一、汽車總線概述
（一）汽車總線技術(shù)的發(fā)展
隨著車用電氣設(shè)備越來(lái)越多，從發(fā)動(dòng)機(jī)控制到傳動(dòng)系統(tǒng)控制，從行駛、制動(dòng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)控制到安全保證系統(tǒng)及儀表報(bào)警系統(tǒng)，從電源管理到為提高舒適性而作的各種努力，使汽車電氣系統(tǒng)形成一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)，并且都集中在駕駛室控制。另外，隨著近年來(lái)ITS的發(fā)展，以3G（GPS、GIS和GSM）為代表的新型電子通訊產(chǎn)品的出現(xiàn)，它對(duì)汽車的綜合布線和信息的共享交互提出了更高的要求。
從布線角度分析，傳統(tǒng)的電氣系統(tǒng)大多采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的單一通信方式，相互之間少有聯(lián)系，這樣必然造成龐大的布線系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一輛采用傳統(tǒng)布線方法的高檔汽車中，其導(dǎo)線長(zhǎng)度可達(dá)2000米，電氣節(jié)點(diǎn)達(dá)1500個(gè)，而且，根據(jù)統(tǒng)計(jì)，該數(shù)字大約每十年增長(zhǎng)1倍，從而加劇了粗大的線束與汽車有限的可用空間之間的矛盾。無(wú)論從材料成本還是工作效率看，傳統(tǒng)布線方法都將不能適應(yīng)汽車的發(fā)展。下圖1、圖2分別為相同節(jié)點(diǎn)的傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊方式和使用CAN總線的通訊方式，從圖可以直觀地比較線束的變化（圖中節(jié)點(diǎn)之間的連線僅表示節(jié)點(diǎn)間存在的信息交換，并不代表線束的多少）。
圖1 傳統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)通訊方式
圖2 CAN總線通訊方式
從信息共享角度分析，現(xiàn)代典型的控制單元有電控燃油噴射系統(tǒng)、電控傳動(dòng)系統(tǒng)、防抱死制動(dòng)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)。為了滿足各子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求，有必要對(duì)汽車公共數(shù)據(jù)實(shí)行共享，如發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、車輪轉(zhuǎn)速、油門踏板位置等。但每個(gè)控制單元對(duì)實(shí)時(shí)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。這就要求其數(shù)據(jù)交換網(wǎng)是基于優(yōu)先勸競(jìng)爭(zhēng)的模式，且本身具有較高的通信速率，CAN總線正是為滿足這些要求而設(shè)計(jì)的。
美國(guó)汽車工程師協(xié)會(huì)（SAE）車輛網(wǎng)絡(luò)委員會(huì)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SAE J2057將汽車數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)劃分為A、B、C三類，為了直觀地說(shuō)明其網(wǎng)絡(luò)劃分，這里圖3表示。
從通訊速度角度分析，隨著車載多媒體和辦公設(shè)備在車輛應(yīng)用方面的快速發(fā)展，一種新型總線——IDB已經(jīng)出現(xiàn)，世界各大汽車生產(chǎn)商對(duì)此非常關(guān)注，紛紛出臺(tái)相應(yīng)的研究計(jì)劃�，F(xiàn)在已經(jīng)存在能夠?qū)?dǎo)航、GPS、電話、音響、電視、DVD等進(jìn)行信息綜合的雙總線（OEM總線+IDB）樣車，這些裝置之間需要頻繁地通訊，而且信息量巨大，原有的CAN總線或J1850總線無(wú)法滿足這些裝置間的通訊要求，因?yàn)閭鬏數(shù)乩硇畔ⅲ℅I）、數(shù)字音頻信息或車輛位置信息至少需要5Mbit/s的網(wǎng)絡(luò)速度，IDB-1394可以支持100、200、400Mbit/s的通訊速度，完全可以滿足高速通訊的網(wǎng)絡(luò)需求。
CAN總線是控制策略驅(qū)動(dòng)的總線，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛本身的控制，而IDB總線則以信息交互、共享為目的。為實(shí)現(xiàn)CAN總線和IDB總線間的信息流動(dòng)以及防止后者對(duì)前者產(chǎn)生影響，在兩總線間增加網(wǎng)關(guān)已經(jīng)成為共識(shí)。圖4為一典型的雙總線結(jié)構(gòu)示意圖。
早在80年代，眾多國(guó)際知名的汽車公司就積極致力于汽車總線技術(shù)的研究及應(yīng)用，如博世的CAN、SAE的J1850、馬自達(dá)的PALMNET、德國(guó)大眾的ABUS、美國(guó)商用機(jī)器的AUTOCAN、ISO的VAN等。目前，國(guó)外的汽車總線技術(shù)已經(jīng)成熟，采用總線系統(tǒng)的車輛有BENZ、BMW、RORSCHE、ROLLSROYCE、JAGUAR、VOLVO等。國(guó)內(nèi)完全引進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)的奧迪A6車型已于2000年起采用總線替代原有線束，帕薩特B5、BORA、POLO、FIAT PALIO和SIENA等車型也都不同程度地使用了總線技術(shù)。此外，部分高檔客車、工程機(jī)械也都開(kāi)始應(yīng)用總線技術(shù)。
