汽車can總線技術(shù)論文(2)
汽車can總線技術(shù)論文
汽車can總線技術(shù)論文篇二
CAN總線技術(shù)及其應(yīng)用
[摘要]CAN是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。本文主要分析了CAN總線的技術(shù)特點(diǎn)及其應(yīng)用趨勢，對CAN總線在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了深入的分析。
[關(guān)鍵詞]CAN總線;汽車;應(yīng)用
[中圖分類號]TN915[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A[文章編號]1005-6432(2014)31-0050-02
在汽車產(chǎn)業(yè)中，出于對安全性、舒適性、方便性、低公害、低成本的要求，各種各樣的電子控制系統(tǒng)被開發(fā)了出來。由于這些系統(tǒng)之間通信所用的數(shù)據(jù)類型及對可靠性的要求不盡相同，由多條總線構(gòu)成的情況很多，線束的數(shù)量也隨之增加。為適應(yīng)“減少線束的數(shù)量”、“通過多個LAN，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的高速通信”的需要，1986年德國電氣商博世公司開發(fā)出面向汽車的CAN(Controllor Area Networh)通信協(xié)議。此后，CAN通過ISO11898及ISO11519進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，在歐洲已是汽車網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。
CAN的高性能和可靠性已被認(rèn)同，并被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面?，F(xiàn)場總線是當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，被譽(yù)為自動化領(lǐng)域的計算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)之間實(shí)時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。
在北美和西歐西歐，CAN總線協(xié)議已經(jīng)成為汽車計算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機(jī)械車輛設(shè)計的J1939協(xié)議。
1CAN總線技術(shù)原理簡介
1.1CAN總線的分層結(jié)構(gòu)
CAN協(xié)議定義了ISO/OSI參考模型的物理層及數(shù)據(jù)鏈路層[1]，如下圖所示。
CAN的ISO/OSI參考模型的層結(jié)構(gòu)
物理層定義信號是如何實(shí)際傳輸，涉及位定時、位編碼/解碼、同步的解釋。數(shù)據(jù)鏈路層包含介質(zhì)訪問控制子層MAC(Medium Access Control)和邏輯鏈路控制子層LLC(Logical Link Control)。其中，MAC子層是CAN協(xié)議的核心，負(fù)責(zé)報文分幀、仲裁、應(yīng)答、錯誤檢測和標(biāo)定，把接收到的報文提供給LLC子層，并接受來自LLC子層的報文;LC子層涉及報文濾波、過載通知和恢復(fù)管理。
1.2CAN報文格式
CAN總線上的信息以報文的形式進(jìn)行傳輸，報文傳輸分為四種不同類型的幀：數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯誤幀和過載幀。
數(shù)據(jù)幀從一個發(fā)送器承載數(shù)據(jù)到一個接收器。根據(jù)CAN規(guī)范，有兩種數(shù)據(jù)幀格式：CAN標(biāo)準(zhǔn)幀(也稱為CAN2.0A，支持11位長度的標(biāo)識符)和CAN擴(kuò)展幀(也稱為CAN2.0B，支持29位長度的標(biāo)識符)。遠(yuǎn)程幀是由一個接收CAN節(jié)點(diǎn)發(fā)送，用來請求帶有遠(yuǎn)程幀中規(guī)定的標(biāo)識符的數(shù)據(jù)幀。錯誤幀將任何總線錯誤通知其他單元，在接收到這個幀時發(fā)送器會自動進(jìn)行消息重發(fā)。過載幀由一個忙的CAN節(jié)點(diǎn)送出，以請求在前后數(shù)據(jù)幀之間增加一個額外的延遲。
標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)幀，開始是幀起始SOF(Start-Of-Frame);其后是11位標(biāo)識符和遠(yuǎn)程發(fā)送請求位RTR(Remote Transmission Request)，這兩部分構(gòu)成了仲裁域;控制域由6位組成，它表示了后面數(shù)據(jù)域中的字節(jié)數(shù)目;數(shù)據(jù)域由數(shù)據(jù)幀里發(fā)送的數(shù)據(jù)組成可為0～8個字節(jié);數(shù)據(jù)域后面是循環(huán)冗余碼CRC(Cyclic Redundancy Checksum)域，它用于接收器檢驗(yàn)所接受到的位序列;兩位的應(yīng)答域ACK(acknowledgment)用于發(fā)送器接收任意接收器所發(fā)出的應(yīng)答;最后是幀結(jié)尾EOF(End-Of-Frame)它包括7個位。
