基于CAN/LIN總線的汽車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　隨著汽車(chē)電子技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)汽車(chē)安全性、可靠性的要求也越來(lái)越高，為了解決由汽車(chē)電子元器件的增加而帶來(lái)的通信問(wèn)題，這就要求采用一種高速、多路、共享的汽車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)。目前，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多種總線，如CAN（Controller Area Network）控制器局域網(wǎng)[1],LIN（Local Interconnect Network）局域互聯(lián)網(wǎng)，F(xiàn)lexRay,Most等。但CAN和LIN構(gòu)成目前汽車(chē)上最廣泛的總線形式。本文主要介紹已得到眾多汽車(chē)制造商推崇的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)---CAN 總線和LIN 總線技術(shù)。

　　CAN總線、LIN總線簡(jiǎn)介及各自通信協(xié)議

　　CAN總線及LIN總線簡(jiǎn)介

　　20世紀(jì)80年代末，德國(guó)博世公司為解決現(xiàn)代汽車(chē)中眾多控制單元、測(cè)試儀器之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換而開(kāi)發(fā)了一種串行通信協(xié)議CAN,并使其成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO11898）。到目前為止，世界上已擁有20多家CAN總線控制器芯片生產(chǎn)商，110多種CAN總線協(xié)議控制器芯片和集成CAN總線協(xié)議控制器的微控制器芯片。

　　CAN總線由于采用了獨(dú)特的設(shè)計(jì)和新的技術(shù)，與一般的通信總線相比，它具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。CAN采用多主工作方式，成本低，且具有極高的總線利用率；CAN總線具有可靠的錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制，采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低；采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)退出功能。

　　1998年，Audi、Motorola、BMW、DaimlerChrysler 、VCT、Volvo和Volkswagen七家公司聯(lián)合提出了新型A類(lèi)總線--LIN（Local Interconnect Network）。LIN是一種低成本短距離的低速網(wǎng)絡(luò)，它旨在傳送開(kāi)關(guān)設(shè)置和傳感器輸入等狀態(tài)的變化，并對(duì)這種變化做出響應(yīng)，因此它只適用于對(duì)傳送時(shí)間要求不高的低速事件，并不適用于發(fā)動(dòng)機(jī)控制等高速事件。

　　LIN 網(wǎng)絡(luò)是一種低成本的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)現(xiàn)汽車(chē)中的分布式電子系統(tǒng)控制。L IN 的目標(biāo)是為現(xiàn)有汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)（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(wǎng)絡(luò)。在不需要CAN 總線的帶寬和多功能的場(chǎng)合，比如智能傳感器和制動(dòng)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(jīng)成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，被多數(shù)整車(chē)廠商和配件廠商所接受。

　　LIN 的主要特點(diǎn)如下： 低成本、基于通用UART 接口；傳輸速率最高可達(dá)20kbps ;單主控制器/ 多從設(shè)備模式，無(wú)需仲裁機(jī)制；從節(jié)點(diǎn)不需晶振或陶瓷震蕩器就能實(shí)現(xiàn)自同步，節(jié)省了從設(shè)備的硬件成本；保證信號(hào)傳輸?shù)难舆t時(shí)間；不需要改變L IN 從節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件就可以在網(wǎng)絡(luò)上增加節(jié)點(diǎn)。通常一個(gè)L IN 網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點(diǎn)數(shù)目小于12個(gè)，共有64 個(gè)標(biāo)志符。

　　CAN總線通信協(xié)議---J1939 通信協(xié)議

　　J1939 協(xié)議以CAN 2. 0B 為基礎(chǔ)，是CAN 總線的應(yīng)用層協(xié)議。J1939 協(xié)議將CAN 標(biāo)識(shí)符劃分為如下幾個(gè)部分：優(yōu)先級(jí)（ P） 、數(shù)據(jù)頁(yè)（ PGN） 、協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ PDU） 格式、PDU 特定域（PS） 和源地址（SA） .J1939/ 71 應(yīng)用層文檔定義了車(chē)輛控制的各種參數(shù)及命令的PGN.表1 為J1939 的報(bào)文格式。

　　LIN總線通信協(xié)議

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

　　通過(guò)LIN 總線傳輸?shù)膶?shí)體為幀。一個(gè)報(bào)文幀由幀頭以及回應(yīng)（數(shù)據(jù)） 部分組成。在一個(gè)激活的L IN 網(wǎng)絡(luò)中，通訊通常由主節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)，主節(jié)點(diǎn)任務(wù)發(fā)送包含有同步間隙的報(bào)文頭、同步字節(jié)以及報(bào)文標(biāo)志符（ ID） .一個(gè)從節(jié)點(diǎn)的任務(wù)通過(guò)接收并過(guò)濾標(biāo)志符被激活，并啟動(dòng)回應(yīng)報(bào)文的傳送?；貞?yīng)中包含了1 到8 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)以及一個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)碼。圖1 為L(zhǎng)IN 協(xié)議幀結(jié)構(gòu) .

