基于CAN的汽车网络技术研究论文精品.doc

引言研究的目的和意义CAN 即控制器局域网络,属于工业现场总线的范畴。与一般的通信总线相比,CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。由于其良好的性能及独特的设计,CAN总线越来越受到人们的重视。它在汽车领域上的应用是最广泛的,世界上一些著名的汽车制造厂商,如BENZ(奔驰)、BMW(宝马)、PORSCHE(保时捷)、ROLLS-ROYCE(劳斯莱斯)和JAGUAR(美洲豹)等都采用了CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。同时,由于CAN总线本身的特点,其应用范围目前已不再局限于汽车行业,而向自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。CAN属于现场总线的范畴,它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络。较之目前许多基于R线构建的分布式控制系统而言, 基于CAN总线的分布式控制系统在以下方面具有明显的优越性：首先,CAN控制器工作于多种方式,网络中的各节点都可根据总线访问优先权(取决于报文标识符)采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据,且CAN协议废除了站地址编码,取而代之以对通信数据进行编码,这可使不同的节点同时接收到相同的数据,这些特点使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强,并且容易构成冗余结构,提高系统的可靠性和系统的灵活性。其次,CAN总线通过CAN收发器接口芯片82C250的两个输出端CAN-H和CAN-L与物理总线相连,而CAN-H端的状态只能是高电平或悬浮状态,CAN-L端只能是低电平或悬浮状态。这就保证不会出现象在基于R线构建的网络中,当系统有错误,出现多节点同时向总线发送数据时,导致总线呈现短路,从而损坏某些节点的现象。而且CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能,以使总线上其他节点的操作不受影响,从而保证不会出现象在网络中,因个别节点出现问题,使得总线处于“死锁”状态。而且,CAN具有的完善的通信协议可由CAN控制器芯片及其接口芯片来实现,从而大大降低系统开发难度,缩短了开发周期。另外,与其它现场总线比较而言,CAN总线是具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点的一种已形成国际标准的现场总线。这些也是目前 CAN总线应用于众多领域,具有强劲的市场竞争力的重要原因。汽车网络技术在国内外的发展现状及趋势目前国外高级轿车的汽车电子车身子系统多达50多个，然而国内中档轿车的车身电子子系统只有6-7个，因此，在车身电子领域中国汽车汽车网络技术未来的发展空间很大。据信息产业部经济运行司的预测，中国车身电子从2003年的10.32亿人民币增长为2007年的50.33亿人民币，增幅为3.8倍；车载信息通信系统2007年比2003年增长4.2倍。因此，对具有LIN/CAN总线接口的MCU、相关的功率驱动器件、电机控制MCU和执行电子机械构件的车身电子产品将产生存在巨大需求。  此外汽车车身网络系统的发展将为中国汽车电子产业带来了很好的机遇和切入点，因为：（1）它降低了企业的进入门槛。借助具备LIN或CAN总线接口的单芯片方案，缩短了企业开展车身电子研究的周期，降低了企业进入汽车电子配套市场的门槛。（2）提高汽车使用的舒适度，拓展汽车增值空间。过去利用手工控制机械装置，例如车内空调环境控制、锁、车窗、座椅、内部和外部照明、后视镜、雨刷等子系统，都可以通过基于CAN或LIN总线的车身网络系统连接起来，从而有机会将原来要手动操作的部件改为电控，逐步实现中低档轿车和轻型货车车身控制装置的机电一体化。 在现代轿车的设计中，CAN已经成为必须采用的装置。奔驰、宝马、大众、沃尔沃、雷诺等汽车都采用了CAN作为控制器联网的手段。