CAN總線技術(shù)在中通客車上的應(yīng)用

趙 佳

（中通客車控股股份有限公司， 山東聊城 252000）

CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò) （Controller Area Network） 的簡(jiǎn)稱， 主要用于車輛ECU （Electronic Control Unit） 之間的通信和控制。 近年來， 因其具有較高的可靠性和良好的容錯(cuò)能力而受到高度重視，被歐美諸多發(fā)達(dá)國家應(yīng)用于溫度惡劣、 電磁輻射強(qiáng)和振動(dòng)大的汽車工業(yè)環(huán)境。 中通客車與時(shí)俱進(jìn)， 緊跟世界汽車電子發(fā)展方向， 積極研究和推廣CAN總線技術(shù)。 目前， 無論是在傳統(tǒng)客車領(lǐng)域還是在新能源客車領(lǐng)域均已廣泛應(yīng)用， 有效地解決了客車電器設(shè)備增加帶來的控制難題[1]。

1 CAN總線技術(shù)概述

CAN總線是德國BOSCH公司在20世紀(jì)80年代中期， 為解決各電子控制裝置之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā)的一種通信及控制技術(shù)， 總線收發(fā)器及通信協(xié)議負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)快速準(zhǔn)確地傳輸， 控制芯片及邏輯程序負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理。 目前， CAN總線已經(jīng)成為國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場(chǎng)總線， 并衍生了專用于重型車輛現(xiàn)場(chǎng)總線的通信協(xié)議SAE J1939。

CAN是一種有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)， 通信介質(zhì)可以是雙絞線、 同軸電纜或光導(dǎo)纖維， 通信速率可達(dá)1Mb/s。

CAN總線的典型特征及優(yōu)點(diǎn)主要有： ①采用多主方式工作， 多個(gè)控制模塊通過CAN控制器掛到CAN-bus上， 形成多主機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)； ②采用非破壞性仲裁技術(shù)， 當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向網(wǎng)絡(luò)上傳送數(shù)據(jù)時(shí)， 優(yōu)先級(jí)低的節(jié)點(diǎn)主動(dòng)停止數(shù)據(jù)發(fā)送， 而優(yōu)先級(jí)高的節(jié)點(diǎn)可不受影響繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)， 有效避免了總線沖突； ③采用短幀結(jié)構(gòu)， 每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)， 數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間短， 受干擾的概率低， 重新發(fā)送的時(shí)間短； ④每幀數(shù)據(jù)都有CRC校驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施， 保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃裕?適于在強(qiáng)電磁干擾環(huán)境下使用； ⑤節(jié)點(diǎn)在嚴(yán)重錯(cuò)誤的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉總線的功能， 切斷與總線的聯(lián)系， 使總線上其他操作不受影響； ⑥數(shù)據(jù)傳輸方式靈活， 可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)， 一對(duì)多及廣播集中方式傳送和接收數(shù)據(jù)，可根據(jù)報(bào)文的ID決定接收或屏蔽該報(bào)文。

2 CAN總線技術(shù)在中通客車上的應(yīng)用

2001年中通客車全面引進(jìn)荷蘭BOVA高檔客車生產(chǎn)技術(shù)， 并同時(shí)引入了先進(jìn)的CAN總線控制技術(shù)。同年6月份， 中通第一輛應(yīng)用CAN總線技術(shù)的豪華旅游客車中通博發(fā)LCK6122H順利下線。 經(jīng)過10年的消化吸收與創(chuàng)新， CAN總線技術(shù)已成功應(yīng)用于中通客車的各個(gè)控制領(lǐng)域， 包括儀表集成顯示與車身電器控制、 發(fā)動(dòng)機(jī)OBD檢測(cè)與診斷和新能源客車動(dòng)力控制等。 為了方便讀取并分析總線報(bào)文數(shù)據(jù)， 中通客車根據(jù)CAN總線技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用狀況， 選用了兩款CAN總線數(shù)據(jù)采集分析設(shè)備， 分別應(yīng)用于傳統(tǒng)客車和新能源客車。

2.1 儀表集成顯示與車身電器控制

隨著人們對(duì)客車舒適性、 安全性和經(jīng)濟(jì)性要求的提升， 自動(dòng)化的電器產(chǎn)品在客車上的應(yīng)用越來越多， 傳統(tǒng)的模擬儀表顯示和分立繼電器控制方式已不能勝任復(fù)雜的信號(hào)指示和邏輯電路控制功能，CAN總線網(wǎng)絡(luò)的靈活性和可靠性很好地解決了這一難題[2-4]。 中通客車根據(jù)不同車型的實(shí)際需要， 成功開發(fā)了多種CAN總線配置方案。

