乘用車CAN總線設計和驗證方法的實踐

汪思泉

（東風汽車公司技術中心，湖北 武漢 430058）

隨著汽車電子技術的發展，人們對乘用車的動力性、經濟性、安全性、舒適性等方面提出了越來越高的要求，乘用車上電控單元的數量不斷增加，而且功能也越來越復雜，實現這些功能需要各個控制單元之間信息共享，高效可靠地協同工作。乘用車上各個控制單元通過總線相互連接，構成了汽車的總線網絡。

在乘用車的總線網絡中，控制器局域網（Controller Area Network，以下簡稱CAN）因其技術成熟、安全可靠、成本適中，適合汽車上控制器之間網絡通信，而得到了廣泛的應用和普及［1］。ISO 11898 CAN總線技術規范對總線的物理層和數據鏈路層做了規定，形成了國際標準，但由于乘用車CAN總線應用層協議沒有統一的標準，各個乘用車制造廠都需要自行制定各自的應用層協議。因此如何設計和驗證乘用車CAN總線網絡，成為各個乘用車制造廠需要解決的課題。

本文所述的目標車型為全新開發的乘用車車型，電子電器配置較為豐富，除基本的發動機控制器、自動變速器控制器、車身電子穩定系統、安全氣囊控制器、電子轉向系統、車身控制模塊、儀表盤、信息娛樂系統、空調控制器外，還配置了一些安全、舒適、智能的裝備，如胎壓監測系統、電子駐車系統、車窗自動升降系統、智能進入系統等。其中，安全氣囊控制器采用K線診斷，不參與CAN總線通信；車窗自動升降系統采用LIN線與車身控制模塊通信；其余控制器或系統都采用CAN總線通信。

1 CAN總線網絡需求分析

CAN總線網絡設計前，需要調查CAN總線上有哪些控制器節點，這些控制器節點需要發送或接收哪些總線報文。

通過調查，目標車型存在以下CAN總線節點：發動機控制器、自動變速器控制器、車身電子穩定系統、電子轉向系統、電子駐車系統、車身控制模塊、儀表盤、信息娛樂系統、空調控制器、智能進入系統、胎壓監測系統。在目標車型的基礎上，還可能開發混合動力車型，需要增加高壓蓄電池管理系統、驅動電機控制器、混合動力控制器等節點。以上控制器節點的主要功能見表1。

網絡信號需求通常由網絡節點設計人員提出，由網絡架構設計人員負責收集和整理。但有時會出現信號有節點需要接收，但沒有節點發送的情況，這時需要網絡架構設計人員通盤考慮，協調各方，指定這些信號由哪個節點負責采集和發送。經過整理，目標車型的網絡信號需求見表2。

2 CAN總線網絡方案設計

2.1 通信速率的選擇

CAN總線協議具有高速CAN和低速CAN兩個國際標準，分別是ISO11898-2和ISO11898-3。其中11898-2是高速CAN通信標準，通信速率為125kb／s～1Mb／s，總線最大長度為40m／1Mb／s［2］，適用于汽車實時控制系統，尤其是發動機、變速器、制動等系統的控制。11898-3為低速CAN通信標準，通信速率為40～125kb／s，總線最大長度為1 km／40 kb／s［3］，適用于實時性要求不高的系統，如儀表顯示信息、車門控制、空調控制、傳感器信息、故障診斷等系統，用于車輛狀態信息和控制命令的傳輸和共享。11898-2和11898-3協議數據鏈路層沒什么不同，但在物理層有些區別，因此高速和低速CAN節點不能在同一個網絡中使用。

在CAN總線最初引用到車輛時，多用于傳輸開關和傳感器狀態信息、儀表顯示信息、燈光和防盜控制等信息，由于傳輸信息量不多，對網絡速率要求不高，故選擇低速網絡，以降低成本。隨著CAN總線在汽車上的廣泛應用，尤其是在動力控制系統的應用，對網絡速率有一定的要求，因此選擇高速網絡進行動力控制系統的通信［4］。由于低速網絡不能與高速網絡相兼容，故在網絡設計時需要優先確定網絡的通信速率。500 kb／s的通信速率不僅能滿足動力控制系統的需要，還可以兼顧車身信息通信的需要，故為多數乘用車制造廠家采用，而且可以方便靈活地設計CAN總線結構，即在總線節點少、總線負載率低時，采用單網段的結構，在總線節點多、總線負載率高時，采用多網段的結構。

