CAN總線技術在工程車輛底盤的應用研究

鄧相紅，蘇 潔，郭 星

DENG Xiang-hong，SU Jie，GUO Xing

（三一重工股份有限公司，長沙 410100）

0 引言

電子技術的飛速發展及在工程車輛上的廣泛應用，使得工程車輛的智能化程度越來越高，特別是在控制器技術被引入工程車輛領域后，給工程車輛的發展帶來了劃時代的變化，工程車輛的操作便利性、安全性、燃油經濟性都得到了大幅的提高。然而，電子設備的大量使用，必然導致底盤布線愈來愈復雜，運行可靠性降低、故障維修度增大，特別是大量的控制信息也需要實時交換，傳統的線束已遠遠不能滿足需求。引入CAN總線系統可以有效的解決上述問題，CAN總線技術的應用適應了汽車智能化和人性化的發展趨勢，使汽車的性價比不斷提高[1]。工程車輛底盤電氣系統的整體設計目標是結合工程車輛底盤的自身特點而研發的一款總線系統的綜合性分布式CAN網絡底盤電氣系統，該系統需要綜合考慮底盤各部分特點及特有性能，再進行合理的、科學的技術參數匹配，并建立專用的整車CAN通信協議規范。

1 總線技術及通訊協議的特點

工程車輛底盤電氣系統主要采用兩種類型的總線：CAN總線與LIN總線。對于實時性要求不高的低速事件采用低成本低速短距離的LIN總線進行通信，如開關檢測、車窗模塊等；對于實時性、可靠性要求高的事件采用CAN總線進行通信，如發動機、變速箱等。CAN-bus(Controller Area Network)即控制器局域網，是國際上應用最廣泛的現場總線之一[2]。CAN總線技術取代了傳統的點與點之間的導線連接，可將全車各系統連接成一個完整的信息網絡[3]，符合汽車產品向電子化、模塊化、智能化方向發展的趨勢[4]。其主要具有以下特點：各模塊互相獨立，互不干涉，成本低，可靠性高，大大減少了車身線束，從而減小車輛自重，節約能源[5]，把相對復雜的系統分解，簡化和降低了各子系統的工作量和難度[6]；突出的可靠性、實時性和靈活性[7]，極高的總線利用率，高速的數據傳輸速率（高達1Mbps）,可根據報文的ID決定接收或屏蔽該報文；可靠的數據錯誤處理和檢錯機制，發送的信息遭到破壞后，可自動重發；節點在錯誤嚴重的情況下具有自動退出總線的功能；總線報文不包含源地址或者目標地址，僅用標志符來指示功能信息，優先級信息；通信介質可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活，節點數主要取決于總線驅動電路，目前可達到110個。

工程車輛底盤總線協議采用CAN2.0B協議為底層協議，基于SAEJ1939標準[8]，SAEJ1939協議是美國汽車工程師協會（SAE）在CAN2.0B協議基礎上制定的客車和重型貨車網絡通信應用層協議，在目前汽車電子網絡中得到廣泛的應用[9]。該協議采用CAN總線的數據幀封裝其數據信息，并明確規定了汽車內部各ECU的名稱、地址、通訊地址、優先級等信息，使用多路復用技術為車輛各傳感器、執行器和控制器提供建立在CAN總線基礎上的標準化高速網絡連接，在不同的ECU間實現高速數據共享，以期有效減少線束數量并提高車輛電子控制系統的靈活性、可靠性和可維護性。

2 CAN總線在工程車輛底盤上的應用

由于總線型網絡拓撲結構具有一定的可擴展性，方便未來的功能擴展、系統復雜性低、整體可靠性高的優點，因而系統整體拓撲結構選擇總線型網絡拓撲結構。由于動力部分、車身部分和上裝部分之間的通信并不是很多，所以為了優化網絡性能、提高總線可靠性，系統采用多網段總線型網絡拓撲結構，一體化泵車整體拓撲結構圖如圖1所示，主要分為車身CAN網絡（ICAN網絡）、動力CAN網絡（PCAN網絡）以及上裝CAN網絡。

