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汽车总线设计与应用案例分析
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汽车总线系统实质上是通过某种通讯协议(如CAN)，将汽车内部的各个ECU节点联结起来，从而形成一个汽车内部的局域网络。节点根据自身的传感器信息以及总线上的信息,完成预定的控制功能和动作，如灯光的开闭、电机启停等,节点之间的通讯通过总线来实现。每个节点一般由MCU(或DSP等)、接口电路、总路线控制器、总线驱动器等构成。
一、汽车总线现状
汽车总线随着汽车各系统的控制逐步向自动化和智能化转变，汽车电气系统变得日益复杂。传统的电气系统大多采用点对点的单一通信方式，相互之间少有联系，这样必然会形成庞大的布线系统。
据统计，一辆采用传统布线方法的高档汽车中，其导线长度可达米，电气节点可达个，而且该数字大约每10年就将增加1倍。这进一步加剧了粗大的线束与汽车上有限的可用空间之间的矛盾。无论从材料成本还是工作效率看，传统布线方法都不能适应现代汽车的发展。
另外，为了满足各电子系统的实时性要求，须对汽车公共数据（如发动机转速、车轮转速、节气门踏板位置等信息）实行共享，而每个控制单元对实时性的要求又各不相同。因此，传统的电气网络已无法适应现代汽车电子系统的发展，于是新型汽车总线技术便应运而生。
二、两种主要的汽车总线
LIN（局部互联协议）和CAN（控制器局域网）是当前汽车上普遍采用的汽车总线，还有用于汽车多媒体和导航的MOST总线和另外还有新型专用总线是处于发展中的汽车总线。
LIN总线是成本较低的串行通讯网络协议，用于实现分布的电子系统控制。串行通讯网络协议是采用一个主控制器控制和多个传感器采集信息、最终是控制执行器的模式，1根电压为12伏的信号线连接各模块。LIN总线最高传输速率可达20Kbit/s，LIN总线是面向传感器、执行器的低速网络，LIN网络的节点数可以有12个。
我们汽车上应用比较广泛的LIN总线，在汽车车门上有安装车窗玻璃开关、车窗升降电机、门锁、闭锁按钮等，只需1个LIN网络就可以把它们互相关联为一体。目前LIN总线主要应用于电动座椅、电动门窗、灯光照明等控制。
1LIN总线的通讯系统在汽车网络中，主控制发送任务给LIN网络上的通讯，主控制器发送一个起始报文，该起始报文由同步断点和同步字节消息标志符所组成。相应的，在接受并且滤除消息标志符后，一个LIN网络由一个主节点一个或多个从节点组成，所有节点都有一个从通讯任务，该通讯任务分为发送任务和接收任务，主节点还有一个主发送任务，一个从任务被激活并且开始本消息的应答传输，该应答由2/4/8个数据字节和一个校验码所组成。
起始报文和应答部分构成一个完整的报文帧，这种通讯规则可以用多种方式来交换数据：由主节点到一个或多个从节点；由一个从节点到主节点或其他的从节点，通讯信号可以在从节点之间传播而不经过主节点或者主节点广播消息到网络中的所有节点，报文帧的时序由主控制器控制。
2LIN总线特点1）可靠传输
信号传输时间可靠；LIN总线传输速率很高，最高速率可以达到20Kbit/s；一个主控器和多个从设备模式不需要仲裁机制；
2）低成本
LIN总线的信号线在较少的情况下就可符合国际标准的相关规定；在节点处无需陶瓷震荡器或晶振就可实现自同步，使用的成本大大降低；
3）在网络上增加新的节点的时候不需要在LIN从节点的硬件和软件更改。
3LIN总线的应用LIN总线在汽车上得到广泛应用，汽车上的方向盘相关部件、汽车座椅控制、车门控制系统和车载传感器等。LIN可以很容易地连接到汽车网络中的智能传感器、制动器或光敏器件等得到广泛的使用，并且得到十分方便的维护和服务。
LIN总线的系统中是用数字信号量所将模拟信号量替换，使得LIN总线性能提升很大。在当前的汽车总线网络中CAN总线占据主导地位。20世纪80年代初德国BOSCH公司在为解决现代汽车中众多的控制与设备之间的数据交换问题而开发的一种串行数据通讯协议因而产生CAN总线。
