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摘 要:简要介绍CAN总线的概念、产生原因及其特点,分析了CAN总线的组成、传输原理以及在汽车通信控制中的具体应用,展望了CAN的应用发展趋势。
关键词:CAN总线;电控单元ECU;控制系统
德国Robert Bosch公司在20世纪80年代初开发的一种串行数据总线—CAN总线,这个总线上许多电控单元通过它连接起来组成一种网络,也叫控制器局域网[1]CAN(Controller Area Network)。这是用来解决汽车上的电子器件通讯和连接时效问题,以及对汽车控制功能的实现,是一种以分布式控制系统为基础构造的汽车车载电子网络系统,在目前汽车应用上最广范和最有代表性。
1.CAN总线的产生及其特点
随着汽车动力、控制、排放、节能、安全和舒适性等使用性能和要求的不断提高,对于汽车电子控制程度的要求也越来越高。汽车电子控制装置的增多,使得连接汽车电子控制装置之间导线也变得更为复杂。如果采用传统的点到点的布线方法,势必导致车身布线越来越长,越来越复杂,运行可靠性低、故障维修难度大。因此,为解决现代汽车中众多控制装置和电子仪表间数据交换问题,车载电子装置问的数据通信变得越来越重要,于是电子控制系统在车身上的大量应用和通讯的要求,产生了车载网络。CAN总线是一种现场总线,通讯线可以是一根双绞线或是同轴电缆或光导纤维,将各种汽车电子装置连接成为一个网络。它可以有效地支持分布式控制或实时控制的串行通信网络,在这个系统中,各控制装置独立运行,控制和改善汽车某一方面的性能,同时可为其它控制装置提供数据服务。由于CAN总线具有通信速率高、可靠性好、连接方便、多主站点、通讯协议简单和性能价格比高等突出的优点,适用于汽车环境的汽车局域网,如今CAN总线在汽车分布式控制系统中得到了广泛的应用。
2.CAN总线硬件系统组成和传输原理
2.1车载CAN总线系统的基本组成
CAN总线传输系统中主要由CAN控制器、CAN收发器、传输介质、数据传递终端电阻等组成。SJA1000和 PCA2C250组成的CAN控制器和CAN收发器是CAN总线中的典型组合通讯模块。
2.1.1CAN控制器。
CAN控制器时一块可编程芯片上通过逻辑电路的组合实现这些功能的组合实现这些功能的,对外提供了与微处理器物理连接的线路接口。通过对它的编程,CPU可以设置它的工作方式,控制它的工作状态,进行数据的发送和接收。CAN控制器可以是独立的芯片,也可以是和微处理器封装在一起的。它的作用是接收电控单元中微处理器发出的数据,对这些数据进行处理,并传送给CAN收发器。CAN控制器也接收CAN收发器的数据,在处理后传给微处理器。
2.1.2CAN收发器
它是一个发送器和接收器的组合,将CAN控制器提供的数据转化成电信号并通过数据总线发送出去,同时,它也接收从总线来的数据,并传送到CAN控制器。
2.1.3终端电阻
在CAN总线的两端连接有两个终端电阻,用来防止数据在终端被反射并以回声的形式返回,数据在终端的反射会影响数据的传输。
2.1.4光电隔离
一般,为了进一步提高系统的抗干扰能力,在CAN 控制器SJA1000和收发器PCA82C250之间增加了由高速隔离器件6N137构成的隔离电路[2]。
2.2车载CAN总线传输原理
2.2.1CAN总线参考型介绍
CAN网络结构主要包括两大部分:一是通信部分,二是网络管理部分。通信部分相当于OSI模型的物理层、数据链路层、传输层和应用层。网络管理部分的功能是为获得操作的安全性和可靠性,它是各种功能和实体的合集,能对网络配置进行检测,对实效进行校正,并支持网络诊断功能等。CAN数据链路层包括逻辑链路控制子层和媒体访问控制子层。CAN总线的物理层是将ECU连接至总线的电路实现。ECU总线将受限于总线上的电器负载。
2.2.2CAN总线的传输过程
CAN总线所传输的信息帧有数据帧、远程帧、错误帧和超载帧四种类型。
每条数据的传递包括五个过程:提供数据、发送数据、接收数据、检查数据、接收数据。
汽车发动机电控单元ECU向ECU的CAN收发器发送数据,该CAN收发器接收到数据后,转换信号并发给本ECU的控制器。CAN数据传输系统的其他ECU收发器均接收到此数据,检验判断是否需要接收的数据,是的话接收,不是的话忽略。
2.2.3CAN总线的差动传递技术
CAN总线的差动传递技术的原理是:在CAN总线收发器内有一个接收器,该接收器安装在接收器一侧的差动信号放大器内。收发器内的CAN-H线和CAN-L线上的信号转换通过差动信号放大器来实现的,这个转换后的信号称为差动信号放大器的输出电压。CAN-H信号和CAN-L信号经过差动放大器处理后,差动信号放大器再将转换后的信号传至电控单元的CAN接收区。
