浅析基于CAN总线的客车车身控制系统

邱远红，王俊红，谭福伦

（金龙联合汽车工业（苏州）有限公司，江苏 苏州 215026）

CAN是控制器局域网络（Controller Area Network）的简称，是国际上应用最广泛的现场总线之一，一个具体的CAN总线系统包括物理层、数据链路层、应用层；其应用范围较广，J1939协议是由SAE（美国汽车工程师协会）制定，并应用于商用车的高速通信协议，也是目前客车广泛采用的通信协议。

随着CAN总线技术的推广，客车车身总线控制越来越得到普及和应用，总线控制器应用到了大部分整车电器设计中，总线控制器和组合仪表的协调工作，推动了整车电器智能化的进程，实现了客车电器设计软硬件的分离，从而推动整车电器件通用化发展的步伐，对推动整个客车电器的发展具有积极的意义。本文重点分析目前客车CAN总线的车身控制系统结构、特点、控制器以及应用注意事项。

1 客车车身控制系统CAN总线网络结构

各个客车厂家车身控制系统产品不同，但基本控制思路大同小异，如传统车辆，主要采用图1所示网络拓扑结构，主要有2个CAN网络结构，其中车辆照明系统、刮水、声光报警系统等在车身控制系统；动力网络主要为发动机、变速器、ABS等动力控制系统。本文重点讨论车身控制系统。

车身控制系统主要有组合仪表、开关控制器、车身控制器、行车记录仪以及其他附件控制单元，组合仪表为人机交互界面，为驾驶员提供显示信息，并充当“网关”作用，既连接车身网络又连接动力网络；开关控制器采集车辆开关信号，把开关量通过CAN总线系统传输到整个网络；车身控制器是车身控制系统的核心，车身控制器根据开关量信号、模拟量信号、CAN总线信号，进行逻辑控制相应输出管脚，实现车辆电器负载的控制。

2 基于CAN总线的客车车身控制系统特点

基于CAN总线系统的车身控制系统对客车来说主要有以下优点：①用电器控制简化；②信号实现共享，简化电路设计；③具有过载保护以及断路指示；④能够自我诊断。

图1 传统车辆网络拓扑结构

2.1 用电器控制简化

未使用CAN总线之前，传统电路设计主要是通过熔断器盒、开关以及继电器控制用电器件；整车采用CAN总线后，控制系统简化，开关信号只需要接入总线控制器，总线控制器根据总线设定的逻辑规则，驱动电路，实现用电器件的工作。图2为传统电路控制框架，图3为总线电路控制框架。

图2 传统电路控制框架

图3 总线电路控制框架

图2中，喇叭和灯具电流经过熔断器、控制开关或者继电器到喇叭或者灯具；图3中，喇叭和熔断器的控制通过总线实现，开关信号进入车身控制器，车身控制器根据得到的开关信号，转换成相应的报文，发送给整个车身网络，车身控制器根据设定的管脚以及设定的软件程序，驱动相应的用电器工作。

两种控制方式对比，总线电路结构简化，熔断器数量减少，对开关的负载性能要求降低；传统电路实现方式复杂，有的控制功能需要多个继电器进行控制；总线电路控制只需根据开关逻辑进行编程即可实现，开关只控制信号，不驱动负载，所以耐久性能将会得到提高，也会降低生产成本。

2.2 信号实现共享，简化硬件电路设计

以机油压力传感器为例，未使用总线之前，发动机需要采集机油压力信号给发动机ECU，而为显示机油压力状态，组合仪表需要获取机油压力传感器参数信息，整车厂也需要安装机油压力传感器，因而发动机本体需要安装2个机油压力传感器；采用总线系统之后，发动机本体只需要安装1个机油压力传感器，发动机ECU根据采集的机油压力参数，以报文形式发送到整个总线网络，组合仪表根据得到的报文信息，计算机油压力值，驱动仪表工作。图4为传感器信号采集方式的对比。

图4 传感器信号采集方式对比

图4中，传统电路中需要2个传感器，各用电器分别需要1个传感器；而总线电路中只用1个传感器，发动机ECU通过报文形式发送给外部CAN网络，组合仪表收到报文，实现相应的功能。由上可知，2个传感器的使用转变为1个传感器的使用，整车总线可实现用电设备信号的共享，降低整车成本。

在客车电器中，有时多个用电设备对同一信号都有需求，而只能安装一个传感器。如果多路设备同时连接这个信号，会造成整个系统工作不正常，如发动机ECU、行车记录仪、组合仪表、缓速器等都需要车速信号，如果把一个信号同时接入各个用电设备，有时会出现多个用电设备同时上拉信号，造成信号超出电路的检测范围，导致用电设备工作不正常。如笔者遇到的一个车速表在怠速抖动的故障，其中车速传感器输出一路信号同时接入到了组合仪表和发动机ECU，组合仪表的车速表会出现不正常的抖动。车速传感器以及仪表电路如图5所示。

