基于CAN网络的车载应用场景拓展

李尊成　胡翔　赵紫瑶　张凯　赵小羽

摘 要：CAN网络是当下广泛应用于汽车各子部件之间通讯的通讯协议。在汽车行业大力发展智能网联的背景下，CAN通讯技术又被赋予了新的使命—通过车与车机的通信实现人与车之间的智能交互。本文简单介绍CAN网络的通信原理以及与车机的交互方式，并对其在未来汽车上的应用场景及模式进行探索。

关键词：CAN网络 车载游戏 应用场景

1 引言

在汽车领域，智能网联和自动驾驶的飞速发展和社会需求的增长，迫使汽车对各个领域控制系统间的信息交互对数据吞吐量和传输时延要求亦迅猛提高。当初Bosch在1986年的SAE大会提出CAN通讯，在保留其良好的可靠性及强兼容性的前提下不断迭代升级，来满足现如今的信息交互需求。软件与硬件提升的同时，也带来了新的汽车场景模式，如车载游戏，车载VR体验等各种新场景。对于新场景的使用研究，有助于精准定位、拓展交互信息，对解决人们实际生活需求有帮助、或对技术提升方向可能存在一定的指导性作用。

2 汽车新场景基础—CAN网络

作为实现新场景的基础：CAN网络，是属于多路传输系统的一种。 CAN（Controller Area Network）也就是控制器局域网络，一般称它为“CANbus”、CAN总线[1]，最开始由德国博世（BOSCH）于1986年组织研发，后由飞利浦（Philips）制定了相关协议规范，因其抗干扰能力强、信号传输速率快、距离长[2]，现逐渐发展成为各家整车厂普遍采用的通讯协议。

2.1 基本原理

CAN数据总线主要是由CAN-H线和CAN-L线组成，各控制节点通过收发器以并联的形式连接到总线上[3]，示意图如下：

静态下，有一个基准电压加在CAN-H和CAN-L上，当某一节点的控制器发出通讯信号后，通过收发器转换为电信号，CAN总线上的基准电压值被修改，CAN-H上的电压值升高，CAN-L上的电压值降低，另一节点的收发器再将压差值转换为数字信号发送至控制器上，这时两个节点间就完成了一次数据的传输。

2.2 应用原理

CAN网络中各节点间以数据帧的作为最小单位进行数据传输，数据帧又分为标准帧及扩展帧，根据处理能力本文采用标准帧格式进行交互，其具有11位帧ID，从0x000到0x7ff，支持2023种报文种类。一个数据帧主要分为信息及数据，信息包括仲裁区和控制段，如图2所示：

其中仲裁段主要用来标识帧ID，定义报文想表示的含义，控制段包含帧类型及数据长度，所需要传输的数据则保存在数据段。

为了尽量减少所需传输的数据帧，并且将数据可视化，通常在每帧的数据段中传输表达不同意义的数据，此时可通过人为定义通讯矩阵的方式赋予每段数据的意义。通讯矩阵首先确定数据帧ID，通过规定该ID下的数据的起始字节、起始位、长度来截取所需要字段，定义该段的数据类型及换算方式，即可解析得相应定义的信号。

例如将制动踏板输出的信号分为有效性、输入状态、循环计数三个，如果车机需要判断制动踏板是否踩下，假设整个制动踏板信号归在ID 0x288上，起始字节为4，起始位为7，数据长度为1，则从0x288这个数据帧里第4个字节第7位截取1位二进制数，数据类型规定为布朗型（BLN），即判断0或1，定义0为放开，1为踩下，将此解析逻辑输入到车机中进行运算，就能够使车机读取到刹车信号。

3 场景拓展

基于上述应用原理，汽车的行车模式或将有巨大改变，人车互动的实现大大增加，可以利用信号截取的差异性，做不同的场景模式研究。在整车控制、感知单元日益增长的时代，匹配人在车上的肢体动作，声音，或汽车对外、对内获取的信息流，整合到车机，由车机上的不同应用将这些信息进行相应换算、转化，再与人进行交互。车载游戏场景利用方向盘控制器、油门，制动等各项信号节点得以实现人车互动的场景。同时，不同的场景模式基于现有图形、计算等技术条件，使得车载VR、语音操控，手势操控等在现在都相继出现在人们视野。

随着5G时代的来临，车机、CAN网络的高速运行在互联网通讯上也得以更进一步的推动，人车的场景模式更有拓展到人车家场景的可能。其关键在于控制模块与场景变换的演算，这与手机有异曲同工之妙。有意思的是，我们大多数对于手机的控制习惯，是基于手点击、或滑动操控屏来实现，语音控制反而大幅度减小，同时强调手机减少触控键，提升感官上的调性与科技感;而我们的汽车在控制模式这方面，则是反其道而行之，通过语音实现整车控制模式，触控键盘依然是当今汽车的主流，这是基于行车安全的考虑。基于此，这项技术也将会极大促进其他操作模式（非手控）的研究与发展。

车载游戏模式的实现，正是车联网质的飞跃的产物，例如上汽通用五菱联合华为HiCar便在此基础上实现了用户动作到车辆信号传输到车机应用的车载游戏模式，驾驶员可以在路边停车休息时通过油门、刹车、转向操作，由车机画面及空调风力等感知部件将操作影响实时反馈给驾驶员，使其得到沉浸式的游戏体验。未来还可将通讯矩阵开源到第三方，使得更多的APP实装到车机上，贯彻汽车行业“新四化”的发展理念，为用户带来移动出行新体验。

通过以太网科技和产品不仅可以“娱乐”客户，更可以降低车辆发生事故的概率，降低碳排放，实现100%燃油经济化，创造整个社会移动互联的生活方式。国内在车载游戏领域的延伸并不多，很大的原因就在于目前车载网络架构CAN的信息传输宽带有限，无法满足摄像系统网络、信息娱乐系统网络的带宽要求，因此以太网技术的发展对车载游戏的应用起着至关重要的作用，而车载游戏也必然将是以太网技术最终的产物之一。未来车辆不再只是交通运输的载体，更是上班一族休息娱乐的场所，改善乘车的枯燥和乏味，实现音频播放、视频播放、移动电视、生活资讯、导航定位、移动上网、辅助驾驶、远程诊斷、云端升级和行车安全等功能。

现如今完全意义上的自动驾驶技术尚未到达普世的阶段，人的行车操控作为控制中介依旧无法忽视，在这个过程中减少每一个人为操控的小场景，都是车机、CAN网络算法的催化剂。

4 结语

我们可以试想未来某天，当一行人外出游玩时，前排乘客在通过车内屏幕观看无延迟的电影，驾驶员在音控导航下专注的专心行驶，导航可以实时播报道路情况与最优路线，后排乘客通过车载网络在玩游戏，而整个交通情况则由车辆摄像头实时上传至交通管理相关部门的后台，打造真正的实时交通地图。

基金项目：广西创新驱动发展专项资助项目（桂科AA18242039）;柳州市科学研究与技术开发计划资助项目（2019AD10202）

参考文献：

[1]相铁武.基于 CAN/LIN 总线的汽车通信网络设计[J].内燃机与配件，2020（06）：213-214.

[2]李恒. 基于CAN网络的智能车辆管控系统[D].吉林大学，2020.

[3]张栋才. 基于CAN和OBD-Ⅱ的车载数据采集与信息交互终端开发[D].重庆大学，2019.