汽车CAN网络的应用和分析

胡红兵

汽车CAN网络的应用和分析

胡红兵

东南（福建）汽车工业有限公司研发中心

CAN总线是一种具有高保密性、高抗干扰能力、有效支持分布式控制和实时控制的串行通讯网络，本文结合CAN总线在汽车上应用的状况，充分说明CAN总线在汽车上发展的优势和特点。

CAN网络；发展；应用

汽车总线技术是伴随着汽车电子而发展起来的。汽车上ECU（电子控制单元）数量的不断增多，ECU控制功能的不断复杂，致使ECU需要采集和控制的信息以及ECU间交互的信息越来越多。传统的“点对点”线束连接方式导致车上线束庞大、系统复杂，故障率高，已不能满足汽车电子发展的需要。于是在20世纪80年代，国外工程师开始研究汽车总线技术。

汽车总线技术的应用，从发展过程来看，在不同国家使用的技术有所不同，分别存在有美国SAEJ1850、法国VAN、德国CAN等多种形式。CAN（Controller Area Network，控制器局域网）总线是德国BOSCH公司于1986年在美国SAE大会上首先提出的，1992年最先采用CAN总线的奔驰轿车下线，2000年左右CAN总线在国外广泛使用。目前CAN总线以其优越的通信性能已成为汽车总线应用的主流。

当今社会对汽车性能的要求不断提高，汽车安全性、舒适性、操控性、环保性以及新能源等技术，是工程师不断需要面临和解决的课题。为了提升整车性能，乘车上控制器ECU的数目不断增多，一台高档奔驰轿车上的ECU数目可以达到100多个，这么庞大的ECU，它们之间的信息交互必须通过总线。目前CAN总线在汽车动力总成中占了85%的市场份额，2009年全球主要汽车生产厂商生产欧III、欧IV、欧V排放标准的汽车后，采用CAN总线的汽车将超过95%。

汽车技术的发展，使得汽车内部已不断形成一个庞大复杂的网络，更多的新型汽车总线技术，如FlexRay（基于底盘类系统）、MOST（基于车载娱乐系统）等，也应用于汽车上，如图1。

图1 汽车网络中的各种总线

汽车电子技术的发展，使得汽车的电控功能向着分布式的方向发展，电控单元需要大量的传感器信号，并且电控单元之间需要交互大量的信息。传统的实现方式是“点对点”的连线方式。例如，某个传感器的信号，有多个电控单元需要，这样各电控单元与该传感器之间都需要连线。

随着车上电控单元的数量不断增加，“点对点”的连线方式使得整车线束的用线量非常庞大，布线非常复杂，这样也导致整车的质量不断增加。CAN总线是串行总线，在使用时，只需在电控单元上追加CAN总线通信的外围电路和接口，便可将电控单元连接于网络上。通过一条CAN线，代替了原来的大量线束，实现了控制单元的信息共享，简化了线束设计，降低了线束布置的复杂性，同时降低了故障率。

使用CAN总线后，大量的信息可以被共享，这样可以实现更加复杂、更加可靠的分布式功能控制算法和逻辑。底盘总成系统，如ESP系统，AT系统等，通常需要发动机、制动系统、变速器之间进行CAN总线通信；舒适系统，如车身控制模块之间，需要CAN总线通信；新能源系统，电机、电池、发动机等动力总成之间，需要CAN总线通信。

建立网络平台之后可降低整车的开发成本。“降低开发成本”，是指对于整个企业来讲，所有车型的开发都基于同一个网络平台；前期的网络平台开发，可为后续车型复用。

下线检测（EOL）和售后服务的实现，是基于汽车的诊断。早期的诊断方式是通过K线诊断，但是K线诊断速率低，欧美已逐渐淘汰，而转向通过CAN线诊断。

诊断是网络平台中网络需求规范的重要内容，诊断不仅仅是读取故障代码、清除故障代码；通过诊断，还可以实现下线检测、售后服务等工作。下线检测时，检测设备通过CAN总线与控制单元进行通信，可对汽车进行下线检测和灵活的功能配置。4S店进行售后维修时，诊断设备通过总线对控制单元进行诊断，通过这种方式，便于产品维修记录跟踪、减少维修时间、提高维修效率、降低维修成本。同时在产品功能升级和召回时，通过诊断方式，可方便的进行ECU软件刷新。如图2。

