论文部分内容阅读
[摘要]汽车电子技术已发展到控制系统综合化、信息共享化、机械智能化的新阶段。从不同的技术角度来分析汽车CAN-BUS技术的发展，从汽车网络应用方面探讨汽车CAN-BUS技术应用，并论述汽车CAN-BUS技术的优点和特点，指出CAN-BUS在汽车网络系统中广阔的应用前景。
[关键词]CAN-BUS 汽车 数据传输线 网络
中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）1110127－02
一、前言
随着科技的飞速发展，汽车装备日趋完善，车用电气设备越来越多，从发动机控制到传动系统控制，从行驶、制动、转向系统控制到安全保证系统及仪表报警系统，从电源管理到为提高舒适性而做的各种努力，使汽车电气系统形成一个复杂的大系统，并且都集中在驾驶室控制。对汽车电子控制技术的要求日渐增长，汽车控制器、传感器和导线的数量也迅速增加，这不仅增加了汽车的重量和成本，而且也加大了汽车的故障率以及检测故障的难度。由于导线太多，严重干扰了汽车零部件的设计、布局和制造，给汽车维修带来许多不便，反过来制约了电子控制技术在汽车上的应用。随着ITS的发展，对汽车电子通讯技术、综合布线和信息共享交互提出了更多的需求，而这些带有计算机处理器的电子设备之间存在着大量的信息交换和信息流动。为了简化线路，提高各电子控制单元之间的通信速度，降低故障频率，一种新型的数据总线技术，CAN-BUS技术应运而生。
二、汽车CAN-BUS技术
（一）CAN-BUS概述
CAN-BUS，全称为“Controller Area Network-BUS”，即控制器局域网络总线技术。是由ISO定义的串行通讯总线，主要用来实现电子控制单元之间的信息交换，如车载电子控制单元的ECU和车身电子控制单元的ECU所形成的车载网络系统，其工作采用单片机作为直接控制单元，用于对传感器和执行部件的直接控制，减少了线束和接插器数量，提高数据传输的可靠性和可维修性。
CAN-BUS技术背景来源于工业现场总线和计算机局域网这样非常成熟的一项总线技术，因此具有很高的可靠性，抗干扰性。CAN-BUS技术是德国BOSCH公司在20世纪80年代初，为了解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通讯协议。它的短帧数据结构、非破坏性总线性仲裁技术以及灵活的通讯方式适应了汽车的实时性和可靠性要求。LAN是微机网络中的一种类型，CAN只是LAN中的高速网络协议之一。如CAN允许40m总线长度的数据传输速率达1000Kbps。由于CAN-BUS具有通信可靠性，成本低，简单实用，且具有较高的网络安全性等特点，国外已经将CAN总线技术广泛应用于汽车计算机控制系统，近几年来我国也逐渐开始对汽车CAN总线进行应用研究。
（二）CAN-BUS的特点及优点
CAN总线与一般的通信总线相比，它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其主要特性如下：
1．具有较高的性价比，是目前为止唯一有国际标准的现场总线；
2．为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动向网络上其他节点发送信息而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息；
3．网络上的节点信息分成不同的优先级，满足不同的实时要求；
4．采用非破坏性总线仲裁技术，当多个点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点主动地退出发送，而最高优先级的节点不受影地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲时间。尤其是在网络负载很重的情况下也不会现网络瘫痪情况；
5．只需通过报文滤波即可实现点对点、点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据无需专门的“调度”；
6．直接通信距离最远可达10km (速率5 kb/s以下)，通信速率最高可达1Mkb/s(此时信距离最长为40m)；
7．节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达成110个，节点在错误严重的情况下具有自动闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响；
