基于CAN bus 的汽車網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)概述

高 越，李洪雷，韓金豐

（1.華晨汽車工程研究院 電氣部，遼寧 沈陽 110141；2.上海通用（沈陽）北盛汽車有限公司，遼寧 沈陽 110000）

0 引言

隨著汽車電子技術(shù)的飛速發(fā)展及人們對(duì)汽車安全性、舒適性及動(dòng)力性要求的不斷提升，越來越多的電子控制單元（ECU）被引入到汽車中。為了使這些ECU 能夠在一個(gè)共同的環(huán)境下協(xié)調(diào)工作，也為了進(jìn)一步降低成本，人們?cè)O(shè)計(jì)了針對(duì)汽車通信網(wǎng)絡(luò)的總線協(xié)議。目前被廣泛使用的總線協(xié)議是CAN（controller area network）bus總線。

1 CANbus 網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)要素

1.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

CAN總線按照通訊速率的不同一般分為兩種：一種是低速CAN網(wǎng)絡(luò)，通訊速率一般在10～125kbit/s，具有容錯(cuò)功能，面向獨(dú)立模塊間數(shù)據(jù)共享，主要應(yīng)用于車身控制、儀表顯示等舒適系統(tǒng)。 另一種是高速CAN網(wǎng)絡(luò)，通訊速率在125kb/s～1Mkb/s,面向?qū)ζ嚢踩裕瑢?shí)時(shí)性要求比較高的模塊，如動(dòng)力傳動(dòng)、底盤、安全等控制系統(tǒng)。高速網(wǎng)絡(luò)與低速網(wǎng)絡(luò)之間的信息交互可以通過網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)關(guān)的主要任務(wù)就是對(duì)信號(hào)進(jìn)行提取、重組，轉(zhuǎn)發(fā)等操作，在源網(wǎng)絡(luò)中提取信號(hào)，重新定義屬性并打包，最后轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中。網(wǎng)關(guān)可以是獨(dú)立的電子模塊，也可以集成到其它電子模塊中，圖1為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D，其中網(wǎng)關(guān)集成在儀表中。

圖1 汽車網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱DFig.1 Vehicle network topology

1.2 物理層設(shè)計(jì)

帶有CAN接口的ECU 設(shè)計(jì)是總線開發(fā)的核心與關(guān)鍵，其中ECU的CAN總線模塊有兩個(gè)功能單元構(gòu)成：CAN控制器和CAN收發(fā)器。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要一個(gè)接口：CAN收發(fā)器，它實(shí)現(xiàn)CAN控制器與總線之間邏輯電平信號(hào)的轉(zhuǎn)換。圖2為高速CAN網(wǎng)絡(luò)的收發(fā)器的接口電路，以TJA1040 收發(fā)器為例說明。

圖2 TJA1040 收發(fā)器接口電路Fig.2 TJA1040 transceiver circuit

圖中標(biāo)注LCM的為共模電感 （common mode Chokes），主要是防止EMI的，并對(duì)信號(hào)的穩(wěn)定性、完整性有很大的幫助。標(biāo)注RT/2是平衡負(fù)載形式的終端電阻，比單個(gè)負(fù)載形式的終端電阻有更低的靜態(tài)負(fù)載，主要用于防止波形反射。標(biāo)注CH和CL 是EMC 電容，用于過濾高頻噪聲，同時(shí)又可以抑制本身不向外發(fā)出電磁干擾。箝位穩(wěn)壓二極管，用于ESD 防護(hù)，TJA1040 可以承受人體模型6KV的高壓脈沖。

高速CAN的兩個(gè)終端電阻應(yīng)該放置在物理線束的終端，所以為適用不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，電阻RT/2應(yīng)該可以被替換。另外用于ESD 和EMC的部件LCM，二極管和電容在PCB 設(shè)計(jì)之初可以不焊接，但必須預(yù)留相應(yīng)的布置位置，在進(jìn)行EMC 和ESD 測(cè)試之后，再確定各零部件是否需要焊接。

