浅谈CAN总线在汽车上的应用

浅谈CAN总线在汽车上的应用
浅谈CAN总线在汽车上的应用
【摘要】：随着电子技术的迅速发展和在汽车上的广泛应用,汽车上应用的ECU(电子控制单元)越来越多。

电子设备的大量应用必然导致车身布线量大而且复杂,安装空间紧缺,运行可靠性降低,故障维修难度增大。

为了实现车内各ECU协同动作,达到智慧控制的目的,要求大量的数据信息能在不同的电子单元中共享,同时汽车综合控制系统中大量的控制信号也需要实时交换。

传统电器系统采用的点到点的单一通信方式已远不能满足这种需求。

因此,改变汽车传统的数据传输方式已经成为汽车技术发展的必然趋势。

【关键词】：车载网络模块 CAN
一、绪论
1、研究背景及意义
随着汽车技术的快速发展，汽车性能不断提高，汽车电器与电子控制装置在汽车上的应用越来越多，例如电子燃油喷射系统（EFI）、汽车防滑控制系统(ABS/ASR)、电控自动变速器、安全气囊（SRS）、电子悬架、电控动力转向系统等。

由于集成电路和电控单元在汽车上的广泛应用，汽车上的电控单元的数量越来越多，线路越来越复杂。

传统点到点布线方式使汽车上的导线数量成倍增加，汽车的线束越来越庞大，而复杂和凌乱的线束使电器线路的故障率增加，降低了汽车电器与电子控制装置的工作可靠性，同时增加了汽车的自身重量，耗油增加；占用空间更大，使得在有限的汽车空间内布线越来越困难；当线路发生故障时，不仅故障查找麻烦，而且维修也很困难，在一定程度上影响了电子控制技术在汽车上的应用。

随着汽车电子控制装置的大量使用，有些数据需要在不同的控制系统中共享，大量的控制信号也需要实时交换，以提高系统资源的利用率和系统的工作可靠性。

采用传统的点到点的布线方式，信号传输的可靠性、信息传送速度均具有不适应性，信息传输材料成本较高。

为了简化线路，提高信息传输的速度和可靠性，降低故障率，越来越多的汽车公司在汽车上采用网络技术，如控制器局域网（CAN）、局部连接网络（LIN）、和局域网（LAN）等。

一辆汽车不管有多少个电控单元，每个
电控单元都只需引出两条线共同接在两个节点上，这两条导线就称为数据总线。

采用车载网络可减少线束尺寸、降低成本、减少插接器的数量，同一款车同等配置下，可以大大简化汽车线束；可以进行设备之间的通信，增加功能；通过信息共享，减少传感器信号的重复数量。

汽车电子化程度越来越高，电子设备的大量应用导致车身布线庞大而且复杂，安装空间紧缺，运行可靠性降低，故障维修难度增大。

为了提高信号的利用率，要求大批的数据信息能在不同的电子单元中共享，汽车综合控制系统中大量的控制信号也需要实时交换，传统的电器系统大多采用点对点的单一通信方式，已经不能满足这种需求，针对上述问题，在借鉴计算机网络和现场控制技术的基础上，汽车网络技术应运而生。

2、CAN控制器局域网的发展
1986年2月，Robert Bosch公司在SAE（汽车工程协会）大会上介绍了一种新型的串行总线——CAN控制器局域网,那是CAN诞生的时刻。

今天，在欧洲几乎每一辆新客车均装配有CAN局域网。

同样，CAN也用于其他类型的交通工具，从火车到轮船或者用于工业控制。

CAN已经成为全球范围内最重要的总线之一——甚至领导着串行总线。

在1999年，接近6千万个CAN控制器投入应用；20001CAN。

在1980年的早些时候，Bosch公司的工程师就开始论证当时的串行总线用于客车系统的可行性。

因为没有一种现成的网络方案能够完全满足汽车工程师们的要求。

在1983年初，UweKiencke 开始研究一种新的串行总线。

新总线的主要方向是增加新功能、减少电气连接线，使其能够用于产品，而非用于驱动技术。

来自Mercedes-Benz 的工程师较早制定了总线的状态说明，而Intel也准备作为半导体生产的主要厂商。

当时聘请的顾问之一是来自于德国Braunschweig-Wolfenbüttel的Applied Science大学教授Wolfhard Lawrenz博士给出了新网络方案的名字“Controller Area Network”,简称CAN。

