CAN总线在汽车网络中的应用-系统集成与网络控制课程论文

CAN总线在汽车网络中的应用

摘要

随着现代汽车业的快速发展，汽车电子设备不断增加，汽车综合控制系统更加复杂，传统的点对点控制己经远远不能满足要求，现场总线的出现解决了这个问题。CAN总线则是众多现场总线中最具代表性的一个。CAN总线以其良好的性能，极高的可靠性和独特的设计，广泛应用于汽车电子控制系统中，是唯一一个成为国际标准的汽车局域网，并被公认为最有发展前途的现场总线之一。

本文综合分析了汽车网络的特点,论述了汽车网络协议的分类、发展以及应用现状，总结出汽车网络技术的发展趋势。CAN总线在汽车上的应用将使汽车的动力性、操作稳定性、安全性、燃油经济性都上升到新的高度,按汽车局域网发展趋势，CAN总线在中高速网络协议中将持续处于主流地位。

介绍并分析了CAN总线在汽车电子网络中常见应用方案及其简化方案，最后指出了CAN汽车网络未来发展方向以及对汽车行业的展望。

目录

一．

现场总线技术与汽车CAN总线网络............................................................. 2

1.1 现场总线技术概述 ...................................................................................... 2 1.2 CAN网络技术规范及其特点 ...................................................................... 3 二．

汽车电子系统以及汽车电子系统网络化...................................................... 5

2.1 汽车电子系统基本构成 ................................................................................ 5 2.2汽车电子系统网络化 ..................................................................................... 6 2.3 汽车网络系统结构 ........................................................................................ 8 三．

汽车CAN总线系统 ...................................................................................... 10

3.1 汽车CAN总线的发展与现状 ..................................................................... 10 3.2 汽车网络CAN总线应用方案 ..................................................................... 10 四．

总结与展望.................................................................................................... 14

一． 现场总线技术与汽车CAN总线网络

1.1 现场总线技术概述

现场总线是连接现场设备和控制系统之间的一种开放、全数字化、双向传输、多分支的通信网络，它的出现被誉为20世纪90年代工业控制领域的一场革命。自上个世纪80年代现场总线刚刚出现开始，围绕现场总线技术与现场总线标准的竞争就在各个公司、甚至是国家之间展开。如今现场总线仍旧是当今自动化领域的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。现场总线作为工业数据通信网络的基础，在现场控制层和更高层的控制管理层之间建立通信桥梁。它不仅是一个基层网络还是一种开放式、全分布式的控制系统。它将智能传感、控制、计算机、数据通信等多项技术相融合。

传统的控制系统难于实现设备之间以及系统与外界之间的信息交换，现场总线打破了传统控制系统的结构模式，采用串行数据传输连接方式代替传统的并联信号传输连接方法，它依次实现了控制层和现场总线设备层之间的数据传输，同时在保证传输实时性的情况下实现信息的可靠性和开放性。现场总线网络既是一个开放通信网络又是一个分布式控制网络。现场总线具有以下特点：

（1）布线简单：布线简单是现场总线技术的最为突出的优点，现场总线的最大突破是对布线方式的改革，最小化的布线方式和最大化的网络拓扑使得系统的接线成本和维护成本大大降低。由于采用串行方式,现场总线系统接线简单，大多数现场总线采用双绞线，还可以在一对双绞线或直接在一条电缆上挂接多个设备。如果要增加或减少车身中的控制单元都不会对原有网络产生影响，无需增加新的电缆，可以就近连接在原有电缆上,既节省了投资又减小了设计安装的工作量。如果在车身中采用现场总线式的布线网络系统给人明显的感觉就是简单直观。

（2）开放性：开放性是指开放的通信协议,不同厂家的设备之间可以进行互连并实现信息交换。通信协议开放就会方便开发人员开发并提高开发效率。开放式的系统把系统集成的权利交给用户，用户可以根据自己的不同需求选择不同厂商提供的设备进行系统集成，从而避免因选择某一品牌产品而带来的局限性。同

