引言

　　現(xiàn)代汽車(chē)工業(yè)和電子技術(shù)飛速發(fā)展，汽車(chē)上的電子裝置越來(lái)越多。一輛高檔汽車(chē)的電氣節(jié)點(diǎn)數(shù)已達(dá)上千個(gè)，如果采用傳統(tǒng)的方法進(jìn)行布線，連線的數(shù)量非常驚人而且有極大的故障隱患。為了解決這一問(wèn)題，各大汽車(chē)廠商從上世紀(jì)70年代開(kāi)始了車(chē)用網(wǎng)絡(luò)的研究，并取得了很大的發(fā)展，形成了多種適合不同傳輸速率及特殊用途的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如：CAN總線、LIN總線、用于診斷的KWP2000、用于X-by-wire 的TTP、多媒體應(yīng)用的MOST協(xié)議等。其中CAN(Controller Area Network，控制器局域網(wǎng))是BOSCH公司于上世紀(jì)80年代提出的。為解決現(xiàn)代汽車(chē)中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，可以很好的解決上述的問(wèn)題?，F(xiàn)在世界上許多汽車(chē)公司，如奔馳、寶馬、大眾等公司已采用CAN總線來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車(chē)內(nèi)部的數(shù)據(jù)通信。

　　我國(guó)對(duì)車(chē)用網(wǎng)絡(luò)、總線、通訊協(xié)議的研究起步比較晚，但近年來(lái)發(fā)展比較快，尤其在電動(dòng)汽車(chē)項(xiàng)目中總線網(wǎng)絡(luò)得到廣泛的應(yīng)用。
 

　　2 汽車(chē)總線的技術(shù)特征

　　汽車(chē)總線傳輸必須確保以下幾點(diǎn)：保證信息能夠準(zhǔn)確的傳送;總線節(jié)點(diǎn)能夠隨時(shí)訪問(wèn)總線;節(jié)點(diǎn)根據(jù)預(yù)先確定的優(yōu)先權(quán)進(jìn)行總線訪問(wèn);具有根據(jù)信息內(nèi)容解決總線訪問(wèn)競(jìng)爭(zhēng)的能力和競(jìng)爭(zhēng)解決后獲勝站點(diǎn)能夠訪問(wèn)總線且繼續(xù)傳輸信息;節(jié)點(diǎn)在盡量短的時(shí)間內(nèi)成功訪問(wèn)總線;最優(yōu)化的傳輸速率(波特率);節(jié)點(diǎn)的故障診斷能力;總線具有一定的可擴(kuò)充性等等。

　　2.1 數(shù)字信號(hào)的編碼

　　為了保證信息傳輸?shù)目煽啃?，?duì)數(shù)字信號(hào)正確編碼非常重要。汽車(chē)局域網(wǎng)數(shù)據(jù)信號(hào)多采用脈寬調(diào)制(PWM)和不歸零制(NRZ)。PWM作為編碼方案時(shí)，波特率上界為3×105Kbps，用于傳輸速率較低的場(chǎng)合。采用NRZ進(jìn)行信息傳輸，可以達(dá)到1Mbps，用于傳輸速率較高的場(chǎng)合。

　　2.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

　　實(shí)用的汽車(chē)局域網(wǎng)是總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如CAN、SAEJ1850、ADVANCED PALMNET等，其優(yōu)點(diǎn)是：電纜短，布線容易;總線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，又是無(wú)源元件，可靠性高;易于擴(kuò)充，增加新節(jié)點(diǎn)只需在總線的某點(diǎn)將其接入，如需增加長(zhǎng)度可通過(guò)中繼器加入一個(gè)附加段。

　　2.3 總線訪問(wèn)協(xié)議

　　汽車(chē)總線的訪問(wèn)協(xié)議一般為爭(zhēng)用協(xié)議，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能獨(dú)立決定信息幀的發(fā)送。如果同時(shí)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，就會(huì)出錯(cuò)，這就要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)有能力判斷沖突是否發(fā)生，發(fā)生沖突時(shí)按某個(gè)規(guī)律等待隨機(jī)時(shí)間間隔后重發(fā)，以避免再發(fā)生沖突。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議所使用的防沖突監(jiān)聽(tīng)措施多為載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)，如CAN、SAEJ1850、ADVANCED PALMNET等都采用的是載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)+無(wú)損仲裁(C***A/CD+NDA)。

　　3 CAN總線的特點(diǎn)

　　CAN總線通信協(xié)議是在考慮工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的背景下制訂的，它采用了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織 ISO制訂的開(kāi)放系統(tǒng)互連ISO-OSI模型中的三層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。CAN總線規(guī)范已被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織制訂為國(guó)際準(zhǔn)ISO11898，并被公認(rèn)為最有前途的現(xiàn)場(chǎng)總線之一，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。得到 MOTOROLA、PHILIPS、Intel、SIEMENS等著名半導(dǎo)體器件生產(chǎn)廠家的支持，進(jìn)而迅速推出了各種集成CAN協(xié)議的產(chǎn)品。與一般的總線相比，CAN 總線具有可靠、靈活、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

