汽車can總線技術論文(2)
汽車can總線技術論文
汽車can總線技術論文篇二
CAN總線技術及其應用
[摘要]CAN是國際上應用最廣泛的現場總線之一。本文主要分析了CAN總線的技術特點及其應用趨勢，對CAN總線在汽車領域的應用進行了深入的分析。
[關鍵詞]CAN總線;汽車;應用
[中圖分類號]TN915[文獻標識碼]A[文章編號]1005-6432(2014)31-0050-02
在汽車產業中，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被開發了出來。由于這些系統之間通信所用的數據類型及對可靠性的要求不盡相同，由多條總線構成的情況很多，線束的數量也隨之增加。為適應“減少線束的數量”、“通過多個LAN，進行大量數據的高速通信”的需要，1986年德國電氣商博世公司開發出面向汽車的CAN(Controllor Area Networh)通信協議。此后，CAN通過ISO11898及ISO11519進行了標準化，在歐洲已是汽車網絡的標準協議。
CAN的高性能和可靠性已被認同，并被廣泛地應用于工業自動化、船舶、醫療設備、工業設備等方面。現場總線是當今自動化領域技術發展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網。它的出現為分布式控制系統實現各節點之間實時、可靠的數據通信提供了強有力的技術支持。
在北美和西歐西歐，CAN總線協議已經成為汽車計算機控制系統和嵌入式工業控制局域網的標準總線，并且擁有以CAN為底層協議專為大型貨車和重工機械車輛設計的J1939協議。
1CAN總線技術原理簡介
1.1CAN總線的分層結構
CAN協議定義了ISO/OSI參考模型的物理層及數據鏈路層[1]，如下圖所示。
CAN的ISO/OSI參考模型的層結構
物理層定義信號是如何實際傳輸，涉及位定時、位編碼/解碼、同步的解釋。數據鏈路層包含介質訪問控制子層MAC(Medium Access Control)和邏輯鏈路控制子層LLC(Logical Link Control)。其中，MAC子層是CAN協議的核心，負責報文分幀、仲裁、應答、錯誤檢測和標定，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、過載通知和恢復管理。
1.2CAN報文格式
CAN總線上的信息以報文的形式進行傳輸，報文傳輸分為四種不同類型的幀：數據幀、遠程幀、錯誤幀和過載幀。
數據幀從一個發送器承載數據到一個接收器。根據CAN規范，有兩種數據幀格式：CAN標準幀(也稱為CAN2.0A，支持11位長度的標識符)和CAN擴展幀(也稱為CAN2.0B，支持29位長度的標識符)。遠程幀是由一個接收CAN節點發送，用來請求帶有遠程幀中規定的標識符的數據幀。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送器會自動進行消息重發。過載幀由一個忙的CAN節點送出，以請求在前后數據幀之間增加一個額外的延遲。
標準格式的數據幀，開始是幀起始SOF(Start-Of-Frame);其后是11位標識符和遠程發送請求位RTR(Remote Transmission Request)，這兩部分構成了仲裁域;控制域由6位組成，它表示了后面數據域中的字節數目;數據域由數據幀里發送的數據組成可為0～8個字節;數據域后面是循環冗余碼CRC(Cyclic Redundancy Checksum)域，它用于接收器檢驗所接受到的位序列;兩位的應答域ACK(acknowledgment)用于發送器接收任意接收器所發出的應答;最后是幀結尾EOF(End-Of-Frame)它包括7個位。
1.3CAN總線仲裁機制
CAN總線采用顯性(Dominant)和隱性(Recessive)兩個互補的邏輯值表示0和1。它采用非歸零(NRZ)編碼，所有節點以“線與”方式連接至總線。如果存在一個節點向總線傳輸邏輯0，則總線呈現邏輯0狀態，而不管有多少個節點在發送邏輯1。CAN網絡的所有節點可能試圖同時發送，但其簡單的仲裁規則確保僅有一個節點控制總線、并發送信息。
解決總線訪問沖突的仲裁規則是通過仲裁每個標識位，即每個節點都逐位監測總線電平。按照“線與”機制，即顯性狀態(邏輯0)能夠改寫隱性狀態(邏輯1)，當某個節點失去總線分配競爭時，則表現為隱性發送和顯性觀測狀態。所有退出競爭的節點成為那些最高優先級信息的接收器，并且不再試圖發送自己的信息，直至總線再次空閑。
1.4CAN錯誤檢測機制
CAN擁有互補的錯誤檢測機制，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、應答檢查和循環冗余檢查(CRC：Cycle Redundancy Check)五種不同的錯誤檢查方法。
位檢查：發送報文的站觀測總線電平并探測發送位和接收位的差異，在仲裁階段不進行位檢查;位填充檢查：發送站在發送五個連續相等位后會自動插入一個與之互補的補碼位，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;應答檢查：被接收到的幀由接收站通過明確的應答來確認。如果發送站未收到應答，那么表明接收站發現幀中有錯誤;循環冗余檢查(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總線技術的特點
