淺析基于CAN總線的客車車身控制系統(tǒng)

邱遠紅，王俊紅，譚福倫

（金龍聯(lián)合汽車工業(yè)（蘇州）有限公司，江蘇 蘇州 215026）

CAN是控制器局域網(wǎng)絡（Controller Area Network）的簡稱，是國際上應用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，一個具體的CAN總線系統(tǒng)包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層；其應用范圍較廣，J1939協(xié)議是由SAE（美國汽車工程師協(xié)會）制定，并應用于商用車的高速通信協(xié)議，也是目前客車廣泛采用的通信協(xié)議。

隨著CAN總線技術的推廣，客車車身總線控制越來越得到普及和應用，總線控制器應用到了大部分整車電器設計中，總線控制器和組合儀表的協(xié)調工作，推動了整車電器智能化的進程，實現(xiàn)了客車電器設計軟硬件的分離，從而推動整車電器件通用化發(fā)展的步伐，對推動整個客車電器的發(fā)展具有積極的意義。本文重點分析目前客車CAN總線的車身控制系統(tǒng)結構、特點、控制器以及應用注意事項。

1 客車車身控制系統(tǒng)CAN總線網(wǎng)絡結構

各個客車廠家車身控制系統(tǒng)產(chǎn)品不同，但基本控制思路大同小異，如傳統(tǒng)車輛，主要采用圖1所示網(wǎng)絡拓撲結構，主要有2個CAN網(wǎng)絡結構，其中車輛照明系統(tǒng)、刮水、聲光報警系統(tǒng)等在車身控制系統(tǒng)；動力網(wǎng)絡主要為發(fā)動機、變速器、ABS等動力控制系統(tǒng)。本文重點討論車身控制系統(tǒng)。

車身控制系統(tǒng)主要有組合儀表、開關控制器、車身控制器、行車記錄儀以及其他附件控制單元，組合儀表為人機交互界面，為駕駛員提供顯示信息，并充當“網(wǎng)關”作用，既連接車身網(wǎng)絡又連接動力網(wǎng)絡；開關控制器采集車輛開關信號，把開關量通過CAN總線系統(tǒng)傳輸?shù)秸麄€網(wǎng)絡；車身控制器是車身控制系統(tǒng)的核心，車身控制器根據(jù)開關量信號、模擬量信號、CAN總線信號，進行邏輯控制相應輸出管腳，實現(xiàn)車輛電器負載的控制。

2 基于CAN總線的客車車身控制系統(tǒng)特點

基于CAN總線系統(tǒng)的車身控制系統(tǒng)對客車來說主要有以下優(yōu)點：①用電器控制簡化；②信號實現(xiàn)共享，簡化電路設計；③具有過載保護以及斷路指示；④能夠自我診斷。

圖1 傳統(tǒng)車輛網(wǎng)絡拓撲結構

2.1 用電器控制簡化

未使用CAN總線之前，傳統(tǒng)電路設計主要是通過熔斷器盒、開關以及繼電器控制用電器件；整車采用CAN總線后，控制系統(tǒng)簡化，開關信號只需要接入總線控制器，總線控制器根據(jù)總線設定的邏輯規(guī)則，驅動電路，實現(xiàn)用電器件的工作。圖2為傳統(tǒng)電路控制框架，圖3為總線電路控制框架。

圖2 傳統(tǒng)電路控制框架

圖3 總線電路控制框架

圖2中，喇叭和燈具電流經(jīng)過熔斷器、控制開關或者繼電器到喇叭或者燈具；圖3中，喇叭和熔斷器的控制通過總線實現(xiàn)，開關信號進入車身控制器，車身控制器根據(jù)得到的開關信號，轉換成相應的報文，發(fā)送給整個車身網(wǎng)絡，車身控制器根據(jù)設定的管腳以及設定的軟件程序，驅動相應的用電器工作。

兩種控制方式對比，總線電路結構簡化，熔斷器數(shù)量減少，對開關的負載性能要求降低；傳統(tǒng)電路實現(xiàn)方式復雜，有的控制功能需要多個繼電器進行控制；總線電路控制只需根據(jù)開關邏輯進行編程即可實現(xiàn)，開關只控制信號，不驅動負載，所以耐久性能將會得到提高，也會降低生產(chǎn)成本。

