CAN总线在汽车上的应用.docx

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CAN总线在汽车上的应用

CAN总线在汽车上的应用

摘要：

CAN（ControllerAreaNetwork）即控制器局域网络，属于工业现场总线的范畴。

CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。

由于其良好的性能及独特的设计，汽车领域内最广泛的应用了CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。

本文的重点就是详细介绍CAN总线在汽车上的具体应用。

关键词：

CAN总线汽车

TheapplicationofCANbusinthecar

Abstract：

CANisshortforControllerAreaNetworkandbelongstothecategoryofindustrialfieldbus.CANbusdatacommunicationhastheprominentreliability,real-timeandflexibilitybelongstothecategoryofindustrialfieldbus.Duetoitsgoodperformanceanduniquedesign,thecaristhemostwidelyusedinthefieldofCANbustoimplementtheinternalcontrolsystemanddatacommunicationbetweenthevariousdetectionandactuator.ThefocusofthisarticleisintroducedtheCANbusinthecaronthespecificapplication.

Keywords：

CAN,bus,car

引言

自上世纪80年代以来，汽车行业得到了飞速的发展，单片机与集成电路也广泛应用于汽车上。

防抱死制动装置、电子燃油喷射装置、主动悬架、安全气囊装置、电控门窗装置等这些电子控制单元在汽车上的应用也越来越多，但是常规的布线方式，已经不适应飞速发展的汽车工业。

原始的布线方式为电线一端与开关连接，另一端与欧诺供电设备连接，这种连接方式大大增加了电线的数量，虽然在一定程度上，电控系统确实增加了汽车的经济型、动力性、舒适性，但是其复杂的线路将提高维修的难度，也降低了汽车的可靠性。

在此因素的影响下，越来越多人想要运用一种新兴的概念——CAN来解决此问题。

一．CAN总线概述

1.CAN总线的基本概念

CAN是控制器局域网络（ControllerAreaNetwork）的简称。

在汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的电子控制系统被开发了出来。

由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。

为适应“减少线束的数量”、“通过多个LAN，进行大量数据的高速通信”的需要，1986年德国电气商博世公司开发出面向汽车的CAN通信协议。

此后，CAN通过ISO11898及ISO11519进行了标准化，现在在欧洲已是汽车网络的标准协议。

目前，全世界有20多家CAN生产商，有110多种CAN总线协议控制器芯片和集成CAN总线协议控制器的微处理器芯片。

2.CAN总线的特点

（1）可以多主方式工作，网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其他节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活。

（2）网络上的节点（信息）可分成不同的优先级,可以满足不同的实时要求。

（3）采用非破坏性位仲裁总线结构机制，当两个节点同时向网络上传送信息时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据。

（4）可以点对点、一点对多点（成组）及全局广播几种传送方式接收数据。

（5）直接通信距离最远可达10km（速率5Kbps以下）。

（6）通信速率最高可达1MB/s（此时距离最长40m）。

（7）节点数实际可达110个。

（8）采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个。

（9）每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，数据出错率极低。

（10）通信介质可采用双绞线，同轴电缆和光导纤维，一般采用廉价的双绞线即可，无特殊要求。

（11） 节点在错误严重的情况下，具有自动关闭总线的功能，切断它与总线的联系，以使总线上的其他操作不受影响。

3.CAN总线的优点

数据共享减少了数据的重复处理，节省了成本。

比如，对于具有CAN总线接口的电喷发动机，其它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。

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，从而便于发动机保养维护。

应用CAN总线，可减少车身布线，进一步节省了成本。

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，其他电器通过总线共享。

CAN总线系统数据稳定可靠，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的摆放在车内，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仓100℃左右的高温。

4.CAN总线硬件电路设计

（1）CAN管理结构

图1为CAN总线的管理结构图。

其中的发动机、自动变速器、安全气囊、ABS系统等都是现代汽车动作的核心部件，对时间响应要求严格，因而在本设计中采用传输速率为1000Kbps的高速CAN通信网络。

空调控制、雨刷控制、照明控制和仪表管理控制等相对来说对实时性要求较低，采用传输速率小于125Kbps的CAN通信网络，主控制器跨接高、低速两条总线，与各节点进行数据交换，兼起网关作用，实现网络互连。

图1.管理结构图

通过上图可以看出采用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，其它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。