此外，為了滿足EMC 要求，在設(shè)計(jì)PCB時(shí)，應(yīng)遵循以下規(guī)則：①CANH 和CANL 信號(hào)線應(yīng)該保持相同的長度且盡量短；②CANH 和CANL 信號(hào)線應(yīng)保證平行及最短的距離；③CANH 和CANL 信號(hào)線不能交叉；④在收發(fā)器和接插件之間不能有其它IC 芯片，IC 芯片盡量放置在電路板的中間位置；⑤在收發(fā)器和CAN控制器之間的RxD 和TxD 布線應(yīng)該盡量短；⑥RxD 和TxD 布線不能交叉；⑦LCM 和終端電阻的位置盡量靠近收發(fā)器；⑧電容和穩(wěn)壓二極管的位置盡量靠近接插件。

1.3 數(shù)據(jù)鏈路層設(shè)計(jì)

（1）幀類型。數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了在介質(zhì)上傳輸數(shù)據(jù)位的排列和組織，如：數(shù)據(jù)校驗(yàn)和幀結(jié)構(gòu)。CAN總線的幀類型包括：數(shù)據(jù)幀、遙控幀、錯(cuò)誤幀和過載幀，而數(shù)據(jù)幀又包括標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀和擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀。如果網(wǎng)絡(luò)定義使用標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)幀，ECU 接收到的任何的擴(kuò)展數(shù)據(jù)幀和遙控幀都應(yīng)該被忽略。

（2）數(shù)據(jù)長度。CAN數(shù)據(jù)幀的最長數(shù)據(jù)長度是8個(gè)字節(jié)，為了方便系統(tǒng)擴(kuò)展，數(shù)據(jù)長度的設(shè)計(jì)可以遵循如下定義：如果接收節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)長度短于設(shè)定的DLC 長度時(shí)，節(jié)點(diǎn)應(yīng)忽略此幀數(shù)據(jù)，但如果接收節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)長度長于設(shè)定的DLC 長度，且?guī)瑪?shù)據(jù)沒有任何錯(cuò)誤（frame,bit,CRC……）時(shí)，節(jié)點(diǎn)可以僅使用可用的數(shù)據(jù)。

（3）位時(shí)間參數(shù)。一個(gè)位可分為四個(gè)階段：同步段，傳播時(shí)間段，相位緩沖段1 和相位緩沖段2。通常采樣點(diǎn)定義為一個(gè)，位于相位緩沖段1 和相位緩沖段2 之間，一個(gè)位時(shí)間的65%～85%位置。再同步寬度（SJW）為時(shí)鐘頻率誤差和傳播延遲的同步誤差，通常為2～3位時(shí)間份額。

1.4 交互層定義

交互層可以根據(jù)數(shù)據(jù)的發(fā)送模式、超時(shí)監(jiān)控和缺省值來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。圖3 描述了周期性報(bào)文的發(fā)送機(jī)制，總線上的報(bào)文按照周期時(shí)間GenMsgCycle-Time 周期發(fā)送。圖4 描述了事件性的報(bào)文發(fā)送機(jī)制。對(duì)于重要的信號(hào)在信號(hào)觸發(fā)后需要重復(fù)n次發(fā)送，n 用圖4 中的參數(shù)GenMsgNrOfRepetitions 表示， 而重復(fù)發(fā)送報(bào)文的時(shí)間間隔為GenMsgCycleTimefast。

1.5 網(wǎng)絡(luò)管理定義

圖3 周期報(bào)文的發(fā)送機(jī)制Fig.3 Timing diagram for cyclic message

圖4 事件性的報(bào)文發(fā)送機(jī)制Fig.4 Timing diagram for event message

網(wǎng)絡(luò)管理通過監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，并執(zhí)行相應(yīng)的錯(cuò)誤處理，來保證ECU 通信的安全性和可靠性，使得當(dāng)網(wǎng)絡(luò)上的某個(gè)節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，不影響其它節(jié)點(diǎn)的正常通訊，即使是使用該節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序也能在保證功能安全的情況下繼續(xù)執(zhí)行跛行模式。以下為網(wǎng)絡(luò)管理主要工作：

睡眠喚醒機(jī)制：目前的整車睡眠喚醒機(jī)制普遍采用OSEK NM的直接網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制，來降低車輛閑置狀態(tài)下的整車靜電流消耗，同時(shí)還可進(jìn)行節(jié)點(diǎn)監(jiān)控。

