淺析基于CAN總線的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)設計

孫永鋒

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

淺析基于CAN總線的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)設計

孫永鋒

（安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心，安徽 合肥 230601）

車載 CAN總線技術的應用已經(jīng)越來越成熟，整車網(wǎng)絡開發(fā)的核心交付物即為網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)是指用何種方式把網(wǎng)絡中的控制器連接起來。如何依據(jù)整車配置和節(jié)點的通信需求等因素來設計網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)將在文章進行詳細闡述。

CAN總線；網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)；負載率；SAE J1939

前言

車載 CAN總線技術的應用已經(jīng)日趨成熟，隨著整車電氣電子相關配置的豐富、排放的升級、主被動安全技術的應用，整車帶 CAN通信功能的控制器日益增多，傳統(tǒng)的單網(wǎng)段網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)已不能滿足整車 CAN通信的需要，因此通過集成網(wǎng)關或者獨立網(wǎng)關來設計多網(wǎng)段網(wǎng)絡拓撲已經(jīng)變得非常必要，本文將重點描述基于獨立網(wǎng)關的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)設計。

1 網(wǎng)絡通信需求分析

以某輕型商用車為例，依據(jù)產(chǎn)品配置表，整車需要參與CAN通信的模塊有18個，如下表所示，在確定了所有參與CAN通信的節(jié)點后，需要對各節(jié)點通信需求進行分析：

表1

針對周期性報文的通信周期定義，不僅要考慮節(jié)點或信號對于刷新速度的要求， 還要兼顧到網(wǎng)絡的負載率。通常來講網(wǎng)絡設計時要盡量避免高速度的刷新，因為高速度刷新會占用較大的網(wǎng)絡負載率，從而占用更多的網(wǎng)絡資源。每個CAN網(wǎng)絡節(jié)點都有自己的通信要求，例如發(fā)動機扭矩相關的報文周期刷新速率就比較高，一般要求為10 ms，而車身相關的信號對于刷新速率得要求相對低得多，一般為100ms或200 ms就可以滿足要求。因此在設計網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)時，首先要考慮的就是各個節(jié)點自身的通信要求。一般原則是，對于通信周期速率要求較高的節(jié)點，以及和車輛安全性息息相關的節(jié)點，應考慮放在同一網(wǎng)段上或單獨各自成一個子網(wǎng)。

1）高速CAN：高速CAN節(jié)點一般具有通信速率高、實時性要求高以及安全等級高等特點，如動力總成（發(fā)動機）和主被動安全系統(tǒng)（電子穩(wěn)定程序、車道偏離預警系統(tǒng)、安全氣囊）。

2）低速CAN：低速CAN節(jié)點一般針對車身和駕駛輔助系統(tǒng)，例如儀表、車身控制器和MP5等系統(tǒng)。

3）私有 CAN：針對部分發(fā)動機，其后處理系統(tǒng)比較復雜，且處于保密以及僅僅與發(fā)動機通信等因素，一般與發(fā)動機另一路CAN通信相連，例如氮氧傳感器和DPF壓差傳感器。

2 網(wǎng)絡負載率計算

網(wǎng)絡負載率是1秒內(nèi)網(wǎng)絡總線傳輸數(shù)據(jù)所占帶寬的百分比。網(wǎng)絡負載率的計算主要是防止網(wǎng)絡因負載率過大而導致報文丟幀以及漏發(fā)現(xiàn)象產(chǎn)生。網(wǎng)絡負載率的具體要求目前沒有統(tǒng)一的標準，基本都是由主機廠按照經(jīng)驗設定。國外汽車CAN總線起步較早，CAN總線的應用相比國內(nèi)更為成熟，有的主機廠網(wǎng)絡負載率可以高達 70%，仍能保證車輛 CAN網(wǎng)絡的高效和穩(wěn)定運行。國內(nèi)目前尚達不到這個水平，一般情況下網(wǎng)絡負載率一般不大于40%。隨著CAN總線系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗的豐富，這個數(shù)值也將會隨之變大。

