CAN總線在汽車電子業(yè)的應(yīng)用

CAN是Control Area Network 的縮寫, 該項(xiàng)技術(shù)最早由德國BOSCH 公司推出, 用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信。其總線規(guī)范現(xiàn)已被ISO 國際標(biāo)準(zhǔn)組織制訂為國際標(biāo)準(zhǔn)。由于得到了Motorola , Intel , Philip , Siemence , NEC 等公司的支持, 它廣泛應(yīng)用在離散控制領(lǐng)域。CAN通信介質(zhì)可以是雙絞線、光導(dǎo)纖維、同軸電纜，作為一種串行多主站控制器局域網(wǎng)總線，他的通訊可靠性、網(wǎng)絡(luò)安全性、實(shí)時(shí)性都非常高，成本也低廉，很適用一些中小規(guī)模的交通運(yùn)載工具電氣系統(tǒng)、工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備的互連、電磁輻射強(qiáng)、環(huán)境溫度惡劣、振動(dòng)大的工業(yè)環(huán)境及汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。就目前的趨勢看，CAN總線協(xié)議必是汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和嵌入式工業(yè)控制局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)總線。

CAN屬于總線式串行通信網(wǎng)絡(luò)，由于采用了許多新技術(shù)以及獨(dú)特的設(shè)計(jì)，與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出性能、可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，以及良好的故障珍斷和糾錯(cuò)能力。其特點(diǎn)主要有：

1)支持分布式控制，實(shí)時(shí)控制。

2)不分主從，CAN是主站總線，在任何時(shí)刻各節(jié)點(diǎn)都可向網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息，通信靈活，可以多主方式工作。

3)實(shí)時(shí)性好，采用非破壞性的獨(dú)特的總線仲裁技術(shù)，高優(yōu)先級節(jié)點(diǎn)優(yōu)先傳送數(shù)據(jù)，有效避免總線沖突。

4)CAN采用全局廣播、一點(diǎn)對多點(diǎn)、點(diǎn)對點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)功能。

5)短幀結(jié)構(gòu)的采用降低了數(shù)據(jù)出錯(cuò)率，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間短，每幀有效字節(jié)數(shù)最多為8個(gè)，有CRC及其它校驗(yàn)措施，適合在高干擾環(huán)境下使用。

6)一旦出現(xiàn)嚴(yán)重錯(cuò)誤，可自動(dòng)脫離或關(guān)閉總線，而其他總線操作不會受影其響。

7)每次擴(kuò)充石，直接掛新節(jié)點(diǎn)在總線上，改型靈活，系統(tǒng)擴(kuò)充容易，走線少。

8)CAN總線的最大傳輸速率可達(dá)1Mb／s，直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)到10km，(速率在5kbps以下)。

9)CAN節(jié)點(diǎn)數(shù)在標(biāo)準(zhǔn)幀是可達(dá)110個(gè)，擴(kuò)展幀個(gè)數(shù)不限。

10)數(shù)據(jù)傳送方式可分為數(shù)據(jù)廣播式和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)請求式。

自CAN總線問世以來，為滿足CAN總線協(xié)議的多種應(yīng)用需要，相繼出現(xiàn)了幾種高層協(xié)議。目前大多數(shù)基于CAN總線的網(wǎng)絡(luò)都采用CAN總線的高層協(xié)議。CAN open、Device Net和SDS是通常采用的高層協(xié)議，適用于任何類型的工業(yè)控制局域網(wǎng)應(yīng)照場合，而CAL貝I|應(yīng)用于基于標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用層通訊協(xié)議的優(yōu)化控制場合，SAEJl939則應(yīng)用于卡車和重型汽車計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

二、CAN在汽車電子業(yè)的發(fā)展

“汽車電子業(yè)最大的熱點(diǎn)就是網(wǎng)絡(luò)化。”一位業(yè)內(nèi)人士如此描述汽車網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用前景。而CAN擁有的多主節(jié)點(diǎn)、開放式架構(gòu)，以及錯(cuò)誤檢測及自恢復(fù)能力等優(yōu)勢，成為汽車網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的熱門。從以下一組數(shù)字中也印證了這一趨勢，02年數(shù)據(jù)，全球市場上大約有一億只CAN收發(fā)器，平均一輛車上有12個(gè)到15個(gè)低速CAN收發(fā)器，4到5個(gè)高速CAN收發(fā)器。

一些汽車專家認(rèn)為，就像在20世紀(jì)70年代引入集成電路、80年代引入微處理器一樣，近10年來數(shù)據(jù)總線技術(shù)的引入也將是汽車電子技術(shù)發(fā)展的一個(gè)里程碑。

并且，隨著安全性能日益受到重視，安全氣囊也將逐漸增多，以前是在駕駛員前面安裝一個(gè)，今后側(cè)面與后座都會安裝安全氣囊，這些氣囊通過傳感器感受碰撞信號，通過CAN總線將傳感器信號傳送到一個(gè)中央處理器內(nèi)，控制各安全氣囊的啟動(dòng)彈出動(dòng)作。同時(shí)，先進(jìn)的防盜設(shè)計(jì)也正基于CAN總線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。首先，確認(rèn)鑰匙合法性的校驗(yàn)信息通過CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳遞，改進(jìn)了加密算法，其校驗(yàn)的信息比以往的防盜系統(tǒng)更豐富；其次，車鑰匙、防盜控制器和發(fā)動(dòng)機(jī)控制器相互儲存對方信息，而且在校驗(yàn)碼中攙雜隨機(jī)碼，無法進(jìn)行破譯，從而提高防盜系統(tǒng)的安全性。而這些功能的實(shí)現(xiàn)無一不借助CAN總線來完成，CAN總線成為汽車智能化控制的“定海神針”。