圖1 整體拓撲結構圖

2.1 ICAN網絡通訊協議設計

ICAN網絡中包含：BCM、CCM、總線儀表以及視頻機，這些部件從硬件到軟件都是針對項目定制的，所以CAN應用層協議由項目制定。

車身CAN子網中有以下總線通信部件：BCM模塊、總線儀表、視頻機、底盤控制模塊CCM。動力CAN子網有以下總線通信部件：BCM模塊、ABS模塊、變速箱模塊、發動機控制模塊。系統根據輸入的各種開關控制量，控制相應車燈的通斷，實現車窗的升降和門鎖的開/關、電動后視鏡的角度調整和雨刮的控制；采集汽車各種狀態信息如水溫、車速、車燈狀態等，將相關信息顯示出來，并對系統故障發出警告信息。

BCM模塊為車身控制模塊，其功能分為兩部分：一是采集連接其上的各種開關量、模擬量信息如前后霧燈開關信號、倒車信號、雨刮信號等，完成車身控制功能；二是作為CAN總線系統的網關，完成跨網段信息的轉發功能。BCM模塊控制車身部件的功能主要是指，BCM采集通過LIN連接的各類開關量信號，將其它部件需要的信息發送到相應CAN總線上，從CAN總線中獲取車身控制的信號，然后結合采集的開關量，控制車身部分的執行機構完成預定動作。

BCM作為網關通過三個CAN通信接口同時與ICAN、PCAN及上裝CAN子網相連，負責ICAN、PCAN、上裝三個CAN子網絡間的報文轉發功能，如將來自PCAN網絡的發動機、變速箱的報文信息轉發至ICAN網絡的總線儀表、視頻機，并將來自總線儀表的控制報文轉發至PCAN中的發動機、變速箱。

CCM模塊為底盤控制模塊，它的主要作用是采集底盤需要的相關的開關量或模擬量信號如機油濾清器開關量、空濾阻塞開關量、應急泵開關量、上裝喇叭開關量、排氣制動開關量、左右剎車燈、霧燈開關量、燃油傳感器模擬量、氣壓傳感器模擬量等信號，組成報文通過總線發送至總線儀表和視頻機進行顯示處理，同時該模塊接收來自視頻機的油泵啟動開關量控制油泵的開啟。

總線儀表安置在駕駛員與方向盤前方，主要向駕駛員集中提供行進中的車輛的行駛狀況。如發動機冷卻水溫度、郵箱中的油量、發動機轉速、汽車實時行駛速度、故障信息等。通常這些信息以表針和/或液晶顯示的形式實時的顯示給駕駛員，使駕駛員實時掌握車輛的信息，對車輛的狀況做出實時、正確的判斷。除卻上述信息外，總線儀表還應有各向車行方向的指示燈、轉向燈、儀表盤背光顯示燈等，有些總線儀表還配備有液晶顯示屏，可以以視屏形式動態顯示車內車外狀況或GPS等。

視頻機主要的功能是實時視頻顯示，接收同總線儀表基本相同的報文信息。

ICAN網絡傳輸速率為250kbps，采用總線型拓撲結構，總線儀表和CCM模塊中接入終端電阻，如圖2所示。

圖2 ICAN網絡結構示意圖

2.2 PCAN網絡通信協議設計

PCAN網絡中除了充當網關的BCM以外，還包括發動機、變速箱以及ABS模塊，這些模塊都是直接采購。網絡通信同樣采用CAN擴展幀格式，使用250kbps傳輸速率，拓撲結構為總線型拓撲，BCM模塊、發動機控制模塊中接入終端電阻，如圖3所示。