CAN總線是德國BOSCH公司從20世紀80年代初為解決現代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而開發的一種串行數據通信協議，它是一種多主總線，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。通信速率最高可達1Mbps。
CAN與其他現場總線相比，具有突出的可靠性、實時性和靈活性，其技術特點如下： ①CAN從本質上講是一種多主或對等網絡，網絡上任一節點均可主動發送報文。②廢除了傳統的站地址編碼，而代之以對通信數據進行編碼;通過報文過濾，可實現點對點、多點播送(傳送)、廣播等幾種數據傳送方式。③采用短幀結構，傳輸時間短，受干擾概率低。④具有多種檢錯措施及相應的處理功能，檢錯效果極好，處理功能很強，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、報文格式檢查和應答錯誤檢測及相應的錯誤處理。⑤通信介質(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10km(速率為5kbps及其以下);網絡速度可達1Mbps(總線長度為40m及其以下)。⑦網絡上的節點數主要取決于總線驅動電路，目前可達110個;標準格式的報文標識符可達2032個，而擴展格式的報文標識符的個數幾乎不受限制。⑧通過報文標識符來定義節點報文的優先級。對于實時性要求不同的節點報文，可定義不同級別的優先級，從而保證高優先級的節點報文得到優先發送。⑨采用非破壞性逐位仲裁機制來解決總線訪問沖突。通過采用這種機制，即使在網絡負載很重時，也不會出現網絡癱瘓現象。⑩發生嚴重錯誤的節點具有自動關閉輸出的功能，以使總線上其他節點的通信能夠繼續進行。
4CAN技術在汽車領域的應用
4.1CAN總線技術的應用
國外知名汽車基本都已經采用了CAN總線技術，例如林肯、奧迪、寶馬等，而國內汽車品牌，例如奇瑞等公司也已經有幾款車型應用了總線技術。CAN總線技術就是通過遍布車身的傳感器，將汽車的各種行駛數據發送到“總線”上，在這個信息共享平臺上，凡是需要這些數據的接收端都可以從“總線”上讀取需要的信息，從而使汽車的各個系統協調運作、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總線數量越多，價格也越高，如途安、帕薩特等車型當中都配備了多個CAN總線。
42汽車CAN總線節點ECU的硬件設計
汽車CAN總線研發的核心技術就是對帶有CAN接口的ECU進行設計，其中ECU的CAN總線模塊由CAN控制器和CAN收發器構成。CAN控制器執行完整的CAN協議，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收發器作為接口，它實現CAN控制器與總線之間邏輯電平信號的轉換。
43CAN總線在國內自主品牌汽車中的應用
由于受成本控制、技術實力等因素的限制，CAN總線技術一般都出現在國外高端汽車，在A級及以下級別車型當中，該項技術大多出現在合資品牌當中，如POLO、新寶來等。在自主品牌中，采用CAN總線技術的車型中很少，風云2則是其中的代表車型。風云2CAN總線技術，可以實現發動機、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。在風云2的組合儀表盤當中，階段里程、未關車門精確顯示、安全帶未系提醒等20多項信息全部可以顯示，比同級產品增加一倍，這樣增加了駕駛過程中的安全度。
另外，在CAN總線技術的幫助下，內部各種傳感器實現信息共享后，大大減少了車體內線束和控制器的接口數量，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的故障發生率。打開發動機艙蓋，看到的是清晰簡潔的艙內布局。維修方面，CAN總線技術的應用也使得故障排查得到最便利的保證。CAN總線智能管家系統符合歐美OBDII標準法規，實現了在線診斷的功能。在車輛發生故障后，各個控制器通過
AN總線智能管家系統存儲故障代碼，由專業人員，通過診斷儀為車輛診斷出各種故障狀態，快速準確地查找到故障點，第一時間排除故障。利用CAN總線技術實現系統集成的信息傳輸，大大提高了各部件的響應速度，減少了配件磨損發生率，也相應降低了維修成本;而且，先進集成技術的應用，也大幅提高了車輛自身的科技含量，增強了產品競爭力。
5結論
CAN總線的高性能和可靠性已被認同，并被廣泛應用于工業自動化，船舶，醫療設備等方面。該總線控制器和驅動器為硬件基礎，采用了開放式仲裁機制和“隱性”、“顯性”位信號差分通信方式，保證了報文傳輸的可靠性、準確性、快速性和實時性。因此國外知名汽車基本都已經采用了CAN總線技術。
參考文獻：
[1]饒運濤，鄒繼軍現場總線CAN原理與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.
[2]王箴CAN總線在汽車中應用[N].中國汽車報，2004920(28)
[3][4][5][6][7]李剛炎，于翔鵬CAN總線技術及其在汽車中的應用[Z].中國科技論文在線
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