车载网络系统及CAN协议的应用分析 - 文章

车载网络系统及CAN协议的应用分析

作者：神龙汽车有限公司技术中心操小军

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[摘要] 现代社会对汽车各方面的要求不断提高，在汽车设计中运用电子控制技术是满足这些要求的最好方法，为了满足汽车内部信息交换量急剧增加的要求，有必要使用多路传输方式的车载的串行网络系统。目前，CAN协议及其网络系统已被全球汽车厂商普遍接受。CAN 协议明确的定义了数据链路层和物理层的内容。CAN 具有十分优越的特点，这使得绝大多数的工程师都选择它作为车载网络协议的标准。在汽车领域，目前存在的多种车载网络标准，其侧重的功能也有所不同。SAE 将车载网络按传输速率的不同划分为三类。即将投产的“标致307”系列车型采用的是CAN 网络结构。CAN 必将在汽车领域得到更广泛的应用。
关键词：CAN 车载网络网络协议 LIN

1 汽车电子技术的发展推动了车载网络系统广泛研究和使用。

1.1 汽车电子技术的发展提出了网络化的要求

现代社会对汽车各方面的要求不断提高，这些要求包括：极高的主动安全性和被动安全性；乘坐的舒适性；驾驶与使用的便捷和人性化；尤其是低排放和低油耗的要求等。在汽车设计中运用计算机微处理器及其电控技术是满足这些要求的最好方法，而且已经得到了广泛的运用。目前这些系统有：ABS（防抱系统）、EMS（发动机管理系统）、多功能数字化仪表、主动悬架、导航系统、电子防盗系统、自动空调和自动CD 机等。这些系统由多个电控单元相互连接而成，可分为控制器、传感器、执行器等。同时各个系统之间也互相连接，进行着越来越多的数据交换。这样就需要使用大量的线束和插接器来实现互连，进行它们之间的数据交换。随着汽车电子技术的不断发展，这种需求的增长是惊人的。图1 给出了它的增长情况。

图1

由于线束和插接器的数量不断增加，整车电子系统的复杂程度愈来愈高，其可靠性将难以保证，故障率会提高，维修更加困难。为了满足汽车内部信息交换量急剧增加的要求，有必要使用一种实现多路传输方式的车载网络系统。这种网络系统采用串行总线结构，通过总线信道共享，减少线束的数量。

1.2 车载网络系统的应用要求

车载网络系统的建立可参考现有的局域网络系统，但又有较大的不同，尤其是使用环境不同于一般局域网，其要求更加苛刻。一般汽车内（主要是机舱内）：温度变化大，可达－45℃～100℃；汽车在行驶中可能出现较大的振动；点火喷射系统等的装置也会带来较大的电磁干扰；同时对一些电控系统如EMS、ABS 等的信息传递要求迅速及时。另外由于涉及安全性的考虑，要求网络系统有很好的可靠性。

这就要求网络除了采用总线拓扑结构方式外，必须具有极好的抗干扰能力；系统自身的健壮性；极强的差错检测和处理能力；信息传输实时性要求；同时具备故障的诊断和处理能力等。另外考虑到成本因素，要求其控制接口结构简单，易于配置。

1.3 车载网络的发展现状

众多的国际知名公司早在20 世纪80 年代就积极致力于汽车网络技术的研究及应用。到目前为止已形成了多种网络标准，如：SAE（汽车工程师协会）的J1850 和J1939、德国大众的ABUS、法国PSA 的VAN、美国商用机器的AutoCAN、德国BOSCH的CAN 等等。

近几年，在欧洲和美国推出的车型基本上都配备了一个、两个甚至多个网络系统，不光高档车装备有，甚至低档经济型车也有。日本的汽车公司也开始逐步使用车载网络系统。

我国近一两年和欧洲同步推出的几款车型也装备了汽车网络系统,如：神龙汽车有限公司去年推出的“毕加索”轿车装备了VAN 网、明年即将推出的“萨拉”N7 轿车将装备VAN 和CAN 混合网、后年推出的“标致307”系列车将采用FullCAN 网系统；一汽大众的“宝来”轿车在动力系统和舒适系统中装备了两套速率不同的CAN 网；上海大众的“波罗”也装备了CAN 网。

正如一些汽车专家认为的：就像汽车电子技术在上世纪70 年代引入集成电路、80 年代引入微处理器一样，近十年来车载网络技术的引入也将是汽车电子技术发展的一个里程碑。

2 CAN 网逐渐发展成为车载网络领域中应用最为广泛的国际标准

2.1 CAN 网络协议的产生和发展

1986 年2 月，Robert Bosch 公司在SAE 年会上介绍了一种新型的串行总线系统—CAN（Controller Area Network）。根据这个CAN 协议，在1987 年中期，Intel 开发了首个CAN 控制器—82526。不久，Philips半导体也推出了82C200。这两种CAN 控制器在报文过滤和控制上有许多的不同。Philips 半导体的方式叫BasicCAN；Intel 的方式叫FullCAN，由此后的不断发展，从而形成了FullCAN 和BasicCAN 两大阵营。