据报道，中国首辆CAN网络系统混合动力轿车已在奇瑞公司试装成功，并进行了初步试运行。在上海大众的帕萨特和波罗汽车上已成功引入了CAN总线技术。但总的来说，目前CAN总线技术在我国汽车工业中的应用尚处于试验和起步阶段，绝大部分的汽车还没有采用汽车总线设计。国内在技术、设计和应用上进行网络总线的“深造”势在必行。CAN网络的上游是向传输速率更高的Flex Ray协议发展，下游是向LIN协议发展。Flex Ray的速率高、更加安全可靠，但实现成本目前还较高，其接口和收发器方面要求均较高，精度和复杂性更高。同时，为适应未来汽车多媒体娱乐系统发展的需要，未来DVD、导航仪、汽车音响将通过数据总线集成在一起，以传输移动图像，这也就需要传输速率更高、更快的网络总线。因此，未来几年内CAN总线仍占据汽车网络技术的主导。然而，作为一种事件驱动型总线，CAN无法为下一代线控系统提供所需的容错功能或带宽，因为X-by-Wire系统实时性和可靠性要求都很高，必须采用时间触发的通信协议，如TTP/ C或Flex Ray等。但随着下一代汽车中引进X-by-Wire系统，TTP/C和Flex Ray将显示出优势。它们之间的竞争还要持续一段时间，在未来的线控系统中，到底哪一种标准更具有生命力尚难定论。有关专家指出，目前市场上已开发出一种MOST标准网络，做音视频娱乐通信，它是基于光纤的通信协议，传输速率可达20多兆，在一些顶级车上已有应用。目前做MOST总线很复杂，MOST网关需用支持多媒体的32位MCU实现，并需要大量的16位单片机做每个子系统的控制，它的应用还需汽车厂商、汽车电子厂商的共同推动。论文的主要工作及安排本课题的主要工作是收集整理资料，了解汽车网络技术的发展现状，以汽车控制局域网CAN-BUS的相关内容为主，学习汽车控制局域网CAN的组成、分类、工作过程、节点的硬件选择和软件的流程图进行分析研究,并结合大众轿车的局域网CAN-BUS控制技术分析其技术关键。论文具体安排为，首先介绍汽车网络技术当前的发展及基础内容，然后对汽车控制局域网CAN进行系统介绍，接着选取其关键技术节点的设计进行详细分析研究，最后选取大众轿车为实例进行数据传输分析，进而完成整个工作。1 汽车网络技术1.1汽车网络技术的简介1.1.1汽车网络的出现首先，随着汽车电器和电子装备的日趋完善，车用电器设备越来越多，特别是电子技术在汽车上的应用，使得汽车传感器和微机控制单元(ECU)大量增加的同时，电器配线和各种信号配线也愈来愈多，如果按照传统点到点的布线方式，即电线的一端与开关的另一端相接，另一端与用电设备相通的方式，则会导致整个汽车的线束质量和线束直径会大幅增加。如图1-1所示：为线束的变化数据图。图1-1 线束的变化数据图据统计，一辆采用传统布线方法的高档汽车中，其电线长度可达2km，电气节点多达1500个，而且该数字大约每10年增长1倍。粗大的线束不但占用了汽车上宝贵的空间资源，使得有限的汽车空间内布线和汽车配线的设计越来越困难，限制了功能的扩展，最终还将导致系统运行的可靠性下降，故障率增加，此外一般情况下线束都安装在纵梁下等看不到的地方，旦线束中出了问题，查找相当麻烦，增加了维修的难度，从而制约了电子控制技术在汽车上的应用。另外，电子控制单元的大量引入，要求大批的数据信息能够在不同的子系统中共享，汽车综合控制系统中大量的控制信号也需要实时交换，以提高信号的利用率。所以，无论从材料成本、系统可靠性，故障诊断和维修性能来讲，传统布线法已远远不能满足现代汽车发展的需求。随着计算机网络技术的不断发展，在计算机网络技术和现场总线技术的基础上，开发各种适用于汽车环境的网络技术和设备，组建汽车内部的通讯网络，将成为解决上述问题最好的手段，这便使得汽车网络技术应运而生。1.1.2汽车网络技术的优点通常的网络结构采用多种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1-2所示，为典型的汽车网络结构。31047912658图1-2 典型的汽车网络结构1-ABS模块 2-动力模块 3-电子自动恒温模块 4-集成电路控制板模块 5-虚拟组合仪表模块 6-照明控制模块 7-驾驶员座椅模块8-驾驶员车门模块 9-移动电话模块 10-汽车动态模块与传统导线线束式信息传输方式相比，汽车总线式信息传输方式有如下的优点：1、一根总线上传输的信号可以被多个设备系统共享，从而最大限度地提高系统整体效率，减少了线束的数量和线束的体积，简化了整车线束，提高了整车电气线路的可靠性，因而也减少了造价、质量。