来自Karlsruhe大学的教授Horst Wettstein博士也提供了理论支持。

1986年2月，CAN诞生了。

在底特律的汽车工程协会大会上，由 Bosch 公司研究的新总线系统被称为“汽车串行控制器局域网”。

Uwe Kiencke、Siegfried Dais 和 Martin Litschel 分别介绍了这种多主网络方案。

此
方案基于非破坏性的仲裁机制，能够确保高优先级报文的无延迟传输。

并且，不需要在总线上设置主控制器。

此外，CAN之父——上述几位教授和Bosch公司的Wolfgang Borst、Wolfgang Botzenhard、Otto Karl、Helmut Schelling、Jan Unruh 已经实现了数种在CAN中的错误检测机制。

该错误检测也包括自动断开故障节点功能，以确保能继续进行剩余节点之间的通讯。

同时，用于识别报文的标识符也规定了该报文在系统中的优先级。

当关于这种革新的通讯方案的大部分文字内容制定之后，于1987年中期，Intel提前计划2个月交付了首枚CAN控制器：82526，这是CAN方案首次通过硬件实现。

仅仅用了四年的时间。

二、CAN的结构原理
1、CAN总线系统的结构
CAN总线是一种有效支持分布式控制或实时控制的现场总线。

有CAN 总线构成的现场总线网络的结构一般由控制器节点、传感器节点、执行器节点以及其他的监控节点如人机界面组成。

CAN作为控制局域网还可以通过网关和其他网络如以太网互联构成大型复杂的控制网络结构。

如下图
2、CAN总线系统的通讯方式
如下图就较好的表示了用CAN总线系统组成的现场总线网络的结构。

CAN总线两种典型的通信方式是：多主方式和主从方式。

CAN总线在多主方式下工作时，网络上任一节点均可在任意时刻主动向网络发送信息，从不分主次。

多主方式通信灵活，无需占地址等节点信息。

在该方式下，CAN 网络支持点对点、一点对多点和全局广播方式接收、发送数据。

为避免总线冲突采用非破坏性总线仲裁技术，根据需要将各个节点设定为不同的优先级，并以标识符标定，在发生冲突时，优先级低的节点主动停止发送，从而解决了总线冲突问题。

三、网络技术在车辆上的应用
1、网络技术汽车内部应用
按汽车局域网发展趋势，不久将来CANC类网将逐步普及，并占据主导位。

控制器局域网CAN是20世纪80年代初BOSCH公司为解决现代汽车中众多控制单元、测试仪器之间实时数据交换而开发一种串行通信协议，经多次修订，于1991年9月形成技术规范2.0版本。

CAN具有如下特性：
1.1国际标准ISO 11898规范，CAN总线规范
2.0 PART 90，PART B
2、CAN可以多主方式工作，网络上任意一个节点均可以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。

3、CAN网络上分
4、CAN采用非破坏性总线裁决技术，当2个节点同时向网络上传送信息时，优先级低节点主动停止数据发送，而优先级高节点可不受影响继续传输数据，大大节省了总线冲突裁决时间；最重要是网络负载很重情况下会出现网络瘫痪情况。

5、CAN可以点对点，一点对多点（成组）及全局广播几种方式传送接收数据
6、CAN直接通信距离最远可达10 km（速率5 kb/s以下）。

7、CAN通信速率最高可达1 Mb/s（此时距离最长40 m）。

8、CAN上节点数实际可达110个。

9、CAN采用短帧结构，每一帧有效字节数为8个，这样传输时间短，受干扰概率低，且具有极好检错效果。

10、CAN每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，保证了数据出错率极低。

11、通讯介质采用廉价双绞线即可，无特殊要求。

12、CAN节点错误严重情况下，具有自动关闭总线功能，切断他与总线联系，以使总线上其他操作不受影响。

13、NRZ编码/解码方式，并采用位填充技术。

其良好运行特性、极高可靠性和独特设计，特别适合现代汽车各电子控制单元之间互联通讯，也越来越受到其他业界欢迎。

国外，尤其是美国和欧洲，CAN已被广泛应用于汽车（如BENZ，BMW，PORSCHE，JAGUAR等）、火车、船舶、机器人、楼宇自动化、机械制造、数控机床、医疗器械、液压传动、自动化仪表等领域。

