基于CAN總線技術在汽車中的實際應用

肖相春

（柳州市運天運運輸有限公司，廣西 柳州 545002）

隨著汽車使用電氣設備越來越多，從發動機控制到傳動系統控制，從行駛、制動、轉向系統控制，到安全保證系統及儀表報警系統，從電源管理到提高舒適性而作的各種努力，汽車電氣系統形成一個復雜的龐大系統，而這些都要集中在駕駛室進行集中控制。

此外，隨著近年ITS的來發展，以3G（GPS、GIS和GSM）為代表的新型電子通訊產品的出現，對汽車的綜合布線和信息的共享交互，提出了更高的要求。從布線角度分析，傳統的電氣系統大多采用點對點的單一通信方式，相互之間少有聯系，這樣會造成龐大的布線系統。

據統計，一輛采用傳統布線方法的高檔汽車中，其導線長度可達2000m，電氣節點達1500個。而根據統計，該數字大約每10年增長1倍。無論從材料成本還是工作效率看，傳統布線方法，都將不能適應汽車的發展。

從信息共享角度分析，現代典型的控制單元有電控燃油噴射系統、電控傳動系統、防抱死制動系統（ABS）、防滑控制系統（ASR）、廢氣再循環控制、巡航系統和自動恒溫空調系統。為了滿足各子系統的實時性要求，有必要對汽車公共數據實行共享，如發動機轉速、車輪轉速、油門踏板位置等。但每個控制單元對實時性的要求，是因數據的更新速率和控制周期不同而不同，這就要求其數據交換網是基于優先競爭的模式，且本身具有較高的通信速率，CAN總線正是為滿足這些要求而設計的。

1 CAN總線的特點

CAN總線又稱作汽車總線，其全稱為“控制器局域網”（CAN，Controller Area Network）。CAN總線是一種現場總線（區別于辦公室總線），是德國Bosch公司為解決現代汽車中眾多的電控模塊（ECU）之間的數據交換，而開發的一種串行通信協議。CAN總線的設計，充分考慮了汽車上惡劣工作環境，可靠性高。因此CAN總線在諸多現場總線中獨占鰲頭，成為汽車總線的代名詞。

完善的汽車CAN總線網絡系統架構如圖1所示。

圖1 汽車CAN總線網絡系統架構圖

CAN總線可有效支持分布式控制或實時控制，通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光纖，其主要特點是：

（1）CAN總線為多主站總線，各節點可在任意時刻向網絡上的其他節點發送信息，不分主從，通信靈活；

（2）CAN總線采用獨特的非破壞性總線仲裁技術，優先級高的節點，優先傳送數據，可滿足實時性要求；

（3）CAN總線具有點對點、一點對多點及全局廣播傳送數據的功能；

（4）CAN總線采用短幀結構，每幀有效字節數最多為8個，數據傳輸時間短，受干擾的概率低，重新發送的時間短。并有CRC及其他校驗措施，數據出錯率極低，保證了數據傳輸的高可靠性，適于在高干擾環境中使用；

（5）CAN總線上某一節點出現嚴重錯誤時，可自動脫離總線，而總線上的其他操作不受影響；

（6）CAN總線系統擴充時，可直接將新節點掛在總線上，因而走線少，系統擴充容易，改型靈活。

（7）CAN總線最大傳輸速率可達1Mb/s（此時通信距離最長為40m），直接通信距離最遠可達10 km（速率5 kb/s以下）。

（8）CAN總線上的節點數，主要取決于總線驅動電路。在標準幀（11位報文標識符）可達110個，而在擴展幀（29位報文標識符）其個數幾乎不受限制。

（9）CAN可以點對點、一點對多點（成組）及全局廣播集中方式傳送和接受數據；

（10）采用不歸零碼（NRZ，Non-Return-to-Zero）編碼/解碼方式，并采用位填充（插入）技術。

2 CAN總線技術優勢

2.1 數據共享，降低數據重復成本

對于具有CAN總線接口的電噴發動機，其他電器可共享其提供的轉速、水溫、機油壓力、機油溫度、油量瞬時流速等等，一方面可省去額外的水溫、油壓、油溫傳感器，另一方面可以將這些數據顯示在儀表上，便于司機檢查發動機運行工況，從而便于發動機的保養維護。

再比如，電渦流緩速器、空氣懸架、門控制及巡航定速控制，都用到車速數據，結果這些電器都有一套車速處理電路，浪費了資源。而采用總線技術后，都可以從總線上即可獲得車速數據。

2.2 車身布線減少，節省成本

由于采用總線技術，模塊之間的信號傳遞，僅需要兩條信號線。布線局部化，車上除掉總線外，其他所有橫貫車身的線都不再需要了，節省了布線成本。另外，數據共享也節省了線路，還拿車速信號打比方，在沒有總線的情況，車速信號要接到電渦流緩速器、空氣懸架、門控制及電噴發動機。有了總線后只要接到一處，其他電器可以通過總線共享數據。

2.3 硬件方案的軟件化實現，減小生產成本

發動機點火控制，點火時必須滿足下列條件：一是空檔；二是鑰匙處于ON檔，另外還需點火保護裝置。以往是靠一系列繼電器來實現這些功能，既不可靠又增大成本，而用軟件實現，既可靠又無資金投入。軟件具有錯誤診斷能力和自動恢復能力，節省了生產維護成本。

對于總線內部錯誤，總線系統可以通過自身軟件進行自動恢復。而非總線車輛，一旦出現故障，第一，更依賴于人工；第二，往往需要對復雜線束逐根測量；第三，需要對相關電器依次測定。整個過程非常費工時，而且準確率不高。