2.2 信號實現(xiàn)共享，簡化硬件電路設計

以機油壓力傳感器為例，未使用總線之前，發(fā)動機需要采集機油壓力信號給發(fā)動機ECU，而為顯示機油壓力狀態(tài)，組合儀表需要獲取機油壓力傳感器參數(shù)信息，整車廠也需要安裝機油壓力傳感器，因而發(fā)動機本體需要安裝2個機油壓力傳感器；采用總線系統(tǒng)之后，發(fā)動機本體只需要安裝1個機油壓力傳感器，發(fā)動機ECU根據(jù)采集的機油壓力參數(shù)，以報文形式發(fā)送到整個總線網(wǎng)絡，組合儀表根據(jù)得到的報文信息，計算機油壓力值，驅動儀表工作。圖4為傳感器信號采集方式的對比。

圖4 傳感器信號采集方式對比

圖4中，傳統(tǒng)電路中需要2個傳感器，各用電器分別需要1個傳感器；而總線電路中只用1個傳感器，發(fā)動機ECU通過報文形式發(fā)送給外部CAN網(wǎng)絡，組合儀表收到報文，實現(xiàn)相應的功能。由上可知，2個傳感器的使用轉變?yōu)?個傳感器的使用，整車總線可實現(xiàn)用電設備信號的共享，降低整車成本。

在客車電器中，有時多個用電設備對同一信號都有需求，而只能安裝一個傳感器。如果多路設備同時連接這個信號，會造成整個系統(tǒng)工作不正常，如發(fā)動機ECU、行車記錄儀、組合儀表、緩速器等都需要車速信號，如果把一個信號同時接入各個用電設備，有時會出現(xiàn)多個用電設備同時上拉信號，造成信號超出電路的檢測范圍，導致用電設備工作不正常。如筆者遇到的一個車速表在怠速抖動的故障，其中車速傳感器輸出一路信號同時接入到了組合儀表和發(fā)動機ECU，組合儀表的車速表會出現(xiàn)不正常的抖動。車速傳感器以及儀表電路如圖5所示。

圖5 車速傳感器以及儀表電路

圖5a為傳感器電路，圖5b為組合儀表連接傳感器電路，由于發(fā)動機ECU內部也有一個1.8kΩ的上拉電阻，儀表和ECU的同時上拉，使車速信號超出組合儀表的檢測范圍，從而出現(xiàn)組合儀表怠速抖動現(xiàn)象。而采用整車總線之后，車速信號連接到就近總線模塊，總線模塊發(fā)送車速報文到組合儀表、發(fā)動機ECU、行車記錄儀、緩速器等，從而減少這種問題的發(fā)生。

2.3 具有過載保護以及斷路指示

傳統(tǒng)電路中，用電器出現(xiàn)過載時，如果超過熔斷器的設定范圍，熔斷器熔斷，保護用電設備。如果熔斷器設計過大，則會出現(xiàn)線束過熱，更為嚴重狀況則為線束燒毀，用電設備燒壞，整車著火。采用總線控制后，總線模塊會根據(jù)設定的負載需求，輸出相應電流，如果用電器負載超出設定功率，總線模塊則會停止輸出，防止過載。

在電器設計中，設計人員要注意核算用電負載情況，根據(jù)模塊管腳輸出能力，選擇相應的管腳。圖6為某型號模塊部分管腳功率說明。

圖6 某型號車身控制模塊部分管腳功率說明

2.4 故障診斷

非總線車型，如果用電器出現(xiàn)故障，售后人員需要按照線束圖進行排查，需要有一定的工作經(jīng)驗，排查故障困難。若是總線車型，模塊根據(jù)輸出狀態(tài)，進行分析判斷，把故障信息通過報文發(fā)送給組合儀表，組合儀表顯示故障信息，售后人員根據(jù)顯示信息進行針對性診斷，方便查找問題和分析。圖7為儀表診斷界面，儀表顯示的模塊為管腳輸出狀態(tài)。售后根據(jù)顯示狀態(tài)，判斷是模塊問題，還是傳感器問題等。

