CAN技术在汽车上的应用研究

南京理工大学Nanjing University of Science and Technology仪表智能化与自动测试技术课程论文CAN技术在汽车上的应用研究学院：自动化学院学号：1*姓名：*20*年12月20日CAN技术在汽车上的应用研究摘要：CAN总线技术已经在汽车上得到了广泛的应用，本文章首先介绍了CAN技术引入的原因以及国内外发展的现状与差别。进而介绍了CAN总线的通信模式和性能特点，并且介绍了CAN总线在大众汽车中的具体应用，最后对CAN未来的发展做出了展望。关键词：CAN总线、汽车引言汽车是现代化高速发展社会中人们普遍使用的交通工具，也是技术密集和资本密集的工业产品。几乎所有的现代化科学技术都能在汽车技术中体现出来。从汽车技术的发展现状看，汽车电子技术是现代汽车发展的主要技术之一。汽车中各种功能的不断完善，使汽车电子控制单元越来越多，控制装置的数量和复杂性也不断增加，庞大的线束不但会占去大量的车内空间、增加系统成本，同时也降低了系统的可靠性和可维护性。尤其是微控单元引入后，车内的一些电子单元需要实时的交换信息，而传统的技术已经不能解决这种问题。传统的控制方案和布线方法已不能适应汽车技术发展的需要，繁琐的现场连线正在被单一简洁的现场总线网络所代替。而这其中，应用最为广泛的就是CAN总线技术。CAN ( Controller Area Network，CAN ) 即控制器局域网络。 CAN最初是由德国的BOSCH公司为汽车监测、控制系统而设计的。CAN已经形成国际标准（ISO11898），并已成为工业数据通信的主流技术之一。在北美和西欧，CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线，并且拥有以CAN为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的J1939协议。近年来，其所具有的高可靠性和良好的错误检测能力受到重视，被广泛应用于汽车计算机控制系统和环境温度恶劣、电磁辐射强和振动大的工业环境。CAN总线技术的应用大量减少了车体内线束的数量和控制器的接口数量，避免了过多线束存在的相互干涉、磨损等隐患，降低了汽车电气系统的故障发生率。 世界上很多著名的汽车制造厂商，如奔驰,宝马、保时捷、劳斯莱斯等都已经采用CAN总线来实现汽车内部控制系统的数据通信。 在国内，完全引进国外技术生产的奥迪A6车型已于2000年起采用总线替代原有线束，帕萨特、宝来、菲亚特派力奥等车型也都不同程度地使用了总线技术，这些技术主要是以CAN总线技术为主，绝大部分应用在动力总线系统中，其核心技术仍掌握在国外的厂商手中。CAN总线技术就是通过遍布车身的传感器，将汽车的各种行驶，状态数据发送到总线上，在这个信息共享平台上，凡是需要这些数据的接收端都可以从总线上读取需要的信息，一般来说，越是高端的汽车配备的CANBUS数量也就越多。CAN总线的通信模式和性能特点CAN总线的通信模式 载波监测，多主掌控/冲突避免允许在总线上的任一设备有同等的机会取得总线的控制权来向外发送信息。如果在同一时刻有两个以上的设备欲发送信息，就会发生数据冲突，CAN总线能够实时地检测这些冲突情况并作出相应的仲裁而不会破坏待传之信息。“载波监测”的意思是指在总线上的每个节点在发送信息报文前都必须监测到总线上有一段时间的空闲状态。“多主掌控”的意思是一旦此一空闲状态被监测到，那么每个节点都有均等的机会来发送报文。“冲突避免”是指在两个以上节点同时发送信息时，节点本身首先会检测到出现冲突，然后采取相应的措施来解决这一冲突情况。此时优先级高的报文先发送，低优先级的报文发送会暂停。在CAN总线协议中是通过一种非破坏性的仲裁方式来实现冲突检测。这也就意味着当总线出现发送冲突时，通过仲裁后原发送信息不会受到任何影响。所有的仲裁判别都不会破坏优先级高的报文信息内容，也不会对其发送产生任何的时延。 信息报文在传送时不是基于目的站点地址允许不同的信息以“广播”的形式发送到所有节点并且可在不改变信息格式的前提下对报文进行不同配置。 