CAN总线在汽车上的应用

CAN总线在汽车上的应⽤
CAN总线在汽车上的应⽤
摘要：CAN(Controller Area Network)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
The application of CAN bus in the car
Abstract：CAN is short for Controller Area Network and belongs to the category of industrial field bus.CAN bus data communication has the prominent reliability, real-time and flexibility belongs to the category of industrial field bus.Due to its good performance and unique design, the car is the most widely used in the field of CAN bus to implement the internal control system and data communication between the various detection and actuator.The focus of this article is introduced the CAN bus in the car on the specific application.
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(Controller Area Network)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125 Kbps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)、Boot ROM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Boot Rom 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，这⼀点与环型⽹络截然不同。

（2）由于所有的节点都在同⼀线路上进⾏通信，因此总线上的任何⼀处故障都可能导致所有的节点⽆法正常⼯作。

（3）总线式⽹络结构简单，电缆长度要求最短，造价低廉，便于维护，站点接⼊灵活，如果某个站点失效不会影响其它站点的⼯作。

图3.线性拓扑结构
2.环型⽹络拓扑结构
环型⽹络拓扑结构如图所⽰，其特点如下：
（1）环型⽹络中的信息是单⽅向的，每个收到信息包的节点向它的下游节点转发该信息，信息在⽹络中环游⼀圈以后由发送节点进⾏回收。

（2）环型⽹络中的任何⼀个节点（控制单元）包括环中任何⼀段线路损坏都会使⽹络的通信出现故障。

所以往往需要在主环之外安装备⽤环。

（3）环型拓扑结构的优点是传输速度快，抗⼲扰性强。

但环型⽹络的通信部件⽐较昂贵。

管理与总线型相⽐要⿇烦的多。

图4.环型拓扑结构
3.星型⽹络拓扑结构
星型⽹络拓扑结构如图所⽰，其特点介绍如下。

（1）星型⽹络中有⼀个惟⼀的转发节点（中央节点），每⼀个站点都是通过单独的通信线路连接到中央节点，并由中央节点向⽬标站点传送信息。

（2）星型拓扑⽹络的结构安装⽐总线式容易，通常使⽤双绞线，因此价格便宜。

由于所有站点都与中⼼节点相连，所以移动或删除某⼀个节点变得⼗分简单，⽽且单个连接点的故障只影响相应站点的⼯作，不会影响整个⽹络。

（3）每⼀个站点直接与中央节点相连，所以需要⼤量电缆，如果中央节点发⽣故障，则整个⽹络将瘫痪，所以往往对中央节点的可靠性要求⾮常⾼。

图5.星型拓扑结构
在实际应⽤中，以⼤众汽车的CAN总线系统为例，该系统分为5个不同的总线区域——动⼒系统、舒适系统、信息系统、诊断系统、仪表系统。

其运⾏特点有如下4点：
①动⼒CAN数据总线经过短时⽆载运⾏后切断，舒适系统CAN数据总线保持随时可⽤状态；
②为了降低供电⽹络的负荷，若动⼒总线系统关闭，舒适总线系统则进⼊休眠状态；
③舒适/信息CAN数据总线在⼀条数据线短路时，可以⽤另⼀条线继续⼯作，并切换进⼊“单线⼯作模式”；
④动⼒CAN总线数据信号与舒适/信息CAN数据信号是不同的。

这样⼀来可以确保车辆在节能的前提下更好地实现CAN总线控制功能，提⾼了安全系数并避免了突发情况造成的操作失灵，属于较为成熟的CAN总线控制系统。

动⼒系统主要包含发动机控制单元、ABS控制单元、ESP控制单元、⾃动变速器控制单元、安全⽓囊控制单元、组合仪表控制单元等，即传统意义上的发动机控制与底盘控制。

这⼀市场基本被外资企业垄断，国内企业基本⽆法进⼊。

舒适系统和信息系统主要包含⾃动空调控制单元、车门控制单元、舒适控制单元、收⾳机和导航显⽰单元。

也就是传统意义的车⾝控制单元（BCM模块）。

这⼀市场国内企业尝试过进⼊，但是由于资⾦不⾜和整车企业不开放⽹络协议等原因，发展速度并不是很快。

五．CAN应⽤于⼤中型客车
随着中国城市⼈们⽣活⽔平的提⾼，城市客车设计中“⼈性化”的要求越来越⾼，客车⼚家为了满⾜客户⽇益增加的需求，不断地改善乘车环境，提升驾乘的舒适性。

不断加装电⼦器件使城市客车电⽓系统愈加复杂：全车的控制开关过多，导致在仪表板上已经⽆法布置；电缆总长不断延伸，重量不断增加。

这样⼀来，客车电⽓系统⾃⾝的安全性能呈现下降趋势，故障发⽣频率越来越髙，危及安全的事故（⾃燃断路、他燃断路）时有发⽣，受到⾏业⾼度关注。

国内主流的客车企业，如郑州宇通、厦门⾦旅、苏州⾦龙、北汽福⽥、安徽安凯、中通客车、青年客车、东风扬⼦江等都在加⼤CAN技术的应⽤⼒度，致⼒于在满
⾜“⼈性化”要求前提下，不断提升客车电控系统技术⽔平的同时，确保客车安全性的⽔准持续提升。