CAN总线分为高速CAN和低速CAN，低速CAN是舒适型总线，速度为kbps，主要连接着仪表、防盗等；高速CAN系统是动力型总线，采用硬线，速度为kbps，主要连接着ABS、ECU等。CAN总线的通讯介质一般为双绞线，另外还有同轴电缆和光导纤维。
4CAN总线的通讯1）在各节点的CAN总线均可以实现互相自由通信
采用多主竞争式总线结构是CAN总线的通讯特点，CAN总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息而不分主次并且可在各个通讯节点之间自由通信。
国际标准化组织已经把CAN总线认证，CAN总线在应用上性价比高，而且技术比较成熟，对分布式测控系统之间的数据通讯特别适用，而且CAN总线的应用非常广。
2）CAN总线的节点个数理论上在网络内没有个数限制
传统的站地址编码被CAN总线协议废除了，并通过对通信数据模块进行编码。这种方法的优点是可以使CAN总线的节点个数理论上在网络内没有个数限制，数据块编码的标识符可以由29或11位二进制数组成，因而有2或2个以上不同的数据块可以被定义，这种数据块编码的方式，还可以使相同的数据被不同的节点同时接收到，这一方式在分布式控制系统中普遍使用。
为了保证通信的实时性，使得数据段长度最多为8个字节，并且8个字节不会占用总线时间过长。为了保证数据通信的可靠性，因而CAN协议采用了CRC检验并可提供相应的错误处理功能。因为CAN总线的功能强大，所以越来越受到工业行业的重视。
3）CAN总线通信可完成对通信数据的成帧处理
包括数据块编码、信息传输、位填充、循环冗余检验、优先级判别等工作。在接口中集成了CAN协议的物理层的功能。
5CAN总线的特点1）CAN总线在数据通信传输时没有主从之分，对于任意一个节点都可以向其他任何节点（一个或多个）发起数据通信，靠各个节点信息优先级先后顺序来决定通信次序；
2）对于CAN总线上的通讯，在多个节点同时发起通信时，优先级高的先通信，优先级低的及时避让，因而通信线路不会拥堵；
3）CAN总线是两根导线铰接链接，可以避免信号干扰，使得信号传输更加可靠；
4）如果某个节点在通信时发生了严重错误的时候，节点通信能够自动离开总线的功能；
5）CAN总线是双绞线，也是CAN总线的传输介质。
CAN总线的实时性要求比较高，因而CAN总线适用于大数据量短距离通信或者长距离小数据量通信。
6CAN总线在设备的应用CAN总线可以分为高速CAN和低速CAN，高速CAN系统传输速率为kbps，主要控制ECU、ABS等模块的信号传输，为动力型也称为动力CAN，低速CAN系统传输速率为kbps，主要控制仪表、防盗等。
在MOST系统中，光导纤维是作为MOST系统的信息传导媒介，进行数字信号的传输。是将控制系统的电磁脉冲信号转化为光脉冲信号，然后传输到光导纤维上，相应的电脑将接收的光脉冲信号转换为电磁脉冲信号，因而实现相应的控制功能。
CAN总线是由以研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发的，并最终成为国际标准（ISO），是国际上应用最广泛的现场总线之一。在北美和西欧，CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线，并且拥有以CAN为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的J协议。因此本文以下将重点介绍CAN总线。
三、CAN数据总线系统应用试验
以某品牌商务车为试验用车，装配CAN总线系统与未安装CAN总线系统进行对比测试。测试方法按照国标GB/T45.2—《商用车燃料消耗量试验方法》进行等速行驶燃料消耗量试验和多工况循环燃料消耗量试验。
1发动机运行控制节能效果发动机运行控制试验在底盘测功机上进行，测试时车辆关闭车窗和驾驶室通风口并保持清洁，试验用燃料为97号汽油，符合车辆制造厂规定要求。装配CAN总线系统的发动机各控制节点节油试验结果如下表所示：