在20 世纪90 年代初，Bosch CAN 规范（CAN 2.0）被提交给了国际标准化组织。经过讨论，应一些法国主要汽车商的要求，包含了吸收一些VAN 网（Vehicle Area Network）的内容。并于1993 年11 月出版了正式的CAN 国际标准ISO11898。从此CAN 协议被广泛的用于各类自动化控制领域。在1992 年，奔驰公司首先在他们的高级轿车上使用了CAN 技术。这是CAN 技术在车载网络系统中的首次实际使用。

目前，CAN 协议及其网络系统已被全球汽车厂商普遍接受，成为车载网络系统的计算机网络技术基础。

在欧洲几乎每一辆新款汽车均装配有CAN 局域网。同样，CAN 也用于其他类型的交通工具，从火车到轮船或者用于工业控制。CAN 已经成为全球范围内最重要的总线之一——甚至领导着串行总线。在1999 年，接近6 千万个CAN 控制器投入应用。到了2000 年，全球市场销售了超过1 亿个CAN 元器件。

2.2 CAN 网络协议的内容和基本原理

作为一种网络协议一般应符合ISO/OSI 模型，即国际标准化组织的开放系统互连参考模型。但目前广泛应用的许多网络协议并不完全符合这个模型，CAN 就是这种网络协议。对照ISO/OSI 模型中的7 层次，CAN 仅明确定义了相当于数据链路层和物理层的内容。图2 给出它的层次结构。其中对象层和传输层包括所有由ISO/OSI 模型定义的数据链路层的服务和功能。

图2

CAN 是一种总线网，一般是采用廉价的双绞线作为其传输介质。一根线为高电位，另一根为反向的低电位，这样总体对外电磁辐射相互抵消。

CAN 协议的报文传输由以下四种不同的帧类型所表示和控制：

- 数据帧：数据帧携带数据从一个节点的发送器至所有节点的接收器。
- 远程请求帧：总线的一个节点发出远程请求帧，请求某个节点响应具有同一识别符的数据帧。
- 错误帧：总线上的任何节点一旦检测到总线的错误就发出错误帧。
- 过载帧：过载帧用以在先行的和后续的数据帧（或远程帧）之间提供一附加的延时，防止产生接收器过载。

CAN 协议在其帧结构中定义了多种校验方式，确保信息传送的可靠性。信息在网络中采用广播的方式，总线上所有的节点均先接收到报文，然后根据帧结构中的11 位或29 位标识符进行识别，接收所需的信息，屏蔽掉本节点不需要的信息。

在报文发送时是采用内容（而不是一般的地址方式）择优的优先级方式，我们称其为载波侦听多路访问/冲突检测，即：CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect）。

如果利用一般的CSMA 访问总线，可对总线上信号进行检测，只有当总线处于空闲状态时才允许发送。利用这种方法可以允许多个节点挂接到同一网络上，但当检测到一个冲突位时，所有节点将重新回到监听总线的状态，直到该冲突时间过后才开始发送。在总线超载的情况下，这种技术可能会造成发送信号经过许多延迟。为了避免发送延时可利用CSMA/CD 方式访问总线：当总线上有两个节点同时进行发送时，必须通过无损的逐位仲裁方法来使有最高优先权的的报文优先发送。在CAN 总线上发送的每一条报文都具有唯一的一个11 位或29 位的标识符，CAN 总线状态取决于二进制数0 而不是1 ，所以ID 号越小则该报文拥有越高的优先权。因此一个为全0 标志符的报文具有总线上的最高级优先权。可用另外的方法来解释,在消息冲突的位置第一个节点发送0，而另外的节点发送1，那么发送0 的节点将取得总线的控制权，并且能够成功的发送出它的信息。这种独特的总线争用方式保证了高优先级报文的及时发送，减少了时延。

在差错处理方面CAN 也有其独特的优势。对于一个帧可以用互不排斥的5 种方式检查出出错的帧。

另外还有一个计数机制，当一个节点错误的次数满足一定条件时，会被进行相应的故障处理，以防止出故障的节点对整个系统的影响，保证其他节点之间的正常通信。

2.3 CAN 协议适宜于车载网络应用的优势

正如本文1.2 节中所描述的那样，一个适宜于汽车环境的网络协议必须满足许多苛刻的要求，并具有一些独特的特性。CAN 具有十分优越的特点，这使得绝大多数的工程师都选择它作为车载网络协议的标准。这些优点包括以下内容：

(1) 低成本。由于CAN 已经成为车载网络中应用最广泛的标准，这使得相关元器件的产量很大，从而大大的降低了成本。对于已经竞争非常激烈的汽车产业来说是十分重要的。

(2) 极高的总线利用率。如前一节分析的那样，其发送冲突解决方案是一种冲突规避的设计方式，减少了信息重发可能性，从而提高了利用率，对于发送优先级高的重要信息尤为如此。

