU）。ECU根据接收到的电信号，结合车辆状态和预设的控制算法，计算出所需的控制指令，并将其发送给执行机构（如线控制动系统、线控转向系统等）。执行机构依赖外部能源（如电能或液压能）执行控制指令，完成相应的任务。线控底盘认知线控底盘的工作原理此外，电子控制器会实时监测执行机构的工作状态和结果，确保其按照预期精确运行，并在必要时进行调整或纠错。这种“信号感知→信号传输→控制计算→执行→监测”的闭环控制模式，不仅提高了系统的响应速度和控制精度，还为车辆智能化、自动驾驶技术的发展提供了坚实基础。线控流程示意图如图1-1-6所示。线控底盘认知线控底盘的优劣势分析线控底盘的组成线控底盘的组成线控底盘与传统汽车底盘相比具有较多优势，如结构简单、机械部件减少、制造成本更低、所需要的空间更小、控制操作更加灵敏等。机械部件减少，可使汽车在使用过程中不易出现故障，即使出现故障，维修时所需零件也较少，可提高维修效率。线控底盘技术推动了我国汽车技术的进步，是汽车智能化发展的重要支撑。线控底盘系统的示意图如图1-1-9所示。线控底盘的组成线控转向系统线控底盘的组成线控转向系统线控转向系统采用闭环控制原理实现精确转向控制。当驾驶员转动方向盘时，转矩传感器和转向角传感器实时采集转向意图，并将信号传输至ECU。ECU综合考虑车速、横摆角速度等车辆状态信息，计算出最优转矩，控制转向电机输出相应的转矩，通过减速机构带动车轮实现转向。同时，转向执行器上的传感器将实际转向角信息反馈至ECU，ECU据此控制路感电机产生方向盘回正力矩，为驾驶员提供真实的路感反馈。作为自动驾驶的核心执行机构，线控转向系统直接决定着车辆的路径跟踪精度和避障能力，是实现智能网联汽车精确控制的关键系统。线控转向系统的结构如图1-1-11所示。与传统机械转向系统相比，线控转向系统用电信号传输替代了机械能量传递，其工作原理如图1-1-12所示。方向盘转向角传感器实时监测驾驶员转向输入，ECU基于车辆动力学模型，综合考虑车速、横摆角速度等参数，精确控制转向电机输出的转矩和转向角，实现理想的转向特性。这种电子控制方式不仅提高了转向精度，还为车辆智能化控制提供了基础平台。线控底盘的组成线控转向系统线控底盘的组成线控转向系统提升了整车设计灵活性：取消了机械转向柱，简化了转向系统布置，为整车布局优化提供了更大的空间。控制性能优越：转向响应时间缩短至100ms以内，控制精度提高30%以上，显著提升了转向灵敏性。支持智能集成：为自动驾驶控制、电子稳定控制（ElectronicStabilityControl，ESC）和悬架系统的集成控制提供了基础平台。转向特性可调：支持转向传动比随速可变功能，低速时转向轻便，高速时转向沉稳，提升了驾驶体验。转向特性可调：支持转向传动比随速可变功能，低速时转向轻便，高速时转向沉稳，提升了驾驶体验。线控转向系统相较于传统机械转向系统具有的优势。线控底盘的组成线控制动系统线控制动系统（Brake-by-WireSystem）是汽车底盘控制的核心技术之一，其结构如图1-1-13所示。该系统主要由制动踏板传感器、ECU、执行器、信号传输网络（包括电信号线和制动油管）及轮速传感器等关键部件组成。当驾驶员实施制动操作时，线控制动系统通过多传感器信息融合技术实现精确控制。制动踏板传感器实时采集驾驶员制动意图，轮速传感器监测车轮运动状态。线控底盘的组成线控制动系统ECU结合这些实时数据，基于车辆动力学模型，计算出各车轮的最优制动力分配方案，并通过执行器实现精确制动控制。同时，线控制动系统与ABS（Anti-lockBrakingSystem，防抱死制动系统）、ESP（ElectronicStabilityProgram，电子稳定程序）等安全系统深度集成，以确保车辆在各种工况下的制动性能和行驶稳定性。作为自动驾驶汽车的关键系统，线控制动系统直接关系到车辆的安全性。它是线控底盘中复杂度最高、可靠性要求最严格的核心系统。