基于CAN总线的汽车内部网络系统研究

【摘 要】近年来，汽车已经从传统的交通工具发展成为一个以交通功能为主兼顾娱乐舒适性功能的集合体；另外在外形上，也由原来的单一化笨重化转变为如今的形态各异、灵巧美观。这些突破和发展都是得益于汽车制造工艺的改进和先进技术的应用，本文着重分析CAN（控制器局域网络）总线在汽车内部网络的应用及影响。

【关键词】汽车；CAN总线；内部网络

1 前言

为了满足舒适、安全、美观、节能、功能丰富等要求，汽车内部设立了多种电子控制系统，根据各部件不同的数据基础和参数要求，汽车内部就产生了多条控制线路，形成一个错综复杂的长线网，但这又跟操作方便、节省空间等要求相矛盾。上世纪80年代，由德国BOSCH公司研发出的CAN串联通信结构完美解决了这一问题。

2 CAN总线的汽车内部网络系统

2.1 CAN介绍

CAN（控制器局部网）是BOSCH公司为现代汽车应用领域推出的一种多主机局部网，它是一种多主总线，它以报文为单位，以双绞线、同轴电缆或光导纤维为媒介，进行分布式控制或实时控制，以达到数据传送的通信目的，其速率最高可达1Mbps。由于其性能强大、使用可靠、运作方便等优点，现已广泛应用于工业自动化、多种控制设备、交通工具、医疗仪器以及建筑、环境控制等众多部门。

较之许多其他控制总线结构相比，基于CAN总线的网络系统具有以下方面的特点：

（1）各模块之间可实现任意无障碍数据通信，且不分主从，任意一个节点可以向任何其他（一个或多个）节点发起数据通信，根据各个节点信息优先级先后顺序决定通信次序；即使在多个节点在同一时刻发起通信的情况下，也能自动遵循优先级低的避让优先级高的原则，确保通信有序不乱，避免了通信线路的拥堵不畅通；

（2）CAN为各节点串联线路，在其中某一节点出现故障的情况下，其他节点可以免受其影响，照样正常通信传输；

（3）CAN总线支持长距离通信，最远可支持10KM（速率低于5Kbps）的通信传送，在40M以内，速率可高达到1Mbps；

（4）CAN总线传输的介质可以是双绞线或同轴电缆。CAN总线适用于大数据量短距离通信或者长距离小数据量，对实时性的要求比较高，多主多从或者各个节点平等的现场中使用。

（5）作为分布式控制系统，它的显著特点就是以数据块取代传统的地址编码，使网路内的节点个数不受限制，每帧数据段的字节不超过8个，节省了字节占时，大大提高了通信效率。

2.2 CAN总线网络节点设计

CAN总线是为解决汽车内部网络控制而产生的，它所具有上述的特性和优点也决定了它是汽车内部网络控制系统的最佳现场总线，并且在其他诸多工业领域也得到了广泛运用。

CAN网络是由车内各种控制单元（ECU）组成，一个控制单元的硬件又包括传感器和执行器接口、微控制器、CAN控制器以及CAN收发器等。在微控制器控制的前提下，传感器和执行器负责实现各控制单元的功能指令，CAN收发器则负责接收来自控制器的通信讯号，将其转化为与控制器相匹配的讯号，再有控制器来完成最终指令操作。

2.3 CAN总线网络系统应用

汽车内部的CAN网络系统是将汽车内各个通信节点通过现场总线实现多分布式操控的局域网系统，是汽车各功能指令的通信部和指挥者。

按汽车部位来分，主要的控制部分分为前部模块、中央模块和尾部模块，按具体的硬件电路来分，则包含了信号采集模块、MCU数据处理模块、电源模块、负载驱动模块以及CAN总线通信模块。就CAN总线通信一模块而言，其通信节点及控制系统单元又包括了主控制器、发动机、车内仪表、中央门锁、座椅调节、车灯、空调等等，从汽车的发动开始直到停止，都必然会对这些单元进行指控操作，而汽车之所以在这些操控下能够安全平稳地运行，CAN总线网络系统起到了至关重要的作用。发出指令后，CAN以超高速率进行信息传输，迅速连接相应节点并作出相应响应。但是在实际开动中，个节点之间往往会进行大量的信息连接，很容易出现同一条CAN总线上信息拥堵反应不及时的情况，严重影响各指令反应速率，甚至引起事故。因此，根据各节点信息实时性要求的高低设定优先通行次序是保证CAN有效运行的重要措施。所有受控系统单元通过CAN总线连接成一个通信网络拓扑结构，如下图所示：

2.4 CAN网络错误检测机制

CAN总线还是一种高速的、具有严格复杂的错误检测和恢复功能的可靠性车内控制网络。

每个CAN总线上的节点都有一个出错计数器，通过计数器的记录计算，根据出错的严重程度，系统确定这些节点是否调整到降级模式。即从正常模式调整到降级模式，甚至直接切换到关断模式。也就是说，一旦系统检测到出现错误，则正在传送的通信数据立即停止传送，直到总线空闲时再次发送直至成功，或者直接切断与总线的连接。

CAN可检测的错误具体有以下5种：

（1）CRC校验：接收到的数据计算出的CRC结果与接收到的CRC顺序不同

（2）帧格式检测：检测出的格式与固定位段格式不一致

（3）应答错误检测：发送单元在ACK槽中检测出隐形电平

（4）位检测：输出电平与总线电平不一致

（5）位填充：在需要位填充的段内，连续检测到6位相同的电平

根据不同种类错误的出现或几种同时出现，有以下几种解决办法：

（1）为了确保总线的正常工作，检查总线是否仍在运行后再尝试进入；

（2）升级网络内部软件及处理器性能，降低数据传送中断率；

（3）在调试过程中，打开所有中断，监测网络质量，提高网络质量。

3 结束语

CAN总线技术在我国起步较晚，刚开始靠进口为主，现虽经过较长时间的研究与发展已取得一定的成效，但较之发达国家仍有差距。因此若想要实现我国汽车制造的纯自主化生产并在国际上取得更高的成绩，CAN总线的汽车网络的不断研究是必不可少的重要推动力。

参考文献：

[2]谭力铭.基于CAN总线的车载网络传感器协议的发展与应用[J].国外电子测量技术，2012（11）.

[3]孟娜.基于CAN总线的汽车安全网络系统的研究[J].沈阳理工大学，2011（7）.

[5]王莉，刘德新.汽车网络标准总线CAN[J].世界汽车，2010（1）.