圖3 PCAN網絡結構示意圖

PCAN網絡主要負責ABS、變速箱模塊、發動機以及BCM之間的通信。

1) ABS模塊：ABS是在車輛制動期間用于控制和監視車輛速度的電子系統，其通過常規制動系統起作用，可有效提高車輛的主動安全性。在緊急制動時可以保持車輛方向的可操作性，縮短10%左右的制動距離，一般由電子控制器ECU、ABS電磁閥、傳感器及制動器組成。

2) 變速箱模塊：即為車輛的變速器，其可以改變傳動比，擴大驅動輪轉矩和轉速的變化范圍，使得發動機在有利工況下工作，也可以實現在發動機旋轉方向不變情況下的車輛倒退行駛，還可利用空擋，中斷動力傳遞，以使發動機能夠啟動、變速。該模塊主要向BCM模塊發送自身故障診斷報文及變速箱自身狀況信息，如自動、手動模式信息，檔位信息等。

3) 發動機模塊：車輛的動力發生裝置，是車輛的心臟，其是一個能量轉換機構，將汽油/柴油的熱能轉變為機械能，推動車輛運行。該模塊采集發動機的機油壓力、扭矩信息、轉速信息、冷卻水溫度、實時油耗等信息通過總線網絡發送至BCM模塊，之后通過BCM網關將信息轉發至總線儀表、視頻機等模塊；同時該模塊接收BCM轉發的變速箱轉速信息進行動作。

3 總線錯誤幀與負載率測試

整車在靜態在靜態、發動機啟動、正常運行（空調、雨刮器等大功率部件啟動）三種狀態下使用CANoe和CANcaseXL測量CAN總線上的錯誤幀與負載率。測試步驟如下：

1）將底盤手動電源總開關打到ON檔，給整車所有的CAN節點上電；

2）開啟CANoe與CANcaseXL,利用Bus Statistics窗口測量分析ICAN總線和PCAN總線上靜態時的錯誤幀與負載率，試驗進行兩次；

3）開啟CANoe與CANcaseXL，利用Bus Statistics窗口測量發動機啟動過程中的錯誤幀與負載率，試驗進行兩次；

4）開啟CANoe與CANcaseXL，使發動機處于運行狀態，不斷的開啟關斷空調、雨刮器等大功率部件，利用Bus Statistics窗口測量整車正常運行狀態的錯誤幀與負載率，試驗進行兩次；

5）測試結束，分析數據。

表1 總線錯誤幀與負載率測試數據

從3.1數據可以看到發動機啟動后，ICAN和PCAN上的負載率下降了。但是發動機、空調、雨刮器等大功率部件啟動過程中兩個網段上沒有產生錯誤幀，它們未能干擾到兩個網段上報文的正常通訊。

4 結論

針對工程車輛底盤整車電氣系統的復雜性以及實時性要求高的需求，本文采用了多網段總線型網絡拓撲結構進行設計。測試結果表明此方案實用可行，性能穩定，功能強大，安全可靠。

[1]黃鵬,宋學瑞.基于總線的智能車身系統的設計與實現[J].制造業自動化,2008.16(3)：32-35.

[2]徐磊,王耀南.混合電動汽車電控網絡總線技術研究[J].計算機測量與控制.2008.16(3)：321-323.

[3]呂其惠.基于CAN總線的汽車檢測線網絡系統設計改造[J].現代交通技術.2007(10)：76-79.

[4]陳顯奎.CAN總線在大中型客車中的應用[J].電子技術.

[5]蘇艷蘋.基于CAN總線的汽車電氣系統[J].制造業自動化.012.(6)：10-12.

[6]付曉光.大客車的CAN總線技術設計[J].機械設計與制造.2005(8)：12-13.

[7]饒運濤,鄒繼軍.現場總線CAN原理與應用技術[M].北京：北京航空航天大學出版社,2007.

[8]胡博怡.基于CAN總線的客車電氣系統監控與測試平臺研究[D].秦皇島：燕山大學,2012.

[9]陳一新,李武屹.基于SAEJ1939協議的車輛信息采集與診斷模塊[J].電子技術.