CAN总线是一个基于报文而不是基于站点地址的协议。也就是说报文不是按照地址从一个节点传送到另一个节点。CAN总线上报文所包含的内容只有优先级标志区和欲传送的数据内容。所有节点都会接收到在总线上传送的报文，并在正确接后发出应答确认。至于该报文是否要做进一步的处理或被丢弃将完全取决于接收节点本身。同一个报文可以发送给特定的站点或许多站点，就看你怎样去设计你的网络和系统。基于报文的这种协议另外一个好处是新的节点可以随时方便地加入到现有的系统中，而不需对所有节点进行重新编程以便它们能识别这一新节点。一旦新节点加入到网络中，它就开始接收信息，判别信息标识，然后决定是否作处理或直接丢弃。 CAN总线是一种高速的，具备复杂的错误检测和恢复能力的高可靠性强有力的网络。CAN总线的特点概括如下： CAN为多主工作方式，网络上任意以节点均可在任意时刻主动的地向网络上其它节点发送信息，而不分主从。 CAN网络上的节点信息分为不同的优先级，可满足不同的实时要求，高优先级的数据最多可在134s内得到传输。 CAN采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动退出发送，而最高优先级的节点可不受影响的继续传输数据。 CAN程序通过报文滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据，无需专门的“调度”。 CAN的直线通信距离最长可达10km（速率5Kbps以下），通信速率最高可达1Mbps（此时通信距离最长为40m） CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达128个。报文标识符可达2032种（CAN2.0A），而扩展标准（CAN2.0B）的报文标识符几乎不受限制。 采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有良好的检错效果。 CAN每帧信息都有CRC校验及其它检错措施，保证了数据出错率极低。 CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。 CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出的功能，以使总线上其它节点的操作不受限制。CAN总线技术在汽车上的应用汽车数据传输网的分类由于目前存在的多种汽车网络标准，其侧重的功能有所不同，为方便研究和设计应用，SAE车辆网络委员会将汽车数据传输网分为A、B、C三类。A类：传感器/执行器控制的低速网络，数据传输位速率通常只有1-10kbps。主要应用于电动门窗、座椅调节、灯光照明等控制。大多数A类总线都遵循UART标准，它们使用起来简单经济。B类：独立模块间资料共享的中速网络，位速率一般为10-100kbps。主要应用于电子车辆信息中心、故障诊断、仪表显示、安全气囊、以及舒适模块等，以减少冗余的传感器和其它电子部件。C类：高速、实时控制的多路传输网，最高位速率可达1Mbps，主要用于悬架控制、牵引控制、先进发动机控制、ABS等系统，以简化分布式控制和进一步减少车身线束。到目前为止，满足C类网要求的汽车控制局域网只有CAN协议。三类网络功能均向下涵盖，即B类支持A类网的功能，C类网能同时实现B类和A类网功能。CAN总线技术的应用德国大众汽车公司的车型在CAN总线网络技术的应用上较为成熟，本文以大众的奥迪汽车为例来介绍CAN总线如何在汽车上进行使用。德国大众汽车公司早在1995年起便开始研究和开发车载CAN总线网络系统，它要求集团下的所有子公司都采用一致的技术标准和数据定义。在大众汽车公司的研究开发部门中专门有一个预开发部门，其职责之一是为各有部门的开发制定应用层上的大众标准、网络框架和数据定义。按网络的连接对象划分，在大众汽车公司生产的汽车中，主要采用2条CAN网络，它们是：用于驱动系统的高速CAN，其通讯速率为500kb/s；用于车身舒适系统的低速CAN，其通讯速率为100kb/s。