车载网络系统及CAN协议的应用分析

原作者:神龙汽车有限公司技术中心操小军出处:OneTwoFree.Sp

【论文摘要】

[摘要] 现代社会对汽车各方面的要求不断提高，在汽车设计中运用电子控制技术是满足这些要求的最好方法，为了满足汽车内部信息交换量急剧增加的要求，有必要使用多路传输方式的车载的串行网络系统。目前，CAN协议及其网络系统已被全球汽车厂商普遍接受。CAN 协议明确的定义了数据链路层和物理层的内容。CAN 具有十分优越的特点，这使得绝大多数的工程师都选择它作为车载网络协议的标准。在汽车领域，目前存在的多种车载网络标准，其侧重的功能也有所不同。SAE 将车载网络按传输速率的不同划分为三类。即将投产的“标致307”系列车型采用的是CAN 网络结构。CAN 必将在汽车领域得到更广泛的应用。

关键词：CAN 车载网络网络协议LIN

1 汽车电子技术的发展推动了车载网络系统广泛研究和使用。

1.1 汽车电子技术的发展提出了网络化的要求

现代社会对汽车各方面的要求不断提高，这些要求包括：极高的主动安全性和被动安全性；乘坐的舒适性；驾驶与使用的便捷和人性化；尤其是低排放和低油耗的要求等。在汽车设计中运用计算机微处理器及其电控技术是满足这些要求的最好方法，而且已经得到了广泛的运用。目前这些系统有：ABS（防抱系统）、EMS（发动机管理系统）、多功能数字化仪表、主动悬架、导航系统、电子防盗系统、自动空调和自动CD 机等。这些系统由多个电控单元相互连接而成，可分为控制器、传感器、执行器等。同时各个系统之间也互相连接，进行着越来越多的数据交换。这样就需要使用大量的线束和插接器来实现互连，进行它们之间的数据交换。随着汽车电子技术的不断发展，这种需求的增长是惊人的。图1 给出了它的增长情况。

图1

由于线束和插接器的数量不断增加，整车电子系统的复杂程度愈来愈高，其可靠性将难以保证，故障率会提高，维修更加困难。为了满足汽车内部信息交换量急剧增加的要求，有必要使用一种实现多路传输方式的车载网络系统。这种网络系统采用串行总线结构，通过总线信道共享，减少线束的数量。

1.2 车载网络系统的应用要求

车载网络系统的建立可参考现有的局域网络系统，但又有较大的不同，尤其是使用环境不同于一般局域网，其要求更加苛刻。一般汽车内（主要是机舱内）：温度变化大，可达－45℃～100℃；汽车在行驶中可能出现较大的振动；点火喷射系统等的装置也会带来较大的电磁干扰；同时对一些电控系统如EMS、ABS 等的信息传递要求迅速及时。另外由于涉及安全性的考虑，要求网络系统有很好的可靠性。

这就要求网络除了采用总线拓扑结构方式外，必须具有极好的抗干扰能力；系统自身的健壮性；极强的差错检测和处理能力；信息传输实时性要求；同时具备故障的诊断和处理能力等。另外考虑到成本因素，要求其控制接口结构简单，易于配置。

1.3 车载网络的发展现状

众多的国际知名公司早在20 世纪80 年代就积极致力于汽车网络技术的研究及应用。到目前为止已形成了多种网络标准，如：SAE（汽车工程师协会）的J1850 和J1939、德国大众的ABUS、法国PSA 的VAN、美国商用机器的AutoCAN、德国BOSCH的CAN 等等。

近几年，在欧洲和美国推出的车型基本上都配备了一个、两个甚至多个网络系统，不光高档车装备有，甚至低档经济型车也有。日本的汽车公司也开始逐步使用车载网络系统。

我国近一两年和欧洲同步推出的几款车型也装备了汽车网络系统,如：神龙汽车有限公司去年推出的“毕加索”轿车装备了VAN 网、明年即将推出的“萨拉”N7 轿车将装备VAN 和CAN 混合网、后年推出的“标致307”系列车将采用FullCAN 网系统；一汽大众的“宝来”轿车在动力系统和舒适系统中装备了两套速率不同的CAN 网；上海大众的“波罗”也装备了CAN 网。

正如一些汽车专家认为的：就像汽车电子技术在上世纪70 年代引入集成电路、80 年代引入微处理器一样，近十年来车载网络技术的引入也将是汽车电子技术发展的一个里程碑。

2 CAN 网逐渐发展成为车载网络领域中应用最为广泛的国际标准

2.1 CAN 网络协议的产生和发展

1986 年2 月，Robert Bosch 公司在SAE 年会上介绍了一种新型的串行总线系统—CAN （Controller Area Network）。根据这个CAN 协议，在1987 年中期，Intel 开发了首个CAN 控制器—82526。不久，Philips半导体也推出了82C200。这两种CAN 控制器在报文过滤和控制上有许多的不同。Philips 半导体的方式叫BasicCAN；Intel 的方式叫FullCAN，由此后的不断发展，从而形成了FullCAN 和BasicCAN 两大阵营。

在20 世纪90 年代初，Bosch CAN 规范（CAN 2.0）被提交给了国际标准化组织。经过讨论，应一些法国主要汽车商的要求，包含了吸收一些VAN 网（Vehicle Area Network）的内容。并于1993 年11 月出版了正式的CAN 国际标准ISO11898。从此CAN 协议被广泛的用于各类自动化控制领域。在1992 年，奔驰公司首先在他们的高级轿车上使用了CAN 技术。这是CAN

技术在车载网络系统中的首次实际使用。

目前，CAN 协议及其网络系统已被全球汽车厂商普遍接受，成为车载网络系统的计算机网络技术基础。

在欧洲几乎每一辆新款汽车均装配有CAN 局域网。同样，CAN 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 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。在1999 年，接近6 千万个CAN 控制器投入应用。到了2000 年，全球市场销售了超过1 亿个CAN 元器件。

2.2 CAN 网络协议的内容和基本原理

作为一种网络协议一般应符合ISO/OSI 模型，即国际标准化组织的开放系统互连参考模型。但目前广泛应用的许多网络协议并不完全符合这个模型，CAN 就是这种网络协议。对照ISO/OSI 模型中的7 层次，CAN 仅明确定义了相当于数据链路层和物理层的内容。图2 给出它的层次结构。其中对象层和传输层包括所有由ISO/OSI 模型定义的数据链路层的服务和功能。

图2

CAN 是一种总线网，一般是采用廉价的双绞线作为其传输介质。一根线为高电位，另一根为反向的低电位，这样总体对外电磁辐射相互抵消。

CAN 协议的报文传输由以下四种不同的帧类型所表示和控制：

- 数据帧：数据帧携带数据从一个节点的发送器至所有节点的接收器。

- 远程请求帧：总线的一个节点发出远程请求帧，请求某个节点响应具有同一识别符的数据帧。- 错误帧：总线上的任何节点一旦检测到总线的错误就发出错误帧。

- 过载帧：过载帧用以在先行的和后续的数据帧（或远程帧）之间提供一附加的延时，防止产生接收器过载。

CAN 协议在其帧结构中定义了多种校验方式，确保信息传送的可靠性。信息在网络中采用广播的方式，总线上所有的节点均先接收到报文，然后根据帧结构中的11 位或29 位标识符进行识