8．采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果；
9．每帧信息都有CRC校验及其他检验措施，保证了数据出错率极低；
10．通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。
三、CAN-BUS系统组成及工作原理
（一）CAN数据传输系统构成
CAN总线系统中每块电脑的内部增加了一个CAN控制器，一个CAN收发器；每块电脑外部连接了两条CAN数据总线。在系统中作为终端的两块电脑，其内部还装有一个数据传递终端（有时数据传递终端安装在电脑外部）。除了数据传输线，其他元件都置于控制单元内部，控制单元功能不变，见图1。
（二）系统各部件的功能
1．CAN控制器
CAN控制器作用是接收控制单元中微处理器发出的数据，处理数据并传给CAN收发器。同时CAN控制器也接收收发器收到的数据，处理数据并传给微处理器。
2．CAN收发器
CAN收发器是一个发送器和接收器的组合，它将CAN控制器提供的数据转化成电信号并通过数据总线发送出去，同时，它也接收总线数据，并将数据传到CAN控制器。
3．数据传递终端
数据传递终端实际是一个电阻器，作用是避免数据传输终了反射回来，产生的反射波而使数据遭到破坏。
4．数据传输线
数据传输线用以传输数据的双向数据线，分为CAN高位(CAN-high)和低位(CAN-low)数据线两种。为了防止外界电磁波干扰和向外辐射，CAN总线采用两条线缠绕在一起(见图2)，两条线上的电位是相反的如果一条线的电压是5V，另一条线就是0V，两条线的电压和总等于常值。通过该种办法，CAN总线得到保护而免受外界电磁场干扰，同时CAN总线向外辐射也保持中性，即无辐射。车辆的干扰源是由电火花和电磁线圈开关联合作用所产生的，其他干扰源包括移动电话和发送站，电磁波能够影响或破坏CAN的数据传送。
（三）CAN-BUS的传输原理与过程
例如，发动机电脑向某电脑CAN收发器发送数据，该电脑收发器接收到由发动机电脑传来的数据，转换信号并发给本电脑的控制器。CAN数据传输系统的其他电脑收发器均接收到此数据，但是要检查判断次数是否是所需要的数据，如果不是将其忽略掉。数据传递五个过程如下，见图3。
提供数据控制单元向CAN控制器提供需要发送的数据。
发送数据CAN收发器接收由CAN控制器传来的数据，转为电信号并发送。
接收数据CAN系统中，所有控制单元转为接收器。
检查数据控制单元检查判断所接受的数据是否是所需要的数据。
接收数据如接收的数据重要，它将被接受并进行处理，否则忽略。
四、CAN-BUS在现代汽车上的应用
汽车CAN-BUS技术的应用，按照应用主要可以分为三个部分：动力CAN数据传输部分、车身CAN数据传输部分和信息CAN数据传输部分。
（一）动力CAN数据传输部分
动力CAN-BUS一般连接若干个计算机控制器，如发动机系统、自动变速器系统、主动和被动安全系统、仪表信息显示系统等。由于动力传动系统中，数据传递应尽可能快速，以便及时利用数据，特别是主动和被动安全系统涉及到人的生命安全，加之在汽车中气囊数目很多，碰撞传感器多等原因，要求安全系统必须具备通信速度快(500-1000Kbit/s速率)、通信可靠性高等特点所以需要一个高性能的发送器，高速发送器会加快点火系统间的数据传递，这样使接收到的数据立即到下一个点火脉冲中去。CAN-BUS节点通常置于控制单元外部的线束中，在特殊情况下，连接点也可能设在发动机电控单元内部。
（二）车身部分
整个汽车车身系统电路主要有三大块，主控单元电路，受控单元电路和门控单元电路。主控单元按收开关信号之后，先进行处理，然后通过CAN总线把控制指令发送给各受控端，各受控端响应后作出相应的动作。
与动力传动系统相比，车身系统的部件，线束变长，容易受到干扰。为了防干扰应尽量降低通信速度，通常采用直连总线及辅助总线。例如舒适CAN-BUS连接一般连接五块控制单元，包括中央控制单元及四个车门的控制单元。舒适CAN-BUS数据传递有：中央门锁、电动窗、照明开关、空调、组合仪表、后视境加热及自诊断功能。见图4。