当前，高级驾驶辅助系统（AdvancedDriverAssistanceSystem，ADAS）中的自适应巡航控制（AdaptiveCruiseControl，ACC）、自动紧急制动（AutomaticEmergencyBraking，AEB）、自动驾驶等功能都依赖于高性能的线控制动系统。因此，具备快速响应、平顺控制等优异制动性能的线控制动系统，是实现驾驶安全性和舒适性的重要保障。线控底盘的组成线控驱动系统传统机械驱动系统主要依靠驾驶员通过机械连接装置（如油门踏板）直接控制发动机输出转矩，从而实现车辆驱动控制。线控驱动系统（Drive-by-WireSystem）采用电子控制技术，通过传感器、ECU和执行机构组成的闭环系统实现车辆驱动控制，其结构如图1-1-14所示。在该系统中，驾驶员的操作指令通过传感器转换为电信号，经ECU处理后驱动执行机构，最终实现对发动机的精确控制。这种电子控制方式不仅能够实现传统机械驱动系统的功能，还为汽车智能化控制提供了技术基础，具有广阔的应用前景。“”线控底盘的组成线控驱动系统（1）控制性能优越：用电信号传输替代了机械能量传递，显著缩短了制动响应时间（可达100ms以内），同时优化了ABS和ESP的控制精度，提高了车辆主动安全性。（2）系统集成度高：采用模块化设计，简化了制动管路布置，提高了装配效率和空间利用率，减少了约30%的机械部件，降低了维护成本。同时，制动液使用量减少了40%，更加环保。（3）智能化功能扩展：支持堵车辅助制动和坡道起步辅助等智能功能。在拥堵路况下，线控制动系统可基于环境感知实现自动制动；在坡道起步时，线控制动系统可通过智能协调制动力与动力输出，确保车辆平稳起步，有效提升驾驶舒适性。线控制动系统相较于传统机械制动系统具有以下显著优势。线控底盘的组成线控驱动系统传统机械驱动系统主要依靠驾驶员通过机械连接装置（如油门踏板）直接控制发动机输出转矩，从而实现车辆驱动控制。线控驱动系统（Drive-by-WireSystem）采用电子控制技术，通过传感器、ECU和执行机构组成的闭环系统实现车辆驱动控制，其结构如图1-1-14所示。在该系统中，驾驶员的操作指令通过传感器转换为电信号，经ECU处理后驱动执行机构，最终实现对发动机的精确控制。这种电子控制方式不仅能够实现传统机械驱动系统的功能，还为汽车智能化控制提供了技术基础，具有广阔的应用前景。线控驱动系统相较于传统机械驱动系统具有以下显著优势。（1）控制精度高、响应速度快，可通过优化控制算法提高车辆的动力性能和燃油经济性。（2）采用电子线路替代了部分机械连接装置，有效减轻了整车质量，降低了机械故障率，提高了系统可靠性。线控底盘的组成线控驱动系统线控底盘技术的发展趋势线控底盘技术的兴起标志着汽车技术的一次重大变革，它不仅改变了传统汽车的技术架构，还深刻影响着人们对汽车技术的认知。在传统汽车技术中，电子系统主要起辅助机械设备的作用，旨在提升车辆的稳定性和驾驶舒适性，其功能相对有限，常作为辅助系统存在。随着我国线控底盘技术的不断进步，其在汽车技术中的应用日益广泛，电子系统逐渐从辅助系统转变为汽车系统的核心部分。如今，汽车的操作信号大多由电子系统控制，传统的机械控制方式逐渐被电子控制方式取代。滑板底盘示意图如图1-1-15所示。滑板底盘因其独特的架构而得名，它将电驱系统、电池、悬架系统、制动系统、转向系统等集成到底盘中，形成类似滑板的底盘结构。这种集成式的线控底盘通过标准化的软硬件接口，将传统汽车底盘中的机械、液压等部件高度整合，实现了系统决策层或驾驶员操作层与底盘执行层的无缝连接。这种设计不仅简化了底盘结构，还为汽车制造商提供了更广阔、更简洁的车身和内饰设计空间，推动了上下车体和软硬件的解耦。线控底盘技术的发展趋势线控底盘技术的发展趋势电子技术的持续进步推动汽车向集成化、系统化、模块化和智能化方向发展，线控底盘技术恰好契合这一发展趋势。线控底盘技术的本质在于系统化、智能化和集成化，它能够充分发挥汽车各个系统的性能优势，提高整体运行效率，提升车辆的驾驶安全性和舒适性。然而，我国的电子技术仍需进一步提升，才能在汽车领域得到更广泛的应用，这是未来发展的必然趋势。