汽车总线设计及测试宝典

汽车总线设计及测试宝典——汽车电子工程师必备EETchina.com目录一、汽车总线技术的发展二、汽车总线技术的特征三、汽车总线的研究重点及关键技术四、汽车总线技术的应用意义及国内发展现状五、各类汽车总线的特点比较六、CAN总线设计详解七、汽车CAN/LIN总线测试流程和测试工具八、汽车总线设计及测试经典问答43例一、汽车总线技术的发展随着车用电气设备越来越多，从发动机控制到传动系统控制，从行驶、制动、转向系统控制到安全保证系统及仪表报警系统，从电源管理到为提高舒适性而作的各种努力，使汽车电气系统形成一个复杂的大系统，并且都集中在驾驶室控制。另外，随着近年来ITS的发展，以3G（GPS、GIS和GSM）为代表的新型电子通讯产品的出现，它对汽车的综合布线和信息的共享交互提出了更高的要求。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。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，根据统计，该数字大约每十年增长1倍，从而加剧了粗大的线束与汽车有限的可用空间之间的矛盾。无论从材料成本还是工作效率看，传统布线方法都将不能适应汽车的发展。下图1、图2分别为相同节点的传统点对点通讯方式和使用CAN总线的通讯方式，从图可以直观地比较线束的变化（图中节点之间的连线仅表示节点间存在的信息交换，并不代表线束的多少）。图1传统的节点通讯方式图2CAN总线通讯方式EETchina.com电控燃油喷射系统、电控传动系统、防抱死制动系统（ABS）、防滑控制系统（ASR）、废气再循环控制、巡航系统和空调系统。为了满足各子系统的实时性要求，有必要对汽车公共数据实行共享，如发动机转速、车轮转速、油门踏板位置等。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的。这就要求其数据交换网是基于优先劝竞争的模式，且本身具有较高的通信速率，CAN总线正是为满足这些要求而设计的。美国汽车工程师协会（SAE）车辆网络委员会根据标准SAEJ2057将汽车数据传输网划分为A、B、C三类，为了直观地说明其网络划分，这里图3表示。从通讯速度角度分析，随着车载多媒体和办公设备在车辆应用方面的快速发展，一种新型总线——IDB已经出现，世界各大汽车生产商对此非常关注，纷纷出台相应的研究计划。现在已经存在能够对导航、GPS、电话、音响、电视、DVD等进行信息综合的双总线（OEM总线+IDB）样车，这些装置之间需要频繁地通讯，而且信息量巨大，原有的CAN总线或J1850总线无法满足这些装置间的通讯要求，因为传输地理信息（GI）、数字音频信息或车辆位置信息至少需要5Mbit/s的网络速度，IDB-1394可以支持100、200、400Mbit/s的通讯速度，完全可以满足高速通讯的网络需求。CAN总线是控制策略驱动的总线，主要实现对车辆本身的控制，而IDB总线则以信息交互、共享为目的。为实现CAN总线和IDB总线间的信息流动以及防止后者对前者产生影响，在两总线间增加网关已经成为共识。图4为一典型的双总线结构示意图。EETchina.com年代，众多国际知名的汽车公司就积极致力于汽车总线技术的研究及应用，如博世的CAN、SAE的J1850、马自达的PALMNET、德国大众的ABUS、美国商用机器的AUTOCAN、ISO的VAN等。目前，国外的汽车总线技术已经成熟，采用总线系统的车辆有BENZ、BMW、RORSCHE、ROLLSROYCE、JAGUAR、VOLVO等。国内完全引进技术生产的奥迪A6车型已于2000年起采用总线替代原有线束，帕萨特B5、BORA、POLO、FIATPALIO和SIENA等车型也都不同程度地使用了总线技术。此外，部分高档客车、工程机械也都开始应用总线技术。二、汽车总线技术的特征设计目标汽车总线传输必须确保以下几点：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；昀优化的传输速率（波特率）；节点的故障诊断能力；总线具有一定的可扩充性等等。数字信号的编码为了保证信息传输的可靠性，对数字信号正确编码非常重要。汽车局域网数据信号多采用脉宽调制（PWM）和不归零制（NRZ）。PWM作为编码方案时，波特率上界为3×105kb/s，用于传输速率较低的场合。采用NRZ进行信息传输，可以达到1Mb/s，用于传输速率较高的场合。网络拓扑结构EETchina.com实用的汽车局域网是总线拓扑结构，如CAN、SAEJ1850、ADVANCEDPALMNET等。其优点是：电缆短，布线容易；总线结构简单，又是无源元件，可靠性高；易于扩充，增加新节点只需在总线的某点将其接入，如需增加长度可通过中继器加入一个附加段。总线访问协议汽车总线的访问协议一般为争用协议，每个节点都能独立决定信息帧的发送。如果同时有两个或两个以上的节点发送信息，就会出错，这就要求每个节点有能力判断冲突是否发生，发生冲突时按某个规律等待随机时间间隔后重发，以避免再发生冲突。网络协议所使用的防冲突监听措施多为载波监听多路访问，如CAN、SAEJ1850、ADVANCED、PALMNET等都采用的是：载波监听多路访问/冲突检测+无损仲裁（CSMA/CD+NDA）。三、汽车总线的研究重点及关键技术汽车总线系统的研究与发展可以分为三个阶段：第一阶段是研究汽车的基本控制系统（也称舒适总线系统），如照明、电动车窗、中央集控锁等。第二阶段是研究汽车的主要控制系统（也称动力总线系统），如电喷ECU控制系统、ABS系统、自动变速箱等。