总线式信息传输方式是利用计算机数据总线将汽车上的各个不同控制功能的电子系统联结起来构成网络，如图13所示，为总线式信息传输方式简图。驾驶员信息显示系统电子动力系统诊断维修系统巡航控制系统悬架控制系统发动机管理控制系统防抱防滑系统自动变速系统图1-3 总线式信息传输方式简图数据总线上传递的信号可以被多个系统共享，数据通过不同的编码表示不同的开关动作，信号解码后，根据指令接通或断开对应的用电设备(比如：前照灯、刮水器、电动座椅等)。从而最大限度地提高系统整体效率，充分利用有限的资源。这样，就能将过去一线一用的专线制改为一线多用制。2、由于采用了通用传感器(如发动机及自动变速器共用传感器)，因此消除了冗余传感器，达到了数据共享的目的。3、改善了系统的灵活性，即通过系统的软件可以实现系统功能的变化和系统的升级。4、提高了维修性。由于网络结构将各个子系统连接起来以达到数据共享，使各个子系统间协调工作，同时为诊断提供通用的接口，可非常方便的可利用多功能测试仪对系统进行测试、诊断，大大方便了维修人员对电子系统的维护和故障检修，提高了电子系统的可维修性。1.1.3汽车网络技术的发展早在1968年，埃塞库斯就提出了利用单线多路传输信号的构想；从1980年起，汽车内开始装车载网络；1983年，丰田公司在他们生产的世纪汽车上采用了光缆的汽车车门控制模块；从1986年起，开始在车身控制系统上装用了铜丝传输媒介的网络，并在日产和通用公司的汽车控制系统中开始应用；20世纪80年代末，BOSCH公司和英特尔公司研制了专门用于汽车电器控制的总线控制局域网（即CAN-BUS）；20世纪90年代，由于集成电路技术和电子器件制造业的迅速发展，用廉价的单片机作为总线的接口端，采用总线技术布线的价格逐步降低，总线技术布线进入实用阶段；目前，汽车网络技术在国内外的各汽车品牌中已成功的运用，比如：奔驰、宝马、大众、奥迪、通用、本田、日产等等。而且大多数生产厂家和汽车公司也对汽车网络技术做了进一步的深入研究，制订了相关的标准。迄今为止，已有多种汽车网络标准如：BOSCH的CAN、美国汽车工程协会的J1850、马自达的PALMNET、德国大众的ABUS、美国商用机器的AUTOCAN、ISO的VAN等等，如表1-1所示，为几种典型的网络标准。表1-1 几种典型的网络标准序号通讯协议名称推荐或实施单位1CAN波许、奔驰2BASICCAN飞利浦、波许3ABUS大众4VAN雷诺、标致5HBCC福特6PALMENT马自达7DLCS通用8CCD克莱斯勒但到目的为止，世界上尚无一个可以兼容各大汽车公司通信协议的汽车网络标准，也就是说，想用某个公司的通信协议取代其他公司的通信协议，是很难做到的。因此，在汽车上已经形成了多种类型的网络标准共存的局面。在国内对于汽车网络技术未来的发展也具有很大的发展前景。按照我国汽车网络技术发展规划，进入21世纪后轿车网络技术可达国外90年代水平，届时也将会有大量智能电子控制单元被引入。为缩短同国外轿车技术水平，提高自身的竞争力，单纯靠技术引进不利于长期发展，消化、吸收、研究和开发自己的汽车网络应用系统已势在必行。目前国外高级轿车的汽车电子车身子系统多达50多个，然而国内中档轿车的车身电子子系统只有6-7个，因此，在车身电子领域中国汽车网络技术的发展空间很大。1.2汽车网络技术的术语1.2.1基本术语 1、多路传输在同一通道或是线路上同时传输多条信息。这里有一点需要说明的是，这里所说的“同时”是一个相对的概念，实际上信息的传递是依次进行的，将单位时间分成几段，根据信息内容的不同在每一段时间传输一项信息，这一通讯方式称为分时多路传输。只是因为计算机的运算时间非常得快，所以在汽车所应用的这一技术里我们将它成为“同时”。 我们在工作中所遇到的就是单线或是双线式分时多路传输系统。如图1-4所示，为常规路线和多路传输线路的简单对比。从图中不难看出常规路线要比多路传输线路简单的多，但是多路传输系统的控制单元之间所用线束要比常规路线传输的线束少得多。