2.4 擴充性強，產品升級快，節省新產品開發設計成本

CAN節點幾乎可以在不改動原有線束的情況下，增加新的組件，數據穩定可靠，CAN總線具有線間干擾小、抗干擾能力強的特點。由于VITI-CAN系統采用的是模塊化管理，各模塊按其功能，分散地擺放在車內，簡化了布線并縮短了線束的長度，從而降低了耦合電流的產生，減小了線間干擾。

同時在軟件上，CAN總線采用短幀傳輸，這樣使總線數據報文在傳輸過程中有較強的抗干擾能力。CAN總線專為汽車量身訂做，可靠性有保障。CAN總線的設計充分考慮了汽車上惡劣工作環境，比如點火線圈點火時產生的強大的反沖電壓，電渦流緩速器切斷時產生的浪涌電流及汽車發動機艙內100℃左右的高溫。

3 CAN總線技術的應用優勢

CAN總線技術在汽車中的應用，具有以下優勢：

3.1 信息共享

采用CAN總線技術，可以實現各ECU之間的信息共享，減少不必要的線束和傳感器。例如具有CAN總線接口的電噴發動機，其他電器可共享其提供的轉速、水溫、機油壓力、機油溫度、油量瞬時流速等，這樣一方面可省去額外的水溫、油壓、油溫傳感器，另一方面可以將這些數據顯示在儀表上，便于司機檢查發動機運行工況，從而便于發動機的保養維護。

3.2 減少線束

新型電子通訊產品的出現，對汽車的綜合布線和信息的共享交互，提出了更高的要求。傳統的電氣系統，大多采用點對點的單一通信方式，相互之間少有聯系，這樣必然造成龐大的布線系統。據統計，一輛采用傳統布線方法的高檔汽車中，其導線長度可達2000m，電氣節點達1500個，而且該數字大約每10年增長1倍。這種傳統布線方法，不能適應汽車的發展。CAN總線可有效減少線束，節省空間。例如某車門-后視鏡、搖窗機、門鎖控制等的傳統布線，需要20～30根，應用總線CAN則只需要2根。

3.3 關聯控制

在一定事故下，需要對各ECU進行關聯控制，而這是傳統汽車控制方法難以完成的。CAN總線技術，可以實現多ECU的實時關聯控制。在發生碰撞事故時，汽車上的多個氣囊可通過CAN協調工作，它們通過傳感器感受碰撞信號，通過CAN總線將傳感器信號傳送到一個中央處理器內，控制各安全氣囊的啟動彈出動作。

4 CAN總線技術應用方案

4.1 應用方案一

此方案是一個完整的分布式汽車電子控制系統，其采用多子網結構，將信息交換比較密切的系統放在一個子網中，使整個系統具有很高的實時性，不同子網之間，根據不同的應用特點，采用不同的物理層接口，以及通信速率，優化了系統結構。如圖2所示。

圖2 CAN總線應用方案一

該方案簡化了各個CAN子網的設計難度，但是整車的網絡系統設計以及總線通信協議比較復雜，硬件上對網關的要求比較高，需要有強大的數據處理能力，而且系統成本比較高，適合于中高檔轎車采用。

4.2 應用方案二

圖3 CAN總線應用方案二

整車的CAN總線網絡，分為高速網絡和低速網絡兩部分，高速網采用雙線式高速CAN總線（1Mb/s），低速網采用雙線式CAN總線（125 kb/s）。儀表顯示模塊作為網關完成兩部分數據之間的傳輸。CAN總線應用方案二如圖3所示。

整個系統分為高速和低速兩部分，動力傳動總線和安全總線合并成高速總線。這樣做，降低了通信的實時性，但是考慮到傳動系總線中一般是周期性的數據，而安全總線中一般是突發性的數據，只要選擇合適的幀優先級，就可以彌補這個缺點。舒適總線和信息總線合并為低速總線，這兩部分中對數據的實時性要求不高，125 kb/s的速率完全可以滿足需求。

5 結束語

CAN總線作為一種可靠的汽車計算機網絡總線，已開始在先進的汽車上得到應用，使得各汽車計算機控制單元，能夠通過CAN總線共享所有的信息和資源，達到簡化布線、減少傳感器數量、避免控制功能重復、提高系統可靠性和可維護性、降低成本、更好地匹配和協調各個控制系統的目的。這樣使得汽車的動力性、操作穩定性、安全性都上升到新的高度。隨著汽車電子技術的發展，具有高度靈活性、簡單的擴展性、優良的抗干擾性和處理錯誤能力的CAN總線通信協議，必將在汽車電控系統中得到更廣泛的應用。

在國外，汽車總線技術已經基本形成了統一的標準，硬件接口也已統一，芯片也已定型、量產。目前國內許多汽車電子廠商都在開發CAN總線系統，各個產品正在陸續推出。就中國而言，汽車總線更是一項朝陽產業，有著無限的前景；目前在進入家庭的10萬元車型中，廣本飛度、POLO勁取已經采用CAN線技術，汽車電氣維修率低，市場反映良好，相信總線系統在中國汽車工業的普及應用，已經為期不遠。

[1]鄔寬明.CAN總線原理和應用系統設計[M].北京：北京航空航天大學出版社，2008.

[2]周 震.基于CAN總線的車身控制模塊[M].南京：南京航空航天大學出版社，2009.

[3]王 箴.CAN總線在汽車中應用[N].中國汽車報，2009-09-28（28）.