图5 车速传感器以及仪表电路

图5a为传感器电路，图5b为组合仪表连接传感器电路，由于发动机ECU内部也有一个1.8kΩ的上拉电阻，仪表和ECU的同时上拉，使车速信号超出组合仪表的检测范围，从而出现组合仪表怠速抖动现象。而采用整车总线之后，车速信号连接到就近总线模块，总线模块发送车速报文到组合仪表、发动机ECU、行车记录仪、缓速器等，从而减少这种问题的发生。

2.3 具有过载保护以及断路指示

传统电路中，用电器出现过载时，如果超过熔断器的设定范围，熔断器熔断，保护用电设备。如果熔断器设计过大，则会出现线束过热，更为严重状况则为线束烧毁，用电设备烧坏，整车着火。采用总线控制后，总线模块会根据设定的负载需求，输出相应电流，如果用电器负载超出设定功率，总线模块则会停止输出，防止过载。

在电器设计中，设计人员要注意核算用电负载情况，根据模块管脚输出能力，选择相应的管脚。图6为某型号模块部分管脚功率说明。

图6 某型号车身控制模块部分管脚功率说明

2.4 故障诊断

非总线车型，如果用电器出现故障，售后人员需要按照线束图进行排查，需要有一定的工作经验，排查故障困难。若是总线车型，模块根据输出状态，进行分析判断，把故障信息通过报文发送给组合仪表，组合仪表显示故障信息，售后人员根据显示信息进行针对性诊断，方便查找问题和分析。图7为仪表诊断界面，仪表显示的模块为管脚输出状态。售后根据显示状态，判断是模块问题，还是传感器问题等。

图7 仪表诊断界面

3 车身控制模块原理

车身控制模块硬件电路由CAN收发器、CAN控制器、MCU以及功能电路组成，结构如图8所示。

图8 总线模块硬件电路

CAN收发器主要是把物理层电信号进行转换的器件，具有与CAN控制器连接接口的收发引脚TX和RX，还有一对与CAN总线接口的CAN_H和CAN_L。要发送的数据从TX输入，经收发器转换为CAN信号电平，从CAN_H和CAN_L输出到CAN总线电缆上；同时CAN_H和CAN_L上信号电平也被实时地转换为逻辑信号从RX输出到CAN控制器；同时要注意，TX发送的数据也会被RX接收，CAN控制器可以实时检查发出的数据是否异常。

CAN控制器是总线模块的核心部件，集成了CAN规范中数据链路层的全部功能，自动完成CAN-Bus协议的解析。

MCU（Micro Control Unit）即为微控制单元，又称单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）或者单片机，将计算机的CPU、RAM、ROM、定时计数器和多种I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片级的计算机，为不同的应用场合做不同组合控制。按照计算速度以及运算能力，输入输出路数等选择，有8位、16位、32位单片机。

功能电路主要是实现总线请求的相应功能。目前客车总线模块主要有以下电路：开关电路、模拟电路、脉冲电路、电源降压电路、功率输出电路、电源输出电路等。

4 车身控制系统电器设计注意事项

整车厂电器设计人员在进行总线设计时，首先需要根据总线模块管脚输入、输出特性，分配各个管脚功能，主要包括开关量输入定义、功率输出定义、模拟量输入定义、电源分配，管脚逻辑控制器等。但在设计中还需要注意以下几点。

1）首先要设计车身控制系统的网络拓扑结构；每个节点需要在哪个网络，网络的终端要确定为哪个零部件。

2）车身网络和动力网络要做好区分，不能把网络节点错挂，造成系统工作不正常。

3）节点和主干网络结构严格按照ISO11898要求执行。

4）车身控制模块不能简单用于代替熔断丝盒，要最大化发挥车身控制模块的逻辑控制功能；客户定制的特殊控制需求尽量通过模块实现，减少其他控制器的使用。

5）考虑到模块间处理时间的延迟，某些点控系统，各个控制开关尽量放在一个模块。如刮水控制，刮水开关的高速控制、低速控制、间歇控制、回位信号尽量放在一个模块，防止出现模块间通信延迟，刮水不能关闭的现象。

6）同一系统的模块具有通用性，请注意电器设计中通过设定管脚的地址线进行区分，在电器设计中不要遗漏。

7）车身控制模块布置尽量合理，方便连接用电器；模块管脚尽量合理利用，大功率管脚和小功率管脚合理分配，使之各尽其能，尽量减少不同线束之间多余的线束对接。

5 结论

客车CAN总线模块系统经过了多年发展，已经具有相当规模，但是客车电器CAN化需要走的路还相当长，客车还未形成统一的技术标准与规范，车身控制模块的结构与控制还有相当大的优化空间，还需要整车厂和零部件厂联合攻关，相互扶持，共同成长。

［1］ 耿振江.汽车控制单元类电气设备CAN连接的优化［J］.汽车电器，2007（1）；13-15.

［2］ 周立功，严寒亮，黄晓清.项目驱动-CAN-bus现场总线基础教程［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2012.