该系统使经过车门的导线数量减少，线路变得简单。如果线路中某处出现对地短路，对正极短路或线路间短路，CAN系统会立即转为应急模式运行或转为单线模式运行。四个车门控制单元都是由中央控制单元控制，只需较少的自诊断线。CAN-BUS以62.5Kbit/s速率传递数据，每一组数据传递大约需要1ms，每个电控单元20ms发送一次数据。优先权顺序为中央控制单元，驾驶员侧车门控制单元，前排乘客侧车门控制单元，左后车门控制单元，右后车门控制单元。由于舒适系统中的数据可以用较低的速率传递，所以发送器性能比动力传动系统发送器的性能低。
（三）信息部分
信息系统在车上的应用很广泛，例如车载个人计算机、车载电话、导航、影音等系统的应用。对信息系统通信总线的要求是，容量要求更大，通信速度要求更高。通信媒体一般采用光纤或铜线，因为此两种介质传输的速度非常快，能满足信息系统的高速化需求。
五、结语
CAN-BUS作为一种可靠的汽车计算机网络总线已经在许多汽车上得到应用。CAN-BUS拥有多主节点、开放式架构，以及错误检测和自动恢复功能等优点，使汽车计算机控制单元能够共享总线上的信息。在国外，随着CAN-BUS技术的不断应用和推广，很多汽车生产厂家都相继支持CAN总线标准，如大众、福特、丰田、本田等。国外关于CAN总线技术的研究也日趋成熟。在国内，由于CAN总线的研究比国外要晚，所以CAN-BUS在国内还处在一个发展阶段，很多学者也都致力于研究开发新的汽车CAN总线的应用标准。随着CAN-BUS技术的不断发展，CAN-BUS在汽车计算机网络控制中必将得到更加广泛的应用。
参考文献：
[1]饶运涛、邹继军、郑勇芸，现场总线CAN原理与应用技术，北京航空航天大学出版社.2003.6.
[2]朱凡、孙运强，CAN总线在汽车网络系统中的应用与研究，机械管理开发.2006.4.
[3]陈三昧、陈晨，CAN总线在汽车计算机控制系统中的应用，内燃机. 2006.2.
[4]陈宁，CAN总线技术在汽车局域网中的应用，客车技术与研究.2006.3.
[5]任哲、尹智勇等，汽车CAN总线控制器的设计[J].微计算机信息. 2007.3-2:262-263.
[6]李东江等，汽车车载网络系统(CAN-BUS)原理与检修.北京:机械工业出版社.2004.
[7]吴诰圭，汽车电子控制技术和车内局域网.北京:电子工业出版社. 2003.
[8]张凤山，波罗(POLO)轿车使用维修手册.北京:金盾出版社.2003.
[9]朱建风、李国忠，常见车系CAN-BUS原理与检修.机械工业出版社. 2006.10.
[关键词]CAN-BUS 汽车 数据传输线 网络
中图分类号：TP2 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2008）1110127－02
一、前言
随着科技的飞速发展，汽车装备日趋完善，车用电气设备越来越多，从发动机控制到传动系统控制，从行驶、制动、转向系统控制到安全保证系统及仪表报警系统，从电源管理到为提高舒适性而做的各种努力，使汽车电气系统形成一个复杂的大系统，并且都集中在驾驶室控制。对汽车电子控制技术的要求日渐增长，汽车控制器、传感器和导线的数量也迅速增加，这不仅增加了汽车的重量和成本，而且也加大了汽车的故障率以及检测故障的难度。由于导线太多，严重干扰了汽车零部件的设计、布局和制造，给汽车维修带来许多不便，反过来制约了电子控制技术在汽车上的应用。随着ITS的发展，对汽车电子通讯技术、综合布线和信息共享交互提出了更多的需求，而这些带有计算机处理器的电子设备之间存在着大量的信息交换和信息流动。为了简化线路，提高各电子控制单元之间的通信速度，降低故障频率，一种新型的数据总线技术，CAN-BUS技术应运而生。
二、汽车CAN-BUS技术
（一）CAN-BUS概述
CAN-BUS，全称为“Controller Area Network-BUS”，即控制器局域网络总线技术。是由ISO定义的串行通讯总线，主要用来实现电子控制单元之间的信息交换，如车载电子控制单元的ECU和车身电子控制单元的ECU所形成的车载网络系统，其工作采用单片机作为直接控制单元，用于对传感器和执行部件的直接控制，减少了线束和接插器数量，提高数据传输的可靠性和可维修性。
