基于CAN总线技术在汽车中的实际应用

肖相春

（柳州市运天运运输有限公司，广西 柳州 545002）

随着汽车使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，从电源管理到提高舒适性而作的各种努力，汽车电气系统形成一个复杂的庞大系统，而这些都要集中在驾驶室进行集中控制。

此外，随着近年ITS的来发展，以3G（GPS、GIS和GSM）为代表的新型电子通讯产品的出现，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，这样会造成庞大的布线系统。

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2000m，电气节点达1500个。而根据统计，该数字大约每10年增长1倍。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、巡航系统和自动恒温空调系统。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，这就要求其数据交换网是基于优先竞争的模式，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总线的特点

CAN总线又称作汽车总线，其全称为“控制器局域网”（CAN，Controller Area Network）。CAN总线是一种现场总线（区别于办公室总线），是德国Bosch公司为解决现代汽车中众多的电控模块（ECU）之间的数据交换，而开发的一种串行通信协议。CAN总线的设计，充分考虑了汽车上恶劣工作环境，可靠性高。因此CAN总线在诸多现场总线中独占鳌头，成为汽车总线的代名词。

完善的汽车CAN总线网络系统架构如图1所示。

图1 汽车CAN总线网络系统架构图

CAN总线可有效支持分布式控制或实时控制，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光纤，其主要特点是：

（1）CAN总线为多主站总线，各节点可在任意时刻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，可满足实时性要求；

（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总线采用短帧结构，每帧有效字节数最多为8个，数据传输时间短，受干扰的概率低，重新发送的时间短。并有CRC及其他校验措施，数据出错率极低，保证了数据传输的高可靠性，适于在高干扰环境中使用；

（5）CAN总线上某一节点出现严重错误时，可自动脱离总线，而总线上的其他操作不受影响；

（6）CAN总线系统扩充时，可直接将新节点挂在总线上，因而走线少，系统扩充容易，改型灵活。

（7）CAN总线最大传输速率可达1Mb/s（此时通信距离最长为40m），直接通信距离最远可达10 km（速率5 kb/s以下）。

（8）CAN总线上的节点数，主要取决于总线驱动电路。在标准帧（11位报文标识符）可达110个，而在扩展帧（29位报文标识符）其个数几乎不受限制。

（9）CAN可以点对点、一点对多点（成组）及全局广播集中方式传送和接受数据；

（10）采用不归零码（NRZ，Non-Return-to-Zero）编码/解码方式，并采用位填充（插入）技术。

2 CAN总线技术优势

2.1 数据共享，降低数据重复成本

对于具有CAN总线接口的电喷发动机，其他电器可共享其提供的转速、水温、机油压力、机油温度、油量瞬时流速等等，一方面可省去额外的水温、油压、油温传感器，另一方面可以将这些数据显示在仪表上，便于司机检查发动机运行工况，从而便于发动机的保养维护。

再比如，电涡流缓速器、空气悬架、门控制及巡航定速控制，都用到车速数据，结果这些电器都有一套车速处理电路，浪费了资源。而采用总线技术后，都可以从总线上即可获得车速数据。

2.2 车身布线减少，节省成本

由于采用总线技术，模块之间的信号传递，仅需要两条信号线。布线局部化，车上除掉总线外，其他所有横贯车身的线都不再需要了，节省了布线成本。另外，数据共享也节省了线路，还拿车速信号打比方，在没有总线的情况，车速信号要接到电涡流缓速器、空气悬架、门控制及电喷发动机。有了总线后只要接到一处，其他电器可以通过总线共享数据。

2.3 硬件方案的软件化实现，减小生产成本

发动机点火控制，点火时必须满足下列条件：一是空档；二是钥匙处于ON档，另外还需点火保护装置。以往是靠一系列继电器来实现这些功能，既不可靠又增大成本，而用软件实现，既可靠又无资金投入。软件具有错误诊断能力和自动恢复能力，节省了生产维护成本。

对于总线内部错误，总线系统可以通过自身软件进行自动恢复。而非总线车辆，一旦出现故障，第一，更依赖于人工；第二，往往需要对复杂线束逐根测量；第三，需要对相关电器依次测定。整个过程非常费工时，而且准确率不高。

2.4 扩充性强，产品升级快，节省新产品开发设计成本

CAN节点几乎可以在不改动原有线束的情况下，增加新的组件，数据稳定可靠，CAN总线具有线间干扰小、抗干扰能力强的特点。由于VITI-CAN系统采用的是模块化管理，各模块按其功能，分散地摆放在车内，简化了布线并缩短了线束的长度，从而降低了耦合电流的产生，减小了线间干扰。