从表中数据可知，具有CAN数据总线系统的发动机控制单元较没有使用CAN数据总线系统的转速扭矩、燃油喷射、负载负荷等控制节点更加全面细致、精确高效，实时工况控制的节油率和排放率分别提高7%和5%，表明车辆的油耗和排放污染得到有效降低，动力性能和经济性能显著提升。
对CAN数据总线系统车辆节油原理分析可知，为使发动机在各种不同的工况负荷和工作条件下，能够实现最理想的14.7/1的空燃比系数或者过量空气系数，取得最佳的燃烧效能和最少的污染物排放，气缸吸入空气的质量，进气的温度、节气门的开度、油门开启或关闭的加速度、水温、发动机的转速等数据需要高效地监测采集传递，由发动机的控制单元进行按预先设定的程序进行分析，并及时高效地对执行元件进行控制。
除了发动机本身的各种数据需要传输之外，其他系统如车速信号，刹车信号，转向信号，空调信号，负荷信号等也对发动机的运行工况起到重要的影响，这些系统的信号要通过CANBUS数据总线系统的优先选择，高效稳定地向发动机的控制单元传递，当两个节点同时向上传递数据时，优先级低的节点主动停止数据发送，而优先级高的节点不受影响继续传输数据。通常要设计高效率的仲裁机制来解决传输冲突问题，CAN数据总线系统传输高效精准及时等从而实现节能。
2对车身减重和线路优化节能效果对装配CAN总线系统的试验车辆进行等速行驶燃料消耗测试，按国标GB/T45.2—《商用车燃料消耗量试验方法》要求，试验车辆载荷分为空载和满载两种工况，试验仪器有：
车速测定仪（0~），精度0.5%；
燃料流量计，精度0.5%；
计时器，最小读数0.1s；
测试路段长度m，测量通过该路段的时间和燃料耗量；
试验车速从20km/h开始，以车速10km/h的整数倍，均匀选取车速，直至最高车速的90%，同一车速往返各进行两次，空载和满载在相同条件下对油耗进行对比试验，等速行驶燃料消耗试验结果如下表所示：
由表中数据可以看出，与没有装配CAN总线系统的车辆相比，装配CAN总线系统的车辆减少导线连接等车辆重量约kg，空载和满载工况条件下，车辆等速行驶百公里燃料消耗分别为6.85L和7.91L，试验节油率均达10%以上。
这是由于装配CAN数据总线的车辆，大大简化了车身线路的布局，降低了整车的重量，同时，数据传输速度更高，也给维修带来了更多的便利性，一定程度上提高了车身电控系统的稳定性，从而实现节油效果。
3多工况循环燃料消耗量试验对装配CAN总线系统的试验车辆进行多工况循环燃料耗量测试。依据GB/T45.2—《商用车燃料消耗量试验方法》要求，按六工况循环确定燃料消耗量，当试验循环完成一次试验后，车辆迅速调头，重复试验；试验时车辆在多工况的终速度偏差为±3km/h，其他各工况速度偏差为±1.5km/h。六工况循环如下图所示，具体数据说明如下表所示：
可以看出，从工况1~6单次累计行程m，累计耗时间96.2s，其中，工况1~2的车辆加速度为0.20m/s2，工况3~4加速度为0.17m/s2，工况5~6加速度为-0.26m/s2。
燃料消耗量的确定：每循环试验后，记录通过循环试验的燃料消耗量和通过的时间，试验往返各进行两次，取四次试验结果的算术平均值为多工况燃料消耗量的试验测定值。试验结果如下表所示：
由表可知，试验测得的燃料消耗量为7.48L/km，按标准状态下校正的燃料消耗量为7.26L/km，试验行程m，平均用时96.9s。
此外，CANBUS数据总线系统应用于汽车电控单元，在发动机自动启停技术和断油节能上的各个控制器间也起着快速收集传递信息的重要保障作用。
四、混合动力电动汽车CAN总线开发
在能源短缺和环境问题日益严重的情况下，在纯电动汽车电池技术未得到突破的背景下，混合动力电动汽车(简称HEV)已成为我国各地*府和厂商看好的目标。
与传统汽车相比，HEV在控制方面有着如下特点：所需控制的对象更多更分散、各单元之间数据交换更频繁、对数据交换的可靠性和实时性要求更高等。因此有必要在HEV上引入一种简洁、高效、性能可靠的通讯体系。
