汽車CAN總線架構的設計

蘆曉媛，陳 霽，劉凌凱，王春鳳

（北京汽車研究總院有限公司 電子電器與空調部，北京 100195）

汽車CAN總線架構的設計

蘆曉媛，陳 霽，劉凌凱，王春鳳

（北京汽車研究總院有限公司 電子電器與空調部，北京 100195）

以國內車型的總線設計開發流程為例進行論證，將總線架構設計要素規范化，并對平臺化戰略應用在自主研發品牌的車型設計中進行綜合評估。通過實踐證明：搭建汽車總線架構的平臺化就是結構模塊化之一，可以明顯縮短開發周期，降低研發制造成本，大大提高生產效率和節省后期的維護成本，能夠滿足用戶個性化的需求。汽車平臺化的技術將在未來的汽車行業中得到更大的發展，也會在降低成本方面為各大主機廠做出更大的貢獻。

汽車總線；架構設計；平臺化

CAN總線以其優越的性能廣泛應用于汽車控制系統和自動控制等各個領域，其拓撲結構將會影響到網絡性能以及成本投入，所以網絡拓撲結構的設計是整車電子電器設計的關鍵一步。目前，國內自主品牌總線系統的發展和應用現狀：多數總線控制器在設計上會直接采用現有供應商推薦的技術方案，若設計中不形成適合自主研發品牌的總線架構設計開發流程和平臺化策略，將會影響架構的設計效果及整車后期的拓展需求，從而導致開發成本的增加。因此，拓撲結構的合理性設計及平臺化，對整車通信技術狀態及成本，都將產生實質性的影響，推進拓撲架構平臺化勢在必行。本文主要分析總線架構設計及架構平臺化需要考慮的因素。以某商用車為例，從需求分析、架構初建、期望方案幾個方面進行論述。

1 需求分析

需求分析是為后期的架構方案做依據和鋪墊。其中，最為主要的是配置解析。

根據產品配置性能指標，對該項目的配置進行解析，列出電子電器總線相關的控制器清單（重點是否標配、車型平臺劃分等），且所有控制器可統稱為ECU，如表1所示。

表1 某車型配置解析列表

表1 （續）

2 架構初建

結合表1，搭建架構，針對考慮因素進行如下研究。

1）網段劃分原則

網段劃分對于拓撲結構的搭建產生決定性的影響，因此網段劃分需謹慎細密，不僅需參考標桿網段劃分的分析報告，同時還要綜合考慮以下幾方面因素：功能劃分因素、負載率的因素、安全性的因素、電源管理因素。CAN通信可以分為500k、250k、125k等不同的通信速率；同時根據零部件功能實現、結構設計以及調查問卷信息也可以采用LIN線，9.6k或者19.2k。

表1中的ECU在250k通信速率下通信實現ECU的功能，將上述的ECU分為2個網段：動力網段、車身網段。2個網段中，將私有網段連接到主網段上。如表2所示。

表2 網段初步劃分清單

2）終端電阻配置

根據CAN標準要求，在每個網段保證60Ω的終端電阻。

對上述配置分析，初步將終端電阻配置在BCM、IC以及EMS的控制器上。提前規劃可以設計成內置終端電阻。

3）負載率的計算

負載率的理論計算可以預先評估出各網段的通常情況下負載率值，與設計預期值進行對比分析、風險評估后可結合網段劃分原則中前4點因素，適當調整ECU所掛接的網段，以免負載率過大導致總線問題。

