汽车控制系统CAN总线的设计及性能评价

王丹

（西安航空职业技术学院 陕西 西安 710089）

引言

随着车辆电子设备性能的不断更新和进步，汽车中的控制系统数量也在增加，而连接这些电子设备的导线也越来越多。这些粗大线束给汽车的空间造成了影响。为了减轻汽车重量，提高汽车的通讯控制系统，及时解决这些问题非常重要[1-2]。目前，多数汽车都有网络装置系统，但是因为电气种类比较多，关于网络速度的需求也是不同的，所以目前市场中的网络协议比较多。本文主要分析BOSCH公司开发的CAN网络协议，对汽车控制系统的网络输送率进行分析。

1 CAN总线的特点

传统的接线方法一般是在ECU上直接进行点对点的连接，但是处于不同的数据频繁交换环境下，这种接线方式不仅会增加车内空间，同时也会因为线束过多，增加成本，影响其他线路信号。CAN可以实现对串行的多控制器进行分布式、实时的局域网络总线控制，具有很高的速率以及可靠性，对于车辆计算系统、电磁辐射等恶劣的环境下比较适合使用。主要特点表现：网络的节点达到110个，通信的速率距离是5 kbps/10 km～1Mbps/40m，每个节点都可以实现自动传输，一般是通过同轴电缆、双绞线、光纤等介质进行通信。还有其具有总线非破坏性竞争裁决功能，可以避免两个节点一同进行信息发送，系统会将优先级别比较低节点数据传输停止，实现优先级高的数据传输；CAN使用的是短帧结构，其结构受到的干扰性比较低，传输时间很短，具有很强的网络抗干扰功能[3-4]。如果节点出现错误，这时系统会自动切断与总线的联系，从而减少给系统的影响。数据传输的方式有一点对多点、点对点、多主方式、多点全局广播方式等，同时具有很高的CRC校验功能，可以在很大程度上减少数据的错误率，提高通信的稳定性。

2 CAN帧结构分析

CAN的数据帧是实现CAN总线上的数据链路层和物理层数据交换的数据结构，是属于技术规范内的帧定义结构，但是对接受和发送信息没有定义功能，这些需要用户按照系统规则进行数据以及数据接口的设定，及时赋予数据不同的帧位。用户可以直接通过通信软件，连接数据接口与CAN总线的通信协议，从而实现数据的传输。

CAN协议标准的数据帧格式是CAN2.0A，其扩展版是CAN2.0B；这两种模式的数据帧有7个组成部分。其中扩展版ID是29位，有5.12×108个不同的信息，标准的ID码有11位，存在2048个不同识别信息。

携带数据的数据帧是从发送器传输给接收器的帧，关于CAN总线标准格式的数据帧如表1所示。

关于数据帧的结构包括：

表1 CAN总线标准版格式数据帧

1）仲裁段：是由远程、11位标识符发送求程序（RTR）构成，而RTR的显位是数据帧，隐位是远程帧。标识符则是从高到低进行发送，其中总线访问和传送保温具有优先权，数据值小的优先权比较高，而ID0～ID4是不完全的隐性位；

2）数据段：构成部分是被发送数据，控制数目是0~8个字节，在第一个最高位字节是优先发送的；

3）起始位：具有同步作用，在总线空闲时发送，由1位显性位组成；

4）证实段：是由应答界定符、间隙应答符构成，总共有2位；

5）CRC段：是有学IE15位CRC（冗余循环码校验）、1个隐位界定符构成，对帧进行校验；

6）结束段：有隐性位7位构成，在这个期间没有位填充。

3 CAN总线在汽车控制系统的使用

CAN总线协议在汽车控制系统中使用比较广泛，它是具有很大使用价值的控制局域网络总线。

3.1 系统最小节点构成

关于汽车控制系统中的最小系统节点原理框架图如图1所示。

图1 最小系统节点原理框架图

该节点系统上核心部分是SJA1000控制器和80C196KC微控制器。其中，82C250是作为CAN总线上的收发器，它的作用就是将物理总线和CAN器件进行连接。SJA1000一般是在工业和汽车环境中作为高集成的局域网（CAN）独立控制器，它可以实现高性能的网络通信的各种需求，从而实现数据链路系统和物理系统的功能[5-6]。

3.2 CAN总线通信协议实现

CAN总线协议是存在优先节点占用总线的功能，这样是为了避免过多的节点占线影响重要数据的传输，CAN控制器是通过识别大小标识码来判断总线情况，它也是一种非破坏性的协议仲裁总线。在具有不同格式且标识码相同的总线上，信息的传送具有标准格式帧优于扩展格式帧的规则。

根据CAN总线相关协议，在网络数据传输时，需要网络通过标识码来制定信息的优先级[7-8]。见表2中使用扩展方式的CAN总线协议下汽车控制系统的ID帧定义。假如某个节点上的CPU想要给另外一个节点或是多个节点发送信息，需要将这些标识码和待发信息给CAN总控制器发送过去，CAN总线控制器负责整理和发送信息。这时某个节点会获得CAN总线控制器给予的总线控制权，而网络其他节点就会收到该节点发送的信息，同时完成检验信息的功能，并建立收到的信息和节点之间的关系，再进行处理。

DA是CAN总线的接收数据包的地址。PF属于数据类的代码，而PS则是扩展型的数据类或是目标地址，如果PS的目标是DA地址（DA＝255广播时的信息），这时PS则是数据类的扩展码。SA是CAN总线发送数据包的地址。CAN的数据包使用ID28－26作为优先级，其值越小表示有越高的优先级。在ID帧中的DA、PS、PF取值是选择 CAN数据包中的DA、PF、PS值。

关于数据接受步骤如下：

1）子程序进入查询状态；

2）判断是否有故障，如果没有直接进行下一步，如果有返回到开始部分；

3）没有故障需要通过SJA1000读取CPU中的数据；

4）之后从接受数据中找出时标序号、PGN、源地址；

5）然后判断这些信息是该节点需要反应的指令吗？如果不是，将不正常相应的信息发送到开始程序，如果是，就将信息发送出去；

6）之后根据信息完成各种相应命令，结束。

在该接受流程中，PGN是PS和PF的组合，它是根据不同的物理意义将信息按照不同的规则转为代码，作为CAN数据包类型、意义的指定。

关于汽车控制系统中的CAN通信流程如下：

1）初始化SJA1000：将验收码、发送错误、设置控制、输出、发送错误、接收屏蔽、总线定时等寄存器都进入到工作的状态；

2）发送命令：给目标节点地址发送相应的命令；

3）发送广播的数据：从制定的地址处得到相应数量的广播数据并发送；

4）发送数据：分析CAN总线是否处于给目标节点地址发送数据要求，比如：工作状态、时间、工作信息等；

5）接收命令：提取命令码，之后分析并完成执行操作，比如：查询、系统自检等；

6）接收数据：通过CAN读取接收的数据，长度控制在0～8，之后将这些数据保存在单片机缓冲位置，之后再释放接收数据的缓冲区。

表2 车辆控制系统的ID帧定义

7）复位节点：将节点复位，并设置寄存器。

4 结束语

本文将该系统在实车和台架上进行了实验，证明了这个系统具有很大的可靠性及正确性。本文主要是对CAN的帧格式、结构特点、数据交换的运作原理进行分析，同时分析了汽车控制系统中小系统节点的构建以及电原理，还有CAN通信协议的具体实现流程，经过验证，该设计系统具有很强的实用性。