　　總體通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

　　整車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

　　汽車(chē)內(nèi)ECU 間的數(shù)據(jù)傳輸特征主要差別在于數(shù)據(jù)傳輸頻率，美國(guó)汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)（SAE） 將汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)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(dá)1Mbps） 3 個(gè)等級(jí)。在一個(gè)完善的汽車(chē)電子控制系統(tǒng)中，許多動(dòng)態(tài)信息必須與車(chē)速同步，每個(gè)ECU 對(duì)實(shí)時(shí)性的要求是因數(shù)據(jù)的更新速率和控制周期的不同而不同的。例如：一個(gè)8 缸的柴油機(jī)運(yùn)行速度為2400r/ min ,電控單元控制兩次噴射的時(shí)間間隔為6. 25ms ,其中，噴射持續(xù)時(shí)間為30°的曲軸轉(zhuǎn)角（2ms） ,在剩余4ms 內(nèi)需完成轉(zhuǎn)速測(cè)量、油量測(cè)量、A/ D 轉(zhuǎn)換、執(zhí)行器的控制等一系列過(guò)程，這就意味著數(shù)據(jù)發(fā)送與接收必須在1ms 內(nèi)完成，才能達(dá)到柴油機(jī)電控的實(shí)時(shí)性要求。同時(shí)，這也就要求其數(shù)據(jù)通信網(wǎng)是基于優(yōu)先權(quán)競(jìng)爭(zhēng)的模式，且本身具有極高的通信速率。CAN 總線技術(shù)正是為滿足這些要求而設(shè)計(jì)的。

　　然而在A 類(lèi)通信網(wǎng)絡(luò)中，進(jìn)氣溫度的參數(shù)允許響應(yīng)時(shí)間為20s ,冷卻溫度的參數(shù)允許響應(yīng)時(shí)間1min ,燃油溫度的參數(shù)允許響應(yīng)時(shí)間約10min （ 上述3 個(gè)信號(hào)每隔100ms 或1min 采樣一次就完全足夠了） ,前后車(chē)燈開(kāi)關(guān)、座椅調(diào)節(jié)、車(chē)門(mén)開(kāi)閉的傳輸延遲為10~100ms ,如將這些較為簡(jiǎn)單的ECU 節(jié)點(diǎn)掛在L IN 總線上，則既實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)分級(jí)控制，同時(shí)也降低了車(chē)輛電子系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和服務(wù)的成本。

　　如圖2 所示，文中將數(shù)據(jù)傳輸速率較高的CAN 總線（1Mbps） 用于B、C 類(lèi)網(wǎng)絡(luò)，其控制對(duì)象為：發(fā)動(dòng)機(jī)控制器、自動(dòng)變速器、驅(qū)動(dòng)防滑系統(tǒng)、牽引力控制系統(tǒng)、ABS/ ASR、安全氣囊控制器及組合儀表信號(hào)的采集系統(tǒng)等。L IN 總線用于A 類(lèi)系統(tǒng)，最高傳輸速率可達(dá)20kbps.其控制對(duì)象主要為：前后車(chē)燈控制開(kāi)關(guān)、電動(dòng)座椅開(kāi)關(guān)、中央門(mén)鎖與防盜控制開(kāi)關(guān)、后視鏡、空調(diào)、車(chē)窗控制開(kāi)關(guān)等。這些控制對(duì)象對(duì)信息傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性要求不高，但數(shù)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(mén)窗控制為例，在車(chē)門(mén)上有門(mén)鎖、車(chē)窗玻璃開(kāi)關(guān)、車(chē)窗升降電機(jī)、操作按鈕等，只需一個(gè)L IN 網(wǎng)絡(luò)就可以實(shí)現(xiàn)。