目前，支持CAN协议有INTEL，MOTOROLA，PHILIPS，SIEMENS，NEC，HONEYWELL等百余家国际著名公司，其中CAN应用器件也琳琅满目、层出不穷，已经逐步形成产品系列。

目前市场上最常见CAN总线产品PHILIPSPCA82C200，SJA1000，P8XC591，P8XC592，PCA82C250等，其中SJA1000和PCA82C200为独立CAN控制器，P8XC591和P8XC592将微控制器和CAN通讯控制器集成为一体，82C250是CAN总线收发器，用于CAN器件与物理总线连接。

用CAN组成汽车网络系统资料信息量非常大，有快速变化信号和
渐变信号。

为保证总线上交通畅通，重要信息发生总线访问冲突时优先发送，合理安排资料信息总线访问优先级显尤为重要。

各电子控制单元正常工作所能容许最大时间延迟是决定资料访问总线优先级最主要因素。

对转矩、车速及发动机转速等快速变化信号必须进行高速采样，并以相应速率总线上传输，数据总线访问优先级也高。

对进气温度、冷液温度、燃油温度等变化较慢信号每隔100 ms或1 min采样一次就完全足够，数据总线访问优先级相应就很低。

同样一个参数信号对控制系统正常工作显非常重要，也可获较高优先级。

值注意是，数据总线访问优先级设定固定不变，各种外部参数和汽车驾驶情况变化而不断变化。

如发动机控制，是点火时间控制，燃油喷射控制，都必须和发动机转速同步，发动机转速较高时，控制信号总线访问优先权提高，发动机转速较低时，控制信号总线访问优先权相应降低。

2、网络技术汽车外部应用
汽车上网系统，是一种无线网络结构。

他，人们驾驶汽车时就可以像家一样进行上网、发Email等所有网上操作。

目前不少公司进行这方面工作。

如IBM公司和Motorola公司已合作开发车用无线Internet技术，这项技术将使驾驶员和乘客能够车上发送电子邮件以及从事网上各种活动，如电子商务和网上购物、查看股市行情和天气预报等。

另外Microsoft公司新推出了专门为“车上网”设计Auto PC 软件，采用Windows CE操作系统，他具有交互式语言识别等各种多媒体功能。

这种功能能够有效保障汽车行车安全，他可以让汽车驾驶员手不离方向盘、眼不离行驶前方情况下，与PC机系统交换各种信息，例如行车前方交通状况有无塞车、最短时间导航等；也可以他车上收发Email、打网络电话和其他上网活动。

革新通用公司开发了“车上网”系统，还装有车载自动化办公系统。

该系统采用了超高速光纤串行数据通道（MML），具有多路数字式影音能力，可以有效调控多信道大容量输入、输出信号，例如CD、DVD、显示器、电视接收天线、音响和全球卫星定位导航系统都可以和该系统交换信。

车载网络由高速CAN和低速CAN两部分组成,动力总成系统为满足
其高实时性、高可靠性的要求,采用高速CAN网络(速率500kb/s),车身控制网络采用低速CAN网络,两个网络通过网关进行通信连接。

诊断设备接口采用标准的16针口直接与网关相连接, 基于CAN网络的整车故障诊断系统拓扑图在诊断过程中,诊断设备通过网关进行服务请求,网关经过识别后向整个CAN网络的ECU节点发送服务请求信息,当网络中某个控制器接收信息后返回服务响应,与诊断设备建立通信连接。

文中CAN网络通信协议遵循CAN210A数据帧标志符由11b组成,帧的长度为8B,当数据长度超过8B时需要按照传输层协议对数据重组,
在上位机实现汽车电控单元的通信协议与串行通信的协议转换和电平转换。

四、有车载网络车辆的故障诊断
1、车辆诊断技术的发展
汽车检测诊断技术是指在整车不解体情况下,通过对汽车进行检查、测试、分析,确定汽车的技术状况,查明故障原因和故障部位的汽车应用技术,包括汽车故障诊断技术和检测技术。