图2 网络平台的组成

我国已加入世贸组织，且为全球车辆法规协调的《1998年协定》签约国之一，汽车标准向国际接轨是提高我国汽车技术的关键措施之一。同时，国家不断出台新政策激励先进技术的引用和研发。

2006年2月，国务院关于印发实施《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020 年）》若干配套政策的通知<国发（2006）第006号>文。通知指出：加大对企业自主创新投入的所得税前抵扣力度。允许企业按当年实际发生的技术开发费用的150％抵扣当年应纳税所得额。实际发生的技术开发费用当年抵扣不足部分，可按税法规定在5 年内结转抵扣。企业提取的职工教育经费在计税工资总额2.5％以内的，可在企业所得税前扣除。研究制定促进产学研结合的税收政策。

2008年4月，科技部、财政部、国家税务总局关于印发《高新技术企业认定管理办法的通知》<国科发火（2008）172号>文。在《国家重点支持的高新技术领域》中包括自动化、智能化、网络化、功能全、测量范围广、适应性强的能源测量、记录和节能检测新技术；汽车电子技术，用于：车身稳定系统、悬架控制系统、驱动力分配系统、制动力分配系统、制动防抱死系统、安全气囊、自动避障系统、自动停车系统、车载故障诊断系统、车身总线系统、智能雨刷、智能防盗系统等。CAN总线能够为这些系统提供有力的技术支持。

2009年3月20日，国务院办公厅公布了《汽车产业调整和振兴规划》。规划提出了若干项政策措施，包括加大技术进步和技术改造投资力度。其中包括今后三年在新增中央投资中安排100亿元作为技术进步、技术改造专项资金，重点支持汽车生产企业进行产品升级，提高节能、环保、安全等关键技术水平；开发填补国内空白的关键总成产品；建设汽车及零部件共性技术研制和检测平台；发展新能源汽车及专用零部件等。并制订了《汽车产业技术进步和技术改造项目及产品目录》（同国家发改委发布的《汽车产业技术进步与技术改造投资方向（2009-2011年）》）。其中明确列出汽车电子控制系统规格：

● 车载故障诊断仪（OBD）选择性采用CAN诊断通信协议；

● 车身总线控制系统选择性采用低速CAN总线实现车身电子系统智能化、人性化控制；

● 发动机锁止防盗系统与发动机控制器的通讯通过CAN等方式实现；

● 数字化仪表系统具有CAN总线接口，实现与总线网络通讯。

国外的主要汽车制造商在使用CAN总线技术时，大都是通过建立网络平台的方式实现的。经过长期的不断积累和发展，各大企业大都建立起了各自企业的网络平台，如GM公司的GMLAN 、Ford公司的FNOS，三菱汽车的SWS（SMART WIRING SYSTEM）等。

GMLAN（General Motors local area network）作为通用公司全球范围内车辆的通讯标准,负责提供一组串行总线来实现ECU之间的相互通讯。其中,GMLAN信号和报文定义的指导方针包含了GMW3203定义的内容、定义允许的信号类型、定义新信号的标准、将信号放入报文中的规则和标准报文的标准;GMLAN模型参照ISO/OSI的通讯标准,分成交互层、网络层、节点管理层、数据链路层、物理层等7个层次;GMLAN系列文件标准规范分成硬件部分、策略部分和软件部分,共12个标准，通用林荫大道和科鲁兹均采用GMLAN通讯标准。

网络平台为汽车的设计、开发、测试、生产以及售后服务，提供了总线技术支撑。基于网络平台，汽车制造商可为不同车型的电控单元设计类似的网络通信规范，以减少网络通信开发的时间和成本。另外，通过不断的积累，成熟的网络平台还能提升产品可靠性。