1） 方案1 發(fā)動(dòng)機(jī)信息集成顯示， 如圖1所示。它是最簡(jiǎn)單的總線應(yīng)用方案， 不具備車身電器控制功能， 主要應(yīng)用于使用國Ⅲ發(fā)動(dòng)機(jī)的中高級(jí)客車中， 如LCK6798H、 LCK6935H等車型。 其工作原理是： 利用CAN總線讀取發(fā)動(dòng)機(jī)ECU中的轉(zhuǎn)速、 水溫、機(jī)油壓力等有用信息， 并通過數(shù)字式儀表集成顯示。 無需加裝轉(zhuǎn)速傳感器、 水溫傳感器、 機(jī)油壓力傳感器， 節(jié)約了生產(chǎn)成本， 并提高了儀表的顯示精度和使用可靠性。

2） 方案2 中央控制單元集中控制， 如圖2所示。 它利用中央控制單元 （CBCU） 實(shí)現(xiàn)車身電器與發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、 制動(dòng)防抱死系統(tǒng)、 電控懸架系統(tǒng)等的CAN通信， 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)車身電器的邏輯控制功能，有效解決了常規(guī)繼電器無法實(shí)現(xiàn)的應(yīng)急保護(hù)、 速度控制、 延時(shí)控制、 艙溫控制等難題， 并替代了門泵閥控制器、 延時(shí)控制器、 溫度控制器等各式的獨(dú)立控制器， 提高了控制可靠性[5]。 該方案主要的優(yōu)勢(shì)是性價(jià)比高， 使用較小的成本實(shí)現(xiàn)客車等級(jí)評(píng)價(jià)中要求的CAN通信功能。

2008年， 中通自主開發(fā)的LCK6107H-6型旅游客車搭載CMIC+CBCU的CAN總線方案， 極高的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)使得該車一經(jīng)問世便獲得社會(huì)各界青睞， 批量訂單接踵而至， 創(chuàng)下了我國高檔客車上市當(dāng)年的銷量奇跡。

3） 方案3 多模塊分布控制， 如圖3所示。 該方案主要應(yīng)用于12 m及以上的大型長(zhǎng)途客車 （如LCK6125H-2、 LCK6126H-5 等） 和公交車 （如LCK6120G、 LCK6180G等） 中， 它根據(jù)車身電器零部件的分布位置設(shè)計(jì)了多個(gè)控制模塊， 通過具有網(wǎng)關(guān)功能的數(shù)字式CAN組合儀表與底盤的各個(gè)電控系統(tǒng)進(jìn)行連接， 通信報(bào)文格式全部遵循SAE J1939標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議， 實(shí)現(xiàn)了整車所有信息共享， 滿足了大型客車和公交車對(duì)駕駛安全性和乘坐舒適性的需要。

2.2 OBD檢測(cè)與診斷

OBD是車載診斷系統(tǒng) （On-Board Diagnostics）的簡(jiǎn)稱， 最早起源于20世紀(jì)80年代的美國， 歐盟和日本在2000年以后引入OBD技術(shù)。 2008年6月24日，我國環(huán)境保護(hù)部發(fā)布 《車用壓燃式、 氣體燃料點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)與汽車車載診斷 （OBD） 系統(tǒng)技術(shù)要求》，并宣布此要求從2008年7月1日起實(shí)施。

柴油機(jī)OBD系統(tǒng)的工作原理是： 發(fā)動(dòng)機(jī)ECU利用安放在排氣尾管的氮氧傳感器及安放在后處理器上的上下游溫度傳感器采集排氣成分信息， 計(jì)算最佳的尿素溶液噴射量， 通過發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況隨時(shí)監(jiān)控汽車尾氣是否超標(biāo)。 當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障導(dǎo)致尾氣超標(biāo)時(shí)， 故障燈 （MIL） 或檢查發(fā)動(dòng)機(jī) （Check Engine） 報(bào)警燈亮， 同時(shí)動(dòng)力總成控制模塊 （PCM）將故障信息存入存儲(chǔ)器， 通過一定的程序可以將故障碼從PCM中讀出。 根據(jù)故障碼的提示， 維修人員能迅速準(zhǔn)確地確定故障的性質(zhì)和部位[6]。

作為OBD技術(shù)的一個(gè)重要基礎(chǔ)， 診斷通信協(xié)議是一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)環(huán)節(jié)。 國際上在用的最多的通信協(xié)議主要有3種： ISO 15765、 SAE J1939和ISO 27145[6，7]。在中國， 客車的診斷協(xié)議正處于從K線診斷協(xié)議（ISO 14230） 到CAN總線診斷協(xié)議的轉(zhuǎn)型期， 整車的診斷協(xié)議基本上均采用跟隨發(fā)動(dòng)機(jī)診斷協(xié)議的策略。 目前， 中通客車搭載的康明斯、 濰柴、 玉柴等燃油共軌發(fā)動(dòng)機(jī)均采用SAE J1939的診斷協(xié)議， 所以中通客車整車的OBD診斷通信協(xié)議的報(bào)文格式采用SAE J1939協(xié)議定義的擴(kuò)展幀格式。