VDD开关线束（N个负载需N条线束）负载GNDVDD负载调制解调GND线束（N个负载只需要三条总线：电源线、信号线、零线）图1-4 常规路线和多路传输线路的简单对比2、数据总线各个计算机或是模块间进行数据通讯的通道，简单的说就是一条信息高速公路。假如计算机或是模块之间可以发送和接收数据，那么我们将连在他们之间的数据总线叫做双向数据总线。为了对抗电子干扰，双线制数据总线的两条线是绞在一起的 ，各汽车制造商一直在设计各自的数据总线，如果不兼容就称之为专用数据总线如果是按照国际标准设计的就称之为非专用的，但基本上都是专用的数据总线。3 、网络为了实现信息的共享而把多条数据总线连接在一起，或是把数据总线和计算机也可能是模块当作一个整体。就像单位里将几台计算机连接在一起所组成的局域网，就是一个小型的计算机网络了。4、链路它是指信息传输的媒体，分为有线和无线两种类型，目前汽车上使用的大多数链路都是有线网络。通常用于局域网的传输媒体有双绞线、同轴光缆和光纤。双绞线是局域网中最普遍的传输媒体，一般用于低速网络，最大传输速率可达几mb/s；它成本低、传输距离近；非常适合汽车网络的情况，它在进行数据通讯时，是基于这两条线的电压差。换句话说就是当其中的一条线路进行数据传输时，它对地有一个参考电压。这个电压是所传输的信息或是数据的载体，所以它是汽车网络中使用最多的传输媒体。相比之下同轴光缆可以满足较高性能的传输要求，连接的节点较多，跨越的距离较大；光纤在电磁兼容性等方面具有独特的优点，比如：传输距离远，数据传输速度高等等，在汽车网络上特别是一些要求传输速度高的汽车网络上，具有很好的发展前景，但由于其技术和成本上受限制，现在应用并不多。5、总线速度在形容数据的传输速度时经常用到“比特率”，比特率是每秒千字节（KB/sec)。理论上是速度越快越好，但是速度越快越容易产生电磁干扰，这种电磁干扰会导致数据在传输的过程当中出错。6、网关因为现代汽车上有很多的控制模块或是计算机，各个系统有可能所采用的数据总线的传输速度不同，或是采用的通讯协议不同，那么在这种情况下是不可能所有的计算机或是控制模块实现信息共享的，网关的作用就是为在不同的通讯协议和不同的传输速度的计算机或是模块之间进行通讯时建立连接和信息解码，重新编译，并将数据传输给其他系统。比如：在汽车网络中动力传输系统和舒适传输系统之间要传输速度不同的数据传输信息就需要加网关。它起码应具有尽量少的传输等待时间，信息丢失或超限差错最少，能处理总线出现的差错。如图1-5所示，为BOSCH为奔驰600SEL等汽车开发的控制器局域网CAN1.2与CAN2.0协议之间的网关，实际上就是一个Inter的16位80C196KC单片机。网关标准/扩展2.0标准/扩展1.2图1-5 CAN1.2与CAN2.0协议之间的网关7、模块它是一种装置，简单一点的如温度传感器和压力传感器等等，复杂一些的如计算机。传感器是一个模块装置，根据温度和压力不同产生不同的电压信号，这些电压信号在计算机的接入接口被转变为数字信号。在计算机多路传输系统中，一些简单的模块被称之为节点。1.2.2通讯协议1、通讯协议的含义通讯协议就是数据在总线上的传输规则。比如：在我们的汽车中当模块A检测到发动机过热时相对于其他不重要的信息，它就有优先权将信息先传送到汽车网络的总线上。2、通讯协议的内容通讯协议的内容主要有以下几种：（1）在一个简单的通讯协议中，模块或是计算机中不分主从，根据规定的优先原则，进行相互之间的信息传递，并且都知道应该接受什么信息。（2）一个模块或是计算机是主机，则其它的为从属模块 根据优先原则，由主模块或是计算机来决定信息的传递规则。（3）计算机或是模块之间是平等的关系，所有的信息都包含在数据总线中，各个模块或是计算机根据自己的需要进行数据的接收和发送，但是这一规则下的传输速度最慢，效率最低，很少采用。 （4）在通讯协议之中有一个仲裁系统，按照每条信息的数字拼法为各数据传输设定优先规则。3、接口与实体接口是为两个系统、设备或部件之间连接服务的数据流穿越的界面。计算机通讯接口由设备和说明组成，一般包括四个方面内容：物理、电气、逻辑、过程。在物理方面，要指出插接器有多少个插脚；在电气方面，要确定接口电路信号的电压、宽度及它们的时间关系；在逻辑方面，包括说明为了传送如何把数据位或字符变换为字段，以及说明传输控制字符的功能使用等。