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

　　隨著(zhù)汽車(chē)電子技術(shù)及網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對汽車(chē)安全性、可靠性的要求也越來(lái)越高，為了解決由汽車(chē)電子元器件的增加而帶來(lái)的通信問(wèn)題，這就要求采用一種高速、多路、共享的汽車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )。目前，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種總線(xiàn)，如CAN（Controller Area Network）控制器局域網(wǎng)[1],LIN（Local Interconnect Network）局域互聯(lián)網(wǎng)，FlexRay,Most等。但CAN和LIN構成目前汽車(chē)上最廣泛的總線(xiàn)形式。本文主要介紹已得到眾多汽車(chē)制造商推崇的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)---CAN 總線(xiàn)和LIN 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

　　20世紀80年代末，德國博世公司為解決現代汽車(chē)中眾多控制單元、測試儀器之間的實(shí)時(shí)數據交換而開(kāi)發(fā)了一種串行通信協(xié)議CAN,并使其成為國際標準（ISO11898）。到目前為止，世界上已擁有20多家CAN總線(xiàn)控制器芯片生產(chǎn)商，110多種CAN總線(xiàn)協(xié)議控制器芯片和集成CAN總線(xiàn)協(xié)議控制器的微控制器芯片。

　　CAN總線(xiàn)由于采用了獨特的設計和新的技術(shù)，與一般的通信總線(xiàn)相比，它具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。CAN采用多主工作方式，成本低，且具有極高的總線(xiàn)利用率；CAN總線(xiàn)具有可靠的錯誤處理和檢錯機制，采用短幀結構，傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低；采用非破壞性總線(xiàn)仲裁技術(shù)，節點(diǎn)在錯誤嚴重的情況下具有自動(dòng)退出功能。

　　1998年，Audi、Motorola、BMW、DaimlerChrysler 、VCT、Volvo和Volkswagen七家公司聯(lián)合提出了新型A類(lèi)總線(xiàn)--LIN（Local Interconnect Network）。LIN是一種低成本短距離的低速網(wǎng)絡(luò )，它旨在傳送開(kāi)關(guān)設置和傳感器輸入等狀態(tài)的變化，并對這種變化做出響應，因此它只適用于對傳送時(shí)間要求不高的低速事件，并不適用于發(fā)動(dòng)機控制等高速事件。

　　LIN 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。

　　LIN 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。

　　LIN總線(xiàn)通信協(xié)議

　　LIN 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)LIN 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? 到8 個(gè)字節的數據以及一個(gè)字節的校驗碼。圖1 為L(cháng)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(yíng) 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(yíng) 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。

　　接口設計

　　整車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )是由許多CAN 節點(diǎn)和L IN 節點(diǎn)通過(guò)CAN 總線(xiàn)和L IN 總線(xiàn)連接組成的一個(gè)局域網(wǎng)，因此接口設計十分重要。

　　圖3 為中央控制器與CAN 總線(xiàn)、L IN 總線(xiàn)接口設計。中央控制器內包括了一個(gè)CAN 的控制器和一個(gè)SCI 接口。CAN 智能節點(diǎn)一般由MCU ,CAN 控制器和CAN 收發(fā)器組成。

　　目前從事CAN 總線(xiàn)及L IN 總線(xiàn)芯片開(kāi)發(fā)和制造的廠(chǎng)商很多，如PHIL IPS ,FREESCAL E ,ONSEMI , TI 等，設計人員可以根據自身需要選擇不同的芯片組合。這里中央控制器選擇了FREESCAL E 的MC68HC908AZ60 芯片。該芯片是專(zhuān)為汽車(chē)電子應用設計的功能強大的8 位單片機，內部集成了低速CAN 控制器，支持CAN2. 0A/ 2. 0B ,具有一個(gè)SCI 模塊。該芯片除了完成L IN 網(wǎng)絡(luò )與CAN網(wǎng)絡(luò )的通信連接外，還兼有其它的控制功能。

　　L IN 節點(diǎn)選擇了FREESC2AL E 的器件。其中L IN 節點(diǎn)收發(fā)器采用MC33399 ; L IN 節點(diǎn)MCU 選擇MC68HC805 PV8 .由于汽車(chē)上的電磁干擾較大，為提高系統的抗干擾能力，在CAN 控制器和CAN 收發(fā)器以及L IN 控制器和L IN 收發(fā)器之間增加了由6N137 構成的光電隔離電路。

　　CAN 智能節點(diǎn)選擇PHIL IPS 器件： PCA82C250 作為CAN 收發(fā)器； CAN 節點(diǎn)的MCU 選用P89C591 , 因P89C591 內部集成有CAN 控制器（有PeliCAN 接口） ,所以沒(méi)有再選擇CAN 控制器，其連接圖如圖4 所示。設計人員也可以選用微控制器+ 外接CAN 控制器這樣的連接法。

　　PCA82C250 提供對總線(xiàn)的差動(dòng)發(fā)送能力和對CAN控制器的差動(dòng)接收能力。在低速和總線(xiàn)長(cháng)度較短時(shí)，一般采用斜率控制方式，以限制上升和下降斜率，降低射頻干擾，斜率可通過(guò)調節由引腳8 至地連接的電阻進(jìn)行控制。通信信號傳輸到導線(xiàn)的端點(diǎn)時(shí)會(huì )發(fā)生反射，反射信號會(huì )干擾正常信號的傳輸，因而總線(xiàn)兩端需接終端電阻，以消除反射信號。其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗。

　　總結

　　基于CAN 總線(xiàn)A 類(lèi)車(chē)身控制在汽車(chē)上已有廣泛應用。隨著(zhù)車(chē)上總線(xiàn)節點(diǎn)的增加及高性能系統向中、低檔汽車(chē)的發(fā)展，CAN 總線(xiàn)相對較高的實(shí)現成本就成為一種障礙。與CAN 相比，L IN 節點(diǎn)的通信成本是CAN 的1/ 3~1/ 2 ,具有較明顯的成本優(yōu)勢。文中的汽車(chē)通信網(wǎng)絡(luò )將L IN 應用于車(chē)身系統，既實(shí)現了應有的網(wǎng)絡(luò )控制功能，又降低了開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、服務(wù)的成本，具有較高的實(shí)用性。