基于CAN总线的汽车内部网络系统研究

引 言

　　随着车用电气设备越来越多，从发动机控制到传动系统控制，从行驶、制动、转向系统控制到安全保证系统及仪表报警系统，从电源管理到为提高舒适性而作的各种努力，使汽车电气系统形成一个复杂的大系统，而且这一系统都集中在驾驶室控制。另外，随着近年来ITS的发展，以3G（GPS、GIS和GSM）为代表的新型电子通信产品的出现，对汽车的综合布线和信息的共享交互提出了更高的要求。

　　从布线角度分析，传统的电气系统大多采用点对点的单一通信方式，相互之间少有联系，这样必然需要庞大的布线系统。据统计，一辆采用传统布线方法的高档汽车中，其导线长度可达2 000 m，电气节点达1 500个，而且根据统计，该数字大约每10年增长1倍，从而加剧了粗大的线束与汽车有限的可用空间之间的矛盾。无论从材料成本还是工作效率看，传统布线方法都将不能适应汽车的发展。

　　从信息共享角度分析，现代典型的控制单元有电控燃油喷射系统、电控传动系统、防抱死制动系统（ABS）、防滑控制系统（ASR）、废气再循环控制、巡航系统和空调系统。为了满足各子系统的实时性要求，有必要对汽车公共数据实行共享，如发动机转速、车轮转速、油门踏板位置等,但每个控制单元对实时性的要求是因数据的更新速率和控制周期不同而不同的。这就要求其数据交换网是基于优先权竞争的模式，且本身具有较高的通信速率。CAN总线正是为满足这些要求而设计的。

1 CAN简介

　　德国Bosch 公司为解决现代车辆中众多的控制和数据交换问题,开发出一种CAN(Controller Area Network)现场总线通信结构。CAN总线硬件连接简单,有良好的可靠性、实时性和性能价格比。CAN总线能够满足现代自动化通信的需要，已成为工业数据总线通信领域中最为活跃的一支。其主要特点
是：

　　① CAN总线为多主站总线，各节点均可在任意时刻主动向网络上的其他节点发送信息，不分主
从，通信灵活；

　　② CAN总线采用独特的非破坏性总线仲裁技术，优先级高的节点优先传送数据，能满足实时性要求；

　　③ CAN总线具有点对点、一点对多点及全局广播传送数据的功能；

　　④ CAN总线上每帧有效字节数最多为8个，并有CRC及其他校验措施，数据出错率极低，万一某一节点出现严重错误，可自动脱离总线，总线上的其他操作不受影响；

　　⑤ CAN总线只有两根导线，系统扩充时，可直接将新节点挂在总线上即可，因此走线少，系统扩充容易，改型灵活；

　　⑥ CAN总线传输速度快，在传输距离小于40 m时，最大传输速率可达1 Mb/s；

　　⑦ CAN总线上的节点数主要取决于总线驱动电路,在CAN2.0B标准中,其报文标识符几乎不受限
制。

　　总之,CAN总线具有实时性强、可靠性高、通信速率快、结构简单、互操作性好、总线协议具有完善的错误处理机制、灵活性高和价格低廉等特点。

2 总体方案设计

　　2.1 汽车内部CAN网络设计

　　正是由于CAN总线具有这些其他通信方式无法比拟的优点，使之成为电动汽车控制系统的理想
总线。

　　现代汽车典型的电控单元主要有主控制器、发动机控制系统、悬架控制系统、制动防抱死控制系统(ABS)、牵引力控制系统、ASR控制系统、仪表管理系统、故障诊断系统、中央门锁系统、座椅调节系统、车灯控制系统等。所有这些子控制系统连接起来构成一个实时控制系统--指令发出去之后，必须保证在一定时间内得到响应，否则，就有可能发生重大事故。这就要求汽车上的CAN通信网络有较高的波特率设置。另外，汽车在实际运行过程中，众多节点之间需要进行大量的实时数据交换。若整个汽车的所有节点都挂在一个CAN网络上，众多节点通过一条CAN总线进行通信，信息管理配置稍有不当，就很容易出现总线负荷过大，导致系统实时响应速度下降的情况。这在实时系统中是不允许的，因此在对汽车上各节点的实时性进行了分析之后，根据各节点对实时性的要求，设计了高、中、低速三个速率不同的CAN通信网络，将实时性要求严格的节点组成高速CAN通信网络，将其他实时性要求相对较低的节点组成中速CAN通信网络，将剩下实时性要求不是很严格的节点组成低速CAN通信网络。并架设网关将这三个速率不同的三个通信网络连接起来，实现全部节点之间的数据共享。整个汽车的CAN通信网络拓扑结构如图1所示。

图1 汽车CAN总线网0络拓扑图 发动机控制系统、悬架控制系统、制动防抱死控制系统(ABS)、牵引力控制系统、ASR控制系统这五个节点是汽车运行的核心部件，对时间响应要求严格，因此将这五个节点组成高速CAN通信网络，通信波特率设为500 bps。仪表管