CAN通信網(wǎng)在汽車中的應(yīng)用研究

控制局域網(wǎng)CAN(ControllerAreaNetwork)是德國Bosch公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而應(yīng)用開發(fā)的一種通信協(xié)議。在國外，尤其是歐洲，CAN網(wǎng)絡(luò)已被廣泛地應(yīng)用在汽車上，如BENZ、BMW、PORSCHE、ROLLSROYCE、JAGUAR等車。

現(xiàn)代汽車典型的控制單元有電控燃油噴射系統(tǒng)、電控傳動系統(tǒng)、防抱死制動系統(tǒng)(ABS)、防滑控制系統(tǒng)(ASR)、廢氣再循環(huán)控制、巡航系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)。

在一個完善的汽車電子控制系統(tǒng)中，許多動態(tài)信息必須與車速同步。為了滿足各子系統(tǒng)的實時性要求，有必要對汽車公共數(shù)據(jù)實行共享，如發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車輪轉(zhuǎn)速、油門踏板位置等。但每個控制單元對實時性的要求是因數(shù)據(jù)的更新速率和控制周期不同而不同的。例如，一個8缸柴油機運行在2400r/min，則電控單元控制兩次噴射的時間間隔為6.25ms。其中，噴射持續(xù)時間為30°的曲軸轉(zhuǎn)角(2ms)，在剩余的4ms內(nèi)需完成轉(zhuǎn)速測量、油量測量、A/D轉(zhuǎn)換、工況計算、執(zhí)行器的控制等一系列過程。這就意味著數(shù)據(jù)發(fā)送與接收必須在1ms內(nèi)完成，才能達(dá)到柴油機電控的實時性要求。這就要求其數(shù)據(jù)交換網(wǎng)是基于優(yōu)先權(quán)競爭的模式，且本身具有極高的通信速率，CAN現(xiàn)場總線正是為滿足這些要求而設(shè)計的。不同參數(shù)應(yīng)具有不同的通信優(yōu)先權(quán)。

典型參數(shù)允許響應(yīng)時間

發(fā)動機噴油量10ms

發(fā)動機轉(zhuǎn)速300ms

車輪轉(zhuǎn)速1s~100s

進(jìn)氣溫度20s

冷卻液溫度1min

燃油溫度≈10min

3CAN總線的特點及通信協(xié)議

3.1CAN總線的特點

CAN作為一種多主總線，支持分布式實時控制的通信網(wǎng)絡(luò)。其通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖。在汽車發(fā)動機控制部件、傳感器、抗滑系統(tǒng)等應(yīng)用中，總線的位速率最大可達(dá)1Mbit/s。CAN光線具有以下主要特性：

a.無破壞性的基于優(yōu)先權(quán)競爭的總線仲裁。

b.可借助接收濾波的多地址幀傳送。

c.具有錯誤檢測與出錯幀自動重發(fā)送功能。

d.數(shù)據(jù)傳送方式可分?jǐn)?shù)據(jù)廣播式和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請求式。

3.2CAN總線幀格式

CAN和OSI七層參考模式，按照IEEE802.2和IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)，其通信接口集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗及優(yōu)先級別等項工作。在系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)按照攜帶的信息類型可分為四種幀格式：

a.數(shù)據(jù)幀。

用于節(jié)點間傳遞數(shù)據(jù)，是網(wǎng)絡(luò)信息的主體。一個數(shù)據(jù)幀由7個不同位場構(gòu)成：幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC場、ACK場和幀結(jié)束。其中數(shù)據(jù)段長度可編程0～8個字節(jié)。
數(shù)據(jù)幀格式

b.遠(yuǎn)程幀。由在線單元發(fā)送，用于請求發(fā)送具有相同標(biāo)識符的數(shù)據(jù)幀，其幀格式與數(shù)據(jù)幀基本相同，但沒有數(shù)據(jù)場。

c.出錯幀。出錯幀是檢測總線出錯的一個信號標(biāo)志，由兩個不同場構(gòu)成。第一場由來自不同節(jié)點的錯誤標(biāo)志疊加，第二個場為錯誤界定符。CAN協(xié)議采用CRC檢驗并可提供相應(yīng)的錯誤處理功能，保證數(shù)據(jù)通信的可靠性。

d.超載幀。由超載標(biāo)識和超載界定符組成，表明邏輯鏈路控制層要求的內(nèi)部超載狀態(tài)，并將由媒體訪問控制層的一些出錯條件而被啟動發(fā)送。用于擴展幀序列的延遲時間。

3.3CAN數(shù)據(jù)鏈路控制

系統(tǒng)中，CAN總線以報文為單位進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，節(jié)點對總線的訪問采取位仲裁方式。報文起始發(fā)送節(jié)點標(biāo)識符分為功能標(biāo)識符(如轉(zhuǎn)速信號)和地址標(biāo)識符(如控制單元節(jié)點地址)。CAN協(xié)議的最大特點是打破了傳統(tǒng)的節(jié)點地址編碼方式，而擴展了對通信數(shù)據(jù)塊進(jìn)行編碼方式。采用數(shù)據(jù)塊的標(biāo)識符可用11位或29位二進(jìn)制表示，即可定義211或229個不同的數(shù)據(jù)類型。即使對未來更復(fù)雜的汽車控制網(wǎng)絡(luò)其容量也足夠了。標(biāo)識符的值越小，幀數(shù)據(jù)的優(yōu)先級越高。通過數(shù)據(jù)鏈路控制，每個接收器完成幀接收濾波確定此幀數(shù)據(jù)是否有效，實際汽車應(yīng)用中一般采用不冗余的通信線路，而CAN協(xié)議提供強大的出錯診斷機制，在保證數(shù)據(jù)通信的可靠性方面起了重要作用。