浅谈CAN总线在汽车上的应用

山西机电职业技术学院2010届毕业生答辩论文22浅谈CAN总线在汽车上的应用【摘要】：随着电子技术的迅速发展和在汽车上的广泛应用,汽车上应用的ECU(电子控制单元)越来越多。电子设备的大量应用必然导致车身布线量大而且复杂,安装空间紧缺,运行可靠性降低,故障维修难度增大。为了实现车内各ECU协同动作,达到智慧控制的目的,要求大量的数据信息能在不同的电子单元中共享,同时汽车综合控制系统中大量的控制信号也需要实时交换。传统电器系统采用的点到点的单一通信方式已远不能满足这种需求。因此,改变汽车传统的数据传输方式已经成为汽车技术发展的必然趋势。【关键词】：车载网络模块CAN一、绪论1、研究背景及意义随着汽车技术的快速发展，汽车性能不断提高，汽车电器与电子控制装置在汽车上的应用越来越多，例如电子燃油喷射系统（EFI）、汽车防滑控制系统(ABS/ASR)、电控自动变速器、安全气囊（SRS）、电子悬架、电控动力转向系统等。由于集成电路和电控单元在汽车上的广泛应用，汽车上的电控单元的数量越来越多，线路越来越复杂。传统点到点布线方式使汽车上的导线数量成倍增加，汽车的线束越来越庞大，而复杂和凌乱的线束使电器线路的故障率增加，降低了汽车电器与电子控制装置的工作可靠性，同时增加了汽车的自身重量，耗油增加；占用空间更大，使得在有限的汽车空间内布线越来越困难；当线路发生故障时，不仅故障查找麻烦，而且维修也很困难，在一定程度上影响了电子控制技术在汽车上的应用。随着汽车电子控制装置的大量使用，有些数据需要在不同的控制系统中共享，大量的控制信号也需要实时交换，以提高系统资源的利用率和系统的工作可靠性。采用传统的点到点的布线方式，信号传输的可靠性、信息传送速度均具有不适应性，信息传输材料成本较高。为了简化线路，提高信息传输的速度和可靠性，降低故障率，越来越多的汽车公司在汽车上采用网络技术，如控制器局域网（CAN）、局部连接网络（LIN）、和局域网（LAN）等。一辆汽车不管有多少个电控单元，每个山西机电职业技术学院2010届毕业生答辩论文23电控单元都只需引出两条线共同接在两个节点上，这两条导线就称为数据总线。采用车载网络可减少线束尺寸、降低成本、减少插接器的数量，同一款车同等配置下，可以大大简化汽车线束；可以进行设备之间的通信，增加功能；通过信息共享，减少传感器信号的重复数量。汽车电子化程度越来越高，电子设备的大量应用导致车身布线庞大而且复杂，安装空间紧缺，运行可靠性降低，故障维修难度增大。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，传统的电器系统大多采用点对点的单一通信方式，已经不能满足这种需求，针对上述问题，在借鉴计算机网络和现场控制技术的基础上，汽车网络技术应运而生。2、CAN控制器局域网的发展1986年2月，RobertBosch公司在SAE（汽车工程协会）大会上介绍了一种新型的串行总线——CAN控制器局域网,那是CAN诞生的时刻。今天，在欧洲几乎每一辆新客车均装配有CAN局域网。同样，CAN也用于其他类型的交通工具，从火车到轮船或者用于工业控制。CAN已经成为全球范围内最重要的总线之一——甚至领导着串行总线。在1999年，接近6千万个CAN控制器投入应用；20001CAN。在1980年的早些时候，Bosch公司的工程师就开始论证当时的串行总线用于客车系统的可行性。因为没有一种现成的网络方案能够完全满足汽车工程师们的要求。在1983年初，UweKiencke开始研究一种新的串行总线。新总线的主要方向是增加新功能、减少电气连接线，使其能够用于产品，而非用于驱动技术。来自Mercedes-Benz的工程师较早制定了总线的状态说明，而Intel也准备作为半导体生产的主要厂商。当时聘请的顾问之一是来自于德国Braunschweig-Wolfenbüttel的AppliedScience大学教授WolfhardLawrenz博士给出了新网络方案的名字“ControllerAreaNetwork”,简称CAN。