同时在软件上，CAN总线采用短帧传输，这样使总线数据报文在传输过程中有较强的抗干扰能力。CAN总线专为汽车量身订做，可靠性有保障。CAN总线的设计充分考虑了汽车上恶劣工作环境，比如点火线圈点火时产生的强大的反冲电压，电涡流缓速器切断时产生的浪涌电流及汽车发动机舱内100℃左右的高温。

3 CAN总线技术的应用优势

CAN总线技术在汽车中的应用，具有以下优势：

3.1 信息共享

采用CAN总线技术，可以实现各ECU之间的信息共享，减少不必要的线束和传感器。例如具有CAN总线接口的电喷发动机，其他电器可共享其提供的转速、水温、机油压力、机油温度、油量瞬时流速等，这样一方面可省去额外的水温、油压、油温传感器，另一方面可以将这些数据显示在仪表上，便于司机检查发动机运行工况，从而便于发动机的保养维护。

3.2 减少线束

新型电子通讯产品的出现，对汽车的综合布线和信息的共享交互，提出了更高的要求。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，这样必然造成庞大的布线系统。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2000m，电气节点达1500个，而且该数字大约每10年增长1倍。这种传统布线方法，不能适应汽车的发展。CAN总线可有效减少线束，节省空间。例如某车门-后视镜、摇窗机、门锁控制等的传统布线，需要20～30根，应用总线CAN则只需要2根。

3.3 关联控制

在一定事故下，需要对各ECU进行关联控制，而这是传统汽车控制方法难以完成的。CAN总线技术，可以实现多ECU的实时关联控制。在发生碰撞事故时，汽车上的多个气囊可通过CAN协调工作，它们通过传感器感受碰撞信号，通过CAN总线将传感器信号传送到一个中央处理器内，控制各安全气囊的启动弹出动作。

4 CAN总线技术应用方案

4.1 应用方案一

此方案是一个完整的分布式汽车电子控制系统，其采用多子网结构，将信息交换比较密切的系统放在一个子网中，使整个系统具有很高的实时性，不同子网之间，根据不同的应用特点，采用不同的物理层接口，以及通信速率，优化了系统结构。如图2所示。

图2 CAN总线应用方案一

该方案简化了各个CAN子网的设计难度，但是整车的网络系统设计以及总线通信协议比较复杂，硬件上对网关的要求比较高，需要有强大的数据处理能力，而且系统成本比较高，适合于中高档轿车采用。

4.2 应用方案二

图3 CAN总线应用方案二

整车的CAN总线网络，分为高速网络和低速网络两部分，高速网采用双线式高速CAN总线（1Mb/s），低速网采用双线式CAN总线（125 kb/s）。仪表显示模块作为网关完成两部分数据之间的传输。CAN总线应用方案二如图3所示。

整个系统分为高速和低速两部分，动力传动总线和安全总线合并成高速总线。这样做，降低了通信的实时性，但是考虑到传动系总线中一般是周期性的数据，而安全总线中一般是突发性的数据，只要选择合适的帧优先级，就可以弥补这个缺点。舒适总线和信息总线合并为低速总线，这两部分中对数据的实时性要求不高，125 kb/s的速率完全可以满足需求。

5 结束语

CAN总线作为一种可靠的汽车计算机网络总线，已开始在先进的汽车上得到应用，使得各汽车计算机控制单元，能够通过CAN总线共享所有的信息和资源，达到简化布线、减少传感器数量、避免控制功能重复、提高系统可靠性和可维护性、降低成本、更好地匹配和协调各个控制系统的目的。这样使得汽车的动力性、操作稳定性、安全性都上升到新的高度。随着汽车电子技术的发展，具有高度灵活性、简单的扩展性、优良的抗干扰性和处理错误能力的CAN总线通信协议，必将在汽车电控系统中得到更广泛的应用。

在国外，汽车总线技术已经基本形成了统一的标准，硬件接口也已统一，芯片也已定型、量产。目前国内许多汽车电子厂商都在开发CAN总线系统，各个产品正在陆续推出。就中国而言，汽车总线更是一项朝阳产业，有着无限的前景；目前在进入家庭的10万元车型中，广本飞度、POLO劲取已经采用CAN线技术，汽车电气维修率低，市场反映良好，相信总线系统在中国汽车工业的普及应用，已经为期不远。

[1]邬宽明.CAN总线原理和应用系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[2]周 震.基于CAN总线的车身控制模块[M].南京：南京航空航天大学出版社，2009.

[3]王 箴.CAN总线在汽车中应用[N].中国汽车报，2009-09-28（28）.