线控底盘技术的发展趋势如图1-1-16所示。线控底盘技术的发展趋势智能化发展未来，线控底盘技术将朝着高度智能化的方向发展。各个线控系统将与汽车的其他电控单元深度集成，实现控制一体化。汽车底盘的线控化将从部分系统的线控化逐步演进到全局线控化，多系统多控制器将逐渐被域控制器取代，从而实现更高效、更智能的车辆控制。可靠性和安全性的提升目前，相关法规仍然要求汽车转向系统和制动系统必须保留机械连接，纯线控的转向系统或制动系统尚未被允许使用。因此，提升线控系统的可靠性和安全性是当前亟待解决的问题。线控系统只有实现高度的安全性，才能获得政府部门的认可，推动线控底盘技术在车辆上的全面应用。未来，线控系统需要在冗余设计、故障诊断和容错控制等方面取得突破，以确保其在极端情况下的稳定运行。线控底盘技术的发展趋势应用范围的扩大随着线控底盘技术成本的降低和可靠性的提升，结合电动化、智能化的发展趋势，其应用范围将进一步扩大。线控底盘技术不仅能广泛应用于传统汽车领域，还能为自动驾驶技术的发展提供强有力的支持。综上所述，线控底盘技术作为汽车技术发展的重要方向，正在推动汽车行业向智能化、集成化和高效化迈进。未来，随着技术的不断成熟和应用范围的扩大，线控底盘技术将在汽车领域发挥更加重要的作用，为汽车工业的转型升级注入新的动力。02线控底盘的CAN检测CAN总线的诞生背景与发展历程在现代汽车产业不断演进的过程中，出于对安全性、舒适性、便捷性、低公害及低成本等多方面的追求，各类复杂的电子控制系统相继问世。这些系统涵盖发动机管理系统、车身电子稳定系统、车载娱乐系统等，它们在提升汽车性能与用户体验的同时，也带来了新的挑战。由于不同系统之间通信所用的数据类型各异，且对数据传输可靠性的要求不尽相同，因此汽车内部往往需要构建多条通信总线，这导致线束数量大幅增加。过多的线束不仅增加了汽车的制造成本与质量，还降低了系统的可靠性，增加了故障排查的难度。为有效应对“减少线束数量”及“通过多个局域网实现大量数据高速通信”的迫切需求，1986年德国电气公司博世（Bosch）率先开发出面向汽车应用的CAN总线协议，开启了汽车通信技术的新篇章。CAN总线的诞生背景CAN总线的诞生背景与发展历程自诞生以来，CAN总线凭借其卓越的性能优势，迅速在汽车领域崭露头角。为进一步规范CAN总线的应用，推动其在更广泛领域的普及，相关国际标准化工作紧锣密鼓地展开。1991年9月，飞利浦半导体（PhilipsSemiconductors）制定并发布了CAN技术规范（Version2.0）。该规范分为A和B两部分，其中2.0A沿用了CAN技术规范版本1.2中定义的CAN报文格式，能够提供11bit地址；2.0B在此基础上进行了扩展，给出了标准和扩展两种报文格式，支持长达29bit的地址，显著增强了CAN总线的地址编码能力，为更丰富的数据通信应用场景奠定了基础。1993年11月，国际标准化组织（InternationalOrganizationforStandardization，ISO）正式颁布了Roadvehicles—Controllerareanetwork(CAN)（ISO11898）。这一国际标准的颁布，为CAN总线在全球范围内的标准化、规范化推广扫除了障碍，有力地推动了CAN总线技术在汽车及其他相关领域的广泛应用。CAN总线的标准化进程CAN总线的诞生背景与发展历程随着技术的不断成熟与完善，CAN总线的高性能和高可靠性逐渐得到全球业界的广泛认可，其应用领域也从最初的汽车领域迅速扩展到工业自动化、船舶制造、医疗设备、工业设备等诸多领域。在工业自动化领域，CAN总线为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了坚实的技术支撑，有效提升了工业生产的自动化水平与效率；在船舶制造领域，CAN总线能够满足船舶复杂控制系统中大量设备之间的数据交互需求，保障船舶航行的安全性与稳定性；在医疗设备领域，CAN总线确保了医疗设备之间数据传输的准确性与及时性，为精准医疗提供了有力保障。