CAN与汽车网络技术

CAN与汽车网络技术

魏雄武　(武汉理工大学)

借鉴计算机网络技术和现场控制技术,开发出适用于汽车环境的汽车网络技术。文章论述了汽【摘要】　车网络技术的发展及特征,介绍了常用的汽车网络技术标准协议及应用,分析了CAN在汽车网络上的应用现状。

【主题词】　网络技术　汽车　总线

子系统的实时性要求,有必要对汽车公共数据实

行共享,但每个控制单元对实时性的要求是因数据的更新速率和控制周期不同而不同。这就要求其数据交换网是基于优先权竞争的模式,且本身还要具有较高的通讯速率。从布线角度分析,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。比如在沃尔沃公司生产的S80型轿车中,所安装的电缆长达1200m,有根保险丝。无论是从材料成本还是从工作效率

1　前言

随着汽车电气设备的增多,如发动机控制系统、传动控制系统及从行驶、制动、转向控制系统到安全保证系统、仪表报警系统、电源管理系统等,使汽车电气系统形成一个复杂的大系统,且都集中在驾驶室里,如继续采用传统布线技术,必然导致车身布线更长更复杂,使运行可靠性降低、故障维修难度增大。特别是在电子控制单元的大量引入后,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享,汽车综合控制系统中大量的控制信号也需要实时交换,这使传统线束已远远不能满足需求。

另外,近年来ITS的发展和以3G(GPS、GSI、GSM)为代表的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也提出了更高的要求。针对上述问题,于是选择了网络技术,在借鉴计算机网络技术和现场控制技术的基础上,开发出了适用于汽车环境的汽车网络技术。

看,传统布线方法都将不能适应汽车的发展。图1为相同节点的CAN总线的通讯方式。

图1　汽车CAN总线网络布置方式

2.2　汽车网络技术的特征

2　汽车网络技术概述

2.1　汽车网络技术的发展

汽车是应用环境恶劣、范围很大的设备。因此,汽车网络传输必须确保:传输信息的安全;信

号的逻辑“1”明显区别于逻辑“0”;异步总线随机地传送数据;根据预先确定的优先权进行总线访问;竞争解决后获胜站点能够访问总线且继续传输信息;具有根据信息内容解决总线访问竞争的能力;总线的功能寻址和点到点寻址能力;节点在尽量小的时间内成功访问总线;最优化的传输速

从信息共享角度分析,现代典型的控制单元有发动机电控燃油喷射系统、废气再循环控制、电控传动系统、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)、巡航系统和空调系统。为了满足各

收稿日期:2005-04-15

　上海汽车　2005107

© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

・35・

技术导向

率(波特率);节点的故障诊断能力;总线具有一定的可扩充性等。2.3　汽车网络协议标准

国际上众多知名汽车公司早在20世纪80年代就积极致力于汽车网络技术的研究及应用,迄今为止,已有多种网络标准,但其侧重的功能各有所不同。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、C3类。A类网络主要应用于价格要求低,数据传输速度、实时性、可靠性要求均较低的情况,如车身系统的车门窗和后备箱等系统;也作为一些传感器级和执行器级的底层局部连接网络,典型的A级网络如UART。B级网络用于对数据传输速度要求较高的系统,是面向模块间数据共享的中速网络,位速率在10～125kb/s,用在一些车身控制系统、仪表盘和一些低档的实时控制系统以及故障诊断系统等系统中,典型的B类网络如SAEJ1850。C类是面向高速、实时闭环控制的多路传输网,位速率在125kb/s～1Mb/s之间,主要用于牵引控制、发动机控制、ABS、某些线控等系统,典型的C级网络如CAN。

在今天的汽车中,作为一种典型应用,车体和舒适性控制模块都连接到CAN总线上,并借助于LIN总线进行外围设备控制。而汽车高速控制系统,通常会使用高速CAN总线连接在一起。远程信息处理和多媒体连接需要高速互连,视频传输又需要同步数据流格式,这些都可由D2B(Domes2ticDigitalBus)或MOST(MediaOrientedSystemsTransport)协议来实现。无线通信则通过Bluetooth技术加以实现。而在未来的5～10年里,TTP(TimeTriggerProtocol)和FlexRay将使汽车发展成百分之百的电控系统,完全不需要后备机械系统的支持。