换句话来说，计算机通信接口的逻辑说明提供了用于控制和实现穿越接口交换数据的一种语言；在过程方面，它说明通信控制字符的法定顺序、各种字段的法定内容以及控制数据流穿越接口的命令和应答。实体是能够发送或接受信息的东西，比如说：用户应用程序、文件传送程序包、进程、电子邮件设施等等。1.2.3局域网1、局域网的含义局域网简称LAN（Local Area Network）是在一个有限区域内连接的计算机网络，一般这个区域具有特定的职能，通过该网络实现系统内的资源共享和信息通信，连接到网络上的节点可以是计算机，基于微处理器的应用系统，局域网的数据传输速度一般在kb/s范围内，传输距离在250m内，误码率低。汽车网络系统就是一种局域网。2、局域网的拓扑结构所谓拓扑结构，就是网络的物理连接方式，局域网的常用拓扑架构有三种：星型、环型、总线型。星型网络拓扑结构是以一台中央处理器为主机组成的网络，各入机网络均与该中央处理器通过物理链路直接相连，因此，所有的网上传输信息均通过主机转发，其结构如图1-6所示，星型网络拓扑结构。主机前端机CCCTTTTTTTTTC(concentrator)集中器T(terminal)终端图1-6 星型网络拓扑结构星型网络拓扑结构的特点：结构简单，通信功能简单，但中央处理器负载过重，线路利用率不高。环型网络拓扑结构是通过转发器将每台计算机接入网络，每个网络接口与相邻两个网络接口用物理链路连接，所有转发器组成一个拓扑为环状的网络系统，如图1-7所示，环型网络拓扑结构。 H(host)主机NIU(network interface unit)网络接口部件图1-7 环型网络拓扑结构环型网络拓扑结构的特点：实行性较高，传输控制机构较为简单，但一个节点出故障可能会终止全网运行，可靠性差，网络扩充调整较为复杂。总线型网络拓扑结构即所有入网的计算机通过分接头接入到一条载波传输线上，如图1-8所示，总线型网络拓扑结构。 图1-8 总线型网络拓扑结构总线型网络拓扑结构的特点：信息道利用率高，但同一时刻只能有两处网络节点在相互通信，网络延伸距离有限，网络容纳节点数有限。它适用于传输距离较短、地域有限的组网环境。目前局域网多采用这种结构。1.3汽车网络标准1.3.1汽车网络的分类汽车网络的使用解决了点对点式车身布线带来的问题，使车身布线（趋于）更规范化、标准化，降低了成本，增强了稳定性。自1980年起，众多国际知名汽车公司开始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，但他们侧重的功能不同，传输的速率也不同。为方便研究和设计使用，美国汽车工程师协会(SAE)根据速率的不同，将汽车网络划分为A、B、C三类，如表1-2所示。表1-2 汽车网络的划分类别对象位速率/Kbps应用范围A传感器/执行器控制的低速网络1-10电动门窗、座椅调节、灯光照明等控制B独立模块间数据共享的中速网络10-125电子车辆信息中心、故障诊断、仪表显示、安全气囊等系统C高速实时闭环控制的高速网络 125-1000悬架控制、牵引控制、发动机控制等系统综合考虑功能和位传输速率等因素，现有的汽车总线还包括多媒体信息系统总线、安全总线和诊断系统总线。1.3.2汽车网络分类的分析A类网络的主要总线是TTP/A( Time Triggered Protocol/A)和LIN(Local Interconnect Network)。表1-3，为A类网络的使用情况。1、TTP/A协议最初由维也纳工业大学制定，为时间触发类型的网络协议，主要应用于集成了智能变换器的实时现场总线。它具有标准的UART，能自动识别加入总线的主节点与从节点，节点在某段已知的时间内触发通信但不具备内部容错功能。2、LIN是在1999年由欧洲汽车制造商奥迪、宝马、 克莱斯勒、沃尔沃、 大众和VCT公司以及Motorola公司组成的LIN协会，共同推出的用于汽车分布式电控系统的开放式的低成本串行通信标准，从2003年开始使用。它是一种基于UART的数据格式、主从结构的单线12 V的总线通信系统，主要用于智能传感器和执行器的串行通信。从硬件、软件以及电磁兼容性方面来看，LIN保证了网络节点的互换性，极大地提高了开发速度，同时保证了网络的可靠性。LIN协议应用开发的热点集中在美国、欧洲和日本。