　　(1) CAN 總線采用多主結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)上的任一節(jié)點(diǎn)可在任意時(shí)刻向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，通訊方式靈活。

　　(2) 網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)根據(jù)對(duì)總線訪問(wèn)優(yōu)先級(jí)的不同(取決于報(bào)文標(biāo)識(shí)符)，最快可在134μs內(nèi)得到響應(yīng)。

　　(3) 采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，可以大大節(jié)省總線沖突仲裁時(shí)間，網(wǎng)絡(luò)在擁擠的情況下也不會(huì)癱瘓。

　　(4) CAN協(xié)議廢除了站地址編碼，而是對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，這可使不同的節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收到相同的數(shù)據(jù)，可以方便的實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等方式的傳送接收數(shù)據(jù)，容易構(gòu)成冗余結(jié)構(gòu)提高系統(tǒng)的可靠性和系統(tǒng)的靈活性。

　　(5) CAN采用NRZ編碼，直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km(速率5Kbps)，通信速率最高可達(dá)1Mbps(此時(shí)通信距離最長(zhǎng)為40m)。

　　(6) 采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低。CAN的每幀信息都有CRC效驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低。

　　(7) 通訊介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。

　　(8) CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。

4 CAN總線在純電動(dòng)汽車(chē)中的應(yīng)用

　　純電動(dòng)汽車(chē)與傳統(tǒng)汽車(chē)最大的區(qū)別就是用電能來(lái)驅(qū)動(dòng)，即用電池和電機(jī)的組合來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)。這樣對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制和對(duì)電池的管理就成為電動(dòng)汽車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)。另外純電動(dòng)汽車(chē)的控制系統(tǒng)還包括助力轉(zhuǎn)向控制、車(chē)身系統(tǒng)控制、組合儀表等部分，每個(gè)部分都有獨(dú)立的控制單元(ECU)，一些先進(jìn)的汽車(chē)上還裝備了防抱死制動(dòng)控制系統(tǒng)(ABS)、安全氣囊控制系統(tǒng)(SRS)、巡行控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)防滑控制系統(tǒng)(ASR)、懸架控制、空調(diào)控制、防盜及其他控制等控制單元。另外，各種舒適性控制裝置和通訊系統(tǒng)也不斷增多，而且各ECU 之間有著密切的聯(lián)系，構(gòu)成了基于CAN 總線的汽車(chē)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。

　　純電動(dòng)汽車(chē)的整車(chē)控制系統(tǒng)是由兩條總線構(gòu)成，即高速CAN總線和低速總線。高速CAN總線和低速總線是兩個(gè)獨(dú)立的總線系統(tǒng)。為了便于汽車(chē)所有功能的管理，通過(guò)網(wǎng)關(guān)將這兩個(gè)總線網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)，不同總線間的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。這樣兩個(gè)總線分別獨(dú)立運(yùn)行，只有需要在兩種總線間交換的數(shù)據(jù)才通過(guò)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行傳輸。這種方式可將不同類(lèi)型的信息分開(kāi)，減輕了各網(wǎng)絡(luò)總線上的負(fù)擔(dān)。高速CAN總線主要連接電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，由驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)和故障分析記錄系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)組成，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)、電池、轉(zhuǎn)向、制動(dòng)等關(guān)鍵系統(tǒng)的快速控制。

　　 低速總線主要用于連接車(chē)身系統(tǒng)，連接對(duì)象主要為汽車(chē)中的聯(lián)合裝配單元，如門(mén)窗、照明、空調(diào)、濕度傳感器、中央集控鎖等，并通過(guò)網(wǎng)關(guān)作為子網(wǎng)接入高速CAN總線，組成一個(gè)統(tǒng)一的多元網(wǎng)絡(luò)。車(chē)身中位置比較近的元件連接到一個(gè)ECU，元件的狀態(tài)和控制信號(hào)可以通過(guò)與其連接的ECU與總線進(jìn)行通訊。每一個(gè)ECU自成系統(tǒng)，可以根據(jù)本地信號(hào)和總線上的信號(hào)，控制本地執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作，同時(shí)將與其他節(jié)點(diǎn)共享的信號(hào)發(fā)送到低速總線上。目前，在汽車(chē)中應(yīng)用較多的低速總線有兩種。一種是低速CAN總線，是按照ISO 11519-2、J1939以及J2284組建低速容錯(cuò)CAN總線。另一種是LIN總線，即局域互連網(wǎng)絡(luò)(Local Interconnect Network)，是按照ISO 9141 標(biāo)準(zhǔn)[2]來(lái)建立，能有效的支持汽車(chē)中分布式機(jī)械電子節(jié)點(diǎn)的控制。LIN總線具有成本低、可靠性高的特點(diǎn)，可以很容易的將一些成分比較敏感的元件，如智能傳感器、舒適性設(shè)備等，連接到汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)中，在汽車(chē)應(yīng)用中有望成為低速網(wǎng)絡(luò)的主流。