如今，CAN总线已成为现场总线领域的重要成员，被誉为自动化领域的计算机局域网，在众多行业中发挥着不可或缺的作用。CAN总线的广泛应用CAN总线的技术特点与优势多主竞争式总线结构与高效仲裁机制CAN总线采用独特的多主竞争式总线结构，具备多主站运行和分散仲裁的特性，同时支持广播通信。在CAN中，任意节点均可在任意时刻主动向网络中的其他节点发送信息，节点之间不存在主从之分，实现了真正意义上的自由通信。当多个节点同时尝试向总线发送数据时，CAN总线协议采用无损结构的逐位仲裁方式，依据报文标识符来确定总线访问优先权。这种仲裁方式确保了高优先级的报文能够优先获得总线使用权，从而极大地提高了数据通信的实时性。传统的RS-485总线只能构成主从式结构的系统，通信主要以主站轮询的方式进行，系统实时性和可靠性较差。CAN总线的多主竞争式总线结构与高效仲裁机制，使其在复杂的工业控制场景下和对实时性要求较高的应用中表现出色。可靠的物理层设计与故障隔离能力CAN总线通过CAN收发器接口芯片82C250的两个输出端CAN_H和CAN_L与物理总线相连，这种物理层设计具有极高的可靠性。CAN_H端仅能为高电平或悬浮状态，CAN_L端仅能为低电平或悬浮状态，这一特性有效避免了在RS-485网络中可能出现的多个节点同时向总线发送数据导致总线短路，进而损坏某些节点的问题。此外，CAN节点在检测到自身错误严重的情况下，能够自动关闭输出功能，从而确保总线上其他节点的正常操作不受影响，避免了个别节点故障导致总线处于“死锁”状态的情况发生。这种强大的故障隔离能力，显著提升了CAN总线的整体可靠性和稳定性，使其能够在复杂、恶劣的工业环境中稳定运行。CAN总线的技术特点与优势完善的通信协议与易于开发实现CAN总线协议高度集成了物理层和数据链路层功能，能够对通信数据进行全面的成帧处理，包括位填充、数据块编码、CRC、优先级判别等关键操作。其中，CAN总线协议的创新之一是摒弃了传统的站地址编码方式，转而对通信数据块进行编码。这种编码方式具有诸多优势：一方面，理论上可使网络内的节点个数不受限制；另一方面，数据块的标识码可由11bit或29bit二进制数组成，能够定义211个或229个不同的数据块。这意味着不同的节点能够同时接收到相同的数据，这在分布式控制系统中具有极大的实用价值。此外，CAN总线协议采用CRC并提供相应的错误处理功能，有力地保障了数据通信的可靠性。同时，CAN总线协议的完善性使得其可由CAN控制器及其接口芯片来实现，大大降低了系统开发的难度，显著缩短了开发周期。相比之下，仅具备电气协议的RS-485总线在系统开发的便捷性和高效性方面远不及CAN总线。可靠的物理层设计与故障隔离能力与其他现场总线相比，CAN总线具有通信速率高、易于实现及性价比高等显著优点。CAN总线的通信速率最高可达1Mbit/s，能够满足众多对数据传输速度要求苛刻的应用场景的需求。同时，随着CAN总线技术的广泛应用和相关芯片的大规模生产，其硬件成本不断降低，使得CAN总线在各类应用中具有极高的性价比。这些优点使得CAN总线在工业自动化、汽车电子、智能交通等众多领域得到了广泛应用，成为目前最具市场竞争力的现场总线之一。CAN总线的分层结构与关键技术细节分层结构概述CAN总线遵循ISO制定的OSI（OpenSystemInterconnection，开放系统互连）七层模型，但其实际结构主要体现为数据链路层和物理层这两层，具体结构如图1-2-1所示。这种简洁且高效的分层设计，使得CAN总线在保证通信功能的同时，尽可能降低了系统复杂度，提高了运行效率。CAN总线的分层结构与关键技术细节分层结构概述CAN总线的分层结构与关键技术细节数据链路层数据链路层在CAN通信中扮演着重要角色，主要由CAN控制器负责实现相关功能。CAN控制器能够生成CAN帧，并将其以二进制码流的形式发送出去。