⼤中型客车CAN总线应⽤特点主要有以下⼏点：
（1）在动⼒传动系统⽅⾯，CAN总线技术在发动机ECU、变速箱TCU、ABS/ESP等关键零部件⽅⾯已经全部应⽤。

国内部分⼚商通过协调关键零部件⼚商可以开放相关的CAN总线协议，并将其集成到⾃⾝的整车⽹络中。

还有⼀部分⼚商并没有使⽤CAN总线接⼝，或是让零部件供应商协调，⾃⼰并不参与。

（2）在客车应⽤上，由于⽤户要求分散、车型变化多，依靠CAN总线智能的配置功能，将功能模块化、通⽤化，实现系统的灵活智能配置已经成为趋势。

客车CAN总线系统基于国际通⽤的协议J1939进⾏研发，进⼊壁垒较低，更容易实现突破，因此国内主要研发CAN总线产品的企业都集中在⼤中型客车这⼀市场。

（3）在总线通讯协议开发的同时，主机⼚越来越重视⽹络诊断功能的开发。

依靠总线进⾏智能化诊断已经成为电⽓化发展的主流。

⽬前国内企业在这⼀⽅⾯的技术⽔平已相当过硬，最主要的竞争点在于国内产品与外资产品的价格和⽤户体验上：国内企业在价格上占据优势，⽽外资企业在⽤户体验上更胜⼀筹。

客车由于车⾝最复杂，车⾝控制⼀般要形成独⽴的解决⽅案。

国内企业针对这⼀需求推出完整的车⾝CAN总线控制系统，不但解决了电器、ECU之间通信及节省线束等问题，还通过输⼊/输出模块（即BCM模块）架构起全车⽹络平台，优化控制逻辑、诊断等形成车⾝智能控制。

在这⼀市场，国外汽车电⼦企业与国内汽车电⼦企业介⼊时间差距不⼤，国内部分产品的技术指标已达到国际先进⽔平。

⽬前，这⼀市场已基本处于国内拥有⾃主知识产权产品的企业占主导地位的发展阶段。

六．CAN应⽤于中重型载重货车
CAN总线技术在全世界范围的应⽤范围在不断扩⼤。

ISO 11898作为硬件协议，SAE 1939已基本被越来越多的国家所接受并被采⽤。

SAE 1939由SAE（美国汽车⼯程师协会）制定，适⽤卡车及客车产品。

SAE 1939在CAN的基础上定义⽹络层和应⽤层，提出⼀个电⼦系统间的开放互联系统。

即通过提供⼀个标准的框架，使电控单元（Electronic Control Units，ECU）之间可以实现相互通信，也就是遵循同⼀个J1939/0X⽂件的电控单元可以通过该⽹络连接且彼此通信⽽不需要额外的功能接⼝。

下图所⽰的⽹络，仅包含⼀个独⽴的物理层，由主⽹及连接其上的⼀个或多个⼦⽹构成。

J1939⽹络
图6.独⽴⽹络
⽹络还可以由多重⼦⽹构成，如下图所⽰。

SAE1939-11或-15中描述的物理层都可以作为主⽹或⼦⽹物理层。

桥接器是⽤来将⼦⽹与主⽹或⼦⽹与⼦⽹连接在⼀起的。

⼀种可⾏的放置⽅式是在需要提供地址分配和将挂车⼦⽹与主⽹进⾏电⽓分离的每个挂车或台车上放置⼀个桥接器。

虽然没有明确地说明，但台车使⽤与挂车相同的桥接器和⼦⽹结构是可⾏的。

图7.多重⼦⽹
由于采⽤CAN总线系统的产品使电⼦电器架构更为优化、操作更加⼈性化，提升了⾃⾝的竞争⼒。

国内在这⼀⽅⾯起步⽐较早的企业是中国重汽集团，在2004年即开始在部分车型上配装CAN总线控制系统，截⽌到2010年，其车⾝控制系统已配装在
HOWO 中⾼端产品和A7产品上，装车的套数达到10万套以上。

另外，⼀汽集团的J6重型载货车、J5中⾼端车型，东风汽车公司的天龙、霸龙等产品、陕汽集团的曼系列产品和北汽福⽥欧曼中⾼档产品上，均已应⽤CAN总线车⾝控制系统和有关技术。

载货车企业针对不同产品对CAN车⾝控制系统的功能要求也不尽相同，虽然同样基于国际上公开的J1939协议，但需要针对不同功能对协议中的冗余部分进⾏剪裁、不⾜部分还需要进⾏添加，改造的空间较⼤。

由于尚未形成统⼀的模式和框架，对于系统供应商的科研能⼒和应变能⼒提出较⾼的要求。

⽬前国内CAN总线系统的供货商多为⼤陆集团下属的原西门⼦VDO，国内企业产品的市场占有率较低。

七．结束语
技术的先进性是总线在汽车上应⽤的最⼤动⼒, 也是汽车⽣产商竞相应⽤总线的主要原因。

在现代轿车的设计中, CAN已经成为必须采⽤的装置, 奔驰、宝马、⼤众、沃尔沃、雷诺等汽车都采⽤了CAN作为控制器联⽹的⼿段。

据相关报道，奇瑞公司已经配装成功国内⾸辆CAN⽹络系统混合动⼒轿车，并已投⼊运⾏中。

POLO汽车、上海⼤众的帕萨特也都开始引⽤此技术，相信CAN总线技术将会成为汽车领域发展的途径。

参考⽂献：
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