2.3 新能源客車動(dòng)力控制

中通客車是國內(nèi)最早研發(fā)新能源車輛的企業(yè)之一， 早在2004年， 中通就立項(xiàng)投入新能源客車的研發(fā)， 提出了 “以發(fā)展混合動(dòng)力客車為主， 探索純電動(dòng)客車在特定區(qū)域使用， 跟蹤燃料電池發(fā)展趨勢(shì)”的技術(shù)路線。 目前， 中通串、 并、 混聯(lián)混合動(dòng)力客車及插電式混合動(dòng)力客車均已規(guī)模化生產(chǎn)， 純電動(dòng)客車也已建立多個(gè)技術(shù)平臺(tái)， 成為行業(yè)內(nèi)惟一一家承擔(dān)3項(xiàng)國家 “863” 計(jì)劃項(xiàng)目的企業(yè)。 圖4是中通自主研發(fā)的同軸并聯(lián)式混合動(dòng)力電動(dòng)客車的動(dòng)力控制架構(gòu)。 其動(dòng)力系統(tǒng)工作模式主要有發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)模式、 純電動(dòng)驅(qū)動(dòng)模式、 聯(lián)合驅(qū)動(dòng)模式 （電機(jī)助力）、發(fā)動(dòng)機(jī)單獨(dú)驅(qū)動(dòng)模式和再生制動(dòng)模式。

LCK6121HEV是中通并聯(lián)式混合動(dòng)力新能源客車的代表作， 節(jié)油率高達(dá)30%， 2008年開始在北京、 天津、 濟(jì)南、 杭州等城市進(jìn)行大規(guī)模示范運(yùn)營(yíng)， 取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。 動(dòng)力控制是新能源客車的核心技術(shù)之一， 各部件控制器之間通過CAN網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息交換和控制功能， 協(xié)調(diào)整車不同工作模式之間的切換和功率分配， 保證充分發(fā)揮系統(tǒng)的最佳性能， 達(dá)到整車動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性的最優(yōu)狀態(tài)[1]。

2.4 總線數(shù)據(jù)的采集與分析

2.4.1 傳統(tǒng)客車的數(shù)據(jù)采集分析方法

中通傳統(tǒng)客車選用USBCAN-II智能CAN接口卡作為CAN總線數(shù)據(jù)采集工具， 該設(shè)備帶有2路CAN接口， 具有體積小、 即插即用等優(yōu)點(diǎn)， 適合客車電器設(shè)計(jì)工程師和車間電器調(diào)試技工使用。 USBCAN-II接口卡上自帶光電隔離模塊， 可有效避免車輛瞬間高電壓的沖擊， 增強(qiáng)系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中使用的可靠性[8]。

該設(shè)備的主要參數(shù)如下： ①通道數(shù)量， 2路獨(dú)立CAN通道； ②CAN協(xié)議， 按CAN 2.0B規(guī)范， 兼容CAN 2.0A； ③CAN波特率， 可編程任意設(shè)置， 范圍在5 kb/s～1 Mb/s之間； ④最高幀流量， 每通道5000幀/秒； ⑤CAN總線隔離， 2500VDC； ⑥CAN控制器，NXP SJA1000T； ⑦CAN收發(fā)器， NXP PCA82C250；⑧板載緩存， 接收緩存100 000幀， 發(fā)送緩存16幀。

通過筆記本電腦上的USB接口， 將USBCAN-II智能CAN接口卡連接至客車上的CAN網(wǎng)絡(luò)， 然后運(yùn)行CANTest測(cè)試軟件， 即可同步采集客車CAN總線數(shù)據(jù)。 CANTest是ZLGCAN系列板卡的通用測(cè)試軟件， 此軟件界面 （圖5） 簡(jiǎn)潔， 操作簡(jiǎn)單， 容易上手。 利用CANTest軟件， 可以很方便地查看客車總線中傳輸?shù)膱?bào)文地址和數(shù)據(jù)。 同時(shí)， 此設(shè)備也可以向客車總線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送特定地址的報(bào)文數(shù)據(jù)， 用于檢測(cè)總線控制器是否正常工作， 進(jìn)而判斷電器設(shè)備故障。