在发送过程中会执行一系列关键操作，包括：位填充，通过在特定数据位序列中插入额外的位，确保数据传输的准确性和稳定性；CRC，利用CRC算法对数据进行校验，以检测传输过程中可能出现的错误；应答检测，用于确认接收节点是否成功接收到发送的数据帧。CAN控制器在接收数据时，同样会进行一系列处理。它会对接收到的二进制码流进行解析与接收，在此过程中会执行一系列关键操作，包括：收发对比，对比发送数据与接收数据的一致性；去位填充，去除发送过程中插入的填充位，还原原始数据；CRC，确保接收数据的完整性。此外，CAN控制器还承担着冲突判断的重要职责，当多个节点同时尝试发送数据时，它能够准确判断冲突情况，并进行相应的错误处理，以保证通信的可靠性。CAN总线的分层结构与关键技术细节物理层CAN收发器是物理层的关键组件，主要负责在逻辑信号和物理信号之间进行转换。（1）CAN收发器。CAN收发器采用差分电平方式实现逻辑信号和物理信号的转换，具体原理如图1-2-2所示。（2）差分信号。为保证CAN通信的稳定性，在CAN总线两端各有一个终端电阻，如图1-2-3所示。（3）终端电阻。CAN总线的分层结构与关键技术细节物理层根据ISO11898-2的规定，终端电阻的标称值为120Ω（最小值为100Ω,最大值为130Ω),最低功耗为220mW。对于具有SPLIT引脚的CAN收发器，如NXP公司推出的TJA1040T（见图1-2-4），终端电阻采用分离式（也称为分裂式）连接方式，具体做法是使用两个60～62Ω的电阻，中间连接一个小电容（4～5nF），如图1-2-5所示。这种连接方式能够有效降低电磁辐射，进一步提高CAN总线的抗干扰能力，在实际中得到了广泛应用。CAN总线的分层结构与关键技术细节CAN总线的波特率与位时间在CAN通信中，有几个重要的概念需要明确。位（bit）是数据存储的最小单位，每个0或1为1bit；字节（Byte）是计量存储容量的一种单位，1B=8bit。波特率是指位速率，即在非同步情况下，发送节点每秒发送的位数，常见的波特率有250kbit/s、500kbit/s等。位时间是指发送1bit所需要的时间，其计算公式为位时间=1bit/波特率。例如，当波特率为250kbit/s时，位时间为4μs。位时间与位速率的关系如图1-2-6所示。波特率的选择对CAN通信性能有着重要影响。较高的波特率虽然能够实现更快的数据传输速度，但同时也对通信线路的质量和抗干扰能力提出了更高的要求。在实际应用中，需根据具体的通信距离、环境干扰等因素合理选择波特率，以确保通信的稳定性和可靠性。CAN总线的分层结构与关键技术细节CAN总线的波特率与位时间CAN总线的分层结构与关键技术细节CAN总线的数据帧格式数据帧是CAN总线的5种报文帧（数据帧、远程帧、错误帧、过载帧、帧间隔）中最为复杂且常用的一种，其格式如图1-2-7所示。在实际使用过程中，我们通常重点关注仲裁段的ID和数据段。数据帧承载着实际的通信数据，其格式的设计直接影响着数据传输的效率和可靠性。CAN2.0A定义了标准帧，CAN2.0B定义了扩展帧，支持CAN2.0B的芯片能够兼容这两种帧格式。标准帧和扩展帧之间的主要区别在于ID的长度，标准帧ID为11bit，而扩展帧ID为29bit。这种设计使得CAN总线能够满足不同应用场景对地址编码能力的需求，为更丰富的数据通信应用提供了可能。CAN总线的分层结构与关键技术细节CAN总线的数据帧格式CAN总线的分层结构与关键技术细节CAN总线的负载率负载率是衡量CAN通信效率的一个重要指标，它指的是在CAN总线上单位时间内实际传送的位数与可以传送的位数之比，即1s内实际发送报文位数除以波特率。例如，某CAN总线的波特率为500kbit/s，在1s内实际发送了150kbit的报文，则其负载率为150/500×100%=30%。在实际应用中，CAN总线的负载率宜控制在30%以内，以保证通信的稳定性和实时性。然而在实际整车应用中，由于各种因素的影响，CAN总线的负载率通常会控制在65%左右。对于各模块而言，要求负载率达到85%左右且不会出现错误帧。