（二）汽車總線技術(shù)的特征
1．設(shè)計(jì)目標(biāo)
汽車總線傳輸必須確保以下幾點(diǎn)：傳輸信息的安全；信號(hào)的邏輯“1”明顯區(qū)別于邏輯“0”；異步總線隨機(jī)地傳送數(shù)據(jù)；根據(jù)預(yù)先確定的優(yōu)先權(quán)進(jìn)行總線訪問(wèn)；競(jìng)爭(zhēng)解決后獲勝站點(diǎn)能夠訪問(wèn)總線且繼續(xù)傳輸信息；具有根據(jù)信息內(nèi)容解決總線訪問(wèn)競(jìng)爭(zhēng)的能力；總線的功能尋址和點(diǎn)到點(diǎn)尋址能力；節(jié)點(diǎn)在盡量小的時(shí)間內(nèi)成功訪問(wèn)總線；最優(yōu)化的傳輸速率（波特率）；節(jié)點(diǎn)的故障診斷能力；總線具有一定的可擴(kuò)充性等等。
2．?dāng)?shù)字信號(hào)的編碼
為了保證信息傳輸?shù)目煽啃裕瑢?duì)數(shù)字信號(hào)正確編碼非常重要。汽車局域網(wǎng)數(shù)據(jù)信號(hào)多采用脈寬調(diào)制（PWM）和不歸零制（NRZ）。PWM作為編碼方案時(shí)，波特率上界為3×105kb/s，用于傳輸速率較低的場(chǎng)合。采用NRZ進(jìn)行信息傳輸，可以達(dá)到1Mb/s，用于傳輸速率較高的場(chǎng)合。
3．網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
實(shí)用的汽車局域網(wǎng)是總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如CAN、SAEJ1850、ADVANCED PALMNET等。其優(yōu)點(diǎn)是：電纜短，布線容易；總線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，又是無(wú)源元件，可靠性高；易于擴(kuò)充，增加新節(jié)點(diǎn)只需在總線的某點(diǎn)將其接入，如需增加長(zhǎng)度可通過(guò)中繼器加入一個(gè)附加段。
4．總線訪問(wèn)協(xié)議
汽車總線的訪問(wèn)協(xié)議一般為爭(zhēng)用協(xié)議，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能獨(dú)立決定信息幀的發(fā)送。如果同時(shí)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，就會(huì)出錯(cuò)，這就要求每個(gè)節(jié)點(diǎn)有能力判斷沖突是否發(fā)生，發(fā)生沖突時(shí)按某個(gè)規(guī)律等待隨機(jī)時(shí)間間隔后重發(fā)，以避免再發(fā)生沖突。網(wǎng)絡(luò)協(xié)議所使用的防沖突監(jiān)聽(tīng)措施多為載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)，如CAN、SAEJ1850、ADVANCED、PALMNET等都采用的是：載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突檢測(cè)+無(wú)損仲裁（CSMA/CD+NDA）。
二、汽車CAN總線
CAN總線是德國(guó)BOSCH公司在20世紀(jì)80年代初，為了解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)的一種串行數(shù)據(jù)通訊協(xié)議。它的短幀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、非破壞性總線性仲裁技術(shù)以及靈活的通訊方式適應(yīng)了汽車的實(shí)時(shí)性和可靠性要求。
汽車CAN總線的技術(shù)背景來(lái)源于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線和計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)這樣非常成熟的技術(shù)，因此具有很高的可靠性，抗干擾性。
（一）CAN總線的特點(diǎn)
CAN作為一種多主總線，支持分布式實(shí)時(shí)控制的通訊網(wǎng)絡(luò)。其通訊介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光纖。在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)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總線屬于總線式串行通訊網(wǎng)絡(luò)，由于其采用了許多新技術(shù)及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，與一般的通訊總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通訊具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。其特點(diǎn)可以概括如下：
CAN為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻主動(dòng)地向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活，且無(wú)需站地址等節(jié)點(diǎn)信息。利用這一點(diǎn)可方便地構(gòu)成多機(jī)備份系統(tǒng)。