表中给出了汽车部分电控单元产生及发送的数据类型及其他单元对这些信息共享的情况。

（2）CAN硬件构架

核心芯片简介：

本文中，CAN系统采用PHILIPS公司高性能8位微处理器P89C668。

特点如下：

①80C51中央处理单元。

②64K字节FLASH和8K字节RAM。

③自带串行接口序列。

④个中断源；4个中断优先级。

⑤IAP（应用编程）Flash存储器、ISP（系统编程）、BootROM可串口访问升级下载用户程序。

⑥PWM输出，捕捉／比较，高速输出三种工作方式，5路可编程计数器阵列PCA。

⑦12个时钟周期下速度高达33MHz，每个机器周期12个时钟周期操作可选，每个机器周期6个时钟周期操作标准。

从处理能力，存储容量，外围资源以及网络可扩展性方面来评价，P89C668都是一款出色微处理器，适用工控电子等各个领域。

尤其是其8K字节RAM“海量”内存，更是许多高速存储应用场合首选。

CAN接口电路：

采用技术成熟应用广泛SJAl000，6N137，P82C250组成接口电路。

但是，CAN总线两端务必跨接120欧终端电阻。

应用／系统编程电路：

P89C668FLASH空间OXFCOO～0XFFFF烧写入IK字节BootRom程序，PHILIPS提供编程软件由串行口通讯就可以实现程序线升级。

串行数据通讯波特率可达38400bps。

晶振和复位电路：

复位电路采用X25045芯片进行智能控制。

本节点用X25405前两个功能构成可靠复位电路。

开关／数字量，模拟量检测电路：

汽车节点开关器件特别复杂和繁多，而电流检测，水温油位传感器信号都是非线性模拟信号，可靠实时对这些开关/模拟量进行检测成为汽车电子硬件必须解决问题。

3.CAN总线软件设计

系统程序结构分为四个部分：

CAN通讯程序（包括应用层协议SJAl000通讯），外围接口程序（所有检测芯片和驱动芯片驱动），中断服务程序（处理开关信号以及故障报警等消息），主程序（完成系统初始化和任务调度等）如图2所示。

图2.软件结构图

二．现代汽车电子技术的分类

1.单独控制系统：

由一个电子控制单元（ECU）控制一个工作装置或系统的电子控制系统，如发动机控制系统、自动变速器等。

2.集中控制系统：

由一个电子控制单元（ECU）同时控制多个工作装置或系统的电子控制系统。

如汽车底盘控制系统。

3.控制器局域网络系统（CAN总线系统）：

由多个电子控制单元（ECU）同时控制多个工作装置或系统，各控制单元（ECU）的共用信息通过总线互相传递。

a.带有中央控制单元的车

b.带有三个中央控制单元的车

c.带有三个中央控制单元和总线系统的车

d.带有三个中央控制单元的CAN驱动网络

三.网络汽车和汽车总线

1.网络汽车

通过总线将汽车上的各种电子装置与设备连成一个网络，实现相互之间的信息共享，既减少了线束，又可更好地控制和协调汽车的各个系统，使汽车性能达到最佳。

2.汽车总线

汽车总线是指汽车内部导线采用总线控制的一种技术，通常叫汽车总线或汽车总线技术。

随着电子技术的迅速发展和在汽车上的广泛应用，汽车电子化程度越来越高。

从发动机控制到传动系控制，从行驶、制动、转向系控制到安全保证系统以及仪表报警系统渐渐形成了一个复杂的大系统。

3.canbus应用于大众汽车的发展史

（1）大众公司首次在97年PASSAT的舒适系统上采用了传送速率为62.5Kbit/m的Canbus。

（2）98年在PASSAT和GOLF的驱动系统上增加了Canbus，传送速率为500Kbit/m。

（3）2000年，大众公司在PASSAT和GOLF采用了带有网关的第二代Canbus。

（4）2001年，大众公司提高了Canbus的设计标准，将舒适系统Canbus提高到100Kbit/m,驱动系统提高到500Kbit/m。

（5）2002年，大众集团在新PQ24平台上使用带有车载网络控制单元的第三代Canbus。

（6）2003年，大众集团在新PQ35平台上使用五重结构的Canbus系统，并且出现了单线的LIN-BUS。

4.基于CAN总线的汽车电器网络结构

目前汽车上的网络连接方式主要采用2条CAN：

一条用于驱动系统的高速CAN，速

率达到500kb/s。

主要面向实时性要求较高的控制单元，如发动机、电动机等。

另一条

用于车身系统的低速CAN，速率是100kb/s。

主要是针对车身控制的，如车灯、车门、

车窗等信号的采集以及反馈。

其特征是信号多但实时性要求低，因此实现成本要求低。

四．CAN应用于小轿车

在一般的小轿车上CAN总线的应用最为广泛，CAN总线的拓扑结构主要有3种：

线型拓扑结构、环型网络拓扑结构、星型网络拓扑结构。

1.线型拓扑结构

（1）线式拓扑结构采用单（双线）线作为传输介质，所有的站点都通过相应的硬件接口直接连接到传输介质（或称总线），任何一个站点发送的信息，网络中的其它站点几乎可以同时收到，这一点