3.CAN总线在汽车控制系统中的具体应用
车载局域网在汽车上的应用非常的广泛,按照应用功能来划分的话分为车身系统、动力系统、安全系统、和信息系统4个部分。按车身上通讯速度来分的话,分为高速CAN总线和低速CAN总线两部分。高速CAN总线部分连接着动力系统,安全系统;低速CAN总线连接着车灯开关、车门控制、座位调节等简单事件对信息传输延迟的要求不高的功能简单的控制和调节器件。
动力传动系统内利用网络将发动机舱内的电控单元连接起来,这些电控单元分别是发动机电控单元、防抱死刹车系统电控单元和自动变速器电控单元。在这个系统中,数据传递要求快速、高效,通信实时性高。
车身系统内模块、节点数量多,连接线索较长,为了防止电磁干扰,降低通信速度,采用直接总线和辅助总线。车身系统的数据总线也称舒适CAN总线,连接5块电控单元,中央电控单元和4个车门的电控单元。
安全系统是根据多个传感器的信息使安全气囊启动的系统,在这个系统中连接着加速度计、安全传感器等装置[3],因此对这个系统总线的要求是:成本低、速度快、通信可靠性高。
信息系统的通信总线的要求是:容量大、通信速度高,保证带宽。
4.CAN总线发展趋势
从1986年Robert Bosch在美国汽车工程师协会SAE的大会上介绍CAN,到SAE通过了CAN标准,转向CAN协议后,CAN总线目前是汽车工业上应用最广泛和普遍的总线,其技术规范已经从CAN1.2发展到了CAN2.0A和CAN2.0B。目前我国的国产轿车和合资轿车大都采用CAN总线作为汽车控制系统的通信网络总线。虽然在目前情况下,CAN在汽车控制上的应用与其他技术标准的网络应用还会共存很长的时间,但早期的一些不符合汽车网络控制与通讯的标准和协议正在退出汽车控制的历史舞台,而CAN总线依然是目前不可替代的汽车网络解决方案。目前的汽车厂商正在扩展CAN网与无线通讯的连接,比如蓝牙技术等,这将为未来的汽车控制和通讯创建一个更加便捷的渠道。
CAN技术不仅在汽车上,在飞机、轮船以及工业控制中都得到了广泛的应用。
参考文献:
[1]谭本忠.汽车车载网络维修教程[M].北京:机械工业出版社,2008,2(1).
[2]饶运涛.现场总线C AN原理与应用设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.
[3]于万海.车载网络系统原理与检修[M].北京:电子工业出版社,2008,7(1).
关键词:CAN总线;电控单元ECU;控制系统
德国Robert Bosch公司在20世纪80年代初开发的一种串行数据总线—CAN总线,这个总线上许多电控单元通过它连接起来组成一种网络,也叫控制器局域网[1]CAN(Controller Area Network)。这是用来解决汽车上的电子器件通讯和连接时效问题,以及对汽车控制功能的实现,是一种以分布式控制系统为基础构造的汽车车载电子网络系统,在目前汽车应用上最广范和最有代表性。
1.CAN总线的产生及其特点
随着汽车动力、控制、排放、节能、安全和舒适性等使用性能和要求的不断提高,对于汽车电子控制程度的要求也越来越高。汽车电子控制装置的增多,使得连接汽车电子控制装置之间导线也变得更为复杂。如果采用传统的点到点的布线方法,势必导致车身布线越来越长,越来越复杂,运行可靠性低、故障维修难度大。因此,为解决现代汽车中众多控制装置和电子仪表间数据交换问题,车载电子装置问的数据通信变得越来越重要,于是电子控制系统在车身上的大量应用和通讯的要求,产生了车载网络。CAN总线是一种现场总线,通讯线可以是一根双绞线或是同轴电缆或光导纤维,将各种汽车电子装置连接成为一个网络。它可以有效地支持分布式控制或实时控制的串行通信网络,在这个系统中,各控制装置独立运行,控制和改善汽车某一方面的性能,同时可为其它控制装置提供数据服务。由于CAN总线具有通信速率高、可靠性好、连接方便、多主站点、通讯协议简单和性能价格比高等突出的优点,适用于汽车环境的汽车局域网,如今CAN总线在汽车分布式控制系统中得到了广泛的应用。
2.CAN总线硬件系统组成和传输原理
2.1车载CAN总线系统的基本组成
CAN总线传输系统中主要由CAN控制器、CAN收发器、传输介质、数据传递终端电阻等组成。SJA1000和 PCA2C250组成的CAN控制器和CAN收发器是CAN总线中的典型组合通讯模块。
2.1.1CAN控制器。
CAN控制器时一块可编程芯片上通过逻辑电路的组合实现这些功能的组合实现这些功能的,对外提供了与微处理器物理连接的线路接口。通过对它的编程,CPU可以设置它的工作方式,控制它的工作状态,进行数据的发送和接收。CAN控制器可以是独立的芯片,也可以是和微处理器封装在一起的。它的作用是接收电控单元中微处理器发出的数据,对这些数据进行处理,并传送给CAN收发器。CAN控制器也接收CAN收发器的数据,在处理后传给微处理器。