目前CAN总线在国外已成为汽车电子系统的主流总线，而在国内，对CAN技术用在整车网络体系构建、消息接口规范等方面的研究也已开始。在HEV领域里，以丰田Prius为代表的HEV产品已引入了CAN通讯技术；而在年，带有CAN总线技术的奇瑞HEV的下线，则被认为是中国在HEV项目上取得突破性进展的标志。
CAN总线技术之所以在汽车工业中受到如此的青睐，这是由它的特点决定的，CAN总线是一种支持分布式控制和实时控制的通讯网络，它具有传输效率高、误码率低、系统可靠性高、实时性及抗干扰性能好等特点，这些特点决定了它能胜任HEV上的通讯任务。鉴于此，我国“计划”关于电动汽车的说明中已明确指出，新申报的电动车项目必须采用CAN总线通讯技术。
1HEV的结构框架及CAN系统的组成就结构框架而言，HEV可以分为串联型、并联型和混联型三种。不管哪种类型，其主要的部件都基本相同，其中包括发动机、电机、电池、多能源控制器等。下图是将野马汽车改装成HEV的一种方案。在这种方案中，驱动电机驱动汽车前桥，发动机一电机组合驱动后桥。通过一定工作模式的组合，可以实现驱动电机驱动、发动机一电机组合驱动以及四轮驱动等驱动模式。
根据HEV系统框架图，可以给出HEV上CAN网络的主要节点框图，如下图所示。在节点框图中，同时给出了各模块节点之间所需通讯的主要内容。在节点通讯过程中，传感器将采集到的HEV各工作单元的工作状态通过CAN总线传送给多能源管理系统。而多能源管理系统则根据整车的实际情况及驾驶信息，通过一定的控制模式和算法，计算出各工作模块的期望工作状态，并将相应信息通过CAN总线传递给各工作模块，从而使得各模块之间协调工作。
2CAN节点设计1）CAN节点的硬件设计
在给出了CAN网络模型以及各组成节点之间所需的通讯内容后，下面的问题便是CAN节点的硬件设计。节点的硬件设计暂时采用STC89C52单片机作为核心整个电路的主要电子元器件有CAN控制器SJAl、高速CAN收发器TJAl、点阵字符型液晶显示器和ADC转换芯片等。节点的主要功能包括CAN总线通讯、数据处理和LCD显示。硬件功能框图如下图所示：
数据处理部分
在CAN通讯过程中，总线上的信号一般都是数字量的形式。传感器采集到的模拟量信号需要转换成相应的数字量信号。因此，在数据处理部分的设计中采用了A/D和D/A转换部分。
CAN总线通讯部分
为了实现CAN总线通讯功能，节点的设计采用了SJAlCAN控制器和高速CAN收发器TJAl。
显示部分
为了方便善程序调试和检验结果，在每个节点上都安装了期LCD显示器，在软件调试过程中，可以将需要的数据和寄存器状态值送到液晶显示器上显示出来，以达到随时跟踪程序运行状态的目的。
2）CAN节点的软件设计
在硬件节点设计完成后，需进行节点的软件设计，以实现各节点之间的CAN通信。在通讯时，CAN总线常采用的帧格式有4种，即数据帧、远程帧、错误帧和超载帧等。由于错误帧和超载帧是由系统自动发送的，而在HEV局域网中，也很少用到远程帧的格式，所以在实际通讯时，涉及到的主要是数据帧格式。数据帧由数据场和仲裁场组成，其中数据场部分称为信息，仲裁场部分称为标志位。在软件设计过程中，将数据信息和4位标志位打包，使之成为扩展帧的格式。
上图是CAN节点的软件设计流程图。节点的软件设计主要包括三部分：CAN节点的初始化、报文发送和报文接收。
节点具有发送和接收的双重功能。在实现发送功能时，通过中断的方式，周期性地读入外界模拟量，并将读入的数据经过A/D转换等处理后送至CAN总线上。而对于节点的接收功能，同样也采用中断方式，当总线上有数据时，开中断，接收数据标志位，并通过标志位判断是否接收数据。如接收，则调用接收子程序，并将数据存放至单片机内；如不接收，则抛弃该帧，返回中断。
五、结语
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大都采用了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。
写在最后
我用持续不断的
努力写作与分享
希望换来你
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