近年来,随着我国汽车业和交通运输业迅猛不断地发展,汽车已成为人们工作、学习、生活不可缺少的运载工具。

现代汽车状况检测诊断技术广泛应用就显得尤为重要,为汽车安全提供了保障。

尤其是我国检测诊断技术的研发,设备的规格,品种较为齐全,性能优良可靠,它促进了我国汽车检测技术的水平进一步提高。

它是伴随着汽车技术的发展而发展的。

汽车电控系统的功用是提高汽车的整体性能,包括动力性、经济性、安全性、舒适性、操纵性、通过性以及排放性能等。

虽然汽车车型不同、档次不同,采用电控系统的功能和多少也不尽相同,但是汽车电子控制系统基本结构都是由传感器(传感软件)与开关信号、电控单元ECU和执行器(执行原件)三个部分组成,这是电控系统共同的特点。

汽车电控技术所涵盖的范围是非常宽的,几乎遍及了汽车的各个系统,例如:电控发动机、电控自动变速器、电控制制动防抱死装置、电控安全气囊、电控悬持装置等等.因此汽车发展的早期,人们主
要是通过有经验的维修人员发现汽车的故障并作有针对性的修理。

已经不能满足汽车的高速发展，随着现代科学技术的进步,特别是计算机技术的进步,汽车检测技术也飞速发展。

目前人们能依靠各种先进的仪器设备,对汽车进行不解体检测,而且安全、迅速、可靠。

其发展远景是自动寻找故障和实现诊断,提高诊断的准确程度和以最小的劳动消耗实现高的可靠性。

随着汽车用途的日益广泛，使用量的急剧增加，汽车故障发生率和提高故障诊断的技术成为汽车工业一个十分重要的问题。

现代汽车的技术性能已变得越来越好，结构也变得越来越复杂，同时，故障诊断的难度也有了相应的增加，人们迫切需要提高系统的可靠性、可维修性和安全性，因而有必要建立一个监控系统来监控整个系统的运行状态，不断检测系统的变化和故障信息，进而采取必要的措施，防止事故的发生，这使得汽车故障诊断技术必须改变原始的检测方法，以新的检测诊断技术和方法来保证汽车运行的安全、节能，降低车辆排放量和噪音，减少运行和维修成本，以延长其经济使用寿命。

为了改变和突破汽车故障诊断以经验和技艺的传统观点，以现代故障诊断理论和技术为基础，建立科学、系统、合理、完善的汽车故障诊断理论及其体系，已变成目前汽车故障诊断理论的必然要求和技术发展的必然趋势，能跟踪和掌握汽车领域高新技术的智能故障诊断理论和方法的研究具有十分重要的实际意义和非常广泛的应用前景。

因此，汽车故障诊断技术得到迅速发展，已成为科技研究的热点之一。

汽车故障诊断技术是一门综合性的技术，它涉及多门学科，如现代控制理论、信号处理、模式识别、计算机工程、人工智能、电子技术、应用数学、数理统计以及相关的应用学科。

（二）OBD系统的应用
随着现代汽车技术的发展和政府部门对环境保护工作的日益重视,汽车排放物的污染问题也越来越受世人的关注,世界各国制定的排放法规也
越来越严格,至2009年7月1日,我国所生产的汽车必须全部加装车载故障诊断系统,所以要实现对汽车性能的提升以及对汽车尾气排放更精确的控
制就必须研究汽车故障自动诊断系统,也就是COOBD系统。