估计在未来10年，平均每辆车将有LIN节点20个左右。这样全世界每年将生产12亿个LIN节点。可见，LIN的应用存在着巨大的潜在市场，协议本身也会在不断应用中得到完善。表1-3 A类网络的使用情况 总线名称用户使用场合UART通用 多种场合Sine bus通用无线操纵车轮控制EC通用娱乐媒体J1708/J1587/J1922TB卡车、大客车的多种场合CCD克莱斯勒传感器总线ACP福特娱乐媒体BEAN丰田车身控制LIN许多公司智能传感器/执行器 TTP/A奥迪、雷诺智能传感器总之，LIN网络已经广泛地被世界上的大多数汽车公司以及零配件厂商所接受，有望成为事实上的A类网络标准。B类网络的使用情况如表1-4所列。从目前来看，主要应用的B类总线标准有三种：低速CAN、J1850和VAN。表1-4 B类网络的使用情况总线名称用户使用场合J2284通用、福特多种场合CAN欧洲车身/动力传动系统控制J1939TB 卡车、大客车的多种场合J1850通用、福特多种场合VAN雷诺车身控制1、1994年SAE正式将J1850作为B类网络标准协议。最早，SAE J1850用在美国Ford、GM以及Chrysler公司的汽车中；现在，J1850协议作为诊断和数据共享被广泛应用在汽车产品中。但是，J1850并不是一个单一标准。Ford采用的J1850标准，其物理层与GM和Chrysler公司使用的不同；而GM和Chrysler公司在相同的物理层上又使用不同的数据帧格式，并且三个公司使用各自的消息协议。现在已经停止使用，全部转至CAN总线。2、VAN标准是ISO于1994年6月推出的。它基于ISO115193，主要为法国汽车公司所用。但目前就动力与传动系统而言，甚至在法国也集中在CAN总线上。3、 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1 Mbps。通常它按速率分低速和高速，低速CAN具有许多容错功能，一般用在车身电子控制中；而高速CAN则大多用在汽车底盘和发动机的电子控制中。CAN总线凭借其突出的可靠性、实时性和灵活性已从众多总线中突显出来，成为世界接受的B类总线的主流协议。C类标准主要用于与汽车安全相关及实时性要求比较高的地方，如动力系统，所以其传输速率比较高，通常在125 kbps1000kbps之间，必须支持实时的周期性参数传输。表1-5,为C类网络的使用情况。目前，C类网络中的主要协议包括高速CAN(ISO118982)、正在发展中的TTP/C和Flex Ray等协议。1、 TTP/C协议由维也纳工业大学研发，基于TDMA的访问方式。TTP/C是一个应用于分布式实时控制系统的完整的通信协议。它能够支持多种容错策略,提供容错的时间同步以及广泛的错误检测机制,同时还提供节点的恢复和再整合功能。其采用光纤传输的工程化样品速度将达到25 Mbps。TTP/ C支持时间和事件触发的数据传输。TTP管理组织TTA Group成员包括奥迪、SA、Renault、NEC、TT Chip、Delphi等。表1-5 C类网络的使用情况总线名称用户使用场合CAN通用、欧洲实时控制TTP/C奥迪、雷诺实时控制Flex Ray宝马、克莱斯勒实时控制2、Flex Ray是BMW、Daimler Chrysler、Motorola和Philips等公司制定的功能强大的通信网络协议。它是基于FTDMA的确定性访问方式，具有容错功能及确定的通信消息传输时间，同时支持事件触发与时间触发通信，具备高速率通信能力。Flex Ray采用冗余备份的办法，对高速设备可以采用点对点方式与Flex Ray总线控制器连接，构成星型结构，对低速网络可以采用类似CAN总线的方式连接。3、CAN协议就目前来说仍为C类网络协议的主流，欧洲的汽车制造商基本上采用高速CAN总线标准ISO11898。据有关部门统计，2001年用在汽车上的CAN节点数目超过1亿个。然而，作为一种事件驱动型总线，CAN无法为下一代线控系统提供所需的容错功能或带宽，随着下一代汽车中引进X-by-Wire系统，TTP/C和Flex Ray将显示出优势。它们之间的竞争还要持续一段时间，在未来的线控系统中，到底哪一种标准更具有生命力尚难定论。