第三阶段是研究汽车各电子控制系统之间的综合、实时控制和信息反馈。按照我国汽车电子技术发展规划，进入21世纪后轿车电子技术可达国外90年代水平，为了缩短同国外轿车技术水平的差距，提高自身的竞争力，单纯靠技术引进不利于发展，消化、吸收、研究和开发自己的汽车总线与网络应用系统势在比行。目前我国的汽车总线研究和应用尚处起步阶段，而且汽车总线的应用趋势明显，现在介入该研究正是大好时机。汽车总线的研究重点由于我国的车型以欧美车型为主，且欧美车型又以CAN总线为主流，目前国内使用总线技术的车型几乎全部使用CAN总线，因此汽车总线的研发应该结合国内外实际情况选用CAN总线。CAN符合ISO/OSI的参考模型，但只规定了物理层和数据链路层的协议，其应用层的协议需要用户自己定义。支持CAN低层协议的芯片有许多，既有在片的MCU，也有片外的CAN控制器。用户自己开发的应用层协议也有很多，如AB公司定义的DEVICENET协议就是CAN协议基础上的应用层协议，Honeywell公司推出的SDS总线也是在CAN的基础上定义了自己的应用层。可见，汽车CAN总线的研究重点是：针对具体的车型开发ECU的硬件和应用层的软件，并构成车内网络。总线构建一个车内网络，需要解决的关键技术问题有：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)确定昀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；四、汽车总线技术的应用意义及国内发展现状什么是CAN/LIN总线？这项技术应用于汽车的意义何在？随着集成电路和单片机在汽车上的广泛应用，汽车上的电子控制单元越来越多，例如电子燃油喷射装置、防抱死制动装置(ABS)、安全气囊装置、电控门窗装置和主动悬架等。如果仍采用常规布线方式，即电线一端与开关相接，另一端与用电设备相通，将导致车上电线数目的急剧增加，同时复杂电路也降低了汽车可靠性，增加了维修难度。于是，CAN总线应运而生。LIN则是CAN在低端应用的延伸，是价格相对便宜且速度较慢的子网。通常状况下，电子控制装置通过CAN总线提供稳定、可靠的低成本网络连接，电机、开关、传感器和车灯等则通过LIN进行网络连接。事实上，在现代汽车中，采用总线的意义已远远超出节省电线的范围，它已成为车内各零部件实施信息交互的标准接口。整车的总线网络成为整车的电器平台，也就是说只要有总线存在，就可以在这个总线平台上不断增加汽车的智能化零部件。总线技术促进了汽车智能化的发展。目前国内该项技术的发展状况是怎样的？上世纪90年代初，总线技术开始在汽车中应用。如今该项技术已经成为现代汽车的标准技术，几乎所有的车都开始采用CAN/LIN总线。总线零部件也成为发展的主流。对于我国来说，由于国内汽车制造和零部件的发展水平不平衡。虽然合资品牌和自主品牌的量产车大都采用了CAN/LIN，但由于国内零部件配套体系在电器零部件，特别是在智能零部件上的弱势，国内真正自主研发的具有总线接口的零部件在量产车中(年产量超过1万辆以上的)几乎没有。目前在大批量生产汽车中，具有CAN/LIN总线的零部件几乎都是国外研发的，它们中一部分是国外生产的，一部分是由国内合资或外资企业生产。但部分小批量生产汽车，如北京市场上达到国III标准的扫雪车、公共汽车等，它们带有CAN/LIN功能的仪表、车灯控制、车门控制等技术，这些都是国内自主研发和生产的。我们与国际先进技术的差距具体表现在哪些方面呢？总线不是一项独立的技术，它是一种电器之间进行信息交互的接口，它的基础是零部件的智能化。从单一技术来说，通过几年的发展，国内与国际先进水平差距正在缩小。但从量产角度来说，由于国内在汽车电器、特别是在智能化零部件领域离国际先进水平相差太大，因此总线发展必然受其影响，总线应用概念、产品定义、研发、测试、认证、生产和维护方面都还处于起步阶段。具体来说，在总线的概念认识方面，很多企业还没有上升到平台和电气标准的层次，仍停留在节约电线和增加功能上。在产品定义方面，总线必须与零部件融为一体，与传统零部件协同作战。但国内由于电气零部件、智能零部件的研发水平与国际先进国家相差太远，总线在国内发展缺乏智能零部件的基础，迫使总线与零部件研发相分离。即使总线产品研发出来，但优势不明显，主机厂不接受，就谈不上产业化。产业化不能实现，产品定义、研发、测试、认证、生产和维护方面自然处于起步阶段。对于我国来说，在CAN/LIN总线技术的研发道路上还需克服哪些瓶颈？一是人才方面。车用总线技术涉及到机械制造领域和电子信息领域的融合。但我国的实际情况是，这两个领域的协同存在一些问题。从电子信息行业进入车用总线领域的，缺乏对汽车行业的理解，其研发出来的产品很难满足汽车的要求，即使满足汽车的要求，但不清楚汽车研发、生产和服务流程，也很难实现产业化。另外，总线研发人员必须具有深厚的电子信息基础，因此从汽车行业进入总线研发领域的，由于基础的限制，很难研发出高性价比的产品。二是要突破国外对我国的技术封锁。目前我们的研发工作还处在向国外学习的阶段，但很多与总线技术相关的国外文献都是讲其优势，不讲其缺陷。结果我国许多从事总线的研发人员在研发过中，由于不能对总线进行取长补短，使研发陷入困境。突破技术封锁也是我们面临的巨大挑战。以上内容来自电子工程专辑网站唐晓泉博士博客，特此感谢！五、各类汽车总线的特点比较随着汽车功能的不断增加、可靠性要求的不断提高以及价格的不断下降，越来越多的电子控制单元（ECU）将被引入到汽车中。目前，在高端汽车中一般会有50个以上的ECU。为了使这些ECU能够在一个共同的环境下协调工