但是,至今仍没有一个通信网络可以完全满足未来汽车的所有成本和性能要求。因此,汽车制造商和OEM商仍将继续采用多种协议(包括LIN、CAN和MOST等),以实现未来汽车上的联网。2.4　网络技术在汽车上的应用

(1)网络技术在汽车内部的应用・36・

比较高档的汽车上装有几十个微机控制器、上百个传感器。这就给汽车进行网络应用提供了条件,而且解决了汽车一直存在集中控制和分散控制的矛盾。所谓分散控制就是汽车上的一个部件如点火或喷油,用一个微控器进行控制,这是微机在汽车上应用的起始。后来发展到汽车集中控制系统,包括完全集中控制系统,如美国的通用汽车公司采用一个微机系统分别控制汽车防滑制动、牵引力控制、优化点火、超速报警、自动门锁和防盗等;分级控制系统,如日产公司的分级控制系统,用1台控制计算器分别指挥4台微机,分别控制防滑制动、优化点火、燃油喷射、数据传输等;分布集中控制系统,它是根据汽车的各大部分进行分块集中控制,如发动机、底盘、信息显示和报警等几大件控制系统,如日本五十铃生产的汽车I-TEC系统,它对发动机的点火、燃油喷射、怠速及废气再循环进行集中控制。上述各种类型的控制都有优缺点,但网络在汽车上应用后,就可发挥各型控制的优点,克服其缺点。例如集中控制和分散控制的最大问题是可靠性问题,如完全集中控制,一旦微机出现故障全车瘫痪。采用网络技术后,不但共用所有传感器,还可以共用其他设备,如进行了环形网控制,几十个微机,就是个别出现问题,整车还可以正常运行。所以网络在汽车应用中不但增加了许多功能,而且还大大增加了可靠性。

(2)网络技术在汽车外部的应用汽车上网络系统,是一种无线的网络结构。通过它,人们在驾驶汽车时就可以像在家一样进行上网、发E-mail等所有网上操作。目前不少公司在进行这方面的工作,如IBM公司和摩托罗拉公司已合作开发车用无线Internet技术,这项技术将使驾驶员和乘客能够在车上发送电子邮件以及从事网上各种活动,如电子商务和网上购物、查看股市行情和天气预报等。另外Microsoft公司新推出了专门为“车上网”设计的AutoPC软件,采用WindowsCE操作系统,他具有交互式语言识别等各种多媒体功能。这种功能能够有效地保障汽车行车安全,因为他可以让汽车驾驶员在手不离方向盘、眼不离行驶前方的情况下,与PC机系统

上海汽车　2005107　　

© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

技术导向

交换各种信息,例如行车前方的交通状况有无塞车,最短时间导航等;也可以通过他在车上收发E-mail、打网络电话和其他上网活动。通用公司不

・CAN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

μs内得到传输。可在134

・CAN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退出发送,而最高优先级的节点可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。

・CAN只需通过帧滤波即可实现点对点、点对多点及全局传播等几种方式传送/接受数据,无需专门的“调度”。

・CAN采用NRZ编码。直接通信距离最远可达10km(速率5kb/s),最高通信速率可达1Mb/s(此时通信距离最长为40m)。

・CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路,目前可达110个;标示符可达2032种(CAN2.0A),而扩展标准(CAN2.0B)的标示符几乎不受。・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。

・CAN每帧信息都有CRC效验及其他检错措施,保证数据出错率极低。

・CAN的通信介质可为双铰线、同轴电缆或光纤,选择灵活。

・CAN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。

3.2　CAN的应用现状

目前汽车上的网络连接方式主要采用2条CAN。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,速率是100kb/s。驱动系统的高速CAN的主要连接对象是发动机控制器、ABS及ASR控制器、安全气囊控制器、组合仪表等等。它们的基本特征相同,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,如图2所示。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。