負載率的通用計算公式如下

負載率=F×（128或者108）×R×100% （1）

式中：F——每秒鐘總線上發送的報文數；128——29位ID；108——11位ID；R——位時間。計算結果見表3。

表3 各節點負載率計算結果

4）網絡管理分析

根據ECU是否需要在點火鑰匙斷開后工作，CAN網絡中的ECU可分為如下2類。

A類：ECU只在點火鑰匙接通時工作（例如：EMS、TCU）。

B類：ECU不僅在點火鑰匙接通時，還需要在點火鑰匙斷開后工作（例如：BCM、IC）。

綜上所述，結合前期基本調查問卷各ECU網絡管理支持情況及項目總體規劃，制定出網絡管理方案：①初步將動力安全采用簡單的鑰匙ON喚醒，鑰匙OFF休眠，但是延時時間不能超出ECU給出的延時時間；②設計車身部分的網絡管理需要滿足OSEK網絡管理需求規范。

5）診斷接口規劃

根據目前整車網絡方案，參考診斷需求規范，分析各診斷方式的優缺點，制定出整車的診斷方案和采用的診斷協議。診斷方式：①按照國際標準選擇診斷接口的類型；②按照網段劃分和前期分析確認診斷接口在整個架構中的搭建方式：跨接還是網關轉發。

6）網關路由選擇

網關路由的目的是用于構建網絡連接功能，包括數據的過濾、重新打包和轉發。其選擇需要確認是否需要網關和采用何種路由網關。

圖1 期望方案

3 期望方案

在網絡拓撲結構設計過程中，不僅需要考慮整車分布式功能、優化部件功能設計、前期的6項分析外，同時，需要綜合考慮：①CAN網絡的節點數目；②節點固定位置；③線束布置；④可擴展性。

綜合前期的所有推理與分析，最終制定出比較合理的拓撲結構期望方案。如圖1所示。

方案中，整車分為動力CAN網段（紅色）和車身CAN網段（藍色）。在本方案中，BCM將作為一個集成網關，既完成車身負載的控制功能，也完成BCAN和PCAN之間的報文轉發。此方案中網關預留有3路：診斷、LIN和根據速率要求的一路總線通信，可滿足后期拓展需求。

DLC（診斷接口）跨接在BCAN和PCAN上，采用UDS on CAN來實現整車的診斷功能。CMIC跨接在BCAN和PCAN上，實現儀表的顯示功能。同時，CMIC可以作為備用網關使用，防止BCM故障后網關功能丟失，影響網段之間的通信。

動力網段采用J1939協議，通信速率為250kbits/s，網絡管理采用OSEK間接網絡管理；車身CAN采用J1939協議，通信速率為250kbits/s，網絡管理采用OSEK直接網絡管理。

采用方案設計的網絡拓撲結構可以滿足整車的功能和可靠性,并且可以滿足后期的拓展需求,實現架構平臺化。

［1］ 吳基安.汽車電氣電子工程師手冊［Z］.黑龍江:黑龍江科技技術出版社，2005.

［2］ 徐景波.汽車總線技術［M］.北京：中國人民大學出版社，2011.

［3］ 康拉德.萊夫. BOSCH汽車電氣與電子（第2版）［M］.北京：北京理工大學出版社，2014.

（編輯 凌 波）

The Design of Platform Based CAN Architecture

LU Xiao-yuan，CHEN Ji，LIU Ling-kai，WANG Chun-feng

（Electric and electronics department，Beijing Automotive Technology Center，Beijing 100195，China）

This article will take CAN bus design development process of a domestic commercial vehicle as an example，to demonstrate the CAN bus architecture design elements standardization，and comprehensively evaluate the application of platform strategy in vehicle design of independent research and development of brand. Practice proves that the platform of automotive bus architecture is a kind of structure modularization，which can significantly shorten the development cycle，reduce costs，greatly improve the production efficiency and the maintenance cost，and satisfy needs of individual users.Automotive platform technology will be the future of the automotive industry，and make a greater contribution to cost reduction for OEMs.

CAN bus; architecture design; platform based

U463.6

A

1003-8639（2017）10-0050-03

2016-12-01；

2017-06-19

蘆曉媛（1980-），女，山西人，高級工程師，碩士，主要從事電子電器網絡架構設計及系統測試工作。