下面我们将主要介绍以上两种CAN总线。A、 驱动系统的高速CAN总线奥迪车上与驱动系统有关的控制单元有电控燃油喷射系统、自动变速器、防抱死制动系统(ABS)及安全气囊系统等控制单元。控制单元对实时性的要求是因数据更新速率和控制周期不同而不同的。为满足各子系统的实时性要求，有必要对公共数据实行共享，如发动机转速、车轮转速及加速踏板位置等。它要求其数据交换网是基于优先权竞争的模式，且本身具有极高的通信速率，奥迪车采用了高速CAN总线正是为满足这些要求而设计的。驱动系统高速CAN总线主要连接3个控制单元：发动机控制单元、ABSEDL控制单元和自动变速器控制单元(根据实际车型的不同配置还可以连接安全气囊、四轮驱动和组合仪表等控制单元)。CAN总线可以同时传递l0组数据(发动机电控单元5组、ABSEDL控制单元3组和自动变速器控制单元2组)，该系统的数据总线以500 kbits速率传递数据，每组数据传递大约需要025 ms，每一控制单元7 ms-20 ms发送一次数据。优先权顺序为：ABSEDL控制单元、发动机控制单元、自动变速器控制单元。CAN数据总线连接点通常置于控制单元外部的线束中，特殊情况下，连接点也可设在控制单元内部。B、 车身舒适系统的低速CAN总线奥迪车车身舒适系统CAN总线主要连接5个控制单元：1个中央控制单元和4个车门控制单元(在某些情况下，还包括记忆模块等其他组件)。该系统主要提供：中央门锁、电动车窗、照明开关、电动后视镜和自诊断5个功能。由于采用CAN总线系统后，车门过线大量减少，线路简化，车身舒适系统的故障率下降，可靠性提高。车身舒适系统CAN总线以100 kbit/s通讯速率传递数据时，每一组数据大约需要1 ms，而每个控制单元20 ms发送1次数据。优先权顺序为：中央控制单元、左前门控单元、右前门控单元、左后门控单元、右后门控单元。各控制单元的传输线以星形汇聚于一点，这样如果一个控制单元发生故障，其他控制单元仍可以继续发送各自的数据，而不影响整个车身舒适系统的正常工作。车身舒适系统的控制对象主要是4个车门上的中控门锁和车窗、行李箱锁、后视镜和车内顶灯，在具备遥控功能的情况下，还包括对遥控信号的接收处理和其他防盗系统的控制。从控制功能的角度来看，车身舒适系统的很多动作都存在某些关联性，只有对所有这些关联性作出非常周密的考虑，并借助于CAN总线才能真正让乘客感到舒适。在车身舒适系统中，各车门控制单元主要负责各自车门上的功能控制，如电控门锁的开关，车窗的升降及后视镜的控制，而中央控制单元除承担遥控系统的信号接收和处理功能外，更主要的是扮演了系统诊断接口El的角色，所有诊断信息均按以下路径传输：诊断测试仪一K线一中央控制单元一CAN总线一车门控制器。车身舒适系统CAN总线的另外两大特色是它能单线工作，并在系统中实施了网络管理的方法，它所包含的技术含量比驱动系统还高。CAN总线技术的展望技术的先进性是总线在汽车上应用的最大动力，也是汽车生产商竞相应用总线的主要原因。在现代轿车的设计中，CAN已经成为必须采用的装置，奔驰、宝马、大众、沃尔沃、雷诺等汽车都采用了CAN作为控制器联网的手段。奇瑞轿车、上海大众的帕萨特和POLO汽车上已经引入了CAN技术。CAN总线控制技术是提高汽车性能的一条很好途径。但总的来说，目前CAN总线技术在我国汽车工业中的应用尚处于起步阶段，绝大部分的汽车还没有采用汽车总线的设计，因而存在着不少弊端。汽车专家认为，就像汽车电子技术在20世纪70年代引入集成电路、80年代引入微处理器一样，近10年数据总线技术的引入也将是汽车电子技术发展的一个里程碑。 参考文献1 付亮,李伟.CAN总线技术及其在现代汽车中的应用.2006年2 田芳，陈欢.CAN总线技术在汽车上的应用.2008年3 张永新.大众汽车CAN总线分析及故障检测.2009年4 伦钊强.车用总线技术及应用现状.5 6 苟广鹏,孙泽昌,魏学哲.控制器局域网技术在汽车中的应用研究|J.汽车工程，2006年7 王文海.CAN总线在汽车领域的应用J.电子科技,2011年