时用户也不会为系统的兼容性、接口统一等问题所困扰，主动权完全掌握在用户手中。这些特点使得现场总线既具备传统总线的低成本，又能适合先进型控制的网络化和系统化要求。

（3）实时性：总线的实时性要求是为了适应现场控制和现场采集的特点。一般的现场总线都要求在保证数据可靠性和完整性的条件下具备较高的传输速率和传输效率。总线上信号的传输速度要求越快越好，速度越快,表示系统的响应时间就越短。但是传输速度不能仅靠提高速度来解决，传输的效率也很重要。传输效率指的是有效的用户数据在传输帧中的比率还有成功传送的帧占所有传输帧的比率。

（4）可靠性：现场总线一般都具备很强的抗干扰能力，它能将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能分散到现场设备中完成，仅仅依靠现场设备就可完成自动控制的基本功能。同时,当系统发生故障时，现场总线设备具备一定的诊断能力，以最大限度保护网络，同时以最快的速度查找和解决故障节点出现的问题。总线的故障诊断能力大小是由总线所采用的传输物理媒介和传输的软件协议所决定的,所以不同的总线具有不同程度的诊断能力和处理能力。

（5）经济性：现场总线系统的接线十分简单，仅用一对双绞线或一条电缆就可以挂接多个设备，大大减少了了电缆、端子、槽盒和桥架的用量，连线设计与街头校对的工作量也大大减少。如果需要增加新的现场控制设备可以就近连接在原有电缆上，既节省了投资又减少了设计和安装的工作量。

1.2 CAN网络技术规范及其特点 技术规范

90年代以后，随着集成电路和电子功率器件制造技术的发展，廉价的微处理芯片和信号识别芯片开始大量的应用于网络、总线通讯接口电路中，加速了车载网络控制技术进入实用化阶段。近几年来，车载网络技术又有了很大的发展，尤其是CAN总线技术已被大多数汽车制造商所采用，与此同时，一些新的总线协议类型也在不断的出现。

CAN（Controller Area Network）即控制器局域网，可以归属于工业现场总线的范畴，通常称为CAN bus，即CAN总线，是目前国际上应用最广泛的开放式现

场总线之一。

CAN总线是最早成为国际标准的现场总线，由德国Bosch公司于1991年推出，是关于汽车内部测量部件与执行部件之间数据通信的国际标准。它广泛应用于离散控制领域，其总线规范已被150国际标准组织制定为国际标准，并得到了Intel、Motorola、Philips和NEC等公司的支持。1993年国际CAN总线用户及制造商协会在欧洲正式成立，协会的任务是制定和修改CAN总线的相关协议，解决CAN总线在应用当中的问题。虽然CAN总线协议最初是针对道路交通运输工具所制定的标准，但CAN总线在工业控制领域也发挥了巨大的作用在医疗、军事和智能网络等方面也有突出的应用。由于在CAN总线上传送的信号采用短帧结构，所以它对短报文的数据传送效率远好于Profibus和Modbus Plus等现场总线。目前为止CAN总线是ISO唯一认定的国际总线标准，它可靠、实时、灵活并有效地支持分布式控制和实时控制的串行通信网络，同时CAN总线易于进行二次开发。

CAN总线特点

随着汽车技术的发展,汽车当中ECU（电子控制单元）所控制的部件越来越多，这就必然导致整个车身中的线路庞大、通信信号速度变慢、出错率高及维修困难等一系列问题。如果采用CAN总线这个具有特殊设计结构的总线式网络，可以很好的解决这一系列的问题。

由于汽车内的环境很复杂,存在电器噪声高、机械应力、温度和易燃性等问题，如果在网络连接上出现任何的差错都可能会造成严重的后果。CAN总线自身的特性可以解决这些问题，它具有很高的可靠性、数据传输具有非常高的安全性。CAN总线有很高的实时性，采用总线仲裁技术CSMA/CD技术和短帧结构。利用CAMA/CD访问总线当检测到冲突的时候所有节点重新回到“监听”总线的状态,直到冲突结束后再开始发送报文。除去标识符ID，位填充，应答等，每帧的有效数据最多只有八个字节并且采用最高达1MbPs的传输速率，快速的传输速度确保了实时性要求。即使在发送过程中出现错误，报文自动重发所需的时间也很短。除此之外，CAN总线协议按照标识符的ID将报文分成不同的优先级，如果报文在发送时出现冲突,具有较高优先级的数据将会优先占用总线。

