车载控制器局域网技术分析与研究
摘要：控制器局域网(CAN)广泛应用于汽车工业，是目前最有前途的现场总线之一。近年来，进口汽车及国产轿车广泛采用CAN技术，标志着汽车电子控制技术进入一个新的时代。本文介绍了控制器局域网(CAN)总线特点、构成及通信速率的设定。
关键词：控制器局域网 通信速率 总线特点
为了减少汽车电器线束，保证各电子控制系统的电子控制单元(控制器)之间快速准确地进行大容量的数据通信，目前，国内外中高档轿车都已开始采用控制器局域网络(CAN，Controller Are Network)技术。控制器局域网(CAN，Controller Area Network)是汽车应用最多的车载局域网，其通信协议(即CAN协议)是一种支持分布式控制或实时控制的串行通信网络[1]。CAN总线允许多站点同时发送，因此，既保证信息处理的实时性，又保证网络系统的可靠性。
一、控制器局域网(CAN)的构成
汽车控制器局域网是指分布在汽车上的多个控制器(即电控单元ECU)在物理上相互连接，并按照网络通信协议(CAN协议)相互通信，以共享硬件、软件和信息等资源为目的的控制器系统
CAN是由中央控制组件CEM、控制器局域网总线(CAN总线)和若干个电子控制器(电控单元ECU)等器件构成[2]。图1所示为动力及其传动系统和车身系统部分ECU组成的CAN示意图。
中央控制组件CEM由CAN控制器、CAN收发器和微处理器CPU等组成。CEM既是整车网络系统的控制中心，又是高速局域网与低速局域网的网关服务器，电路连接如图2所示。
二、控制器局域网(CAN)总线的特点
CAN总线由物理层和数据链路层构成，其中数据链路层定义了不同的信息类型、总线访问的仲裁规则、错误检测与处理的方式。所有的错误检测与处理、信息的传输与接收等都是通过CAN控制器硬件完成，因此，用户组建两线CAN仅需极少的软件开发。CAN总线具有以下特点。
(1)所有节点均可发送和接收信息。CAN总线是一种共享信息的通信总线，即总线上所有的节点都可发送和接收传输的信息(由于所有的.节点都能接收全部信息，因此信息不能送达某个指定节点)。
(2)信息发送按信息优先级进行。与总线相连的所有节点都可发送信息，发送信息的节点通过改变所连总线的电平就可将信息发送到接收节点。在两个以上节点同时开始发送信息的情况下，信息优先级最高的节点获得发送权，其他所有节点转为信息接收状态。
(3)通信速率高。CAN总线采用两线差分传输数据，可支持高达1Mbps的通信速率。
(4)通信距离远。CAN总线上任意两个节点之间的最大允许传输距离与其信息传输速率有关。在1Mbps速率下，CAN总线通信距离可达40m;在10Mbps速率下，通信距离可达6700m。因此，CAN总线既可用于动力及其传动系统网络的连接，又可用于车身控制系统网络的连接。
三、控制器局域网(CAN)总线的连接
在车载局域网中，CAN总线是由两根线CAN―H(CAN―High或CAN+)数据线和CAN―L(CAN-Low或CAN-)数据线构成。在某些高档轿车的CAN中设有第3条CAN总线，用于卫星导航系统和智能通信系统。
动力与传动系统的控制器采用C类高速CAN总线连接，数据传输速率可达500kbps，以便实现高速实时控制。车身控制系统的控制器采用了低数据传输速率的B类CAN总线连接，数据传输速率为125kbps。各电控单元之间依据CAN通信协议相互进行通信，从而完成各种数据的交换。在中央电子控制组件CEM中，CAN控制器具有双通道(CRX0、CTX0通道;CRX1、CTX1通道)的CAN接口，经过CAN收发器分别与高速(500kbps)CAN总线和低速(125kbps)CAN总线连接。各电控单元通过CAN总线与CAN收发器相连而相互交换数据。CAN控制器根据两根总线的电位差判定总线电平。总线电平分为显性电平与隐性电平两种，二者必居其一。
四、控制器局域网(CAN)通信速率的设定
(1)动力及其传动系统网络通信速率的设定。汽车动力及其传动系统的控制器主要包括发动机电子控制系统EEC、电子控制自动变速系统ECT、防抱死制动系统ABS、电子调节悬架系统EMS、车轮防滑转控制系统ASR、电子控制制动力分配系统EBD、电子控制制动辅助系统EBA、动态稳定控制系统DSC和巡航控制系统CCS等。由于这些系统控制的对象与汽车行驶直接相关，并与发动机转速或汽车行驶速度同步，所以其CAN一般都采用C类高速CAN总线连接，数据传输速率可达1Mbps。将这些控制器连接到CAN总线上，可以实现高速实时控制。
(2)车身控制系统网络通信速率的设定。汽车车身控制系统主要包括座椅安位置调节系统SPC、中央门锁控制系统CLC、自动空调系统ACS和车顶天窗控制系统TWC等。由于这些系统通常是以低速率进行数据传输，因此车身控制系统采用了低数据传输速率速的B类总线。早期的汽车车身控制系统通常采用基于J1850标准的总线进行连接。
CAN总线用于车身控制系统的连接时，采用的是一种容错式总线，即总线内置容错功能。因为汽车内部CAN总线是由两根线(CANH、CANL)构成，并采用双线串行通信方式传输数据，当2条总线中有1条出现断路或短接而搭铁时.网络可以切换至1线方式继续工作。CAN通信协议要求从2线切换至1线期间不能丢失数据位，为此其物理层芯片比动力传动系统更复杂，数据传输速率较低，通常采用的传输速率为125kbps。此类总线逐渐被局部互联网总线(LIN总线)取代，其根本原因是低速CAN总线应用于车身控制面临的最大困难是成本较高。
五、结语
把众多的电控单元连成网路，其信号通过总线的形式传输，就可以达到信息资源共享的目的。这样联成网络的控制单元就可以“协同工作”，从而获得最佳的工作状态，并使汽车具备实现许多复杂功能的能力。CAN可提供高达1Mb/s的数据传输速率，这使实时控制变得非常容易。另外，硬件的错误校验功能增强了CAN的抗干扰能力。CAN具有国际标准，是目前应用最广泛的网络。
参考文献：
[1]舒华，姚国平.汽车新技术[M].国防工业出版社，2005.
[2]舒华.汽车电子控制技术[M].人民交通出版社，2011.
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