節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)超時(shí)監(jiān)控：主要是通過接收節(jié)點(diǎn)監(jiān)控發(fā)送節(jié)點(diǎn)的周期報(bào)文來實(shí)現(xiàn)，如果連續(xù)幾個(gè)時(shí)間周期沒有收到此報(bào)文，視為該節(jié)點(diǎn)丟失。對(duì)于接收節(jié)點(diǎn)接收來自同一節(jié)點(diǎn)多幀周期報(bào)文的情況，只監(jiān)控周期時(shí)間最短的那幀報(bào)文即可。系統(tǒng)啟動(dòng)和關(guān)閉：主要是定義在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，所有控制器何時(shí)發(fā)送初始化信號(hào)，何時(shí)發(fā)送有效信號(hào)，何時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)控，在系統(tǒng)關(guān)閉時(shí)，所有控制器多久可以關(guān)閉等。

總線關(guān)閉處理：主要是需要定義ECU 在總線關(guān)閉的情況下如何處理，通常要求ECU 在200ms的時(shí)間內(nèi)可以恢復(fù)正常，如果連續(xù)兩次執(zhí)行重啟工作，系統(tǒng)也無法恢復(fù)正常，就需要ECU 記錄故障碼。

1.6 通訊矩陣的建立

網(wǎng)絡(luò)通訊矩陣定義了網(wǎng)絡(luò)上所有發(fā)送和接收的報(bào)文及信號(hào)的屬性，包括報(bào)文ID,發(fā)送類型，數(shù)據(jù)長度，信號(hào)初始化值，默認(rèn)值等等。

（1）報(bào)文定義。報(bào)文的定義主要是優(yōu)先級(jí)ID的定義，ID 并不是表示發(fā)送的目的地址，而是表示訪問總線的消息的優(yōu)先級(jí)，兩個(gè)以上的單元同時(shí)開始發(fā)送消息時(shí)，根據(jù)標(biāo)識(shí)符ID 決定優(yōu)先級(jí)，優(yōu)先級(jí)高的報(bào)文享有占用總線的優(yōu)先權(quán)。報(bào)文定義必須根據(jù)各控制單元（ECU）的控制邏輯和相互之間的關(guān)系，確定系統(tǒng)中涉及的報(bào)文優(yōu)先級(jí)，發(fā)送類型，數(shù)據(jù)長度和報(bào)文內(nèi)容等。

（2）信號(hào)定義。信號(hào)大致分為狀態(tài)信號(hào)和物理信號(hào)，狀態(tài)信號(hào)需要定義每一狀態(tài)的具體值，物理信號(hào)需要定義與真實(shí)物理值之間的轉(zhuǎn)換方式。另外，對(duì)于關(guān)鍵的與安全相關(guān)的信號(hào)，比如請(qǐng)求發(fā)動(dòng)機(jī)增扭的信號(hào)，碰撞信號(hào)等，為保證信號(hào)收發(fā)的實(shí)時(shí)性和一致性，在其所在的報(bào)文中需要增加Message Counter 和Checksum 兩個(gè)信號(hào)，message counter 用于檢查信號(hào)是否超時(shí)，checksum 用于檢查信號(hào)是否在傳送過程中有位的變化。

2 結(jié)論

以上從CAN bus的各個(gè)方面詳細(xì)定義了整車網(wǎng)絡(luò)，如再配合標(biāo)準(zhǔn)化的開發(fā)流程，便可以設(shè)計(jì)一個(gè)先進(jìn)的整車網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，從而可大大提高整車電氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低整車開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，提升品牌的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。目前，國外許多的汽車生產(chǎn)廠商都有自己的汽車電子電氣網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)以及設(shè)計(jì)和優(yōu)化流程，而國內(nèi)對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)還處于起步階段，所以我們必須在汽車網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)設(shè)計(jì)和開發(fā)方面加大資金投入及研發(fā)力度，從而大大提升國產(chǎn)轎車的技術(shù)含量，打造屬于中國人民自己的國民精品車！

[1]ISO.Road Vehicle-Controller area network(CAN)，ISO11898.[2006].

[2]OSEK/VDX Committee.Network management specification,version2.5.3[EB/OL].http://portal.osek -vdx.org/files/pdf/specs/oseknm253.pdf.2006-05.

[3]Data Sheet TJA1040,High Speed CANtransceiver,Rev.02，2006.

[4]史久根，張培仁，陳真勇.CAN現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社，2004.