对于CAN总线的应用有以下7个特点：

（1）CAN总线为多主总线工作方式，支持分布式实时控制（各个节点均可在任意时刻主动向网络上的其它节点发送信息，不分主从，通信灵活）；通信介质常采用双绞线，同轴电缆等，通过标准插接件可方便的连接；

（2）CAN总线采用独特的非破坏性总线仲裁技术，优先级高的节点优先传送数据,当优先级高的节点传送信息时，优先级低的节点则退出发送，这样即使网络繁忙的时候也能保证正常通信并且还能满足实时性要求；

（3）CAN总线具有点对点、一点对多点及全局广播传送数据的功能； （4）CAN总线采用两根导线即可实现功能，在系统扩充时可直接将新节点挂在总线上，用线少，系统扩充灵活，改型方便。与总线相连的单元没有类似“地址”的信息，因此在总线上增加单元时，与总线相连的其它单元的软硬件及其应用层都不需要改变；

（5）CAN总线上每帧有效字节数最多为8个，并有CRC及其它校验方法，信号出错率极低，一旦某一节点出现严重错误，可自动脱离总线，总线上的其它节点不受影响；

二． 汽车电子系统以及汽车电子系统网络化

2.1 汽车电子系统基本构成

集成电路技术所取得的巨大成就使汽车电子前进了一步，更加先进的微处理器使汽车具有智能，能进行控制决策。这样在改善乘车安全性，提高乘客的舒适度方面，就可以增添许多新的功能。现在，汽车电子零件的持续发展将汽车电子又向前推进了步，汽车开始按照电子系统来定义和制造。

现代汽车中电子设备比比皆是，涉及到汽车的主要部件，基本上可以分为三类：动力电子系统、安全与底盘电子系统、车身电子系统。

动力电子系统主要包括发动机管理和传动装置，这是汽车的核心。汽车数量的激增引发了空气污染问题，对此各国政府对汽车尾气排放颁布了严格的规定亚洲国家也效仿这一做法，以解决主要大城市的空气污染问题。消除污染和使汽车尾气排放量达标的方法是采用电子系统。发动机控制系统越来越复杂，需要收集分布在汽车各处传感器发出的信息，按照内嵌软件的指令进行实时计算，所以其计算的速度非常重要，这就是发动机控制系统需要快速高档微处理器的原因。

安全与底盘电子的出现，得益于电子半导体技术的发展，使司乘人员的安全性得到提高，如ABS（Anti-lock Braking System）和安全气囊在各种档次的汽车中应用相当普遍，而不仅限于高档汽车。现在，这些应用系统要进行更复杂的运算，并使用了16位或甚至32位微控制器。随着传感器输出信号的可靠性的增强，有可能进一步改进ABS和安全气囊的性能，例如，与CMOS技术兼容的加速度传感器，使得取样、保持和滤波器集成在一块芯片上，滤波器的作用是提高发送至微控制器的信号的精度。由于采用Smart-MOS技术，可将诊断功能与功率器件集成在一起。

车身电子系统可大量采用电子技术，其目标是提高驾驶舒适程度并为驾驶员提供车况信息。系统包括：仪表板管理、空调系统、座椅位置调节、可开式车顶、车门控制装置等等。这些应用系统通常是以低数据率进行数据传输的，但要求有大电流驱动模块来驱动马达和执行机构。

2.2汽车电子系统网络化

随着汽车电子控制单元以及汽车电子装置的不断增多，采用串行总线实现多路传输，组成汽车电子网络，是一种既可靠又经济的做法。同时现代汽车基于安全性和可靠性的要求，正越来越多的考虑使用电控系统代替原有的机械和液压系统，而这最终将使汽车上遍布网络。