1.3CAN總線仲裁機(jī)制
CAN總線采用顯性(Dominant)和隱性(Recessive)兩個互補(bǔ)的邏輯值表示0和1。它采用非歸零(NRZ)編碼，所有節(jié)點(diǎn)以“線與”方式連接至總線。如果存在一個節(jié)點(diǎn)向總線傳輸邏輯0，則總線呈現(xiàn)邏輯0狀態(tài)，而不管有多少個節(jié)點(diǎn)在發(fā)送邏輯1。CAN網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)可能試圖同時發(fā)送，但其簡單的仲裁規(guī)則確保僅有一個節(jié)點(diǎn)控制總線、并發(fā)送信息。
解決總線訪問沖突的仲裁規(guī)則是通過仲裁每個標(biāo)識位，即每個節(jié)點(diǎn)都逐位監(jiān)測總線電平。按照“線與”機(jī)制，即顯性狀態(tài)(邏輯0)能夠改寫隱性狀態(tài)(邏輯1)，當(dāng)某個節(jié)點(diǎn)失去總線分配競爭時，則表現(xiàn)為隱性發(fā)送和顯性觀測狀態(tài)。所有退出競爭的節(jié)點(diǎn)成為那些最高優(yōu)先級信息的接收器，并且不再試圖發(fā)送自己的信息，直至總線再次空閑。
1.4CAN錯誤檢測機(jī)制
CAN擁有互補(bǔ)的錯誤檢測機(jī)制，錯誤漏檢的概率幾乎為零。它包含有位檢查、位填充檢查、格式檢查、應(yīng)答檢查和循環(huán)冗余檢查(CRC：Cycle Redundancy Check)五種不同的錯誤檢查方法。
位檢查：發(fā)送報文的站觀測總線電平并探測發(fā)送位和接收位的差異，在仲裁階段不進(jìn)行位檢查;位填充檢查：發(fā)送站在發(fā)送五個連續(xù)相等位后會自動插入一個與之互補(bǔ)的補(bǔ)碼位，接收時這個填充位被自動丟掉。如果在一幀報文中有6個相同位，CAN就知道發(fā)生了錯誤;格式檢查：這種方法通過位場檢查幀的格式和大小來確定報文的正確性，用于檢查格式上的錯誤;應(yīng)答檢查：被接收到的幀由接收站通過明確的應(yīng)答來確認(rèn)。如果發(fā)送站未收到應(yīng)答，那么表明接收站發(fā)現(xiàn)幀中有錯誤;循環(huán)冗余檢查(CRC)：在一幀報文中加入冗余檢查碼，接收站通過CRC可判斷報文是否有錯。
2CAN總線技術(shù)的特點(diǎn)
CAN總線是德國BOSCH公司從20世紀(jì)80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種多主總線，通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導(dǎo)纖維。通信速率最高可達(dá)1Mbps。
CAN與其他現(xiàn)場總線相比，具有突出的可靠性、實(shí)時性和靈活性，其技術(shù)特點(diǎn)如下： ?、貱AN從本質(zhì)上講是一種多主或?qū)Φ染W(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可主動發(fā)送報文。②廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼;通過報文過濾，可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)、多點(diǎn)播送(傳送)、廣播等幾種數(shù)據(jù)傳送方式。③采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，受干擾概率低。④具有多種檢錯措施及相應(yīng)的處理功能，檢錯效果極好，處理功能很強(qiáng)，保證了通信的高可靠性。包括位錯誤和位填充錯誤檢測、CRC校驗(yàn)、報文格式檢查和應(yīng)答錯誤檢測及相應(yīng)的錯誤處理。⑤通信介質(zhì)(媒體)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。⑥總線長度可達(dá)10km(速率為5kbps及其以下);網(wǎng)絡(luò)速度可達(dá)1Mbps(總線長度為40m及其以下)。⑦網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)數(shù)主要取決于總線驅(qū)動電路，目前可達(dá)110個;標(biāo)準(zhǔn)格式的報文標(biāo)識符可達(dá)2032個，而擴(kuò)展格式的報文標(biāo)識符的個數(shù)幾乎不受限制。⑧通過報文標(biāo)識符來定義節(jié)點(diǎn)報文的優(yōu)先級。對于實(shí)時性要求不同的節(jié)點(diǎn)報文，可定義不同級別的優(yōu)先級，從而保證高優(yōu)先級的節(jié)點(diǎn)報文得到優(yōu)先發(fā)送。⑨采用非破壞性逐位仲裁機(jī)制來解決總線訪問沖突。通過采用這種機(jī)制，即使在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重時，也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓現(xiàn)象。⑩發(fā)生嚴(yán)重錯誤的節(jié)點(diǎn)具有自動關(guān)閉輸出的功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的通信能夠繼續(xù)進(jìn)行。
