基于CAN/LIN總線(xiàn)的汽車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )設計

引　言

20 世紀90 年代以來(lái),隨著(zhù)人們對汽車(chē)動(dòng)力性、舒適性、經(jīng)濟性要求的提高,汽車(chē)上的電控系統的數量越來(lái)越多,增加的ECU 及其通信設備使汽車(chē)電路復雜程度增加,相應地降低了汽車(chē)的可靠性。這就要求必須采用能夠滿(mǎn)足高速、多路的復用通信網(wǎng)絡(luò ),以共享的方式傳送多種控制信息。

目前汽車(chē)上普遍采用的汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )有: 局部互聯(lián)網(wǎng)絡(luò )L IN (Local interconnect network) 、控制器局域網(wǎng)CAN(Controller area network 或稱(chēng)現場(chǎng)控制總線(xiàn)) 。正在發(fā)展中的汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)還有高速容錯網(wǎng)絡(luò )協(xié)議FlexRay ,用于汽車(chē)多媒體和導航的MOST ,以及與計算機網(wǎng)絡(luò )兼容的藍牙、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)等無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。文中主要側重于已得到眾多汽車(chē)制造商推崇的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)―――CAN 總線(xiàn)和L IN 總線(xiàn)技術(shù)。

CAN總線(xiàn)、LIN總線(xiàn)簡(jiǎn)介及各自通信協(xié)議

CAN總線(xiàn)及LIN總線(xiàn)簡(jiǎn)介

CAN 網(wǎng)絡(luò )屬于總線(xiàn)式串行通信網(wǎng)絡(luò )。其最高速率可達1Mbps(40m) ,以多種方式工作。與一般的通信總線(xiàn)相比,CAN 總線(xiàn)的數據通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性,是目前使用最廣泛的一種汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )。

L IN 網(wǎng)絡(luò )是一種低成本的串行通訊網(wǎng)絡(luò ),用于實(shí)現汽車(chē)中的分布式電子系統控制。L IN 的目標是為現有汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )(例如CAN 總線(xiàn)) 提供輔助功能。因此,L IN 總線(xiàn)是一種輔助的總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。在不需要CAN 總線(xiàn)的帶寬和多功能的場(chǎng)合,比如智能傳感器和制動(dòng)裝置之間的通訊使用L IN 總線(xiàn)可大大節省成本(為CAN 總線(xiàn)所需成本的1/ 3～1/ 2) 。目前L IN 已經(jīng)成為國際標準,被多數整車(chē)廠(chǎng)商和配件廠(chǎng)商所接受。

L IN 的主要特點(diǎn)如下: 低成本、基于通用UART 接口;傳輸速率最高可達20kbps ;單主控制器/ 多從設備模式,無(wú)需仲裁機制;從節點(diǎn)不需晶振或陶瓷震蕩器就能實(shí)現自同步,節省了從設備的硬件成本;保證信號傳輸的延遲時(shí)間;不需要改變L IN 從節點(diǎn)的硬件和軟件就可以在網(wǎng)絡(luò )上增加節點(diǎn)。通常一個(gè)L IN 網(wǎng)絡(luò )上節點(diǎn)數目小于12個(gè),共有64 個(gè)標志符。

CAN總線(xiàn)通信協(xié)議―――J1939 通信協(xié)議

J1939 協(xié)議以CAN 2. 0B 為基礎,是CAN 總線(xiàn)的應用層協(xié)議。J1939 協(xié)議將CAN 標識符劃分為如下幾個(gè)部分:優(yōu)先級( P) 、數據頁(yè)( PGN) 、協(xié)議數據單元( PDU) 格式、PDU 特定域(PS) 和源地址(SA) 。J1939/ 71 應用層文檔定義了車(chē)輛控制的各種參數及命令的PGN。表1 為J1939 的報文格式。

表1 　J1939 協(xié)議報文格式

　LIN總線(xiàn)通信協(xié)議

L IN 協(xié)議是一種建立在通用的SCI 或UART 硬件接口上、用于將車(chē)輛中分布的智能傳感器和執行器連接到車(chē)內主控制器的單總線(xiàn)(12V) 串行通信協(xié)議。