为了降低总线负载，可以将一些不重要或实时性不强的报文的发送周期设置得较长，甚至比采集或计算周期还长。例如，由于某些车辆状态监测信息的变化相对缓慢，不需要实时更新，因此可以适当延长其报文发送周期，从而降低总线的负载率，提高总线的整体性能。CAN总线的分层结构与关键技术细节CAN总线的数据排列格式（1）数据排列的基本规则。从CANalyzer的DBC编辑器中可以清晰地看到CAN总线的数据排列格式。每一行表示1B的8bit，从左到右依次为bit0，bit1，…，bit7，一共有8行，从上到下依次为Byte0,Byte1,…,Byte7。由此可见，数据段最多可包含8B数据，共计64bit，且位序从Byte0到Byte7依次递增，具体如图1-2-8所示。（2）数据传输规则。数据传输过程遵循特定的规则。字节的最高位（MostSignificantBit，MSB）最先发送，字节的最低位（LeastSignificantBit，LSB）最后发送。字节的发送顺序有两种选择，既可以选择最高字节（Byte7）最先发送，也可以选择最低字节（Byte0）最先发送，通常情况下采用最低字节最先发送的方式。CAN总线的分层结构与关键技术细节CAN总线的数据排列格式（3）Intel和Motorola格式。CAN总线的数据排列存在Intel和Motorola两种格式，两者的区别主要体现为，在跨字节时，按照Byte0，Byte1，…，Byte7的顺序，Intel格式小字节在前、大字节在后，因此被称为小端；Motorola格式大字节在前、小字节在后，所以被称为大端。例如，对于一个数据，Byte0是12，Byte1是34，Intel格式解析为0x1234，Motorola格式解析为0x3412。在实际应用中，需根据具体的系统设计和通信协议要求确定采用哪种数据排列格式，以确保数据的正确解析和处理。CAN总线的分层结构与关键技术细节CAN总线的数据排列格式CAN总线的分层结构与关键技术细节CAN总线的CRCCRC（CyclicRedundancyCheck，循环冗余校验）主要用于检测或校验数据传输或保存后可能出现的错误，其原理如图1-2-9所示。在数据发送端，CAN控制器根据特定的CRC多项式对要发送的数据进行计算，生成一个CRC值，并将其附加在数据帧中一起发送。在接收端，CAN控制器对接收到的数据帧再次进行CRC计算，并将计算结果与接收到的CRC值进行比较。如果两者一致，则可判断数据帧有效；如果两者不一致，则可判断数据帧无效。CAN总线的分层结构与关键技术细节CAN总线的ChecksumChecksum即校验和，与CRC作用类似，也用于检验数据的准确性。在实际应用中，尽管CRC能够检测出大部分数据传输错误，但并不能检测出所有的差错。为了进一步提高数据传输的准确性，一般在CAN通信中还会增加Checksum。Checksum的计算方式与CRC不同，Checksum的计算方式没有统一的规定，各厂家可以根据自身的需求和系统特点制定相应的计算方法。例如，有些厂家可能会采用简单的字节累加的方式，有些厂家可能会采用更为复杂的算法。通常，Checksum值会在数据段中发送出来，以便接收方进行校验。通过CRC和Checksum的双重校验，能够更有效地保证数据在CAN通信中的准确性和完整性。CAN总线的分层结构与关键技术细节CAN总线的计数器CRC和Checksum主要用于保证信号的有效性，而计数器主要用于保证信号的时效性。计数器一般被称为LiveCounter或RollingCounter。发送节点每次发送一帧报文后，会将该计数器位加1。通常计数器是4bit的，因此其值会在0～15（也有部分应用中为0～14）范围内循环增加。计数器的工作波形如图1-2-10所示。CANFD（CANwithFlexibleData-rate，可变速率的CAN）总线可视为CAN总线的升级版，其主要在协议层面进行了升级，而物理层维持不变。CANFD总线与CAN总线最显著的区别体现在可变速率和新的数据段长度这两方面。