来自Karlsruhe大学的教授HorstWettstein博士也提供了理论支持。1986年2月，CAN诞生了。在底特律的汽车工程协会大会上，由Bosch公司研究的新总线系统被称为“汽车串行控制器局域网”。UweKiencke、SiegfriedDais和MartinLitschel分别介绍了这种多主网络方案。此方案基于非破坏性的仲裁机山西机电职业技术学院2010届毕业生答辩论文24制，能够确保高优先级报文的无延迟传输。并且，不需要在总线上设置主控制器。此外，CAN之父——上述几位教授和Bosch公司的WolfgangBorst、WolfgangBotzenhard、OttoKarl、HelmutSchelling、JanUnruh已经实现了数种在CAN中的错误检测机制。该错误检测也包括自动断开故障节点功能，以确保能继续进行剩余节点之间的通讯。同时，用于识别报文的标识符也规定了该报文在系统中的优先级。当关于这种革新的通讯方案的大部分文字内容制定之后，于1987年中期，Intel提前计划2个月交付了首枚CAN控制器：82526，这是CAN方案首次通过硬件实现。仅仅用了四年的时间。二、CAN的结构原理1、CAN总线系统的结构CAN总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的现场总线。有CAN总线构成的现场总线网络的结构一般由控制器节点、传感器节点、执行器节点以及其他的监控节点如人机界面组成。CAN作为控制局域网还可以通过网关和其他网络如以太网互联构成大型复杂的控制网络结构。如下图2、CAN总线系统的通讯方式如下图就较好的表示了用CAN总线系统组成的现场总线网络的结构。控制器1控制器2控制器n检测设备人机界面传感器节点1传感器节点2传感器节点1执行器节点2执行器节点n网关其他网络山西机电职业技术学院2010届毕业生答辩论文25CAN总线两种典型的通信方式是：多主方式和主从方式。CAN总线在多主方式下工作时，网络上任一节点均可在任意时刻主动向网络发送信息，从不分主次。多主方式通信灵活，无需占地址等节点信息。在该方式下，CAN网络支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收、发送数据。为避免总线冲突采用非破坏性总线仲裁技术，根据需要将各个节点设定为不同的优先级，并以标识符标定，在发生冲突时，优先级低的节点主动停止发送，从而解决了总线冲突问题。三、网络技术在车辆上的应用1、网络技术汽车内部应用按汽车局域网发展趋势，不久将来CANC类网将逐步普及，并占据主导位。控制器局域网CAN是20世纪80年代初BOSCH公司为解决现代汽车中众多控制单元、测试仪器之间实时数据交换而开发一种串行通信协议，经多次修订，于1991年9月形成技术规范2.0版本。CAN具有如下特性：1.1国际标准ISO11898规范，CAN总线规范2.0PART90，PARTB2、CAN可以多主方式工作，网络上任意一个节点均可以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。3、CAN网络上分4、CAN采用非破坏性总线裁决技术，当2个节点同时向网络上传送信息时，优先级低节点主动停止数据发送，而优先级高节点可不受影响继续传输数据，大大节省了总线冲突裁决时间；最重要是网络负载很重情况下会出现网络瘫痪情况。5、CAN可以点对点，一点对多点（成组）及全局广播几种方式传送接收数据6、CAN直接通信距离最远可达10km（速率5kb/s以下）。7、CAN通信速率最高可达1Mb/s（此时距离最长40m）。8、CAN上节点数实际可达110个。山西机电职业技术学院2010届毕业生答辩论文269、CAN采用短帧结构，每一帧有效字节数为8个，这样传输时间短，受干扰概率低，且具有极好检错效果。