CAN網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)信息分成不同的優(yōu)先級(jí)，可滿足不同的實(shí)時(shí)要求，高優(yōu)先級(jí)的數(shù)據(jù)最多可在134us內(nèi)得到傳輸。
CAN采用非破壞性總線性仲裁技術(shù)，當(dāng)多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)向總線發(fā)送信息時(shí)，優(yōu)先級(jí)較低的節(jié)點(diǎn)會(huì)主動(dòng)地退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級(jí)的節(jié)點(diǎn)可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時(shí)間。尤其是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下也不會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況（以太網(wǎng)則可能）。
CAN只需通過(guò)幀濾波即可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及全局廣播等幾種方式傳送接受數(shù)據(jù)，無(wú)需專門的“調(diào)度”。
CAN采用NRZ編碼，直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km（速率5kbps）；通信速率最高可達(dá)1Mbps（此時(shí)通信距離最長(zhǎng)為40m）。
CAN上的節(jié)點(diǎn)數(shù)主要取決于總線驅(qū)動(dòng)電路，目前可達(dá)110個(gè)；標(biāo)示符可達(dá)2032種（CAN2.0A）,而擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)（CAN2.0B）的標(biāo)示符幾乎不受限制。
采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾概率低，具有極好的檢錯(cuò)效果。
CAN的每幀信息都有CRC效驗(yàn)及其他檢錯(cuò)措施，保證數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低。
CAN的通信介質(zhì)可為雙鉸線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。
CAN節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點(diǎn)的操作不受影響。
（二）CAN總線技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)
國(guó)內(nèi)汽車品牌中已經(jīng)有幾款車型應(yīng)用了總線技術(shù)，這些技術(shù)完全來(lái)自國(guó)外。目前應(yīng)用總線的國(guó)產(chǎn)車中大多采用兩套獨(dú)立的CAN總線：一套是動(dòng)力CAN數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，另一套是舒適CAN數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。
使用CAN總線后，對(duì)其優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，得出以下結(jié)論：
1．如果數(shù)據(jù)擴(kuò)展以增加新的信息，只需升級(jí)軟件即可。
2．控制單元對(duì)所傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，檢測(cè)到故障后存儲(chǔ)故障碼。
3．使用小型控制單元及小型控制單元插孔可節(jié)省空間。
4．使傳感器信號(hào)線減至最少，控制單元可做到高速數(shù)據(jù)傳輸。
5．CAN總線符合國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，因此可應(yīng)用不同型號(hào)控制單元間的數(shù)據(jù)傳輸。
（三）汽車CAN總線的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)
1．CAN節(jié)點(diǎn)ECU的設(shè)計(jì)（硬件）
汽車節(jié)點(diǎn)ECU的開(kāi)發(fā)可以選擇帶有在片CAN的微控制器，也可以選擇其它微控制器和相應(yīng)的片外CAN控制器、收發(fā)器。本文以后者為例說(shuō)明ECU的開(kāi)發(fā)。
帶有CAN接口的ECU設(shè)計(jì)是總線開(kāi)發(fā)的核心與關(guān)鍵，其中ECU的CAN總線模塊有幾個(gè)功能單元構(gòu)成——CAN控制器和CAN收發(fā)器。CAN控制器執(zhí)行完整的CAN協(xié)議，完成通訊功能，包括信息緩沖和接收濾波。CAN控制器與物理總線之間需要一個(gè)接口——CAN收發(fā)器，它實(shí)現(xiàn)CAN控制器與總線之間邏輯電平信號(hào)的轉(zhuǎn)換。CAN控制器和收發(fā)器完成CAN物理層和邏輯電路層的所有功能。應(yīng)用層的功能則由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。
各節(jié)點(diǎn)的ECU主要由MCU、DSP、CAN控制器SJA1000、CAN收發(fā)器PCA2C250和其它外圍器件構(gòu)成。圖5給出一個(gè)由51單片機(jī)開(kāi)發(fā)CAN節(jié)點(diǎn)的原理圖（圖中省略了SJA1000與PCA2C250之間的光耦等細(xì)節(jié)），完全可以說(shuō)明帶CAN接口ECU設(shè)計(jì)的原理。