(3) 高速的数据传输速率可高达1 Mbit/s，完全可满足汽车动力和悬架等高速系统的传输需求。

(4) 可根据报文的ID 决定接收或屏蔽该报文，而不是采用一般的地址方式。方便与网络相连的汽车电器系统的灵活配置。

(5) 可靠的错误处理和检错机制；发送的信息遭到破坏后可自动重发；节点在错误严重的情况下具有自动退出总线；这些特点都保证了系统极高的可靠性、安全性和健壮性。很明显，这对于车载的网络系统是十分重要的要求。

(6) 报文帧结构相对比较简单，占用总线时间短，从而保证了通信很高的实时性。

(7) 目前如：Bosch、Philips、Siemens、Delphi、Valeo 等世界上重要的汽车电器供应商已开发出大量成熟的CAN 元器件和嵌入了CAN 接口的电控单元（ECU），这样可大大的缩短相关汽车电器系统的开发时间，减少开发成本。

3 CAN 系统已经开始在新型的汽车上得到了广泛的实际应用

3.1 CAN 在车载网络中的应用

在CAN 协议中仅对网络的低层进行了具体规定，其应用层协议并未给出。这样针对不同的应用，其应用层也不尽相同。在汽车领域，目前存在的多种车载网络标准，其侧重的功能也有所不同。为了便于设计和使用，SAE（汽车工程协会）将车载网络按传输速率的不同划分为A、B、C 三类。其中B 类在国际标准ISO-IS11519-2 中称为低速CAN 网，C 类在国际标准ISO-IS11898 中称为高速CAN 网。（参见图3）

图3

如图中所示，A 类是面向传感器和执行器控制的低速网络，传输速率只有1～10kbps，主要用于一些车身内饰附件，如灯光控制、电动玻璃升降器、电动调节座椅等；B 类是面向独立模块间数据共享的中速网络，传输速率为10～125kbps，主要用于一些防盗系统、故障诊断、仪表显示、安全气囊等；C 类面向高速和实时的闭环控制的多路传输系统，最高传输速率可达1Mbps，主要用于ECM、ABS、主动悬架等系统。在不同类的网络之间设有一个网关控制器，它可以保证位于不同速率网络上的节点之间的通信。

目前一般在汽车内采用B 类和C 类网络结合使用的方式，这可以在较低成本的情况下，保证满足相应的需求。而A 类网络已经趋于淘汰，汽车工程师们开发了一种叫LIN（Local interconnect network）的更廉价的网络标准，用于开关设备，如车辆座椅，门锁，遮阳蓬，雨刮，后视镜等。

3.2 一个应用了CAN的汽车实例分析

目前国内新近推出和即将推出的许多新型轿车，都不同程度的装备了CAN 网络系统，这也是我国汽车装配水平与国际日益接轨的标志。神龙汽车有限公司即将在今年底或明年初，推出的有欧洲年度最佳轿车之称的“标致307”系列车型。在这个先进的车型上就采用了CAN 车载网络系统，现就其情况简单介绍一下。

“标致307”系列车型采用的是FullCAN 的网络控制器结构。图4 给出了其车载网络系统的基本布局。

整个网络系统分为高速网和低速网两个部分，另外对于一些开关和控制部件采用LIN 网连接。他们通过一个叫BSI（智能控制盒）的中心处理控制单元来连接和控制。

图4

另外，与BSI、ECM 和ABS 等关键元件相连的诊断插口为外部设备与车内网络的通信和故障的诊断与检测提供接口，在整车下线前也可通过它对整个车载网络系统进行配置，这样可方便的生产不同电子配置的车辆。

4 结束语

可以预测，针对CAN 协议及其车载网络系统的理论与应用的研究将对全球汽车制造业产生重要影响，并带动相关的巨大的经济效益。同时国内科研人员对该技术的不断研究和发展，可推动我国汽车制造业在这些关键技术上摆脱对国外的依赖，为使我们的汽车设计和制造水平早日赶上国际先进水平起到巨大的推动作用。

从国内目前的情况看来该领域的研究还不是很多，基本上处于“拿来就用”的状况。笔者谨希望本文能起到抛砖引玉的作用。随着越来越多的从事汽车及其零部件电子技术的科学工作者在该领域的研究和实践活动，必将使我国汽车及其零部件产业的技术水平迈上一个更高的台阶。

参考文献
1 邬宽明. CAN 总线原理和应用系统设计. 第一版. 北京航空航天大学出版社 1996 年11 月
2 CIA-CAN,”An overview-VAN history”,2002-12-21,http://www.can-cia.de/can/
3 Rober Bosch Gmbh. CAN Specification. Version 2.0,Stuttgart,Germany,1991
4 Controller Area Network (CAN). An In-Vehicle Serial Communication Protocol 1998 SAE Handbook,Volume 2 Parts and components,SAE J1583,May 90(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/8/2005)


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