圖7 儀表診斷界面

3 車身控制模塊原理

車身控制模塊硬件電路由CAN收發(fā)器、CAN控制器、MCU以及功能電路組成，結構如圖8所示。

圖8 總線模塊硬件電路

CAN收發(fā)器主要是把物理層電信號進行轉換的器件，具有與CAN控制器連接接口的收發(fā)引腳TX和RX，還有一對與CAN總線接口的CAN_H和CAN_L。要發(fā)送的數(shù)據(jù)從TX輸入，經(jīng)收發(fā)器轉換為CAN信號電平，從CAN_H和CAN_L輸出到CAN總線電纜上；同時CAN_H和CAN_L上信號電平也被實時地轉換為邏輯信號從RX輸出到CAN控制器；同時要注意，TX發(fā)送的數(shù)據(jù)也會被RX接收，CAN控制器可以實時檢查發(fā)出的數(shù)據(jù)是否異常。

CAN控制器是總線模塊的核心部件，集成了CAN規(guī)范中數(shù)據(jù)鏈路層的全部功能，自動完成CAN-Bus協(xié)議的解析。

MCU（Micro Control Unit）即為微控制單元，又稱單片微型計算機（Single Chip Microcomputer）或者單片機，將計算機的CPU、RAM、ROM、定時計數(shù)器和多種I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片級的計算機，為不同的應用場合做不同組合控制。按照計算速度以及運算能力，輸入輸出路數(shù)等選擇，有8位、16位、32位單片機。

功能電路主要是實現(xiàn)總線請求的相應功能。目前客車總線模塊主要有以下電路：開關電路、模擬電路、脈沖電路、電源降壓電路、功率輸出電路、電源輸出電路等。

4 車身控制系統(tǒng)電器設計注意事項

整車廠電器設計人員在進行總線設計時，首先需要根據(jù)總線模塊管腳輸入、輸出特性，分配各個管腳功能，主要包括開關量輸入定義、功率輸出定義、模擬量輸入定義、電源分配，管腳邏輯控制器等。但在設計中還需要注意以下幾點。

1）首先要設計車身控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡拓撲結構；每個節(jié)點需要在哪個網(wǎng)絡，網(wǎng)絡的終端要確定為哪個零部件。

2）車身網(wǎng)絡和動力網(wǎng)絡要做好區(qū)分，不能把網(wǎng)絡節(jié)點錯掛，造成系統(tǒng)工作不正常。

3）節(jié)點和主干網(wǎng)絡結構嚴格按照ISO11898要求執(zhí)行。

4）車身控制模塊不能簡單用于代替熔斷絲盒，要最大化發(fā)揮車身控制模塊的邏輯控制功能；客戶定制的特殊控制需求盡量通過模塊實現(xiàn)，減少其他控制器的使用。

5）考慮到模塊間處理時間的延遲，某些點控系統(tǒng)，各個控制開關盡量放在一個模塊。如刮水控制，刮水開關的高速控制、低速控制、間歇控制、回位信號盡量放在一個模塊，防止出現(xiàn)模塊間通信延遲，刮水不能關閉的現(xiàn)象。

6）同一系統(tǒng)的模塊具有通用性，請注意電器設計中通過設定管腳的地址線進行區(qū)分，在電器設計中不要遺漏。

7）車身控制模塊布置盡量合理，方便連接用電器；模塊管腳盡量合理利用，大功率管腳和小功率管腳合理分配，使之各盡其能，盡量減少不同線束之間多余的線束對接。

5 結論

客車CAN總線模塊系統(tǒng)經(jīng)過了多年發(fā)展，已經(jīng)具有相當規(guī)模，但是客車電器CAN化需要走的路還相當長，客車還未形成統(tǒng)一的技術標準與規(guī)范，車身控制模塊的結構與控制還有相當大的優(yōu)化空間，還需要整車廠和零部件廠聯(lián)合攻關，相互扶持，共同成長。

［1］ 耿振江.汽車控制單元類電氣設備CAN連接的優(yōu)化［J］.汽車電器，2007（1）；13-15.

［2］ 周立功，嚴寒亮，黃曉清.項目驅動-CAN-bus現(xiàn)場總線基礎教程［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2012.