　　CAN 總線和L IN 總線相互獨(dú)立，通過(guò)中央控制器實(shí)現(xiàn)資源共享并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。中央控制器是整車(chē)管理系統(tǒng)的核心，它同時(shí)也是CAN 總線和L IN 總線的網(wǎng)關(guān)服務(wù)器，它的主要功能就是對(duì)各種信息進(jìn)行分析處理并發(fā)出指令，協(xié)調(diào)汽車(chē)各控制單元及電器設(shè)備的工作。

　　接口設(shè)計(jì)

　　整車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)是由許多CAN 節(jié)點(diǎn)和L IN 節(jié)點(diǎn)通過(guò)CAN 總線和L IN 總線連接組成的一個(gè)局域網(wǎng)，因此接口設(shè)計(jì)十分重要。

　　圖3 為中央控制器與CAN 總線、L IN 總線接口設(shè)計(jì)。中央控制器內(nèi)包括了一個(gè)CAN 的控制器和一個(gè)SCI 接口。CAN 智能節(jié)點(diǎn)一般由MCU ,CAN 控制器和CAN 收發(fā)器組成。

　　目前從事CAN 總線及L IN 總線芯片開(kāi)發(fā)和制造的廠商很多，如PHIL IPS ,FREESCAL E ,ONSEMI , TI 等，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)自身需要選擇不同的芯片組合。這里中央控制器選擇了FREESCAL E 的MC68HC908AZ60 芯片。該芯片是專(zhuān)為汽車(chē)電子應(yīng)用設(shè)計(jì)的功能強(qiáng)大的8 位單片機(jī)，內(nèi)部集成了低速CAN 控制器，支持CAN2. 0A/ 2. 0B ,具有一個(gè)SCI 模塊。該芯片除了完成L IN 網(wǎng)絡(luò)與CAN網(wǎng)絡(luò)的通信連接外，還兼有其它的控制功能。

　　L IN 節(jié)點(diǎn)選擇了FREESC2AL E 的器件。其中L IN 節(jié)點(diǎn)收發(fā)器采用MC33399 ; L IN 節(jié)點(diǎn)MCU 選擇MC68HC805 PV8 .由于汽車(chē)上的電磁干擾較大，為提高系統(tǒng)的抗干擾能力，在CAN 控制器和CAN 收發(fā)器以及L IN 控制器和L IN 收發(fā)器之間增加了由6N137 構(gòu)成的光電隔離電路。

　　CAN 智能節(jié)點(diǎn)選擇PHIL IPS 器件： PCA82C250 作為CAN 收發(fā)器； CAN 節(jié)點(diǎn)的MCU 選用P89C591 , 因P89C591 內(nèi)部集成有CAN 控制器（有PeliCAN 接口） ,所以沒(méi)有再選擇CAN 控制器，其連接圖如圖4 所示。設(shè)計(jì)人員也可以選用微控制器+ 外接CAN 控制器這樣的連接法。

　　PCA82C250 提供對(duì)總線的差動(dòng)發(fā)送能力和對(duì)CAN控制器的差動(dòng)接收能力。在低速和總線長(zhǎng)度較短時(shí)，一般采用斜率控制方式，以限制上升和下降斜率，降低射頻干擾，斜率可通過(guò)調(diào)節(jié)由引腳8 至地連接的電阻進(jìn)行控制。通信信號(hào)傳輸?shù)綄?dǎo)線的端點(diǎn)時(shí)會(huì)發(fā)生反射，反射信號(hào)會(huì)干擾正常信號(hào)的傳輸，因而總線兩端需接終端電阻，以消除反射信號(hào)。其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗。

　　總結(jié)

　　基于CAN 總線A 類(lèi)車(chē)身控制在汽車(chē)上已有廣泛應(yīng)用。隨著車(chē)上總線節(jié)點(diǎn)的增加及高性能系統(tǒng)向中、低檔汽車(chē)的發(fā)展，CAN 總線相對(duì)較高的實(shí)現(xiàn)成本就成為一種障礙。與CAN 相比，L IN 節(jié)點(diǎn)的通信成本是CAN 的1/ 3~1/ 2 ,具有較明顯的成本優(yōu)勢(shì)。文中的汽車(chē)通信網(wǎng)絡(luò)將L IN 應(yīng)用于車(chē)身系統(tǒng)，既實(shí)現(xiàn)了應(yīng)有的網(wǎng)絡(luò)控制功能，又降低了開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、服務(wù)的成本，具有較高的實(shí)用性。