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車載控制器局域網技術分析與研究
摘要：控制器局域網(CAN)廣泛應用于汽車工業，是目前最有前途的現場總線之一。近年來，進口汽車及國產轎車廣泛采用CAN技術，標志著汽車電子控制技術進入一個新的時代。本文介紹了控制器局域網(CAN)總線特點、構成及通信速率的設定。
關鍵詞：控制器局域網 通信速率 總線特點
為了減少汽車電器線束，保證各電子控制系統的電子控制單元(控制器)之間快速準確地進行大容量的數據通信，目前，國內外中高檔轎車都已開始采用控制器局域網絡(CAN，Controller Are Network)技術。控制器局域網(CAN，Controller Area Network)是汽車應用最多的車載局域網，其通信協議(即CAN協議)是一種支持分布式控制或實時控制的串行通信網絡[1]。CAN總線允許多站點同時發送，因此，既保證信息處理的實時性，又保證網絡系統的可靠性。
一、控制器局域網(CAN)的構成
汽車控制器局域網是指分布在汽車上的多個控制器(即電控單元ECU)在物理上相互連接，并按照網絡通信協議(CAN協議)相互通信，以共享硬件、軟件和信息等資源為目的的控制器系統
CAN是由中央控制組件CEM、控制器局域網總線(CAN總線)和若干個電子控制器(電控單元ECU)等器件構成[2]。圖1所示為動力及其傳動系統和車身系統部分ECU組成的CAN示意圖。
中央控制組件CEM由CAN控制器、CAN收發器和微處理器CPU等組成。CEM既是整車網絡系統的控制中心，又是高速局域網與低速局域網的網關服務器，電路連接如圖2所示。
二、控制器局域網(CAN)總線的特點
CAN總線由物理層和數據鏈路層構成，其中數據鏈路層定義了不同的信息類型、總線訪問的仲裁規則、錯誤檢測與處理的方式。所有的錯誤檢測與處理、信息的傳輸與接收等都是通過CAN控制器硬件完成，因此，用戶組建兩線CAN僅需極少的軟件開發。CAN總線具有以下特點。
(1)所有節點均可發送和接收信息。CAN總線是一種共享信息的通信總線，即總線上所有的節點都可發送和接收傳輸的信息(由于所有的節點都能接收全部信息，因此信息不能送達某個指定節點)。
(2)信息發送按信息優先級進行。與總線相連的所有節點都可發送信息，發送信息的節點通過改變所連總線的電平就可將信息發送到接收節點。在兩個以上節點同時開始發送信息的情況下，信息優先級最高的節點獲得發送權，其他所有節點轉為信息接收狀態。
(3)通信速率高。CAN總線采用兩線差分傳輸數據，可支持高達1Mbps的通信速率。
(4)通信距離遠。CAN總線上任意兩個節點之間的最大允許傳輸距離與其信息傳輸速率有關。在1Mbps速率下，CAN總線通信距離可達40m;在10Mbps速率下，通信距離可達6700m。因此，CAN總線既可用于動力及其傳動系統網絡的連接，又可用于車身控制系統網絡的連接。
三、控制器局域網(CAN)總線的連接
在車載局域網中，CAN總線是由兩根線CAN―H(CAN―High或CAN+)數據線和CAN―L(CAN-Low或CAN-)數據線構成。在某些高檔轎車的CAN中設有第3條CAN總線，用于衛星導航系統和智能通信系統。
動力與傳動系統的控制器采用C類高速CAN總線連接，數據傳輸速率可達500kbps，以便實現高速實時控制。車身控制系統的控制器采用了低數據傳輸速率的B類CAN總線連接，數據傳輸速率為125kbps。各電控單元之間依據CAN通信協議相互進行通信，從而完成各種數據的交換。在中央電子控制組件CEM中，CAN控制器具有雙通道(CRX0、CTX0通道;CRX1、CTX1通道)的CAN接口，經過CAN收發器分別與高速(500kbps)CAN總線和低速(125kbps)CAN總線連接。各電控單元通過CAN總線與CAN收發器相連而相互交換數據。CAN控制器根據兩根總線的電位差判定總線電平。總線電平分為顯性電平與隱性電平兩種，二者必居其一。
四、控制器局域網(CAN)通信速率的設定
(1)動力及其傳動系統網絡通信速率的設定。汽車動力及其傳動系統的控制器主要包括發動機電子控制系統EEC、電子控制自動變速系統ECT、防抱死制動系統ABS、電子調節懸架系統EMS、車輪防滑轉控制系統ASR、電子控制制動力分配系統EBD、電子控制制動輔助系統EBA、動態穩定控制系統DSC和巡航控制系統CCS等。由于這些系統控制的對象與汽車行駛直接相關，并與發動機轉速或汽車行駛速度同步，所以其CAN一般都采用C類高速CAN總線連接，數據傳輸速率可達1Mbps。將這些控制器連接到CAN總線上，可以實現高速實時控制。
(2)車身控制系統網絡通信速率的設定。汽車車身控制系統主要包括座椅安位置調節系統SPC、中央門鎖控制系統CLC、自動空調系統ACS和車頂天窗控制系統TWC等。由于這些系統通常是以低速率進行數據傳輸，因此車身控制系統采用了低數據傳輸速率速的B類總線。早期的汽車車身控制系統通常采用基于J1850標準的總線進行連接。
CAN總線用于車身控制系統的連接時，采用的是一種容錯式總線，即總線內置容錯功能。因為汽車內部CAN總線是由兩根線(CANH、CANL)構成，并采用雙線串行通信方式傳輸數據，當2條總線中有1條出現斷路或短接而搭鐵時.網絡可以切換至1線方式繼續工作。CAN通信協議要求從2線切換至1線期間不能丟失數據位，為此其物理層芯片比動力傳動系統更復雜，數據傳輸速率較低，通常采用的傳輸速率為125kbps。此類總線逐漸被局部互聯網總線(LIN總線)取代，其根本原因是低速CAN總線應用于車身控制面臨的最大困難是成本較高。
五、結語
把眾多的電控單元連成網路，其信號通過總線的形式傳輸，就可以達到信息資源共享的目的。這樣聯成網絡的控制單元就可以“協同工作”，從而獲得最佳的工作狀態，并使汽車具備實現許多復雜功能的能力。CAN可提供高達1Mb/s的數據傳輸速率，這使實時控制變得非常容易。另外，硬件的錯誤校驗功能增強了CAN的抗干擾能力。CAN具有國際標準，是目前應用最廣泛的網絡。
參考文獻：
[1]舒華，姚國平.汽車新技術[M].國防工業出版社，2005.
[2]舒華.汽車電子控制技術[M].人民交通出版社，2011.
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