根據以上分析，目標車型所有CAN節點的通信速率采用500kb／s。

2.2 網段的劃分

確定了網絡節點和信號需求后，就可以對這些信號進行匯總和分析，評估和預測總線的負載率，規劃網絡拓撲結構 （即是采用單網段的總線結構，還是采用多網段的總線結構）。從成本、技術上分析，單網段的總線結構是最簡單、最經濟、最容易實現的方案，但是，一旦網絡負載率超過了臨界值（經驗值為30%左右），總線的通信就會受到影響，可能出現總線擁堵、報文不能及時發送而丟失的后果。出現這種情況，需要考慮采用多網段的總線結構，從而降低網絡負載率。

對于目標車型，如果將以上所有節點接入同一個網段，初步估算網絡負載率將達到38.5%左右，大幅超出了負載臨界值，不利于網絡可靠運行，也不利于網絡的擴展，因此需要采用多網段結構。由于EMS、TCU、ESC、EPB、EPS節點信號交互頻繁、集中，故將這些節點劃為一個網段，負責動力、制動、安全、轉向、車身穩定等系統的通信，稱為動力網段；將BCM、IC、VIS、ACU、TPMS、PEPS劃為另一個網段，負責車身、娛樂、信息、舒適、防盜等系統的通信，稱為車身網段。初步估算，上述動力網段和車身網段的網絡負載率分別為27.5%和13.2%，低于負載率的臨界值，具備網絡擴展的空間。對于混合動力車型需要新增加的BMS、MCU、VCU節點，三者的網絡負載率估算為18.75%，規劃一個新網段，稱為混合動力網段，負責混合動力系統的通信。

2.3 網關的確定

在確定了總線網絡的網段后，對于多網段的網絡，還需要確定網關的設計，即網關通過什么方式實現。目前，有兩種實現方式，一種是獨立式網關，另一種是集成式網關。獨立式網關由單獨的控制器實現，只負責網絡信號或報文的路由，不負責車輛控制功能。獨立式網關由單獨的控制器負責路由，故通信功能可以做得很強大，方便擴展和升級，但會增加網絡設計的成本，較少采用。集成式網關集成在某個CAN節點內，除實現該控制器自身的功能外，還負責網絡路由，常見的集成式網關集成在BCM、IC、VCU等控制器中。集成式網關由某個控制器節點實現，可以節省網絡成本，但會占用該節點的資源，對節點的性能要求較高，不方便網關的擴展和升級。

目標車型是量產車型，對成本有嚴苛的控制，因此本著成本最優、功能夠用的原則，目標車型采用集成式網關方案。由于BCM是通用化較高的產品，而儀表盤IC在不同車型平臺有不同的配置規格，通用化程度相對低，目標車型的儀表盤本身就需要全新設計，綜上考慮，選擇儀表盤IC作為網關。經過上述方案設計后，目標車型的網絡結構就基本形成，見圖1。

目標車型基礎上的混合動力車型，有車身、動力、混合動力3個網段，對網關的路由能力要求較高，需要網關有足夠的資源及時地處理信號或者報文的路由，應對方案是在儀表的基礎上升級網關，或者開發獨立式網關，其中獨立式網關的網絡結構見圖2。

2.4 網絡信號矩陣的設計

前文已經提到，在設計車輛CAN總線方案前，需要調查網絡上傳輸的信號，調查的內容包括信號名稱、信號由哪個節點采集并發送、信號傳輸周期、信號長度、信號精度、信號偏移量、信號定義、信號接收節點等信息。以車門狀態、發動機狀態、發動機轉速信號為例，調查結果見表3。

