1、車載網絡系統及CANJ、議的應用分析原作者：神龍汽車有限公司技術中心操小軍 出處：OneTwoFree.Sp【論文摘要】摘要現代社會對汽車各方面的要求不斷提高，在汽車設計中運用電子控制技術是滿足這些要 求的最好方法，為了滿足汽車內部信息交換量急劇增加的要求，有必要使用多路傳輸方式的車載的串行網絡系統。 目前，CAN協議及其網絡系統已被全球汽車廠商普遍接受。CAN協議明確的定義了數據鏈路層和物理層的內容。CAN具有十分優越的特點，這使得絕大多數的工程師都選擇它作為車載網絡協議的標準。在汽車領域，目前存在的多種車載網絡標準，其側重的功能也有所不同。SAE將車載網絡按傳輸速率的不同劃分為三類。即將投

2、產的標致307”系列車型采用的是CAN網絡結構。CAN必將在汽車領域得到更廣泛的應用。關鍵詞：CAN車載網絡網絡協議 LIN1汽車電子技術的發展推動了車載網絡系統廣泛研究和使用。1.1 汽車電子技術的發展提出了網絡化的要求現代社會對汽車各方面的要求不斷提高，這些要求包括：極高的主動安全性和被動安全性；乘坐的舒適性；駕駛與使用的便捷和人性化；尤其是低排放和低油耗的要求等。在汽車設計中運用計算機微處理器及其電控技術是滿足這些要求的最好方法，而且已經得到了廣泛的運用。目前這些系統有：ABS （防抱系統）、EMS （發動機管理系統）、多功能數字化儀表、主動懸架、導航 系統、電子防盜系統、自動空調和自動

3、CD機等。這些系統由多個電控單元相互連接而成，可分為控制器、傳感器、執行器等。同時各個系統之間也互相連接，進行著越來越多的數據交換。這樣就需要使用大量的線束和插接器來實現互連，進行它們之間的數據交換。隨著汽車電子技術的不斷發展，這種需求的增長是驚人的。圖 1給出了它的增長情況。1GOO'160014001200) I1000.eooH.6。用EJ U196019851995由于線束和插接器的數量不斷增加，整車電子系統的復雜程度愈來愈高，其可靠性將難以保證，故障率會提高，維修更加困難。為了滿足汽車內部信息交換量急劇增加的要求，有必要使用一種實現多路傳輸方式的車載網絡系統。這種網絡系統采用

4、串行總線結構，通過總線信道共享，減少線束的數量。1.2 車載網絡系統的應用要求車載網絡系統的建立可參考現有的局域網絡系統，但又有較大的不同，尤其是使用環境不同于一般局域網，其要求更加苛刻。一般汽車內(主要是機艙內)：溫度變化大，可達45 c100 C；汽車在行駛中可能出現較大的振動；點火噴射系統等的裝置也會帶來較大的電磁干擾；同時對一些電控系統如EMS 、 ABS 等的信息傳遞要求迅速及時。另外由于涉及安全性的考慮，要求網絡系統有很好的可靠性。這就要求網絡除了采用總線拓撲結構方式外，必須具有極好的抗干擾能力；系統自身的健壯性；極強的差錯檢測和處理能力；信息傳輸實時性要求；同時具備故障的診斷和處

5、理能力等。另外考慮到成本因素，要求其控制接口結構簡單，易于配置。1.3 車載網絡的發展現狀眾多的國際知名公司早在20 世紀 80 年代就積極致力于汽車網絡技術的研究及應用。到目前為止已形成了多種網絡標準，如：SAE (汽車工程師協會)的J1850和J1939、德國大眾的 ABUS、法國 PSA 的 VAN 、美國商用機器的AutoCAN 、德國 BOSCH 的 CAN 等等。近幾年， 在歐洲和美國推出的車型基本上都配備了一個、兩個甚至多個網絡系統，不光高檔車裝備有，甚至低檔經濟型車也有。日本的汽車公司也開始逐步使用車載網絡系統。我國近一兩年和歐洲同步推出的幾款車型也裝備了汽車網絡系統,如：神龍

6、汽車有限公司去年推出的 畢加索”轎車裝備了 VAN網、明年即將推出的 薩拉” N7轎車將裝備 VAN和CAN混合網、后年推出的“標致307” 系列車將采用FullCAN 網系統； 一汽大眾的“寶來 ”轎車在動力系統和舒適系統中裝備了兩套速率不同的CAN 網；上海大眾的“波羅 ”也裝備了CAN 網。正如一些汽車專家認為的：就像汽車電子技術在上世紀70 年代引入集成電路、80 年代引入微處理器一樣，近十年來車載網絡技術的引入也將是汽車電子技術發展的一個里程碑。2 CAN 網逐漸發展成為車載網絡領域中應用最為廣泛的國際標準2.1 CAN 網絡協議的產生和發展1986 年 2 月， Robert Bo