2．CAN網(wǎng)絡(luò)通訊的實(shí)現(xiàn)（軟件）
CAN設(shè)計(jì)的三層結(jié)構(gòu)模型為：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的功能由CAN接口器件完成，包括硬件電路和通訊協(xié)議兩部分。CAN通訊協(xié)議規(guī)定了四種不同用處的網(wǎng)絡(luò)通訊幀，即數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤指示幀和超載幀。CAN通訊協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，包括各種通訊幀的組織和發(fā)送，均是由集成在SJA1000通訊控制器中的電路實(shí)現(xiàn)的，因此系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)主要在應(yīng)用層的設(shè)計(jì)上。應(yīng)用層軟件的核心部分是CPU與SJA1000通訊控制器之間的數(shù)據(jù)接收和發(fā)送程序，即CPU把待發(fā)的數(shù)據(jù)發(fā)給SJA1000通訊控制器，再由SJA1000通訊控制器發(fā)到總線上；當(dāng)SJA1000通訊控制器從總線接受到數(shù)據(jù)后，CPU再把數(shù)據(jù)取走。對(duì)于單片機(jī)而言，操作SJA1000就象訪問(wèn)外部RAM一樣簡(jiǎn)單。首先，應(yīng)對(duì)SJA1000中的有關(guān)控制寄存器寫入控制字，進(jìn)行初始化。之后，CPU即可通過(guò)SJA1000接收/發(fā)送緩沖區(qū)向物理總線接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。
三、汽車總線的研究重點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)
汽車總線系統(tǒng)的研究與發(fā)展可以分為三個(gè)階段：第一階段是研究汽車的基本控制系統(tǒng)（也稱舒適總線系統(tǒng)），如照明、電動(dòng)車窗、中央集控鎖等。第二階段是研究汽車的主要控制系統(tǒng)（也稱動(dòng)力總線系統(tǒng)），如電噴ECU控制系統(tǒng)、ABS系統(tǒng)、自動(dòng)變速箱等。第三階段是研究汽車各電子控制系統(tǒng)之間的綜合、實(shí)時(shí)控制和信息反饋。
按照我國(guó)汽車電子技術(shù)發(fā)展規(guī)劃，進(jìn)入21世紀(jì)后轎車電子技術(shù)可達(dá)國(guó)外90年代水平，為了縮短同國(guó)外轎車技術(shù)水平的差距，提高自身的競(jìng)爭(zhēng)力，單純靠技術(shù)引進(jìn)不利于發(fā)展，消化、吸收、研究和開(kāi)發(fā)自己的汽車總線與網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)勢(shì)在比行。目前我國(guó)的汽車總線研究和應(yīng)用尚處起步階段，而且汽車總線的應(yīng)用趨勢(shì)明顯，現(xiàn)在介入該研究正是大好時(shí)機(jī)。
（一）汽車總線的研究重點(diǎn)
由于我國(guó)的車型以歐美車型為主，且歐美車型又以CAN總線為主流，目前國(guó)內(nèi)使用總線技術(shù)的車型幾乎全部使用CAN總線，因此汽車總線的研發(fā)應(yīng)該結(jié)合國(guó)內(nèi)外實(shí)際情況選用CAN總線。
CAN符合ISO/OSI的參考模型，但只規(guī)定了物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議，其應(yīng)用層的協(xié)議需要用戶自己定義。支持CAN低層協(xié)議的芯片有許多，既有在片的MCU，也有片外的CAN控制器。用戶自己開(kāi)發(fā)的應(yīng)用層協(xié)議也有很多，如AB公司定義的DEVICENET協(xié)議就是CAN協(xié)議基礎(chǔ)上的應(yīng)用層協(xié)議，Honeywell公司推出的SDS總線也是在CAN的基礎(chǔ)上定義了自己的應(yīng)用層�？梢�(jiàn)，汽車CAN總線的研究重點(diǎn)是：針對(duì)具體的車型開(kāi)發(fā)ECU的硬件和應(yīng)用層的軟件，并構(gòu)成車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)。
（二）關(guān)鍵技術(shù)
利用CAN總線構(gòu)建一個(gè)車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，需要解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題有：
總線傳輸信息的速率、容量、優(yōu)先等級(jí)、節(jié)點(diǎn)容量等技術(shù)問(wèn)題；
高電磁干擾環(huán)境下的可靠數(shù)據(jù)傳輸；
確定最大傳輸時(shí)的延時(shí)大��；
網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)技術(shù)；
網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控和故障診斷功能。
四、結(jié)論
技術(shù)的先進(jìn)性是總線在汽車上應(yīng)用的最大動(dòng)力，也是汽車生產(chǎn)商竟相應(yīng)用總線的主要原因，汽車總線的普及和發(fā)展是大勢(shì)所趨，是提高汽車性能的一條很好途徑。
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