基于CAN/LIN總線的汽車通信網絡設計

引　言

20 世紀90 年代以來,隨著人們對汽車動力性、舒適性、經濟性要求的提高,汽車上的電控系統的數量越來越多,增加的ECU 及其通信設備使汽車電路復雜程度增加,相應地降低了汽車的可靠性。這就要求必須采用能夠滿足高速、多路的復用通信網絡,以共享的方式傳送多種控制信息。

目前汽車上普遍采用的汽車網絡有: 局部互聯網絡L IN (Local interconnect network) 、控制器局域網CAN(Controller area network 或稱現場控制總線) 。正在發(fā)展中的汽車網絡技術還有高速容錯網絡協議FlexRay ,用于汽車多媒體和導航的MOST ,以及與計算機網絡兼容的藍牙、無線局域網等無線網絡技術。文中主要側重于已得到眾多汽車制造商推崇的網絡技術―――CAN 總線和L IN 總線技術。

CAN總線、LIN總線簡介及各自通信協議

CAN總線及LIN總線簡介

CAN 網絡屬于總線式串行通信網絡。其最高速率可達1Mbps(40m) ,以多種方式工作。與一般的通信總線相比,CAN 總線的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性,是目前使用最廣泛的一種汽車網絡。

L IN 網絡是一種低成本的串行通訊網絡,用于實現汽車中的分布式電子系統控制。L IN 的目標是為現有汽車網絡(例如CAN 總線) 提供輔助功能。因此,L IN 總線是一種輔助的總線網絡。在不需要CAN 總線的帶寬和多功能的場合,比如智能傳感器和制動裝置之間的通訊使用L IN 總線可大大節(jié)省成本(為CAN 總線所需成本的1/ 3～1/ 2) 。目前L IN 已經成為國際標準,被多數整車廠商和配件廠商所接受。

L IN 的主要特點如下: 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,無需仲裁機制;從節(jié)點不需晶振或陶瓷震蕩器就能實現自同步,節(jié)省了從設備的硬件成本;保證信號傳輸的延遲時間;不需要改變L IN 從節(jié)點的硬件和軟件就可以在網絡上增加節(jié)點。通常一個L IN 網絡上節(jié)點數目小于12個,共有64 個標志符。

CAN總線通信協議―――J1939 通信協議

J1939 協議以CAN 2. 0B 為基礎,是CAN 總線的應用層協議。J1939 協議將CAN 標識符劃分為如下幾個部分:優(yōu)先級( P) 、數據頁( PGN) 、協議數據單元( 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 協議報文格式

　LIN總線通信協議

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

通過L IN 總線傳輸的實體為幀。一個報文幀由幀頭以及回應(數據) 部分組成。在一個激活的L IN 網絡中,通訊通常由主節(jié)點啟動,主節(jié)點任務發(fā)送包含有同步間隙的報文頭、同步字節(jié)以及報文標志符( ID) 。一個從節(jié)點的任務通過接收并過濾標志符被激活,并啟動回應報文的傳送?；貞邪?/span>1 到8 個字節(jié)的數據以及一個字節(jié)的校驗碼。圖1 為L IN 協議幀結構。

總體通信網絡設計

　整車通信網絡設計

汽車內ECU 間的數據傳輸特征主要差別在于數據傳輸頻率,美國汽車工程師協會(SAE) 將汽車網絡根據速率劃分為A ( 低速: 1kbps ～ 10kbps) 、B ( 中速: 10kbps ～100kbps) 、C(高速:最高位速率可達1Mbps) 3 個等級。在一個完善的汽車電子控制系統中,許多動態(tài)信息必須與車速同步,每個ECU 對實時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間間隔為6. 25ms ,其中,噴射持續(xù)時間為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(zhí)行器的控制等一系列過程,這就意味著數據發(fā)送與接收必須在1ms 內完成,才能達到柴油機電控的實時性要求。同時,這也就要求其數據通信網是基于優(yōu)先權競爭的模式,且本身具有極高的通信速率。CAN 總線技術正是為滿足這些要求而設計的。

然而在A 類通信網絡中,進氣溫度的參數允許響應時間為20s ,冷卻溫度的參數允許響應時間1min ,燃油溫度的參數允許響應時間約10min ( 上述3 個信號每隔100ms 或1min 采樣一次就完全足夠了) ,前后車燈開關、座椅調節(jié)、車門開閉的傳輸延遲為10～100ms ,如將這些較為簡單的ECU 節(jié)點掛在L IN 總線上,則既實現了網絡分級控制,同時也降低了車輛電子系統的開發(fā)、生產和服務的成本。

如圖2 所示,文中將數據傳輸速率較高的CAN 總線(1Mbps) 用于B、C 類網絡,其控制對象為:發(fā)動機控制器、自動變速器、驅動防滑系統、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 總線用于A 類系統,最高傳輸速率可達20kbps。其控制對象主要為:前后車燈控制開關、電動座椅開關、中央門鎖與防盜控制開關、后視鏡、空調、車窗控制開關等。這些控制對象對信息傳輸的實時性要求不高,但數量較多。采用L IN 總線可提高抗干擾能力、增加總線傳輸距離、降低成本。以門窗控制為例,在車門上有門鎖、車窗玻璃開關、車窗升降電機、操作按鈕等,只需一個L IN 網絡就可以實現。

CAN 總線和L IN 總線相互獨立,通過中央控制器實現資源共享并進行數據交換。中央控制器是整車管理系統的核心,它同時也是CAN 總線和L IN 總線的網關服務器,它的主要功能就是對各種信息進行分析處理并發(fā)出指令,協調汽車各控制單元及電器設備的工作。