是英文On-Board
Diagnostics的缩写,即“车载诊断系统”。

该系统可根据发动机的运行状况来监测汽车尾气排放是否超标,一旦检测到汽车尾气排放超标,它会马上CAN总线发信号给表盘,对司机发出警示。

不同发动机管理系统的OBD功能和诊断策略可能不同,就一般的汽车发动机电子控制系统而言,其主要控制目标是点火正时和燃油喷射。

除去发动机本身的机械故障外,“点火”与“喷油”的非正常匹配必然导致发动机工作不正常。

以汽油发动机为例,对一些典型的诊断功能具体说明如下：
1．催化转化器诊断;汽车最少使用两个氧传感器作为催化转化器效率控制器。

其中一个用于输送反馈信息给ECU以进行燃油控制,另一个位于催化转化器下游的氧传感器,用来指示催化转化器的转化效率。

OBD系统对催化转化器劣化程度的监督通过装于其前后的两只氧传感器信号间的差异对比来完成。

如果催化转化器工作正常,则催化器上游的氧信号有波动,而催化器下游的氧信号则相对较平坦。

一旦下游氧传感器的信号与上游氧传感器读数接近,则认为该催化转化器已经劣化,从而OBD系统发出报警信号。

2．发动机失火诊断;发动机失火会导致燃料不完全燃烧,从而使CO 和HC排放量有不同程度增加。

可通过曲轴位置传感器信号判断发动机是否有失火现象发生。

Ε≅对失火判断的条件相对苛刻,为了防止发生误诊,通常会在车辆行驶较为平稳的状况下进行失火检测,将车轮速度传感器信号、节气门位置传感器信号、曲轴位置传感器信号和输出转矩的连续分析等进行综合考虑才能够准确计算出相应的失火率。

并且ECU会冻结帧数据中存储失火发生瞬间的车辆状态参数,例如车速、发动机转速、冷却液温度、机油温度和燃油修正值等,以便车辆维修时进行核查。

3．氧传感器的劣化;氧传感器在车辆排放控制零部件中非常重要,其在OBD系统诊断过程中主要是检测其输出功率∃电压值)波形的变化。

氧传感器失效模式主要有反应周期延迟和电压偏移两种情况,随着车用氧传感器使用时间的增长,会因为积碳等原因造成其输出电压值的不稳定,即出现相应的劣化现象。

不同形式的氧传感器可能出现的故障类型也不同。

为了避免OBD系统发生误诊断,造成不必要的零部件更换,需要在一定检测条件内进行氧传感器劣化诊断,考虑到喷油、进气波动等因素,当车速稍高(例如
80Km|h)时诊断,准确程度较高。

4．综合部件监测;OBD系统对任何与排放有关的且与电控单元相连接的动力系部件,都必须监测其电路的连通状态。

这类部件输出的信号值在正常情况下是在一定的工作区间内变化,通过工作区间的判定即可确定是否
发生故障。

五、结束语
（一）总结
车载网络数据传输方式是利用数据总线将汽车上的各个功能模块（电控单元等）连接起来，形成汽车信息传输网络系统。

发送数据和控制信号的功能模块将数据和控制信号以编码的方式发送到通一根总线上，接收数据或控制信号的功能模块通过解码获得相应的数据和控制命令（或某个开关动作）。

其传输特点如下：
1、由于用一根总线替代了多跟导线，减少了导线的数量和线束的体积，简化了整车的线束，线路成本和质量都有所下降。

2、由于减少了线路和节点，信号传输的可靠性得到提高，并提高了整车电气线路的工作可靠性。

3、改善了系统的灵活性，通过系统软件即可实现控制系统功能变化和系统升级。

4、网络结构将各控制系统紧密连接，达到数据共享的目的，各控制系统的协调性可进一步提高。

通过传统汽车电路与车载网络的数据传输的两个典型例子：安全气囊和前照灯的对比研究分析，车载网络的数据传输具有传统电路无法弥补的优势，车载网络将在汽车的生产和使用上的到更加广泛的应用。

（二）展望
随着汽车电子技术的功能扩展，各大厂商都认识到车载网络协议的重要性，都不断研究推出各自的网络协议，并希望能变成国际标准。

从车载网络的应用和发展趋势上来看，新的汽车技术的发展需要网络系统具有更好的安全性、可靠性、有效性、可维护性、紧凑性以及使用寿命长等特点；同时，车载网络的应用需求会进一步细分，基于性能和成本的网络标准细化将是大势所趋。

致谢
在论文完成之际，我要特别感谢我的指导老师李吉浪老师的关怀和指导。

在我撰写论文的过程中，李吉浪老师给予了无私的帮助，在此表示真诚地感谢和深深的谢意。

在论文的写作过程中，也得到了许多同学的宝贵建议，同时在工作过程中得到许多同事的支持和帮助，在此一并致以诚挚的谢意。

三年的大学生活即将结束，感谢所有在大学生活中给我指导教育的老师们，在此一
并致以深深的谢意。

最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位老师表示衷心的感谢。

参考文献
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