2.1.2CAN收发器
它是一个发送器和接收器的组合,将CAN控制器提供的数据转化成电信号并通过数据总线发送出去,同时,它也接收从总线来的数据,并传送到CAN控制器。
2.1.3终端电阻
在CAN总线的两端连接有两个终端电阻,用来防止数据在终端被反射并以回声的形式返回,数据在终端的反射会影响数据的传输。
2.1.4光电隔离
一般,为了进一步提高系统的抗干扰能力,在CAN 控制器SJA1000和收发器PCA82C250之间增加了由高速隔离器件6N137构成的隔离电路[2]。
2.2车载CAN总线传输原理
2.2.1CAN总线参考型介绍
CAN网络结构主要包括两大部分:一是通信部分,二是网络管理部分。通信部分相当于OSI模型的物理层、数据链路层、传输层和应用层。网络管理部分的功能是为获得操作的安全性和可靠性,它是各种功能和实体的合集,能对网络配置进行检测,对实效进行校正,并支持网络诊断功能等。CAN数据链路层包括逻辑链路控制子层和媒体访问控制子层。CAN总线的物理层是将ECU连接至总线的电路实现。ECU总线将受限于总线上的电器负载。
2.2.2CAN总线的传输过程
CAN总线所传输的信息帧有数据帧、远程帧、错误帧和超载帧四种类型。
每条数据的传递包括五个过程:提供数据、发送数据、接收数据、检查数据、接收数据。
汽车发动机电控单元ECU向ECU的CAN收发器发送数据,该CAN收发器接收到数据后,转换信号并发给本ECU的控制器。CAN数据传输系统的其他ECU收发器均接收到此数据,检验判断是否需要接收的数据,是的话接收,不是的话忽略。
2.2.3CAN总线的差动传递技术
CAN总线的差动传递技术的原理是:在CAN总线收发器内有一个接收器,该接收器安装在接收器一侧的差动信号放大器内。收发器内的CAN-H线和CAN-L线上的信号转换通过差动信号放大器来实现的,这个转换后的信号称为差动信号放大器的输出电压。CAN-H信号和CAN-L信号经过差动放大器处理后,差动信号放大器再将转换后的信号传至电控单元的CAN接收区。
3.CAN总线在汽车控制系统中的具体应用
车载局域网在汽车上的应用非常的广泛,按照应用功能来划分的话分为车身系统、动力系统、安全系统、和信息系统4个部分。按车身上通讯速度来分的话,分为高速CAN总线和低速CAN总线两部分。高速CAN总线部分连接着动力系统,安全系统;低速CAN总线连接着车灯开关、车门控制、座位调节等简单事件对信息传输延迟的要求不高的功能简单的控制和调节器件。
动力传动系统内利用网络将发动机舱内的电控单元连接起来,这些电控单元分别是发动机电控单元、防抱死刹车系统电控单元和自动变速器电控单元。在这个系统中,数据传递要求快速、高效,通信实时性高。
车身系统内模块、节点数量多,连接线索较长,为了防止电磁干扰,降低通信速度,采用直接总线和辅助总线。车身系统的数据总线也称舒适CAN总线,连接5块电控单元,中央电控单元和4个车门的电控单元。
安全系统是根据多个传感器的信息使安全气囊启动的系统,在这个系统中连接着加速度计、安全传感器等装置[3],因此对这个系统总线的要求是:成本低、速度快、通信可靠性高。
信息系统的通信总线的要求是:容量大、通信速度高,保证带宽。
4.CAN总线发展趋势
从1986年Robert Bosch在美国汽车工程师协会SAE的大会上介绍CAN,到SAE通过了CAN标准,转向CAN协议后,CAN总线目前是汽车工业上应用最广泛和普遍的总线,其技术规范已经从CAN1.2发展到了CAN2.0A和CAN2.0B。目前我国的国产轿车和合资轿车大都采用CAN总线作为汽车控制系统的通信网络总线。虽然在目前情况下,CAN在汽车控制上的应用与其他技术标准的网络应用还会共存很长的时间,但早期的一些不符合汽车网络控制与通讯的标准和协议正在退出汽车控制的历史舞台,而CAN总线依然是目前不可替代的汽车网络解决方案。目前的汽车厂商正在扩展CAN网与无线通讯的连接,比如蓝牙技术等,这将为未来的汽车控制和通讯创建一个更加便捷的渠道。
CAN技术不仅在汽车上,在飞机、轮船以及工业控制中都得到了广泛的应用。
参考文献:
[1]谭本忠.汽车车载网络维修教程[M].北京:机械工业出版社,2008,2(1).
[2]饶运涛.现场总线C AN原理与应用设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2003.
[3]于万海.车载网络系统原理与检修[M].北京:电子工业出版社,2008,7(1).