从控制段中的BRS位到ACK段（包含CRC分界符）这一区间为可变速率部分，理论上其最大速率可达12Mbit/s，而其余部分采用原CAN总线的速率。例如，某CANFD总线的波特率可能为500kbit/s+2Mbit/s。在数据段长度方面，CANFD总线对其进行了大幅扩充，最长可达64B，并且同样具备标准帧和扩展帧之分，与CAN总线一致。以图1-2-11中的两个扩展帧为例，它们的区别就在于CRC段。具体而言，CRC_15用于CAN总线，CRC_17用于数据段不超过16B的CANFD总线，CRC_21用于数据段超过16B的CANFD总线。CAN总线的分层结构与关键技术细节CANFD总线的特点CAN总线的分层结构与关键技术细节CANFD总线的特点CAN总线的分层结构与关键技术细节CANFD总线的波特率关于CANFD总线的波特率，ISO并未做出明确规定，不过考虑到实际应用中的通信稳定性，一些标准给出了推荐的波特率，如图1-2-12所示。CAN总线的分层结构与关键技术细节CANFD总线的波特率推荐汽车CANFD应用（不同ECU通信）采用500kbit/s+2Mbit/s的波特率。SAEJ2284-4推荐汽车CANFD点对点通信应用（单个ECU刷写）采用500kbit/s+5Mbit/s的波特率。SAEJ2284-5推荐采用1Mbit/s+5Mbit/s、500kbit/s+2Mbit/s、250kbit/s+2Mbit/s的波特率。CiACAN总线的分层结构与关键技术细节CANFD总线的优势CANFD总线具有诸多优势，它支持更高的速率，能够实现更快地刷写ECU。在单个数据帧内其传送率可达64B，有效避免了以往经常出现的数据分拆传输问题。由于物理层未改变，因此CANFD总线可以重新利用CAN总线的线束及其他物理层元件。在电动汽车及未来对速率要求更高的动力CAN应用场景中，CANFD总线的优势更为突出。此外，CANFD总线的上层应用层架构无须改变，可在CAN总线的基础上进行扩展。CAN总线的分层结构与关键技术细节CANFD总线与CAN总线的兼容性问题未来的CAN，在较长时间内都会存在着CAN总线与CANFD总线并存的情况。部分需解决速率问题的节点会率先采用CANFD总线，其他对实时性要求不高的节点仍会使用CAN总线。CANFD节点和CAN节点之间的通信数据可以通过CANFD路由器转发，类似于现在车上处于不同网络的ECU之间的通信。如图1-2-13所示，对于ECU和ABS之间的通信，由CANFD路由器将ECU和ABS的数据1:1转发；对于ECU或ABS和ECAS之间的通信，由CANFD路由器将数据传送到CAN总线上再转发。CAN总线的应用与发展前景在汽车领域的深度应用在汽车领域，CAN总线的应用极为广泛，已成为现代汽车电子控制系统的核心通信技术。世界上众多知名汽车制造商，如奔驰（Benz）、宝马（BMW）、保时捷（Porsche）、劳斯莱斯（Rolls-Royce）和捷豹（Jaguar）等，均采用CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构之间的数据通信。通过CAN总线，汽车的发动机管理系统、制动系统、转向系统、车身电子稳定系统等能够实现高效协同工作，以确保汽车在各种工况下的安全、稳定运行。例如，在发动机管理系统中，CAN总线实时传输发动机的转速、温度、油压等关键参数，以及节气门开度、喷油脉宽等控制指令，以实现对发动机的精确控制，优化发动机性能，降低油耗和排放。在汽车安全系统中，CAN总线快速传输汽车的行驶速度、加速度、方向盘转向角等信息，为ABS、ESP等安全系统提供数据支持，以提升汽车的主动安全性。在汽车智能化、网联化的发展趋势下，CAN总线将在ADAS、车联网等新兴领域发挥更加重要的作用，为实现自动驾驶和车辆与外界的信息交互奠定坚实的基础。CAN总线的应用与发展前景在工业自动化领域的广泛应用在工业自动化领域，CAN总线同样发挥着至关重要的作用。工业自动化系统通常由众多