奔驰600SEL汽车采用的CAN协议与汽车网络LAN的关系.doc

.奔驰600SEL汽车采用的CAN协议与汽车网络LAN的关系由德国波许公司开发的CAN协议，其版本和规格较多。按英特尔公司的观点，将帧格式中有11位标识符的CAN1.2当作标准规格，将帧格式中有29位标识符的CAN2.0当作扩展规格;按马自达汽车公司和古川电子公司的观点,将CAN协议归属为LAN中的一种；1993年11月，国际标准化组织ISO发布了ISO11898标准，CAN被确定为汽车数字信息交换的主要高速网络协议LAN是微机网络中的一种类型，CAN只是LAN中的高速网络协议之一。按波许和奔驰公司的说法，由于汽车的某些技术要求和生产成本已超出了LAN的范围，因此开发了CAN。如CAN允许40m总线长度的数据传输速率达1Mbps，而采用其他协议，如前述按SAE-J1850-PWM编码的丰田皇冠等汽车，其传输速率只达41.6 kbps;采用VAN协议的雷诺和标致汽车，传输速率也只达50kbps。 ISO11898标准定义的125kbits/s位速率是区别高速与中-低速网络的划界指标，所以，传输速率为1 Mbps的CAN，实际上已成为最有代表性的汽车高速网络协议。2奔驰600SEL汽车的CAN协议不采用ISO提出的“开放系统互连”7层协议参考模型的原因 ISO提出的“开放系统互连”(OSI)的7层协议参考模型，简称为ISO/OSI参考模型，其文本号为“ISO/TC97/SC16文本537号ISO建议7498”，这是目前国际上数据网的公认标准。ISO提出7层网络系统结构参考模型的目的，就是要在各种终端设备、微机、操作系统进程之间以及人们互相交换信息的过程中，能够逐步实现标准化。ISO/OSI参考模型从第一层到第七层依次为物理层、数据链路层、网络层、传送层、会话层、表示层和应用层。 CAN不采用ISO/OSI参考模型的主要原因有以下几点: (1)在处理时间和控制信息方面，ISO/OSI各层的位、数据和时间的附加开销过多。 (2)OIS协议的应用对象主要是宽区域网络和较大的计算机之间的通信联系。 (3)办公用计算机之间不需要实时通信，因此，在分布式系统中，OIS协议不可能准确地支持车内微机之间的通信。 CAN网络结构主要包括两大部分，一是通信部分，二是网络管理部分 (图1)。通信部分相当于OSI模型的物理层、数据链路层、传送层和应用层。CAN层按3个特定的子层分层:物理层和数据链路层作为通信硬件;另外还有附加的软件子层，软件子层的主要用途是针对不同的硬件在执行CAN协议时，提供通用的接口集。该子层还具有对CAN硬件配置和控制的驱动功能;还可以选择能提供两种附加数据传送服务确认数据传送服务和数据报传送服务的软件子层。传送层能对随机的长数据单元从一个站点到另一个站点提供透明而可靠的传送。交互层是各种服务和协议的集合，它支持不同站点应用过程或管理过程之间的交互作用。图l CAN网络结构 网络管理部分的功用足为获得操作的安全性和可靠性，该部分成了各种功能和实体的和集，它能对网络配置进行检测，对失效进行校正及支持网络诊断等。 CAN协议的结构模型与OSI参考模型的主要区别有如下两点:第一，CAN网络结构各层的功能只限于车内通信的需要和为特定目的服务，相比OS17的层协议稍简单些，但效率要高些，尤其是实时控制效果最为显著;第二，CAN的信息不必通过所有的网络层，即在某一层中处理数据时，可直接调用较低层参与服务。3.C级通信与CAN协议的关系 C级汽车通信是将要求施加在网络体系结构的底层，即前述的CAN层上，扩展用于汽车的CAN协议通过防撞和全局优先对这些要求寻址。C级通信由汽车3种信息组成:低速的车身电子信息;中速的参量传感器数据;实时控制信号，特别是由动力控制模块PCM、防抱死制动系统ABS和安全气囊系统SRS/SIR等驱动的高速控制信号。 对于上述的高性能系统，要求大网络带宽，信道存取快速，信息传送可靠，以及为了保证安全操作能预测响应时间。波许公司为奔驰汽车开发的CAN协议，界限分明，可避免系统功能重叠和能满足上述C级3种信息传送的要求。4. CAN媒体的存取方案 CAN是以二进制支配算法(二进制逆序计数)为基础的防撞协议。为了访问共享媒体，在传输起始前，所有的节点都得等待空闲通道。每次传输开始，都带有特殊的识别号。节点同步传输争用信息是通过抵消的方法解决，即在检测l个支配 (主)位的同时，发送1个从(属)位。因此，对于各个节点或各条信息，经由独特的识别值进行分配，可确保信息传输无碰撞。 