7、sch 公司在 SAE 年會上介紹了一種新型的串行總線系統 CAN( Controller Area Network ) 。 根據這個CAN 協議， 在 1987 年中期，Intel 開發了首個CAN 控制器 82526 。不久，Philips 半導體也推出了82C200 。這兩種CAN 控制器在報文過濾和控制上有許多的不同。Philips 半導體的方式叫BasicCAN ； Intel 的方式叫FullCAN ，由此后的不斷發展，從而形成了FullCAN 和 BasicCAN 兩大陣營。在 20 世紀 90 年代初，Bosch CAN 規范( CAN 2.0 )被提交給了國際標準化組織。經過

8、討論，應一些法國主要汽車商的要求，包含了吸收一些VAN 網( Vehicle Area Network )的內容。并于 1993 年 11 月出版了正式的CAN 國際標準ISO11898 。從此 CAN 協議被廣泛的用于各類自動化控制領域。在 1992 年， 奔馳公司首先在他們的高級轎車上使用了CAN 技術。 這是 CAN技術在車載網絡系統中的首次實際使用 目前，CAN協議及其網絡系統已被全球汽車廠商普遍接受，成為車載網絡系統的計算機網絡技 術基礎。在歐洲幾乎每一輛新款汽車均裝配有CAN局域網。同樣，CAN也用于其他類型的交通工具，從火車到輪船或者用于工業控制。CAN已經成為全球范圍內最重要的

9、總線之一甚至領導著串行總線。在1999年，接近6千萬個CAN控制器投入應用。到了 2000年，全球市場銷售 了超過1億個CAN元器件。2.2 CAN 網絡協議的內容和基本原理作為一種網絡協議一般應符合ISO/OSI模型，即國際標準化組織的開放系統互連參考模型。但目前廣泛應用的許多網絡協議并不完全符合這個模型，CAN就是這種網絡協議。對照 ISO/OSI模型中的7層次，CAN僅明確定義了相當于數據鏈路層和物理層的內容。圖 2給出它的層次 結構。其中對象層和傳輸層包括所有由ISO/OSI模型定義的數據鏈路層的服務和功能。曲用，財祖層-報只過這一修文和喊志姓畔一一-我修范拄-莖巖樓Mb定把史洲認一痛

10、普一仲裁-低口的赳幀-佃構造里口誤時的其層TB號檢耀相比帶位的表不畸介M圖2CAN是一種總線網，一般是采用廉價的雙絞線作為其傳輸介質。一根線為高電位，另一根為反 向的低電位，這樣總體對外電磁輻射相互抵消。CAN協議的報文傳輸由以下四種不同的幀類型所表示和控制：- 數據幀：數據幀攜帶數據從一個節點的發送器至所有節點的接收器。- 遠程請求幀：總線的一個節點發出遠程請求幀，請求某個節點響應具有同一識別符的數據幀。- 錯誤幀：總線上的任何節點一旦檢測到總線的錯誤就發出錯誤幀。- 過載幀：過載幀用以在先行的和后續的數據幀（或遠程幀）之間提供一附加的延時，防止產生 接收器過載。CAN協議在其幀結構中定義了

11、多種校驗方式，確保信息傳送的可靠性。信息在網絡中采用廣播 的方式，總線上所有的節點均先接收到報文，然后根據幀結構中的11位或29位標識符進行識 別，接收所需的信息，屏蔽掉本節點不需要的信息。在報文發送時是采用內容(而不是一般的地址方式)擇優的優先級方式，我們稱其為載波偵聽多路訪問/沖突檢測，即：CSMA/CD ( Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect )。如果利用一般的CSMA 訪問總線，可對總線上信號進行檢測，只有當總線處于空閑狀態時才允許發送。 利用這種方法可以允許多個節點掛接到同一網絡上，但當檢測到一個沖突位時，所有節點將

12、重新回到監聽總線的狀態，直到該沖突時間過后才開始發送。在總線超載的情況下，這種技術可能會造成發送信號經過許多延遲。為了避免發送延時可利用CSMA/CD 方式訪問總線：當總線上有兩個節點同時進行發送時，必須通過無損的逐位仲裁方法來使有最高優先權的的報文優先發送。 在 CAN 總線上發送的每一條報文都具有唯一的一個11 位或 29 位的標識符， CAN 總線狀態取決于二進制數0 而不是 1 ，所以 ID 號越小則該報文擁有越高的優先權。因此一個為全 0 標志符的報文具有總線上的最高級優先權。可用另外的方法來解釋, 在消息沖突的位置第一個節點發送0，而另外的節點發送1 ， 那么發送0 的節點將取得總