在現(xiàn)代轎車的設(shè)計(jì)中，CAN已經(jīng)成為必須采用的裝置。奔馳、寶馬、大眾、沃爾沃、雷諾等汽車都采用了CAN作為控制器聯(lián)網(wǎng)的手段。據(jù)報(bào)道，中國首輛CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)混合動(dòng)力轎車已在奇瑞公司試裝成功，并進(jìn)行了初步試運(yùn)行。在上海大眾的帕薩特和POLO汽車上也開始引入了CAN總線技術(shù)。但總的來說，目前CAN總線技術(shù)在我國汽車工業(yè)中的應(yīng)用尚處于試驗(yàn)和起步階段，絕大部分的汽車還沒有采用汽車總線設(shè)計(jì)。國內(nèi)在技術(shù)、設(shè)計(jì)和應(yīng)用上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)總線的“深造”勢在必行。

CAN分為高速和低速CAN總線，低速CAN的總線速度為10Kb-125Kb/s，高速為250Kb-1Mb/s。許向東介紹，德爾福開發(fā)的CAN總線系統(tǒng)是將發(fā)動(dòng)機(jī)控制與變速箱連接在一起，因?yàn)槠囋趽Q檔時(shí)需要發(fā)動(dòng)機(jī)變換扭矩，以保持汽車行駛的平穩(wěn)性。高速CAN應(yīng)用在發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、ABS等實(shí)時(shí)性要求強(qiáng)的控制模塊，低速CAN主要是運(yùn)用在車身控制模塊領(lǐng)域。

然而，對于許多基本的汽車應(yīng)用而言，由于CAN總線的實(shí)現(xiàn)成本較高，并非都需要用CAN節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)連接。飛思卡爾汽車電子市場部經(jīng)理康曉敦說，CAN總線的實(shí)現(xiàn)成本較高，做一個(gè)節(jié)點(diǎn)，MCU需要帶CAN數(shù)字接口，至少20多元，加上CAN收發(fā)器七八元，因此一個(gè)CAN節(jié)點(diǎn)芯片需要30多元左右。隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，這部分成本會增加許多，而LIN(局部互聯(lián)網(wǎng)絡(luò))對MCU要求的資源很少，普通的串行口就可以做，一般LIN子節(jié)點(diǎn)所用的MCU只需要幾元。并且，LIN總線正是針對相對簡單的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。因此在CAN/LIN網(wǎng)絡(luò)中，CAN節(jié)點(diǎn)可連接發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、儀表盤等，LIN節(jié)點(diǎn)來連接門窗、后視鏡、車燈等。這是綜合汽車成本、性能方面的權(quán)衡之舉。

CAN網(wǎng)絡(luò)的上游是向傳輸速率更高的Flex Ray協(xié)議發(fā)展，下游是向LIN協(xié)議發(fā)展。Flex Ray的速率高、更加安全可靠，但實(shí)現(xiàn)成本目前還較高，其接口和收發(fā)器方面要求均較高，精度和復(fù)雜性更高。因此，未來幾年內(nèi)CAN總線仍占據(jù)汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的主導(dǎo)。

同時(shí)，為適應(yīng)未來汽車多媒體娛樂系統(tǒng)發(fā)展的需要，未來DVD、導(dǎo)航儀、汽車音響將通過數(shù)據(jù)總線集成在一起，以傳輸移動(dòng)圖像，這也就需要傳輸速率更高、更快的網(wǎng)絡(luò)總線?？禃远刂赋?，目前市場上已開發(fā)出一種MOST標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，做音視頻娛樂通信，它是基于光纖的通信協(xié)議，傳輸速率可達(dá)20多兆，在一些頂級車上已有應(yīng)用。目前做MOST總線很復(fù)雜，MOST網(wǎng)關(guān)需用支持多媒體的32位MCU實(shí)現(xiàn)，并需要大量的16位單片機(jī)做每個(gè)子系統(tǒng)的控制，它的應(yīng)用還需汽車廠商、汽車電子廠商的共同推動(dòng)。

三、結(jié)束語

隨著汽車電子技術(shù)和大規(guī)模集成電路的迅速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)控制芯片性能逐步提高，體積逐步減小，價(jià)格進(jìn)一步下降，CAN總線在汽車上的應(yīng)用已成為一種必然的發(fā)展趨勢，并且SAE J1939成為車用CAN通信協(xié)議的主流。CAN總線在汽車上的廣泛應(yīng)用將使汽車的動(dòng)力性、操縱穩(wěn)定性、安全性都上升到新的高度，給汽車技術(shù)的發(fā)展注入新的活力。CAN作為控制器聯(lián)網(wǎng)的手段，已廣泛應(yīng)用于奔馳、雷諾、沃爾沃、大眾、寶馬等知名品牌汽車。據(jù)相關(guān)報(bào)道，奇瑞公司已經(jīng)配裝成功國內(nèi)首輛CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)混合動(dòng)力轎車，并已投入運(yùn)行中。POLO汽車、上海大眾的帕薩特也都開始引用此技術(shù)，相信CAN總線技術(shù)將會推動(dòng)汽車電子業(yè)一直向前邁進(jìn)發(fā)展。