10、CAN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、通讯介质采用廉价双绞线即可，无特殊要求。12、CAN节点错误严重情况下，具有自动关闭总线功能，切断他与总线联系，以使总线上其他操作不受影响。13、NRZ编码/解码方式，并采用位填充技术。其良好运行特性、极高可靠性和独特设计，特别适合现代汽车各电子控制单元之间互联通讯，也越来越受到其他业界欢迎。国外，尤其是美国和欧洲，CAN已被广泛应用于汽车（如BENZ，BMW，PORSCHE，JAGUAR等）、火车、船舶、机器人、楼宇自动化、机械制造、数控机床、医疗器械、液压传动、自动化仪表等领域。目前，支持CAN协议有INTEL，MOTOROLA，PHILIPS，SIEMENS，NEC，HONEYWELL等百余家国际著名公司，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。目前市场上最常见CAN总线产品PHILIPSPCA82C200，SJA1000，P8XC591，P8XC592，PCA82C250等，其中SJA1000和PCA82C200为独立CAN控制器，P8XC591和P8XC592将微控制器和CAN通讯控制器集成为一体，82C250是CAN总线收发器，用于CAN器件与物理总线连接。用CAN组成汽车网络系统资料信息量非常大，有快速变化信号和渐山西机电职业技术学院2010届毕业生答辩论文27变信号。为保证总线上交通畅通，重要信息发生总线访问冲突时优先发送，合理安排资料信息总线访问优先级显尤为重要。各电子控制单元正常工作所能容许最大时间延迟是决定资料访问总线优先级最主要因素。对转矩、车速及发动机转速等快速变化信号必须进行高速采样，并以相应速率总线上传输，数据总线访问优先级也高。对进气温度、冷液温度、燃油温度等变化较慢信号每隔100ms或1min采样一次就完全足够，数据总线访问优先级相应就很低。同样一个参数信号对控制系统正常工作显非常重要，也可获较高优先级。值注意是，数据总线访问优先级设定固定不变，各种外部参数和汽车驾驶情况变化而不断变化。如发动机控制，是点火时间控制，燃油喷射控制，都必须和发动机转速同步，发动机转速较高时，控制信号总线访问优先权提高，发动机转速较低时，控制信号总线访问优先权相应降低。2、网络技术汽车外部应用汽车上网系统，是一种无线网络结构。他，人们驾驶汽车时就可以Email这方面工作。如IBM公司和Motorola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。这种功能能够有效保障汽车行车安全，他可以让汽车驾驶员手不离方向盘、眼不离行驶前方情况下，与PC机系统交换各种信息，例如行车前方交通状况有无塞车、最短时间导航等；也可以他车上收发Email、打网络电话和其他上网活动。革新通用公司开发了“车上网”系统，还装有车载自动化办公系统。该系统采用了超高速光纤串行数据通道（MML），具有多路数字式影音能力，可以有效调控多信道大容量输入、输出信号，例如CD、DVD、显示器、电视接收天线、音响和全球卫星定位导航系统都可以和该系统交换信。车载网络由高速CAN和低速CAN两部分组成,动力总成系统为满足其山西机电职业技术学院2010届毕业生答辩论文28高实时性、高可靠性的要求,采用高速CAN网络(速率500kb/s),车身控制网络采用低速CAN网络,两个网络通过网关进行通信连接。诊断设备接口采用标准的16针口直接与网关相连接,基于CAN网络的整车故障诊断系统拓扑图在诊断过程中,诊断设备通过网关进行服务请求,网关经过识别后向整个CAN网络的ECU节点发送服务请求信息,当网络中某个控制器接收信息后返回服务响应,与诊断设备建立通信连接。文中CAN网络通信协议遵循CAN210A数据帧标志符由11b组成,帧的长度为8B,当数据长度超过8B时需要按照传输层协议对数据重组,在上位机实现汽车电控单元的通信协议与串行通信的协议转换和电平转换。四、有车