CAN-BUS技术背景来源于工业现场总线和计算机局域网这样非常成熟的一项总线技术，因此具有很高的可靠性，抗干扰性。CAN-BUS技术是德国BOSCH公司在20世纪80年代初，为了解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通讯协议。它的短帧数据结构、非破坏性总线性仲裁技术以及灵活的通讯方式适应了汽车的实时性和可靠性要求。LAN是微机网络中的一种类型，CAN只是LAN中的高速网络协议之一。如CAN允许40m总线长度的数据传输速率达1000Kbps。由于CAN-BUS具有通信可靠性，成本低，简单实用，且具有较高的网络安全性等特点，国外已经将CAN总线技术广泛应用于汽车计算机控制系统，近几年来我国也逐渐开始对汽车CAN总线进行应用研究。
（二）CAN-BUS的特点及优点
CAN总线与一般的通信总线相比，它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。其主要特性如下：
1．具有较高的性价比，是目前为止唯一有国际标准的现场总线；
2．为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动向网络上其他节点发送信息而不分主从，通信方式灵活，且无需站地址等节点信息；
3．网络上的节点信息分成不同的优先级，满足不同的实时要求；
4．采用非破坏性总线仲裁技术，当多个点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点主动地退出发送，而最高优先级的节点不受影地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲时间。尤其是在网络负载很重的情况下也不会现网络瘫痪情况；
5．只需通过报文滤波即可实现点对点、点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据无需专门的“调度”；
6．直接通信距离最远可达10km (速率5 kb/s以下)，通信速率最高可达1Mkb/s(此时信距离最长为40m)；
7．节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达成110个，节点在错误严重的情况下具有自动闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响；
8．采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果；
9．每帧信息都有CRC校验及其他检验措施，保证了数据出错率极低；
10．通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。
三、CAN-BUS系统组成及工作原理
（一）CAN数据传输系统构成
CAN总线系统中每块电脑的内部增加了一个CAN控制器，一个CAN收发器；每块电脑外部连接了两条CAN数据总线。在系统中作为终端的两块电脑，其内部还装有一个数据传递终端（有时数据传递终端安装在电脑外部）。除了数据传输线，其他元件都置于控制单元内部，控制单元功能不变，见图1。
（二）系统各部件的功能
1．CAN控制器
CAN控制器作用是接收控制单元中微处理器发出的数据，处理数据并传给CAN收发器。同时CAN控制器也接收收发器收到的数据，处理数据并传给微处理器。
2．CAN收发器
CAN收发器是一个发送器和接收器的组合，它将CAN控制器提供的数据转化成电信号并通过数据总线发送出去，同时，它也接收总线数据，并将数据传到CAN控制器。
3．数据传递终端
数据传递终端实际是一个电阻器，作用是避免数据传输终了反射回来，产生的反射波而使数据遭到破坏。
4．数据传输线
数据传输线用以传输数据的双向数据线，分为CAN高位(CAN-high)和低位(CAN-low)数据线两种。为了防止外界电磁波干扰和向外辐射，CAN总线采用两条线缠绕在一起(见图2)，两条线上的电位是相反的如果一条线的电压是5V，另一条线就是0V，两条线的电压和总等于常值。通过该种办法，CAN总线得到保护而免受外界电磁场干扰，同时CAN总线向外辐射也保持中性，即无辐射。车辆的干扰源是由电火花和电磁线圈开关联合作用所产生的，其他干扰源包括移动电话和发送站，电磁波能够影响或破坏CAN的数据传送。
（三）CAN-BUS的传输原理与过程
例如，发动机电脑向某电脑CAN收发器发送数据，该电脑收发器接收到由发动机电脑传来的数据，转换信号并发给本电脑的控制器。CAN数据传输系统的其他电脑收发器均接收到此数据，但是要检查判断次数是否是所需要的数据，如果不是将其忽略掉。数据传递五个过程如下，见图3。
