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(xiàn)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(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(fā)出面向汽車的CAN(Controllor Area Networh)通信協(xié)議。此后，CAN通過ISO11898及ISO11519進行了標準化，在歐洲已是汽車網絡的標準協(xié)議。
CAN的高性能和可靠性已被認同，并被廣泛地應用于工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設備、工業(yè)設備等方面?，F(xiàn)場總線是當今自動化領域技術發(fā)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(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)各節(jié)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(xié)議已經成為汽車計算機控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網的標準總線，并且擁有以CAN為底層協(xié)議專為大型貨車和重工機械車輛設計的J1939協(xié)議。
1CAN總線技術原理簡介
1.1CAN總線的分層結構
CAN協(xié)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(xié)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(fā)送器承載數據到一個接收器。根據CAN規(guī)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(jié)點發(fā)送，用來請求帶有遠程幀中規(guī)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(fā)送器會自動進行消息重發(fā)。過載幀由一個忙的CAN節(jié)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(fā)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(jié)數目;數據域由數據幀里發(fā)送的數據組成可為0～8個字節(jié);數據域后面是循環(huán)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(fā)送器接收任意接收器所發(fā)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(jié)點以“線與”方式連接至總線。如果存在一個節(jié)點向總線傳輸邏輯0，則總線呈現(xiàn)邏輯0狀態(tài)，而不管有多少個節(jié)點在發(fā)送邏輯1。CAN網絡的所有節(jié)點可能試圖同時發(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識位，即每個節(jié)點都逐位監(jiān)測總線電平。按照“線與”機制，即顯性狀態(tài)(邏輯0)能夠改寫隱性狀態(tài)(邏輯1)，當某個節(jié)點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(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(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(fā)送站未收到應答，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總線技術的特點
CAN總線是德國BOSCH公司從20世紀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據交換而開發(fā)的一種串行數據通信協(xié)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(xiàn)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(jié)點均可主動發(fā)送報文。②廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數據進行編碼;通過報文過濾，可實現(xiàn)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(jié)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(jié)點報文的優(yōu)先級。對于實時性要求不同的節(jié)點報文，可定義不同級別的優(yōu)先級，從而保證高優(yōu)先級的節(jié)點報文得到優(yōu)先發(fā)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(xiàn)網絡癱瘓現(xiàn)象。⑩發(fā)生嚴重錯誤的節(jié)點具有自動關閉輸出的功能，以使總線上其他節(jié)點的通信能夠繼續(xù)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(fā)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(tǒng)協(xié)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(jié)點ECU的硬件設計
汽車CAN總線研發(fā)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(fā)器構成。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，它實現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)發(fā)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(xiàn)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(tǒng)的故障發(fā)生率。打開發(fā)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(tǒng)符合歐美OBDII標準法規(guī)，實現(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(xiàn)系統(tǒng)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(fā)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(yè)自動化，船舶，醫(yī)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(xiàn)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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