总体而言，从通信速度上来说，CAN既能满足B类网络标准的要求也能满足C类网络标准的要求，更不用说低速的A类网络标准，就成本而言与其他协议相比，价格适中。如图1-9所示，为几种网络的成本比例和通信速度比较图，这些都不难发现。因此，美国汽车工程师协会（SAE）规定将汽车控制局域网CAN作为目前汽车网络技术的通用标准。图1-9 几种网络的成本比例和通信速度比较1.3.3诊断系统总线标准分析故障诊断是现代汽车必不可少的一项功能。使用诊断系统的目的主要是为满足OBDII (On Board Diagnose)、 OBDIII或EOBD(European On Board Diagnose)标准。OBDII（On Board Diagnose）第2代随车电脑诊断系统，由美国汽车工程学会1994年提出。1994年以来，美、日、欧一些主要汽车生产厂为了维修方便逐渐使用OBDII随车诊断系统。这一系统集故障自诊断系统软硬件结构、故障代码、通信方式系统、自检测试模式为一体，具有监视发动机微机和排放系统部件的能力。2004年，美国GM、Ford、DC三大汽车公司对乘用车采用基于CAN的J2480诊断系统通信标准。在欧洲，以往诊断系统中使用的是ISO9141。它是一种基于UART的通信标准。从2000年开始，欧洲汽车厂商就已经开始使用一种基于CAN总线的诊断系统通信标准ISO15765。表1-6为诊断系统协议标准的使用情况。表1-6 诊断系统协议标准的使用情况协议标准用户备注ISO9141欧洲满足OBDIIISOI4230欧洲满足OBDIIJ1850GM、Ford、DC满足OBDIIJ2480GM、Ford、DC基于CAN，满足OBDIIISOI5765欧洲基于CAN，满足E-OBD目前，除了CAN网络，LIN协议也已经成为汽车诊断的总线标准。本章小结本章主要介绍了汽车网络技术的基础知识包括它出现的背景、优点、未来的发展趋势、相关专业术语以及各标准协议之间的比较分析。2 汽车控制局域网CAN2.1汽车控制局域网CAN-BUS的简介2.1.1 CAN-BUS的出现随着汽车网络技术的日新月异发展，汽车上大量电子控制系统、调节系统和通信系统的使用，如：发动机电子控制系统、变速器电子控制系统、制动防抱死系统、移动多媒体系统、显示仪表系统等，为了实现某些功能，相关的系统间的数据交换需要个控制单元网络交联，传统的数据传输方式已不能满足汽车网络的需要。在1980年的早些时候，Bosch公司的工程师就开始论证当时的串行总线用于客车系统的可行性。因为没有一种现成的网络方案能够完全满足汽车工程师们的要求,于是,在1983年初,他们开始研究一种新的串行总线。新总线的主要方向是增加新功能,减少电气连接线 ,使其能够用于产品,而非用于驱动技术。来自Mercedes-Benz 的工程师较早制定了总线的状态说明, Intel作为半导体生产的主要厂商。 1986年2月,在底特律的汽车工程协会大会上, Bosch公司介绍了他们研究的新总线系统被称为"汽车串行控制器局域网" （Controller Area Network,简称CAN），那就是CAN局域网诞生的时刻。1987年，INTEL就推出了第一片CAN控制芯片82526；随后Philips半导体推出了82C200。1993年，CAN的国际标准ISO11898公布，从此CAN 协议被广泛的用于各类自动化控制领域。1992年，CIA（CAN in Automation）用户组织成立，之后制定了第一个CAN应用层“CAL”。1994年开始有了国际CAN学术年会（ICC）。1994年美国汽车工程师协会以CAN为基础制定了SAEJ1939标准，用于卡车和巴士控制和通信网络。 1999年一年就有近6千万个CAN控制器投入使用。2000年销售1亿多CAN的芯片。2001年用在汽车上的CAN节点数目超过1亿个 。到今天，几乎每一辆欧洲生产的轿车上都有CAN局域网；高级客车上有两套CAN局域网，通过网关互联。同样,CAN局域网也用于其他类型的交通工具,从火车到轮船或者用于工业控制。CAN局域网已经成为全球范围内最重要的总线之一 ，甚至领导着串行总线。2.1.2 CAN-BUS的优点1、数据共享减少了数据的重复处理，节省了成本。