CAN总线技术概况

1.1 CAN总线技术概况
　　CAN,全称为“Controller Area Network”,即控制器局域网,是国际上应用最广泛的现场总线之一。它是由德国BOSCH公司从80年代初为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通信协议，它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。通信速率最高可达1MBPS。在汽车环境中CAN被设计用于微控制器间通讯,在车载各电子控制装置ECU之间交换信息,形成汽车电子控制网络，可以有效支持分布式控制或实时控制。得益于其通信速率高、容易实现、且性价比高等优点，CAN网络在现代汽车上得到了大量应用，比如：发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中,均嵌入CAN控制装置。如图为现代轿车上典型的CAN总线应用的拓扑图。

CAN总线的发展与国际标准化组织和各大厂商的标准化进程密不可分。开放系统互连（OSI:Open System Inter连接ion）模型是由国际标准化组织提出的一个计算机通信替体系的模型，定义为ISO7498。OSI模型由七层组成，如图所示，分层的目的是使得协议的开发可以根据所需各层的从能来进行。CAN通信协议对物理层、数据链路层、应用层、网络管理层进行了定义，CAN诊断协议对物理层（诊断接口）、网络层、应用层进行了定义。相关的标准协议主要有：
　　（1）ISO11898和ISO11519：分别对高速CAN和低速CAN的物理层进行了标准化。
　　（2）j1939：美国汽车工程师协会（SAE）制定，基于CAN2.0B的CAN协议，为中重型道路车辆上电子部件间的通讯提供了标准的体系结构。
　　（3）ISO15765：道路车辆上基于CAN总线的诊断协议。
　　（4）各大公司自行定义的轿车中高速CAN总线协议：GM、Ford、VW都有自己的协议。

1.2CAN总线的实现
　　CAN总线实现主要有硬件及软件两部分组成。
　　构成CAN节点硬件的半导体器件主要包括以下几类：独立式控制器，包含CAN控制器的微处理器，CAN收发器。一般采用“CAN微控制器+CAN收发器”或“通用型微控制器+独立式CAN控制器十CAN收发器”这样的组合，配以适当的外部电路就构成一个完整的CAN节点，节点之间再经导线简单连接便形成“控制器网络”。控制器硬件与双绞线如图所示。

软件部分实现主要包括CAN硬件驱动，网络管理，诊断接口，bootloader等部分。
　　1.3 CAN总线开发流程
　　一般的CAN总线开发方法为如图所示的V字形开发流程，从图中可以看出，由厂商根据整车架构，进行功能设计，提出ECU的需求，供应商根据整车厂要求进行需求分析，结构设计，功能设计，分模块的实现，组件测试，集成测试，ECU测试，最后是验证并交付整车厂。
　　1.4 CAN在ESP中的应用
　　由于ESP系统有着丰富的功能，需要综合协调发动机与变速器的动作以获得最佳的控制效果，同时还需要从发动机EMS和变速器TCU获得车辆运行参数进行车辆状态估算，所以CAN网络被用来进行ESP控制器与其他底盘动力传动系统控制器之间的通讯。同时，由于ESP控制器多和液压控制单元集成安装在靠近发动机舱的位置，而传感器分布于整车各个位置，常将部分传感器模块化，将传感器信号采集控制器集成于传感器模块内部，进行模数转换后通过CAN网络发送给ESP控制器，这样使ESP系统模块化水平大大提高。常见的ESP系统CAN网络如下图所示。

ESP中CAN网络主要有以下作用：
　　1 各控制器交换数据和控制指令。包括ESP对发动机和变速器的协调控制，ESP对发动机和变速器的参数获取，ESP控制器对传感器节点数据的获取。
　　2 开发过程中的标定。开发过程中基于CAN的标定是一种快速有效，应用广泛的标定手段。
　　3 生产过程的标定。在整车装配过程中，其方向盘转角传感器，纵向加速度传感器，侧向加速度传感器，横摆角速度传感器的初始标定也是通过CAN总线来实现。
　　4 故障诊断。基于CAN的故障诊断是某些国家的强制性标准，车载控制器必须有诊断功能。
　　5 产品升级与配置。拥有Bootloader模块的控制器可以在出厂后通过CAN进行软件升级，同时也可以通过软件配置来给客户多样化的选择。比如TCS和ESP的硬件相同，可以通过出厂后的软件配置定义产品实现的功能级别，给客户差异化的选择。
　　2 相关法规
　　2009年前6个月，几乎所有欧洲国家装备ESP车辆的市场份额再次上升。意大利的数据提高四个百分点，达到55%；西班牙则上涨到69%。德国78%的新上牌车辆装备ESP。
　　近年来各国纷纷出台强制措施，提高ESP的新车出厂装赔率，以提高车辆安全性，降低事故发生率和事故死亡率。
　　美国国家高速公路交通安全管理局（NHTSA）在2007年颁布法规，所有总重在4.5吨以下的车辆从2012年起必须装配ESP。
　　2009年3月10日，欧洲议会作出决定，所有新车都强制装配ESP。根据法规，2011年11月起，所有在欧盟注册的新乘用车和商用车都必须装配主动安全系统ESP，而从2014年11月起所有新车都必须装配该系统。6月23日，欧盟委员会通过该立法。
　　澳大利亚2009年6月颁布立法：在澳洲销售的车辆必须强制装配ESP。该法规规定：自2011年11月起所有新车型，以及自2013年11月起所有车型，都必须强制装配ESP。这比欧洲立法还要提前一年。法规详细内容，例如涉及车辆级别的范围待定。2008年，在澳洲销售的新车ESP装配率是60%。
　　2009年日本NCAP，日本新车评估体系统（JNCAP）将显示显示车辆是否配备电子稳定控制（ESC），标配时显示绿色，选配时显示黄色或没有装配时显示红色。NASVA预计，新的JNCAP体系对日本ESC装配率有积极的影响。
　　2009年3月18日，巴西国家交通委员会通过311和312号决议，自2014年1月起，巴西市场上所有销售的新车（国产或进口）都强制装配前气囊和ABS。
　　2009年3月13日加拿大政府计划推出新的安全法规，自2011年9月1日起，要求在加拿大销售的所有乘用车，以及总重在4,5吨以下的商用车，卡车和公共汽车都标配ESP。
　　2009年2月，使用模拟事故场景来测试车辆安全性能的欧洲新车评估体系EuroNCAP将电子稳定程序ESP?纳入其新的评估流程。根据其最新指导原则，自2010年起，只有将电子稳定程序ESP作为标准配置的车型才有可能获得最高五星的安全评定。
　　对于我国整车厂商来说，虽然我国强制装配ESP并无时间表，但是想要出口上述地区，则必须装配符合当地法规的ESP系统。并且，我国新车出厂ESP装配率只有不到百分之二十，随着用户对汽车安全系统的认可与安全观念的普及，必定还有很大的增长空间。