过去，汽车通常采用常规的点对点通讯方式，将电子控制单元及电子装置连接起来。随着电子设备的不断增加，势必造成导线数量的不断增多，从而使得在有限的汽车空间内布线越来越困难，限制了功能的扩展。图2-1显示了汽车行业近三十年来线束增长的情况。

图2-1 近三十年汽车线束增长情况

汽车上的电控单元并不是仅仅与负载设备简单地连接，更多的是与外围设备及其他电控单元进行信息交流，并经过复杂的控制决策运算，发出控制指令，这些是不能通过简单地连接所能完成的。另外，在不同子系统中的电控单元常常会同时需要一些相同的传感器信号。这样就要求同一传感器信号必须同时被送至不同的控制器，由此要求各模块与此传感器之间通过导线连接起来，而导致车内导线长度无限增加,，电器节点数剧增，电器原理图繁琐复杂。而汽车线束重量每增加50公斤，每百公里油耗会增加0.2升。单从线束本身来说，它也是汽车电子系统中成本较高，连接复杂的部件。

现在，通过电控系统网络化控制能从根本上解决这些问题。在汽车内部采用基于总线的网络结构，可以达到信息共享、减少布线、降低成本以及提高总体可靠性的目的。汽车控制系统在经历了由机械式向电控的进步后，再一次向网络化控制迈进。

网络的概念是在协议管理下，由若干终端、传输设备和通信控制处理器等组成的系统集合。汽车电子控制网络则指按照特定的车用网络协议，以共享资源为主要目的，将所有位置上分散且独立工作的车载控制模块相互连接在一起的集合。汽车电子网络化控制是指网络的控制功能在汽车这一特定对象上的应用，它体现在车内各控制模块间的自由通信与相互协调。

目前，世界上所有的汽车制造商无一例外地在汽车网络化控制上投入大量资源，同时，厂商及消费者也从汽车网络化控制技术的广泛应用中获得了实际利益，这直接体现在汽车性价比的不断优化上。汽车网络化技术是通信技术及计算机技术与汽车控制理论相结合的产物，它将成为现代汽车控制技术最新最重要的技术基础，也将使人们关于网络化汽车的梦想变为现实。

2.3 汽车网络系统结构

国际上众多知名汽车公司早在上世纪80年代就积极致力于汽车网络技术的研究及应用，迄今为止，已有多种网络标准。目前存在的多种汽车网络标准，其侧重的功能有所不同，为方便研究和设计应用，SAE车辆网络委员会将汽车数据传输网划分为A、B、C三类。随着多媒体应用进入汽车内部，近年来车载多媒体网络的研究也得到了很大发展，不少文献中也将网络称为D类网络。

A类是面向传感器/执行器控制的低速网络，数据传输位速率通常小于I0kb/s，主要用于后视镜调整，电动窗、灯光照明等控制；B类是面向独立模块间数据共享的中速网络，位速率一般在I0kb/s到125kb/s之间。主要应用于车身电子舒适性模块、仪表显示等系统；C类是面向高速、实时闭环控制的多路传输网，位速率在125kbs/到1Mb/s之间，主要用于牵引控制、先进发动机控制、ABS等系统；D类是面向多媒体信息的高速传输网络，位速率一般在2Mb/s以上，主要用于车载视频、音频、导航系统等。

通常的汽车网络结构采用多条不同速率的总线分别连接不同类型的节点，并 使用网关服务器来实现整车的信息共享和网络管理，如图所示。

车身系统（包括组合仪表、信号及照明灯组、四门集控锁、车窗及后视镜等）的控制单元多为低速马达和开关量器件，对实时性要求低而数量众多。使用低速的总线连接这些电控单元。将这部分电控单元与汽车的驱动系统分开，有利于保证驱动系统通讯的实时性。此外，采用低速总线还可增加传输距离、提高抗一干扰能力以及降低硬件成本。

驱动系统（包括发动机控制系统、防抱死制动系统等）的受控对象自接关系汽车的行驶状态，对通讯实时性有较高的要求。因此使用高速的总线连接驱动系统。传感器组的各种状态信息可以广播的形式在高速总线上发布，各节点可以在同一时刻根据自己的需要获取信息。这种方式最大限度地提高了通讯的实时性。故障诊断系统是将车用诊断系统在通讯网络上加以实现。