　　整車(chē)控制ECU是整個(gè)汽車(chē)控制的中心。司機(jī)的鑰匙信號(hào)、加速信號(hào)、制動(dòng)信號(hào)都進(jìn)入到整車(chē)控制ECU，整車(chē)控制ECU通過(guò)對(duì)這些信號(hào)的分析并綜合檢測(cè)傳感器的狀態(tài)，產(chǎn)生各個(gè)節(jié)點(diǎn)的操作信號(hào)，并通過(guò)CAN總線將控制指令送到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)。電機(jī)控制ECU和轉(zhuǎn)向、制動(dòng)ECU根據(jù)整車(chē)控制ECU的控制指令，操縱汽車(chē)按照要求行駛。高速CAN總線上還設(shè)置故障診斷ECU，負(fù)責(zé)整車(chē)故障信息的診斷和存儲(chǔ)，并控制故障信號(hào)顯示，還可以通過(guò)無(wú)線通訊系統(tǒng)和外部的故障診斷系統(tǒng)進(jìn)行通訊。另外高速CAN總線上設(shè)置了車(chē)載記錄儀，其作用類(lèi)似飛機(jī)的“黑匣子”，用于記錄行車(chē)數(shù)據(jù)，分析記錄整車(chē)系統(tǒng)的運(yùn)行情況?？刂凭W(wǎng)絡(luò)的低速總線采用LIN總線。LIN總線是單主機(jī)節(jié)點(diǎn)和一組從機(jī)節(jié)點(diǎn)多點(diǎn)總線，主控制器為主站，其它車(chē)身系統(tǒng)為從站，主控制器同時(shí)作為L(zhǎng)IN總線和高速CAN總線的網(wǎng)關(guān)，將整個(gè)車(chē)身系統(tǒng)總線連成一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)，這樣所有 ECU 都掛到總線上，極大地簡(jiǎn)化了汽車(chē)內(nèi)控制系統(tǒng)的線路聯(lián)系，達(dá)到簡(jiǎn)化布線、提高系統(tǒng)可靠性和可維護(hù)性、降低成本、更好的協(xié)調(diào)各個(gè)控制子系統(tǒng)的目的。

　　隨著車(chē)載多媒體在車(chē)輛中的廣泛應(yīng)用，GPS、電話、音響、電視、DVD等系統(tǒng)進(jìn)入汽車(chē)內(nèi)，這些裝置之間需要頻繁的通訊，而且信息量巨大，CAN總線或J1850總線無(wú)法滿(mǎn)足這些裝置間的通訊要求，因?yàn)閭鬏數(shù)乩硇畔?GI)、數(shù)字音頻信息或車(chē)輛位置信息至少需要5Mbps的網(wǎng)絡(luò)速度，這樣就出現(xiàn)了一種新型總線IDB-1394，可以支持100、200、400Mbps的通訊速度，完全可以滿(mǎn)足高速通訊的網(wǎng)絡(luò)需求。

　　CAN總線是一種控制策略總線，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛本身的控制，而IDB-1394總線則是以多媒體信息交互、共享為目的。為實(shí)現(xiàn)車(chē)身整體性能的優(yōu)化和實(shí)現(xiàn)CAN總線和IDB-1394總線間的信息流動(dòng)，在兩總線間增加網(wǎng)關(guān)就可以實(shí)現(xiàn)車(chē)身總線網(wǎng)絡(luò)的一體化，從而實(shí)現(xiàn)車(chē)身的總線一體化控制。

　　5 我國(guó)在CAN總線研究的重點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題

　　CAN符合ISO/OSI的參考模型，但只規(guī)定了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議，用戶(hù)需要自己開(kāi)發(fā)應(yīng)用層協(xié)議。如Rockwell公司的DeviceNet協(xié)議和Honeywell公司的SDS總線就是CAN協(xié)議基礎(chǔ)上的應(yīng)用層協(xié)議。國(guó)內(nèi)在這方面的應(yīng)用研究則剛剛起步，為了縮短同國(guó)外轎車(chē)技術(shù)水平的差距并提高自身的競(jìng)爭(zhēng)力，我國(guó)汽車(chē)CAN總線的研究重點(diǎn)應(yīng)是研究和開(kāi)發(fā)自己的汽車(chē)總線與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)，針對(duì)具體的車(chē)型開(kāi)發(fā)ECU的硬件和應(yīng)用層的軟件，并構(gòu)成車(chē)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)。

　　利用CAN總線構(gòu)建一個(gè)車(chē)內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，需要解決以下關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：確定總線傳輸信息的速率、容量、優(yōu)先等級(jí)、節(jié)點(diǎn)容量等技術(shù)問(wèn)題;在高電磁干擾環(huán)境下的數(shù)據(jù)的可靠傳輸;確定最大傳輸時(shí)的延時(shí)大小;網(wǎng)絡(luò)的技術(shù);網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)和監(jiān)控、故障診斷等功能。

　　6 結(jié)論

　　隨著汽車(chē)技術(shù)的飛速發(fā)展，汽車(chē)總線這種有巨大應(yīng)用前景的技術(shù)將得到更快的發(fā)展和更廣泛的應(yīng)用。