可以看出，一個總線信號需要用一個或多個bit來表示，因此需要對總線上傳輸的信號進行組合，以此提高數據場的利用率。信號組合遵循的原則有：同一個節點采集的信號可以進行組合，不同節點上的信號不能直接組合；相同發送周期的信號可以組合，不同發送周期的信號不可以組合；盡可能提高數據場的利用率，減少報文的數量，同時預留必要的空余位，以便擴展其他信號。

表3 部分網絡信號實例表

完成信號的組合后，需要給各個報文分配ID。CAN協議支持兩種報文格式，一種是11位標識符的標準幀，另一種是29位標識符擴展幀［4］，目前各大乘用車制造廠采用11位標識符的標準幀。11位標識符ID不僅表示了報文的代碼，用于報文的識別，還規定了報文的優先級。根據CAN總線的通信機制，多個節點同時發送數據、競爭總線的訪問權時，標識符ID數值較小的報文獲得總線控制權，其他競爭的節點自動轉入監聽狀態，其余節點也進入監聽狀態［4］。基于此，與車輛動力系統、制動及安全系統相關的報文優先分配較小的ID。此外，發送周期短、實時性要求高的報文，也應該優先分配較小的ID。發動機、變速器、BCM部分報文發送周期、ID見表4。

目標車型的網絡信號經組合封裝、分配ID后就形成了報文，所有報文經列表匯總就形成了信號矩陣，見表5。信號矩陣能夠直觀、清楚地定義信號和報文的信息，是網絡應用層開發的依據。

表4 部分網絡報文發送周期、ID表

表5 目標車型信號矩陣匯總表

2.5 網關的設計

前面提到，多網段的CAN總線網絡必須配置網關，實現報文或信號的路由和轉發，目前網關采用報文路由和信號路由兩種方式。報文路由指網關從源網段接收到需要路由的報文后，直接將其轉發到目標網段，報文的ID、發送周期可根據需要做些更改。報文路由一般在網關的底層程序就能實現，無需上層應用程序的支持，因此可以節省網關的資源。信號路由指網關將接收到的多個報文進行解析，提取需要的信號，并將提取的信號重新封裝，分配ID，轉發到目標網段。信號路由可以提高報文數據場的利用率，降低目標網段的網絡負載，但會占用網關的資源，對網關處理器的要求較高。

舉例說明：在目標車型中，車速報文由ESC節點發送，位于動力網段，同網段內的EMS、TCU、EPS、EPB等節點可直接接收車速報文，而車身網段的IC、VIS、PEPS節點也需要車速報文。儀表盤IC作為網關，將車速報文從動力網段路由到車身網段后，車身網段的IC、VIS、PEPS節點就可獲得車速報文了。再如發動機的冷卻水溫度、變速器的檔位信號、發動機的狀態信號，位于動力網段，由不同的節點通過不同的報文發送，車身網段上的IC、PEPS節點需要這些信號。儀表IC作為網關，如果直接轉發這些報文，雖然達到了信號共享的目的，但增加了車身網段的網絡負載率。合適的做法是IC解析這些信號，重新封裝后發送到車身網段上，這樣可以減少車身網段報文的數量，降低網絡負載率。

3 CAN總線網絡仿真

在完成了網絡方案設計后，可以利用網絡仿真驗證方案的合理性、可靠性、擴展性。網絡仿真可在計算機平臺上進行，利用CAN卡、CANoe、Davinci等總線工具完成仿真，仿真內容包括總線負載率、報文發送最大等待時間、錯誤幀的影響、總線擴展性能評估等項目。

總線的負載率是評價報文實時發送的重要參數。在創建了整車網絡仿真環境后，可以利用Bus－Statistics查看總線負載率。根據經驗，總線的負載率在30%以下，可以保證網絡的正常通信。

報文發送最大等待時間與報文的優先級、總線負載率等因素有直接關系，如果報文發送等待時間超過了報文周期，會導致報文丟失，因此要求各個報文的發送最大等待時間小于報文的發送周期。通過仿真，分析各個報文的等待時間，便可直觀地判斷報文發送等待時間是否滿足要求。通過向仿真網絡中增加錯誤幀，分析總線的負載率變化可以評估錯誤幀對網絡的影響。通過向仿真網絡加入周期為10、20、50、100ms不同周期的多個報文，分析總線的負載率變化可評估網絡的擴展性。