信息与车载媒体系统（包括数字音响系统、车载PC、汽车导航系统及宽带无线接入网络等）对于通讯速率的要求更高，一般在2Mb/s以上。采用新型的多媒体总线连接车载媒体。这些新型的多媒体总线往往是基于光纤通讯的，从而可以充分保证带宽。

网关是电动汽车内部通讯的核心，通过它可以实现各条总线上信息的共享以及实现汽车内部的网络管理和故障诊断功能。

随着新技术的不断发展，在未来的汽车网络中，还将会有专门用于气囊的安

全总线(Safety-Bus)系统、以及X-by-Wire系统。

三． 汽车CAN总线系统

3.1 汽车CAN总线的发展与现状

CAN是目前世界上最成功的车载网络。CAN是德国Bosch公司从20世纪80年代初，为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换问题，而开发的一种串行数据通信协议。它是一种多主总线,通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1MbPs。1991年首次在奔驰S系列汽车中实现使用。同年，Bosch公司正式颁布了CAN技术规范版本2.0，该技术规范包括A和B两部分。1993年11月，ISO正式颁布了基于CAN的国际标准ISO11898，为CAN的标准化、规范化铺平了道路。此后,越来越多的北美和日本汽车公司也开始采用CAN网络。1994年，美国汽车工程师协会卡车和巴士控制与通信子协会选择CAN作为SAEJ1939标准的基础。1995年，对ISO11898进行了扩展补充并发布了低速网络标准ISO11519-2，同年发布了面向对象连接的CAN应用层CANopen标准，至此CAN的三层主要协议都有了国际标准。2000年左右，CAN成为世界上最成功的车上网络，普遍用于德国各大车系动力控制系统和车身系统，特别地，对于C类汽车网络，欧洲的汽车制造商基本上都采用高速CAN总线标准ISO11898。2004年，基于安全又发布了具有时间触发功能的TTCAN协议。

3.2 汽车网络CAN总线应用方案

CAN总线最初被设计作为汽车环境中的微控制器通讯，在车载各电子控制装置ECU之间交换信息以形成汽车电子控制网络，在发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装置等电子主干系统中均嵌入CAN控制装置。各个汽车生产厂家根据不同的车型都有不同的CAN总线应用方案，下面是几种比较典型的CAN总线应用方案。

方案一

在方案一中，整车CAN总线网络分为四部分：舒适总线、动力传动总线、安全总线、信息总线。根据系统特点舒适总线可采用ISO11519低速双线式CAN总

线（125kbps）；传动系总线和安全总线采用ISO11898双线式高速CAN总线（500kbps）；信息总线采用ISO11519低速双线式CAN总线（100kbps），各部分总线之间通过网关进行数据的通信。另外网关留有诊断接口，采用1509141K/L总线或者LIN总线。

舒适总线门模块灯光模块动力传动总线诊断接口发动机控制模块变速器控制模块行驶稳定系统空调模块座椅模块车载收音机网关移动电话多功能显示多媒体ABS安全气囊信息总线安全总线

图3-1 CAN总线应用方案一

方案一是一个完整的分布式汽车电子控制系统；它采用多子网结构，将信息交换比较密切的系统放在一个子网中，使整个系统具有很高的实时性；不同子网之间根据不同的应用特点，采用不同的物理层接口以及通信速率，优化了系统结构，简化了各个CAN子网的设计难度，但是整车的网络系统设计以及总线通信协议比较复杂，硬件上对网关的要求比较高，需要有强大的数据处理能力，而且系统成本比较高，适合于中高档轿车采用。

由于成本等其他因素，下图所示的方案一的简化方案中整车的CAN总线网络分为高速网络和低速两部分，高速网采用高速CAN总线；低速网采用CAN总线ISO11519。仪表显示模块作为网关完成两部分之间数据的传输。

发动机控制模块变速器控制模块ABS安全气囊? ? 高速CAN总线仪表显示&网关诊断接口低速CAN总线灯光模块多媒体门模块空调模块? ?