网络平台可分为商用车、乘用车、新能源车等不同车型平台。每一个网络平台又分为网络需求规范（或者网络协议）、网络测试以及协议栈（总线网络相关的嵌入式软件），如图3所示。同时，网络平台的开发需要围绕这三类技术提供流程、方法、工具和人力资源的支持。三类技术研发的内容和重点各不相同。

网络需求规范是分层编写的，编写时应考虑协议栈的软件实现。内容包括，物理层、数据链路层、交互层、传输协议、网络管理和诊断等内容。

图3 网络需求规范（协议栈）的分层结构

物理层和数据链路层是网络通信的底层，是网络通信实现的基本要求。国际标准化组织ISO或BOSCH公司对CAN总线的底层规范做出了详细规定，这些规定包含于ISO11898、BOSCH CAN2.0中，但是这些规定都只针对芯片。整车厂制定网络需求规范的目的是对ECU供应商的ECU产品、对线束供应商的线束产品提出要求。因此，整车厂需要在这些规范基础上，对ECU通信的硬件电路、EMC（电磁兼容性）、ECU通信的鲁棒性、工作电压范围、通信报文的标示符（ID）划分等提出更多要求，并进行大量仿真和试验，以找到最佳设计方案。

网络管理和诊断也是网络需求规范的研究重点。网络管理用于维护网络中各个ECU正常上电、初始化、通信、断电、关闭、休眠以及唤醒等各个状态。诊断最初只是用于诊断设备读取存储在ECU中的故障码，而如今诊断不仅支持测试和标定，还支持ECU软件刷新，下线检测等许多功能，从而减少了因为软件故障而产生的产品召回损失。整车制造商对网络管理和诊断的研发，需要基于ISO 17356、ISO 14229等国际标准，如此可以使多家整车厂共享供应商资源，减少供应商更改软件的成本，缩短产品开发周期。

网络测试的研发首先是测试规范的制定，其次是自动化测试的实现。

测试规范用于验证供应商开发和生产的ECU、线束是否满足制定的网络需求规范。它为网络需求规范中的每一项要求提供了测试的设备、条件、环境、方法、评价指标的描述。

利用试验台架和专业工具，可以将测试规范的每一个测试项，转变为程序控制的自动测试，减少人工，这些是欧美整车厂的普遍做法。自动化测试不仅减少了人工成本，还提高了测试效率，避免人为测试失误。另外，人数的减少也有利于企业管理和应对经济风险。虽然第一次开发自动化测试设备需要投入较大资金和时间，但是基于平台的网络测试确保了设备的复用性，使得此后的测试资金和时间投入大幅度减少。

协议栈是网络平台更加核心的技术。

协议栈使得整车厂和供应商之间的接口关系发生了巨大变化，由“文档”接口变为了“代码”接口。文档可能产生歧义，即使没有歧义，供应商开发ECU 需要先理解，再编程实现文档的要求，然后反复进行测试和修改，开发周期长。协议栈避免和减少了文档产生的问题。整车厂直接提供协议栈给供应商，不仅可以避免对文档理解的歧义，保证开发与设计的一致性，还可以减少开发和测试周期。

网络平台的开发是一个逐步而漫长的过程，需要不断实践。GM、Ford、VW等汽车企业网络平台的发展已经经历了近10年的时间。目前，国内的整车厂要想建立网络平台面临很大的挑战，但是通过与国际化企业的深入合作，将能逐步追赶上先进的水平，从而减少项目的成本和周期，提升产品可靠性，有效组织社会资源。

[1] 甘永梅.现场总线技术及其应用. 机械工业出版社.

[2] 雷霖.现场总线控制网络技术.电子工业出版社.

[3] 邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计.北京航空航天大学出版社.

Application and Analysis of CAN in Car

Hu Hongbing

(Southeast (Fujian) Automobile Industry Co., Ltd., Fuzhou 350119, China)

CAN BUS is a type of serial communication network, which is characterized by high confidentiality, high anti-interference ability, effective support of distributed control and real-time control. The application of CAN in vehicle is described. The advantages and features of CAN network are discussed.

CAN network; development; application