通過仿真可以得出，目標車型動力網段負載率為28.2%，車身網段負載率為13.95%，網絡負載率滿足要求；各個發送報文的發送最大等待時間小于報文周期，且相對值在25%以內，滿足要求；增加10、20、50、100ms不同周期的錯誤幀，總線負載率分別上升2.58%、1.29%、0.52%、0.26%，但仍在或接近30%以內，可以接受。在動力網段、車身網段同時模擬加入2個節點，每個節點發送2個周期為10ms、2個周期為20ms、2個周期為50ms、2個周期為100 ms的報文，網絡負載率增加18.6%左右，對于動力網段，增加節點后負載率遠超過30%，達到46.8%，擴展性能非常有限；車身網段達到了32.55%，具備一定的擴展空間。

4 CAN網絡的測試和驗證 （表6）

在CAN總線各節點完成試制，具備樣件的測試條件后，就可以開展CAN總線的測試和驗證工作。CAN總線測試分為節點測試和總線系統集成測試兩部分。節點測試針對每個網絡節點單獨完成，用以驗證單個節點是否滿足總線的設計要求。總線系統集成測試是在電器臺架或者試驗樣車上將各個節點連接形成完整的CAN總線系統，對總線系統進行測試，以驗證系統運行的正確性、完整性和穩定性。

表6 CAN總線測試用例

CAN總線測試，首先需要制定測試規范，然后根據測試規范編寫測試用例，構建測試環境，進行實際測試，記錄測試結果，最終形成測試報告。由于目前乘用車行業沒有統一的CAN總線測試規范，各個乘用車制造廠家需要自行制定CAN總線測試規范。CAN總線的測試規范的制定，可以依據設計需求和相關的規范，確定試驗需求和測試用例。每個測試用例包括測試目的、測試環境、測試方法和步驟、判定依據、測試結果等內容。

CAN總線測試可以按照通信協議層劃分為物理層測試、數據鏈路層測試、應用層測試等測試項目，各層的測試用例見表6。物理層測試是驗證CAN接口電路設計、信號電平特性、總線物理故障等方面的性能，是保證節點能夠正確連接入總線的基礎；數據鏈路層測試位時間、采樣點項目，用以保證各個節點的通信參數能夠保持一致，所組成的網絡能夠正常有效工作；應用層測試包括報文接收超時、報文發送超時、報文一致性、報文發送周期誤差、網關路由功能項目，是為了驗證節點或網絡可以正常通信、滿足設計的要求。

為了驗證CAN總線的可靠性，可以借助試驗樣車高寒、濕熱、綜合路況、8萬公里耐久試驗項目，搭載CAN總線的可靠性測試。試驗方法是將總線記錄儀搭載在試驗樣車上，記錄網絡上出現的錯誤幀，定期導出記錄儀內存卡上的數據，并對數據進行綜合分析。

5 結束語

本文所述的CAN總線網絡的開發按照需求分析、方案設計、仿真分析、節點測試和驗證、網絡集成測試和驗證5個階段進行，每個階段互相銜接，層層遞進，是網絡設計和開發常用的方法，該方法在目標車型上得到了充分的應用和實踐。截止2015年8月份，目標車型已經進入量產階段有12個月時間，市場保有量接近5萬臺，所有售出車輛的CAN總線網絡運行正常，沒有故障和問題報告，較充分地驗證了CAN總線的正確性、穩定性和可靠性。

本文所述的CAN總線網絡設計和驗證方法在目標車型和其他車型上的成功實踐，證明了該方法是一種操作性強、行之有效的工程方法。

［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，1996.

［2］INTERNATIONAL STANDARD.ISO 11898-2，Road Vehicle-Controller area network，Part 2：High-speed medium access unit，2003.

［3］INTERNATIONAL STANDARD.ISO 11898-3，Road Vehicle-Controller area network，Part 3：Low-speed，fault-tolerant，medium-dependent interface，2003.

［4］ BOSCH.CAN Specification Version 2.0，1991.