由于所作的判定/仲裁只是信息的一部分，因此CAN提供的有效通信量可分为轻和重两种通信传输，此点与其他汽车通信协议是有区别的。另外，由于有识别值的信息优先权可视为相等，故CAN可获得全局优先权。在整个网络中，这种具有最高(优先)等级的消息配置方案能保证初次存取。存在的问题是经常性的高(优先)等级信息可能“霸占”网络，导致低等级信息的等待时间增长，因此，波许公司开发的CAN模型，对等待时间中高(优先)等级信息发生的碰撞已作了评估。5.可扩展作为汽车使用和维修参考的90项CAN工作负荷的内容 波许公司开发了供不同等级网络通信用的通用工作负荷特性共有90项内容(表1)，可扩展作为各种进口汽车使用和维修的参考依据。 表1 供C级（含B级和A级）通信应用的通用工作负荷特性信息标识电子器件及项目位启用频率（Hz）等级源于何种系统信号类型传输速率（bps） 0碰撞传感器116200C汽车安全系统传感型12 800 1碰撞传感器216200C同上传感型12 800 2碰撞传感器316200C同上传感型12 800 3火花塞输出正时信号16200C动力控制模块监控型12 800 4防抱死制动ABS的泵速度控制16200C汽车安全系统监控型12 800 5车轮速度传感器116200C汽车安全系统传感型12 800 6车轮速度传感器216200C同上传感型12 800 7车轮速度传感器316200C同上传感型12 800 8车轮速度传感器416200C同上传感型12 800 9转向回转速率传感器16200C空气悬架/电子助力转向传感型12 800 10液压转向助力16200C电控液压助力系统监控型12 800 11车速控制信号16200C巡行控制系统监控型12 800 12离合器位置传感器16200C点火控制模块传感型12 800 13曲轴位置传感器16200C点火控制模块传感型12 800 14分布式点火拾波（器）16200C点火控制模块监控型12 800 15制动位置传感器16200C汽车安全系统传感型12 800 16制动压力传感器16200C牵引力控制系统传感型12 800 17后轮滑转传感器116100C汽车安全系统传感型6 400 18后轮滑转传感器216100C汽车安全系统传感型6 400 19线性高度传感器16100C空气悬架传感型6 400 20变速器速度传感器16100C动力控制模块传感型6 400 21车速传感器16100C动力控制模块传感型6 400 22加速踏板位置变化速度传感器16100C牵引力控制系统传感型6 400 23变速器离合器管路压力16100C牵引力控制系统传感型6 400 24点火诊断监测器1650B点火控制模块监控型3 200 25气缸识别传感器1650B动力控制模块传感型3 200 26手动控制杆位置1650B动力控制模块传感型3 200 27压力增量（电子）反馈1650B动力控制模块传感型3 200 28废气加热氧传感器1650B动力控制模块传感型3 200 29空气流量传感器1650B动力控制模块传感型3 200 30节气门位置传感器1650B动力控制模块传感型3 200 31发动机转速1650B动力控制模块传感型3 200 32手制动位置传感器1610B仪表板显示系统传感型640 33在行驶和转向过程中的无线电控制1610B仪表板显示系统传感型640 34蓄电池电流1610B点火控制模块传感型640 35蓄电池电压1610B点火控制模块传感型640 36自动变速器选挡（PRNODL）传感器1610B点火控制模块传感型640 37变速器油液温度1610B动力控制模块传感型640 38空调压缩机离合器1610B动力控制模块传感型640 39发动机冷却剂温度1610B动力控制模块传感型640 40变速器油液压力1610B动力控制模块传感型640 41进气空气温度165B动力控制模块传感型320 42悬架状态161A空气悬架监控型64 43车外温度161A气候控制系统传感型64 44期望温度161A气候控制系统传感型64 45车内温度161A气候控制系统传感型64 46后窗除霜/雾161A气候控制系统传感型64 47风扇速度控制161A气候控制系统监控型64 48潮湿器（温度）控制161A气候控制系统监控型64 49加热/冷却控制161A气候控制系统监控型64 50设定/加速/复速161A巡行控制系统传感型64 51巡行控制指示灯161A巡行控制系统监控型64 52自动大灯传感器161A仪表板显示系统传感型64 53点火开关位置161A仪表板显示系统传感型64 54喇叭传感器161A仪表板显示系统传感型64 