關于負載率的計算，以下圖網(wǎng)絡矩陣表為例，假設有 2個報文，假設總線速度為 500Kbps，把每個信號幀所占的負載率計算出來，相加即得出總的網(wǎng)絡負載率。

負載率1=（1000ms/20ms）*111/500000=0.0111=1.11%；

負載率2=（1000ms/10ms）*111/500000=0.0222=2.22%。

表2

網(wǎng)絡負載率是網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)設計中需要考慮的一個重要因素，同時它也是評估網(wǎng)絡設計是否合理的一項指標。在了解節(jié)點通信需求后，根據(jù)通信需求計算出各個節(jié)點的占用負載率，然后根據(jù)一般不大于50%的原則，合理規(guī)劃CAN通道的數(shù)量。如果所有節(jié)點的占用負載率之和小于40%，可以考慮將所有節(jié)點放在同一個 CAN通道上；如果所有節(jié)點的占用負載率之和大于40%， 就要考慮規(guī)劃2個或多個CAN通道，且盡量做到每個CAN通道的負載率不大于40%。

3 網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)目

根據(jù) CAN總線電氣特性和物理層傳輸特性，一般單個網(wǎng)段網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)目不超過12個節(jié)點，如果超過12個節(jié)點，需要通過多個網(wǎng)段來實現(xiàn)網(wǎng)絡通信。

4 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)設計

根據(jù)節(jié)點通信需求、網(wǎng)絡負載率和節(jié)點數(shù)量，建立以獨立網(wǎng)關為核心的多網(wǎng)段網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，如下圖所示，整車網(wǎng)絡具有較強的拓展性，可以滿足未來幾年節(jié)點配置增加的需求，具體說明如下：

圖1

1）車身CAN：包括車身控制器、組合儀表、MP5和防夾控制器，通信協(xié)議遵循 SAE J1939標準，通信速率為250Kbps，采用擴展幀格式，終端電阻一端內(nèi)置與獨立網(wǎng)關，另一端外置與線束上；

2）動力 CAN：包括發(fā)動機電控單元、電子穩(wěn)定程序、車道偏離預警系統(tǒng)、先進緊急制動系統(tǒng)AEBS和安全氣囊，通信協(xié)議遵循SAE J1939標準，通信速率為250Kbps，采用擴展幀格式，終端電阻一端內(nèi)置與獨立網(wǎng)關，另一端外置與線束上；

3）私有CAN：包括上游氮氧傳感器、下游氮氧傳感器、尿素泵傳感器、尿素質(zhì)量液位傳感器、DPF壓差傳感器、DOC/DPF溫度傳感器和SCR溫度傳感器，通信協(xié)議遵循SAE J1939標準，通信速率為250Kbps，采用擴展幀格式，兩個終端電阻外置與線束上；

4）診斷CAN：通信協(xié)議遵循SAE J1939標準，通信速率為 250Kbps，采用擴展幀格式，采用一個終端電阻，阻值為60歐姆。

5 總結(jié)

本文詳細描述了網(wǎng)絡節(jié)點通信需求、網(wǎng)絡負載率和網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)目對于整車網(wǎng)絡通信的影響，明確了網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)設計的具體思路和方法，具有較強的可操作性和指導意義。

Analysis Of Network Topology Design Based On CAN Bus

Sun Yongfeng
( The center of technology of Jianghuai Automobile Group Co., LTD, Anhui Heifei 230601 )

The application of vehicle CAN bus technology has become more and more mature. The core of the vehicle network development is the network topology structure. The network topology refers to the way to connect the controller in the network. How to design the network topology according to the vehicle configuration and the communication needs of nodes, etc., will be discussed in detail in this paper.

CAN-bus; network topology; load rate; SAE J1939

U462.1

A

1671-7988 (2017)21-58-02

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.21.021

CLC NO.: U462.1

A

1671-7988 (2017)21-58-02

孫永鋒，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心 。從事汽車電器設計工作。