比如，对于具有CAN总线接口的电喷发动机，其它电子控制单元可共享为发动机控制单元提供的转速、水温、机油压力、机油温度、油量瞬时流速等等，一方面可省去额外的水温、油压、油温传感器，另一方面可以将这些数据显示在仪表上，便于司机检查发动机运行工况，从而便于发动机的保养维护。再比如，电涡流缓速器、空气悬架、门控制及巡航定速控制都用到车速数据，结果这些电子控制单元都有一套车速处理电路，浪费了资源，而采用总线技术后，大家都可以从CAN总线上即可获得车速数据。2、减少车身布线，进一步节省了成本。由于采用总线技术，模块之间的信号传递仅需要两条信号线（即CAN-BUS总线的CAN-High导线和CAN-Low导线）。布线局部化，车上除掉总线外，其他所有横贯车身的线都不再需要了，节省了布线成本，另外，数据共享也节省了线路，我们仍旧拿车速信号打比方，在没有总线的情况，车速信号要接到电涡流缓速器、空气悬架、门控制及电喷发动机等等，一些相关的电子控制单元上为其传输信号，以用来控制相关执行器执行预定的动作，但是有了总线后只要接到一处，其他电子控制单元通过总线就可实现数据共享。3、硬件方案的软件化实现，大大地简化了设计，减小硬件成本和设计生产成本。比如发动机点火控制，点火前时必须满足下列条件：（1）换挡杆处于空档位置；（2）钥匙门处于“ON”位置；另外还需点火保护装置，以往是靠一系列继电器来实现这些功能，既不可靠又增加了成本，而用软件实现既可靠又无资金投入。4、具有错误诊断能力和自动恢复能力，节省了生产维护成本。对于总线内部错误，总线系统可以通过自身软件进行自动恢复。对于没有安装总线系统的车辆，一旦出现故障，采取的的措施无非就是：（1）依赖人工；（2）往往需要对复杂的线束进行挨根测量；（3）需要对相关电器依次测定。可以说整个过程非常费工时的。5、扩充性强，产品升级快，节省了新产品开发设计成本。CAN局域网的节点几乎可以在不改动原有线束的情况下增加新的组件，大大节省了成本。6、数据稳定可靠，CAN总线具有线间干扰小、抗干扰能力强的特点。由于CAN局域网系统采用的是模块化管理，各模块按其功能分散的摆放在车内，简化了布线并缩短了线束的长度，从而降低了耦合电流的产生，减小了导线之间的干扰。同时在软件上，CAN总线采用短帧传输，这样使总线数据报文在传输过程中有较强的抗干扰能力。7、CAN总线专为汽车量身订做，可靠性有保障。CAN局域网的设计充分考虑了汽车上恶劣工作环境，比如点火线圈点火时产生的强大的反冲电压，电涡流缓速器切断时产生的浪涌电流及汽车发动机机仓100左右的高温等等，都采取了相应的保护措施。8、性价比占有绝对的优势。随着CAN局域网相关控制元件的批量推广，其成本会进一步降低。9、配置参数十分灵活，可以通CAN局域网分析软件进行设置。如开关量可以根据厂家需求设置其门限及控制极性(正负控)，模拟量可根据厂家提供的传感器阻值曲线，通过软件灵活配置，缩短新车试制时间。2.1.3 CAN-BUS的发展现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一,被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。在现代轿车的设计中，CAN已经成为必须采用的装置。奔驰、宝马、大众、沃尔沃、雷诺等汽车都采用了CAN作为控制器联网的手段。尽管当初研究CAN局域网的起点是应用于客车系统,但目前CAN总线已应用于众多领域,并且具有着强劲的市场竞争力。同时,由于CAN总线本身的特点,其应用范围目前已不再局限于汽车行业,而向自动控制、航空航天、航海、过程工业、机械工业、纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。CAN已经形成国际标准,并已被公认为几种最有前途的现场总线之一。现在，CAN 的高性能和可靠性已被认同。在国内，据报道中国首辆CAN网络系统混合动力轿车已在奇瑞公司试装成功，并进行了初步试运行。在上海大众的帕萨特和波罗汽车上也开始引入了CAN总线技术。但总的来说，目前CAN总线技术在我国汽车工业中的应用尚处于试验和起步阶段，绝大部分的汽车还没有采用汽车总线设计。国内在技术、设计和应用上进行网络总线的“深造”势在必行。CAN网络的上游是向传输速率更高的Flex Ray协议发展，下游是向LIN协议发展。