2.4.2 新能源客車的數(shù)據(jù)采集分析方法

針對(duì)新能源客車的控制策略更為復(fù)雜的特點(diǎn)，中通選用功能更加強(qiáng)大的CANalyzer作為總線數(shù)據(jù)采集分析工具。 CANalyzer不僅能方便地觀察、 分析和支持?jǐn)U展多達(dá)32個(gè)CAN通道的數(shù)據(jù)傳輸， 還能用于LIN、 MOST或FlexRay總線通道。 它具有良好的性能和可編程功能， 能滿足從簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)分析到復(fù)雜問題中發(fā)現(xiàn)并解決故障的所有要求。 CANalyzer由圖形化表示的方塊圖控制， 它能表示數(shù)據(jù)流從總線經(jīng)過PC接口進(jìn)入各個(gè)不同類型的評(píng)估窗口和日志文件的流程。 在該過程中， 系統(tǒng)模塊的參數(shù)都可以在方塊圖中進(jìn)行設(shè)置[9]。

CANalyzer提供了如下窗口和功能模塊， 如圖6所示。

1） 測(cè)量設(shè)置 圖形化顯示功能模塊和評(píng)估模塊， 并且設(shè)置其參數(shù)。

2） 跟蹤 用于列出總線上的所有活動(dòng)， 比如報(bào)文、 錯(cuò)誤幀和遠(yuǎn)程幀。 還用于顯示每條報(bào)文中不同信號(hào)的數(shù)值， 即使在測(cè)量過程中也可顯示。

3） 統(tǒng)計(jì) 以標(biāo)識(shí)符為橫軸顯示各報(bào)文速率。

4） 圖形 在線圖形顯示CAN總線報(bào)文中的各個(gè)信號(hào) （以時(shí)間為橫軸）， 例如： 轉(zhuǎn)速、 溫度等。

5） 數(shù)據(jù) 顯示預(yù)先選擇的信號(hào)， 可以以數(shù)字形式或柱狀圖形式。

6） 總線統(tǒng)計(jì) 顯示報(bào)文速率、 錯(cuò)誤率、 總線負(fù)載和CAN控制器狀態(tài)。

7） 寫窗口 顯示系統(tǒng)信息和CAPL程序的用戶指定輸出。

8） 交互發(fā)生器模塊 用于激勵(lì)總線， 注入修正信號(hào)。

9） 信號(hào)發(fā)生器 用于產(chǎn)生數(shù)學(xué)信號(hào) （正弦信號(hào)、 諧波信號(hào)、 脈沖信號(hào)、 值列表等）。

利用CANalyzer可以很方便地采集總線數(shù)據(jù)， 并通過圖形窗口實(shí)時(shí)形象地觀察數(shù)據(jù)變化， 例如車速、 電機(jī)轉(zhuǎn)速、 逆變器溫度、 變速器檔位、 燃料消耗、 動(dòng)力電池SOC等。 有了這些信息就可以判斷新能源動(dòng)力系統(tǒng)是否正常工作， 控制策略是否合適。

3 結(jié)束語

CAN總線作為一種現(xiàn)場(chǎng)控制總線， 其優(yōu)勢(shì)在于對(duì)車輛環(huán)境的高度適應(yīng)性。 同時(shí)， 我們也應(yīng)當(dāng)看到CAN協(xié)議還有一些缺陷和局限性。 行業(yè)內(nèi)各方面也都在針對(duì)CAN協(xié)議的缺陷， 通過補(bǔ)充性的協(xié)議， 逐步完善CAN協(xié)議。 隨著新能源客車的快速發(fā)展，CAN總線技術(shù)有了更加廣闊的應(yīng)用空間， 并為研究控制策略提供不可或缺的技術(shù)支持。

［1］ 趙 佳. 基于SAE J1939協(xié)議的混合動(dòng)力客車通訊技術(shù)［J］. 客車技術(shù)與研究， 2011, （2）： 55－57.

［2］ 雷洪鈞. CAN總線在城市客車上的應(yīng)用［J］. 客車技術(shù)與研究， 2009, （1）： 48－50.

［3］ 李貴炎. 車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理與維修［M］. 南京： 江蘇科學(xué)技術(shù)出版社， 2008.

［4］ 李 平. 基于CAN－BUS的汽車車載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)［J］. 電腦與信息技術(shù)， 2007, （4）： 52－53， 59.

［5］ 宋 立. 基于SAE J1939協(xié)議的CAN總線車燈故障診斷系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［J］. 工業(yè)控制計(jì)算機(jī)， 2007, （9）： 25－26， 28.

［6］ 鐘祥麟， 李孟良， 王務(wù)林. SAE J1939協(xié)議在重型車OBD中的應(yīng)用［J］. 汽車電器， 2009, （7）： 1－3， 7.

［7］ SAE J1939. 車輛網(wǎng)絡(luò)串行通信的控制總標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［8］ USBCAN接口卡數(shù)據(jù)手冊(cè)V2.0［EB］.http：//www.embedcontrol.com/.

［9］ CANalyzer介紹［EB］. http：//www.hirain.com/.