提供数据控制单元向CAN控制器提供需要发送的数据。
发送数据CAN收发器接收由CAN控制器传来的数据，转为电信号并发送。
接收数据CAN系统中，所有控制单元转为接收器。
检查数据控制单元检查判断所接受的数据是否是所需要的数据。
接收数据如接收的数据重要，它将被接受并进行处理，否则忽略。
四、CAN-BUS在现代汽车上的应用
汽车CAN-BUS技术的应用，按照应用主要可以分为三个部分：动力CAN数据传输部分、车身CAN数据传输部分和信息CAN数据传输部分。
（一）动力CAN数据传输部分
动力CAN-BUS一般连接若干个计算机控制器，如发动机系统、自动变速器系统、主动和被动安全系统、仪表信息显示系统等。由于动力传动系统中，数据传递应尽可能快速，以便及时利用数据，特别是主动和被动安全系统涉及到人的生命安全，加之在汽车中气囊数目很多，碰撞传感器多等原因，要求安全系统必须具备通信速度快(500-1000Kbit/s速率)、通信可靠性高等特点所以需要一个高性能的发送器，高速发送器会加快点火系统间的数据传递，这样使接收到的数据立即到下一个点火脉冲中去。CAN-BUS节点通常置于控制单元外部的线束中，在特殊情况下，连接点也可能设在发动机电控单元内部。
（二）车身部分
整个汽车车身系统电路主要有三大块，主控单元电路，受控单元电路和门控单元电路。主控单元按收开关信号之后，先进行处理，然后通过CAN总线把控制指令发送给各受控端，各受控端响应后作出相应的动作。
与动力传动系统相比，车身系统的部件，线束变长，容易受到干扰。为了防干扰应尽量降低通信速度，通常采用直连总线及辅助总线。例如舒适CAN-BUS连接一般连接五块控制单元，包括中央控制单元及四个车门的控制单元。舒适CAN-BUS数据传递有：中央门锁、电动窗、照明开关、空调、组合仪表、后视境加热及自诊断功能。见图4。
该系统使经过车门的导线数量减少，线路变得简单。如果线路中某处出现对地短路，对正极短路或线路间短路，CAN系统会立即转为应急模式运行或转为单线模式运行。四个车门控制单元都是由中央控制单元控制，只需较少的自诊断线。CAN-BUS以62.5Kbit/s速率传递数据，每一组数据传递大约需要1ms，每个电控单元20ms发送一次数据。优先权顺序为中央控制单元，驾驶员侧车门控制单元，前排乘客侧车门控制单元，左后车门控制单元，右后车门控制单元。由于舒适系统中的数据可以用较低的速率传递，所以发送器性能比动力传动系统发送器的性能低。
（三）信息部分
信息系统在车上的应用很广泛，例如车载个人计算机、车载电话、导航、影音等系统的应用。对信息系统通信总线的要求是，容量要求更大，通信速度要求更高。通信媒体一般采用光纤或铜线，因为此两种介质传输的速度非常快，能满足信息系统的高速化需求。
五、结语
CAN-BUS作为一种可靠的汽车计算机网络总线已经在许多汽车上得到应用。CAN-BUS拥有多主节点、开放式架构，以及错误检测和自动恢复功能等优点，使汽车计算机控制单元能够共享总线上的信息。在国外，随着CAN-BUS技术的不断应用和推广，很多汽车生产厂家都相继支持CAN总线标准，如大众、福特、丰田、本田等。国外关于CAN总线技术的研究也日趋成熟。在国内，由于CAN总线的研究比国外要晚，所以CAN-BUS在国内还处在一个发展阶段，很多学者也都致力于研究开发新的汽车CAN总线的应用标准。随着CAN-BUS技术的不断发展，CAN-BUS在汽车计算机网络控制中必将得到更加广泛的应用。
参考文献：
[1]饶运涛、邹继军、郑勇芸，现场总线CAN原理与应用技术，北京航空航天大学出版社.2003.6.
[2]朱凡、孙运强，CAN总线在汽车网络系统中的应用与研究，机械管理开发.2006.4.
[3]陈三昧、陈晨，CAN总线在汽车计算机控制系统中的应用，内燃机. 2006.2.
[4]陈宁，CAN总线技术在汽车局域网中的应用，客车技术与研究.2006.3.
[5]任哲、尹智勇等，汽车CAN总线控制器的设计[J].微计算机信息. 2007.3-2:262-263.
[6]李东江等，汽车车载网络系统(CAN-BUS)原理与检修.北京:机械工业出版社.2004.
[7]吴诰圭，汽车电子控制技术和车内局域网.北京:电子工业出版社. 2003.
[8]张凤山，波罗(POLO)轿车使用维修手册.北京:金盾出版社.2003.
[9]朱建风、李国忠，常见车系CAN-BUS原理与检修.机械工业出版社. 2006.10.