13、線的控制權，并且能夠成功的發送出它的信息。這種獨特的總線爭用方式保證了高優先級報文的及時發送，減少了時延。在差錯處理方面CAN 也有其獨特的優勢。對于一個幀可以用互不排斥的5 種方式檢查出出錯的幀。另外還有一個計數機制，當一個節點錯誤的次數滿足一定條件時，會被進行相應的故障處理，以防止出故障的節點對整個系統的影響，保證其他節點之間的正常通信。2.3 CAN 協議適宜于車載網絡應用的優勢正如本文1.2 節中所描述的那樣，一個適宜于汽車環境的網絡協議必須滿足許多苛刻的要求，并具有一些獨特的特性。CAN 具有十分優越的特點，這使得絕大多數的工程師都選擇它作為車載網絡協議的標準。這些優點包括以下內容：

14、(1) 低成本。 由于 CAN 已經成為車載網絡中應用最廣泛的標準，這使得相關元器件的產量很大，從而大大的降低了成本。對于已經競爭非常激烈的汽車產業來說是十分重要的。(2) 極高的總線利用率。如前一節分析的那樣，其發送沖突解決方案是一種沖突規避的設計方式，減少了信息重發可能性，從而提高了利用率，對于發送優先級高的重要信息尤為如此。(3) 高速的數據傳輸速率可高達1 Mbit/s ，完全可滿足汽車動力和懸架等高速系統的傳輸需求。(4) 可根據報文的ID 決定接收或屏蔽該報文，而不是采用一般的地址方式。方便與網絡相連的汽車電器系統的靈活配置。(5) 可靠的錯誤處理和檢錯機制；發送的信息遭到破壞后可

15、自動重發；節點在錯誤嚴重的情況下具有自動退出總線；這些特點都保證了系統極高的可靠性、安全性和健壯性。很明顯，這對于車載的網絡系統是十分重要的要求。(6) 報文幀結構相對比較簡單，占用總線時間短，從而保證了通信很高的實時性。（7）目前如：Bosch、Philips、Siemens、Delphi、Valeo 等世界上重要的汽車電器供應商已開 發出大量成熟的 CAN元器件和嵌入了 CAN接口的電控單元（ECU ）,這樣可大大的縮短相關 汽車電器系統的開發時間，減少開發成本。3 CAN系統已經開始在新型的汽車上得到了廣泛的實際應用3.1 CAN 在車載網絡中的應用在CAN協議中僅對網絡的低層進行了具體

16、規定,其應用層協議并未給出。 這樣針對不同的應用,其應用層也不盡相同。在汽車領域，目前存在的多種車載網絡標準，其側重的功能也有所不同。A、 B、 C 三為了便于設計和使用，SAE （汽車工程協會）將車載網絡按傳輸速率的不同劃分為 類。其中B類在國際標準ISO-IS11519-2 中稱為低速 CAN網，C類在國際標準ISO-IS11898 中稱為高速 CAN網。（參見圖 3）IE dllurn1000IsO-IS< ,>1C車身造件控制'突時rt圖3如圖中所示，A類是面向傳感器和執行器控制的低速網絡，傳輸速率只有110kbps ,主要用于一些車身內飾附件，如燈光控制、電動玻璃

17、升降器、電動調節座椅等；B類是面向獨立模塊間數據共享的中速網絡，傳輸速率為10125kbps ,主要用于一些防盜系統、故障診斷、儀表顯示、安全氣囊等；C類面向高速和實時的閉環控制的多路傳輸系統，最高傳輸速率可達 1Mbps ,主要用于ECM、ABS、主動懸架等系統。在不同類的網絡之間設有一個網關控制器，它可以保 證位于不同速率網絡上的節點之間的通信。目前一般在汽車內采用B類和C類網絡結合使用的方式，這可以在較低成本的情況下， 保證滿足相應的需求。而A類網絡已經趨于淘汰，汽車工程師們開發了一種叫LIN（ Local interconnectnetwork ）的更廉價的網絡標準，用于開關設備，如車

18、輛座椅，門鎖，遮陽蓬，雨刮，后視鏡等。3.2 一個應用了 CAN的汽車實例分析目前國內新近推出和即將推出的許多新型轎車，都不同程度的裝備了 CAN網絡系統，這也是我國汽車裝配水平與國際日益接軌的標志。 神龍汽車有限公司即將在今年底或明年初，推出的有歐洲年度最佳轎車之稱的 標致307”系列車型。在這個先進的車型上就采用了CAN車載網絡系統,現就其情況簡單介紹一下。標致307”系列車型采用的是 FullCAN 的網絡控制器結構。圖 4給出了其車載網絡系統的基本 布局。整個網絡系統分為高速網和低速網兩個部分，另外對于一些開關和控制部件采用LIN網連接。他們通過一個叫 BSI （智能控制盒）的中心處理控制單元來連接和控制。擰怔安全：提斯密值情"HE 電：,r物毒i動他疑另外，與 BSI、ECM的診斷與檢測提供接口 ,和ABS等關鍵元件相連的診斷插口為外部設備與車內網絡的通信和故障這樣可方便的在整車下線前也可通過它對整個車載網絡系統進行配置,生產不同電子配