图3-2 CAN总线应用方案一简化

总线系统设计时，根据具体情况还有几种不同的方案：1、诊断接口可以设计成和网关相连，或者不经过网关分别连接到两个不同的网络；2、网关可以和仪表显示集成在一起，或者和车身中央控制模块集成在一起；3、仪表显示和网关可以用行车电脑代替。

整个系统分为高速和低速两部分。和方案1相比，动力传动总线和安全总线合并成高速总线，这样做降低了通信的实时性，但是考虑到传动系总线中一般是周期性数据，而安全总线中一般是突发性的数据，只要选择合适的帧优先级就可以弥补这个缺点。舒适总线和信息总线合并为低速总线，这两部分中对数据的实时性要求不高，125kbps的速率完全可以满足需求。方案1的简化版本，降低了系统成本，但性能并没有太大的损失，性价比有所提高，适合于中低档轿车采用。

方案二

由于使用CAN总线会使系统成本增加，在一些不需要CAN总线的带宽和多功能的场合，使用LIN总线可大大节省成本，所以LIN总线得到了越来越广泛的应用。

LIN总线是一种低成本的串行通讯网络，用于实现汽车中的分布式电子系统控制。LIN总线的目标是为现有汽车网络提供辅助功能。LIN的标准化将简化多种现存的多点解决方案，且将降低在汽车电子领域中的开发、生产、服务和后勤

成本。

后视镜模块仪表模块动力传动总线中央控制模块智能交通系统空调模块门模块门锁模块操作面板后灯模块座椅加热座椅模块座椅调节后窗除霜操作面板后雨刮天窗模块外灯模块内灯模块行李箱模块CAN总线LIN总线

图3-3 CAN总线应用方案二

典型的LIN总线应用是汽车中的联合装配单元，如门、座椅、空调、照明灯等。上图就是LIN总线在车身控制系统中的应用，对于成本比较敏感的单元，LIN可以使机械元件可以很容易的连接到汽车网络中并得到十分方便的维护和服务。下面的方案中包括15个CAN节点和31个LIN节点，充分体现了CAN以及LIN各自的特点。

方案二是一个很完整的方案，但是实际应用过程中，考虑到系统的性价比以及安装等方面的因素，可采用如下图所示的简化方案，图中CAN总线虚线表示这部分在不影响性能的前提下可以用LIN总线替代，可以降低系统成本。

简化方案二主要是针对希望采用总线的中低档轿车，这就决定了系统必须具有很高的性价比，而且成本也是一个重要的方面。具体应用需要根据不同的车型做出适当的修改满足各自的要求。

四． 总结与展望

随着人们对汽车的安全性、经济性、环保性等性能要求以及电子技术和网络技术的发展，上世纪八十年代网络技术出现在了汽车上，并不断发展，到目前为止，汽车网络技术在许多世界有名的高档车上已得到了较广泛应用。

通过对汽车网络特点的研究，以及CAN总线拓扑结构和通讯协议的研究，本文得到以下结论：

（1）介绍了汽车电子系统的构成及特点，并通过查阅文献，总结了汽车网络协议的分类、发展以及应用现状，指出了CAN在中高速网络协议中处于主流地位。

（2）本文通过对汽车内部不同类型结点通信特点的分析，以及对现有汽车网络技术标准的研究和比较,设计了整车网络系统,该系统既实现了全车信息共享，也优化了网络系统成本。该网络设计方案选用CAN总线作为动力及安全控制网络技术标准，LIN作为车身低速控制子网的总线技术标准，MOST作为汽车多媒体信息网络的总线技术标准。

汽车网络总线技术在汽车电子技术中的应用将是汽车发展史上的一个重要里程碑。在未来的几年内,我国中高档轿车上将广泛使用此技术。但是我国汽车网络技术的开发、应用以及维修技术都还处于起步阶段，和国外先进的汽车电子技术有一定差距。降低成本、提高可靠性及灵活性，发展具有我国自主知识产权的汽车网络将是今后我国汽车网络研究的主要方向，我们相信可以通过自己的不断努力和技术交流合作的持续发展，会逐渐减小这个差距,振兴民族的汽车工业。

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