・37・

但开发了“车上网”系统,而且还装有车载自动化办公系统。由于该系统采用了超高速光纤串行数据通道(MML),因此具有多路的数字式影音能力,可以有效地多信道大容量的输入、输出信号,例如CD、DVD、显示器和该系统交换信息。

3　CAN在汽车上的应用

CAN(ControllerAreaNet)是德国博世公司在20世纪80年代初,为了解决现代汽车中众多的控

制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通讯协议。它的短帧数据结构、非破坏性总线性仲裁技术以及灵活的通讯方式,适应了汽车的实时性和可靠性要求。汽车CAN总线的技术背景来源于工业现场总线和计算机局域网这样非常成熟的技术,因此具有很高的可靠性和抗干扰性。CAN经过多次修订,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。1993年11月国际标准化组织正式颁布了CAN国际标准ISO118,为CAN标准化、规范化的推广铺平了道路。

3.1　CAN的工作特点

CAN作为一种多主总线,支持分布式实时控

制的通讯网络。其通讯介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。在汽车发动机控制部件、传感器、抗滑系统等应用中,总线的位速率最大可达1Mb/s。CAN总线属于总线式串行通讯网络,由

于其采用了许多新技术及独特的设计,与一般的通讯总线相比,CAN总线的数据通讯具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其特点可以概括如下:

・CAN为多主方式工作,网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其他节点发送信息,而不分主从,通信方式灵活,且无需站址等节点信息,以方便构成多机备份系统。

　上海汽车　2005107

© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

技术导向

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。智能芯片价格的下降使得各种汽车局域网的成本相差无几,性能成为影响网络选择的最主要因素。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、操作稳定性、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。按汽车局域网发展趋势,在不久的将来基于CAN的C类网络将逐步普

图2　CAN总线的连接对象

及并占据主导地位。

参考文献1　葛　林,周文华,徐　航.CAN通信网络在汽车中的应用

现在,驱动系统的高速CAN和车身系统的低

速CAN这2条的总线之间没有关系,工程师们将逐步克服技术障碍,设置“网关”,在各个CAN之间搭桥,以实现资源共享。同时,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。戴姆勒-奔驰是第一个将CAN总线应用于发动机管理系统的汽车制造商。现在,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。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。目前,CAN主要用于车身控制和娱乐便利系统,也就是低速CAN。不久前发布的ISO15765标准是一个用于故障诊断的标准化CAN接口,它将在欧洲被强制执行。这就意味着在不久的将来,欧洲的每一辆轿车都至少有一个CAN节点。现在欧洲大部分厂商都决定至少在发动机管理方面使用CAN,高速CAN应用将进一步推广。随着全球采购的到来,美国两大汽车制造商也已经决定在发动机管理等方面使用CAN。另外,日本、韩国的汽车制造商也在积极研究CAN技术。

研究.汽车技术,2000.11

2　张重雄,王　波.CAN通信网络在汽车综合性能检测中的

应用.微处理机,2002年5月第2期

3　巨永锋.汽车电子技术的发展趋势.现代电子技术,2003

年第9期

4　马安丽,刘兴华,林　菁.汽车网络总线技术发展分析.汽

车科技,2002.3

5　罗　峰,苏　剑,袁大宏.汽车网络与总线标准.汽车工

程,2003年(第25卷)第4期

6　郁春兰,刘越琪.网络技术在汽车中的应用.电子工程师,

第30卷第2期.2004年2月

7　JensBarrenscheen,PatrickLeteinturier.TwinCAN-ANewMilestoneforInter-NetworkCommunication.SAE,2000-01-0144

8　刘　哲,灵,卫　尧.网络技术与汽车电子控制系统发

展.汽车研究与开发,2003年第2期

Abstract

Computernetworktechnologyandon-the-spottechnologyisusedasreferencetodevelopvehiclenetworktechnologysuitablefortheautoenvironment.Thispaperdescribesthegrowthandcharacteristicsofthevehiclenetworktechnology,introducestheappli2cationandcommonly-usedstandardprotocolofve2hiclenetworktechnology,analyzesthecurrentstatusofapplicationofCANinthevehiclenetwork.

4　结语

随着电子技术和大规模集成电路的迅速发

・38・

上海汽车　2005107　　

© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net