55危险/警告信号传感器161A仪表板显示系统传感型64 56左/右转向信号161A仪表板显示系统传感型64 57音调调控标志161A仪表板显示系统传感型64 58发动机润滑油压力161A仪表板显示系统传感型64 59燃油油平面高度传感器161A点火控制模块传感型64 60交流发电机警示灯161A点火控制模块监控型64 61辛烷值调节塞161A动力控制模块传感型64 62变速器控制开关（OD）161A动力控制模块传感型64 63发动机怠速161A动力控制模块传感型64 64发动机状况161A动力控制模块监控型64 65燃油流量/消耗量161A动力控制模块监控型64 66变速器控制指示灯161A动力控制模块监控型64 67废气再循环（EGR）真空调节器161A动力控制模块监控型64 68检修发动机指示灯161A动力控制模块监控型64 69防抱死制动系统（ABS）油液液面高度传感器161A汽车安全系统传感型64 70制动总泵主制动液液面高度传感器161A汽车安全系统传感型64 71电动门锁161A汽车安全系统传感型64 72电动座椅161A汽车安全系统传感型64 73电动门窗161A汽车安全系统传感型64 74移位禁止信号161A汽车安全系统传感型64 75移位连续信号161A汽车安全系统传感型64 76座椅安全带传感器161A汽车安全系统传感型64 77车门传感器1161A汽车安全系统传感型64 78车门传感器2161A汽车安全系统传感型64 79车门传感器3161A汽车安全系统传感型64 80车门传感器4161A汽车安全系统传感型64 81车门传感器5161A汽车安全系统传感型64 82防盗传感器161A汽车安全系统传感型64 83ABS状态灯161A汽车安全系统监控型64 84ABS制动灯161A汽车安全系统监控型64 85气囊指示灯161A汽车安全系统监控型64 86座椅安全带灯161A汽车安全系统监控型64 87门灯（ON/OFF）161A汽车安全系统监控型64 88气囊状况161A汽车安全系统监控型64 89洗涤液传感器01A仪表板显示系统传感型64 6在汽车维修中如何利用前述的90项CAN工作负荷内容 前述的90项内容，可归纳受控于9个功能系统 (图2),当然，这只是结构框图，在汽车的实际应用中却并非如此简单。就汽车、乘员安全系统PSS来说，并不是只由l个模块构成，而是包含着PSSl、PSS2PSSn等多个子模块，同时空气悬架控制模块与助力转向模块是分离的。 图2中的TCD是一种专门用于汽车上的微机，它主要有两个功能:一是获得汽车行驶中的一些信息，“如油耗量或单位油耗量下的行驶里程等;二是能对汽车的某一系统、部件或程序中的故障进行诊断。图2 奔驰汽车的9个功能系统 表1中的90个信息均拥有各自的标识号(优先级)，如信息标识0、1和2指气囊系统的碰撞传感器，由于涉及人的生命，英传输速率最高(12.8 kbps)，属最高优先级。另外，90个信息所描述的电子元器件、数据位、启用频率、等级、源系统、信号类型以及所要求的带宽等，均符合J1850推荐的高优先级信息对应低标识号的标准。 表中数据经计算得出，C级通信应用所需要的最小带宽约298 kbps，其中C级信息占带宽88%(约262kbps),B级占11%(约32 kbps),A级只占1%(约3 kbps)左右。网络操作利用率约30%(约l Mbps)，每条信息CAN系统开销为48位。 利用90项CAN工作负荷特性可以在汽车维修中对故障部位进行粗分类，并可少走弯路。例如，第36号信息标识指自动变速器的选档(PRNODL)传感器，对于CAN协议该项受控于点火控制模块，而自动变速器的O/D档开关(62号标识)受控于动力控制模块PCM，这与采用其他协议的车型空档起动开关的变速器换档、超速档与直接档转换(O/D)开关都受控于PCM的结构发生的故障部位是有区别的。另外，通过对比各电子元器件的归属(源于哪个子系统)，对技术性改装、对比配件价格和核算维修成本等，均有一定的参考价值。例如，信息标识39号的发动机冷却剂温度传感器是汽车上的易损件之一，温度-电阻值关系特性稍不正常就会影响发动机的工作温度及运转特性，从表3-8中可看出，读项内容的等级只属B级通信，传输速率较低，仅640 bps。在配件市场一时购不到原厂传感器时，可以考虑采用温度-电阻值关系特性相近的其他车型的传感器改装代用。而信息标识02号的3个碰撞传感器，是安装在ECU内部的单点式加减速度仪，出了问题不能用其他车型的外装式碰撞传感器改装或代用，也就是说，只能更换气囊ECU，因此维修成本较冷却剂温度传感器高得多。