4CAN技術(shù)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用
4.1CAN總線技術(shù)的應(yīng)用
國外知名汽車基本都已經(jīng)采用了CAN總線技術(shù)，例如林肯、奧迪、寶馬等，而國內(nèi)汽車品牌，例如奇瑞等公司也已經(jīng)有幾款車型應(yīng)用了總線技術(shù)。CAN總線技術(shù)就是通過遍布車身的傳感器，將汽車的各種行駛數(shù)據(jù)發(fā)送到“總線”上，在這個信息共享平臺上，凡是需要這些數(shù)據(jù)的接收端都可以從“總線”上讀取需要的信息，從而使汽車的各個系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)作、信息共享、保證車輛安全行駛、舒適和可靠。一般來說，越高檔的車配備的CAN總線數(shù)量越多，價格也越高，如途安、帕薩特等車型當(dāng)中都配備了多個CAN總線。
42汽車CAN總線節(jié)點(diǎn)ECU的硬件設(shè)計
汽車CAN總線研發(fā)的核心技術(shù)就是對帶有CAN接口的ECU進(jìn)行設(shè)計，其中ECU的CAN總線模塊由CAN控制器和CAN收發(fā)器構(gòu)成。CAN控制器執(zhí)行完整的CAN協(xié)議，完成通訊功能，包括信息緩沖和接收濾波。CAN控制器與物理總線之間需CAN收發(fā)器作為接口，它實(shí)現(xiàn)CAN控制器與總線之間邏輯電平信號的轉(zhuǎn)換。
43CAN總線在國內(nèi)自主品牌汽車中的應(yīng)用
由于受成本控制、技術(shù)實(shí)力等因素的限制，CAN總線技術(shù)一般都出現(xiàn)在國外高端汽車，在A級及以下級別車型當(dāng)中，該項(xiàng)技術(shù)大多出現(xiàn)在合資品牌當(dāng)中，如POLO、新寶來等。在自主品牌中，采用CAN總線技術(shù)的車型中很少，風(fēng)云2則是其中的代表車型。風(fēng)云2CAN總線技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動機(jī)、變速箱、ABS、車身、儀表及其他控制器的通訊，做到全車信息及時共享。在風(fēng)云2的組合儀表盤當(dāng)中，階段里程、未關(guān)車門精確顯示、安全帶未系提醒等20多項(xiàng)信息全部可以顯示，比同級產(chǎn)品增加一倍，這樣增加了駕駛過程中的安全度。
另外，在CAN總線技術(shù)的幫助下，內(nèi)部各種傳感器實(shí)現(xiàn)信息共享后，大大減少了車體內(nèi)線束和控制器的接口數(shù)量，避免了過多線束存在的互相干涉、磨損等隱患，降低了汽車電氣系統(tǒng)的故障發(fā)生率。打開發(fā)動機(jī)艙蓋，看到的是清晰簡潔的艙內(nèi)布局。維修方面，CAN總線技術(shù)的應(yīng)用也使得故障排查得到最便利的保證。CAN總線智能管家系統(tǒng)符合歐美OBDII標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，實(shí)現(xiàn)了在線診斷的功能。在車輛發(fā)生故障后，各個控制器通過
AN總線智能管家系統(tǒng)存儲故障代碼，由專業(yè)人員，通過診斷儀為車輛診斷出各種故障狀態(tài)，快速準(zhǔn)確地查找到故障點(diǎn)，第一時間排除故障。利用CAN總線技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成的信息傳輸，大大提高了各部件的響應(yīng)速度，減少了配件磨損發(fā)生率，也相應(yīng)降低了維修成本;而且，先進(jìn)集成技術(shù)的應(yīng)用，也大幅提高了車輛自身的科技含量，增強(qiáng)了產(chǎn)品競爭力。
5結(jié)論
CAN總線的高性能和可靠性已被認(rèn)同，并被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化，船舶，醫(yī)療設(shè)備等方面。該總線控制器和驅(qū)動器為硬件基礎(chǔ)，采用了開放式仲裁機(jī)制和“隱性”、“顯性”位信號差分通信方式，保證了報文傳輸?shù)目煽啃?、?zhǔn)確性、快速性和實(shí)時性。因此國外知名汽車基本都已經(jīng)采用了CAN總線技術(shù)。
參考文獻(xiàn)：
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[3][4][5][6][7]李剛炎，于翔鵬CAN總線技術(shù)及其在汽車中的應(yīng)用[Z].中國科技論文在線
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