通過(guò)L IN 總線(xiàn)傳輸的實(shí)體為幀。一個(gè)報文幀由幀頭以及回應(數據) 部分組成。在一個(gè)激活的L IN 網(wǎng)絡(luò )中,通訊通常由主節點(diǎn)啟動(dòng),主節點(diǎn)任務(wù)發(fā)送包含有同步間隙的報文頭、同步字節以及報文標志符( ID) 。一個(gè)從節點(diǎn)的任務(wù)通過(guò)接收并過(guò)濾標志符被激活,并啟動(dòng)回應報文的傳送?；貞邪?/span>1 到8 個(gè)字節的數據以及一個(gè)字節的校驗碼。圖1 為L IN 協(xié)議幀結構。

總體通信網(wǎng)絡(luò )設計

　整車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )設計

汽車(chē)內ECU 間的數據傳輸特征主要差別在于數據傳輸頻率,美國汽車(chē)工程師協(xié)會(huì )(SAE) 將汽車(chē)網(wǎng)絡(luò )根據速率劃分為A ( 低速: 1kbps ～ 10kbps) 、B ( 中速: 10kbps ～100kbps) 、C(高速:最高位速率可達1Mbps) 3 個(gè)等級。在一個(gè)完善的汽車(chē)電子控制系統中,許多動(dòng)態(tài)信息必須與車(chē)速同步,每個(gè)ECU 對實(shí)時(shí)性的要求是因數據的更新速率和控制周期的不同而不同的。例如:一個(gè)8 缸的柴油機運行速度為2400r/ min ,電控單元控制兩次噴射的時(shí)間間隔為6. 25ms ,其中,噴射持續時(shí)間為30°的曲軸轉角(2ms) ,在剩余4ms 內需完成轉速測量、油量測量、A/ D 轉換、執行器的控制等一系列過(guò)程,這就意味著(zhù)數據發(fā)送與接收必須在1ms 內完成,才能達到柴油機電控的實(shí)時(shí)性要求。同時(shí),這也就要求其數據通信網(wǎng)是基于優(yōu)先權競爭的模式,且本身具有極高的通信速率。CAN 總線(xiàn)技術(shù)正是為滿(mǎn)足這些要求而設計的。

然而在A 類(lèi)通信網(wǎng)絡(luò )中,進(jìn)氣溫度的參數允許響應時(shí)間為20s ,冷卻溫度的參數允許響應時(shí)間1min ,燃油溫度的參數允許響應時(shí)間約10min ( 上述3 個(gè)信號每隔100ms 或1min 采樣一次就完全足夠了) ,前后車(chē)燈開(kāi)關(guān)、座椅調節、車(chē)門(mén)開(kāi)閉的傳輸延遲為10～100ms ,如將這些較為簡(jiǎn)單的ECU 節點(diǎn)掛在L IN 總線(xiàn)上,則既實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )分級控制,同時(shí)也降低了車(chē)輛電子系統的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和服務(wù)的成本。

如圖2 所示,文中將數據傳輸速率較高的CAN 總線(xiàn)(1Mbps) 用于B、C 類(lèi)網(wǎng)絡(luò ),其控制對象為:發(fā)動(dòng)機控制器、自動(dòng)變速器、驅動(dòng)防滑系統、牽引力控制系統、ABS/ ASR、安全氣囊控制器及組合儀表信號的采集系統等。L IN 總線(xiàn)用于A 類(lèi)系統,最高傳輸速率可達20kbps。其控制對象主要為:前后車(chē)燈控制開(kāi)關(guān)、電動(dòng)座椅開(kāi)關(guān)、中央門(mén)鎖與防盜控制開(kāi)關(guān)、后視鏡、空調、車(chē)窗控制開(kāi)關(guān)等。這些控制對象對信息傳輸的實(shí)時(shí)性要求不高,但數量較多。采用L IN 總線(xiàn)可提高抗干擾能力、增加總線(xiàn)傳輸距離、降低成本。以門(mén)窗控制為例,在車(chē)門(mén)上有門(mén)鎖、車(chē)窗玻璃開(kāi)關(guān)、車(chē)窗升降電機、操作按鈕等,只需一個(gè)L IN 網(wǎng)絡(luò )就可以實(shí)現。

CAN 總線(xiàn)和L IN 總線(xiàn)相互獨立,通過(guò)中央控制器實(shí)現資源共享并進(jìn)行數據交換。中央控制器是整車(chē)管理系統的核心,它同時(shí)也是CAN 總線(xiàn)和L IN 總線(xiàn)的網(wǎng)關(guān)服務(wù)器,它的主要功能就是對各種信息進(jìn)行分析處理并發(fā)出指令,協(xié)調汽車(chē)各控制單元及電器設備的工作。