CAN总线技术在中通客车上的应用

赵 佳

（中通客车控股股份有限公司， 山东聊城 252000）

CAN是控制器局域网络 （Controller Area Network） 的简称， 主要用于车辆ECU （Electronic Control Unit） 之间的通信和控制。 近年来， 因其具有较高的可靠性和良好的容错能力而受到高度重视，被欧美诸多发达国家应用于温度恶劣、 电磁辐射强和振动大的汽车工业环境。 中通客车与时俱进， 紧跟世界汽车电子发展方向， 积极研究和推广CAN总线技术。 目前， 无论是在传统客车领域还是在新能源客车领域均已广泛应用， 有效地解决了客车电器设备增加带来的控制难题[1]。

1 CAN总线技术概述

CAN总线是德国BOSCH公司在20世纪80年代中期， 为解决各电子控制装置之间的数据交换而开发的一种通信及控制技术， 总线收发器及通信协议负责数据快速准确地传输， 控制芯片及逻辑程序负责数据的运算处理。 目前， CAN总线已经成为国际上应用最广泛的现场总线， 并衍生了专用于重型车辆现场总线的通信协议SAE J1939。

CAN是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络， 通信介质可以是双绞线、 同轴电缆或光导纤维， 通信速率可达1Mb/s。

CAN总线的典型特征及优点主要有： ①采用多主方式工作， 多个控制模块通过CAN控制器挂到CAN-bus上， 形成多主机局域网络； ②采用非破坏性仲裁技术， 当两个节点同时向网络上传送数据时， 优先级低的节点主动停止数据发送， 而优先级高的节点可不受影响继续传输数据， 有效避免了总线冲突； ③采用短帧结构， 每一帧的有效字节数为8个， 数据传输时间短， 受干扰的概率低， 重新发送的时间短； ④每帧数据都有CRC校验及其他检错措施， 保证了数据传输的高可靠性， 适于在强电磁干扰环境下使用； ⑤节点在严重错误的情况下具有自动关闭总线的功能， 切断与总线的联系， 使总线上其他操作不受影响； ⑥数据传输方式灵活， 可以点对点， 一对多及广播集中方式传送和接收数据，可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文。

2 CAN总线技术在中通客车上的应用

2001年中通客车全面引进荷兰BOVA高档客车生产技术， 并同时引入了先进的CAN总线控制技术。同年6月份， 中通第一辆应用CAN总线技术的豪华旅游客车中通博发LCK6122H顺利下线。 经过10年的消化吸收与创新， CAN总线技术已成功应用于中通客车的各个控制领域， 包括仪表集成显示与车身电器控制、 发动机OBD检测与诊断和新能源客车动力控制等。 为了方便读取并分析总线报文数据， 中通客车根据CAN总线技术的实际应用状况， 选用了两款CAN总线数据采集分析设备， 分别应用于传统客车和新能源客车。

2.1 仪表集成显示与车身电器控制

随着人们对客车舒适性、 安全性和经济性要求的提升， 自动化的电器产品在客车上的应用越来越多， 传统的模拟仪表显示和分立继电器控制方式已不能胜任复杂的信号指示和逻辑电路控制功能，CAN总线网络的灵活性和可靠性很好地解决了这一难题[2-4]。 中通客车根据不同车型的实际需要， 成功开发了多种CAN总线配置方案。

1） 方案1 发动机信息集成显示， 如图1所示。它是最简单的总线应用方案， 不具备车身电器控制功能， 主要应用于使用国Ⅲ发动机的中高级客车中， 如LCK6798H、 LCK6935H等车型。 其工作原理是： 利用CAN总线读取发动机ECU中的转速、 水温、机油压力等有用信息， 并通过数字式仪表集成显示。 无需加装转速传感器、 水温传感器、 机油压力传感器， 节约了生产成本， 并提高了仪表的显示精度和使用可靠性。

2） 方案2 中央控制单元集中控制， 如图2所示。 它利用中央控制单元 （CBCU） 实现车身电器与发动机ECU、 制动防抱死系统、 电控悬架系统等的CAN通信， 进而实现车身电器的逻辑控制功能，有效解决了常规继电器无法实现的应急保护、 速度控制、 延时控制、 舱温控制等难题， 并替代了门泵阀控制器、 延时控制器、 温度控制器等各式的独立控制器， 提高了控制可靠性[5]。 该方案主要的优势是性价比高， 使用较小的成本实现客车等级评价中要求的CAN通信功能。

2008年， 中通自主开发的LCK6107H-6型旅游客车搭载CMIC+CBCU的CAN总线方案， 极高的性价比优势使得该车一经问世便获得社会各界青睐， 批量订单接踵而至， 创下了我国高档客车上市当年的销量奇迹。

3） 方案3 多模块分布控制， 如图3所示。 该方案主要应用于12 m及以上的大型长途客车 （如LCK6125H-2、 LCK6126H-5 等） 和公交车 （如LCK6120G、 LCK6180G等） 中， 它根据车身电器零部件的分布位置设计了多个控制模块， 通过具有网关功能的数字式CAN组合仪表与底盘的各个电控系统进行连接， 通信报文格式全部遵循SAE J1939标准协议， 实现了整车所有信息共享， 满足了大型客车和公交车对驾驶安全性和乘坐舒适性的需要。

2.2 OBD检测与诊断

OBD是车载诊断系统 （On-Board Diagnostics）的简称， 最早起源于20世纪80年代的美国， 欧盟和日本在2000年以后引入OBD技术。 2008年6月24日，我国环境保护部发布 《车用压燃式、 气体燃料点燃式发动机与汽车车载诊断 （OBD） 系统技术要求》，并宣布此要求从2008年7月1日起实施。

柴油机OBD系统的工作原理是： 发动机ECU利用安放在排气尾管的氮氧传感器及安放在后处理器上的上下游温度传感器采集排气成分信息， 计算最佳的尿素溶液喷射量， 通过发动机的运行状况随时监控汽车尾气是否超标。 当系统出现故障导致尾气超标时， 故障灯 （MIL） 或检查发动机 （Check Engine） 报警灯亮， 同时动力总成控制模块 （PCM）将故障信息存入存储器， 通过一定的程序可以将故障码从PCM中读出。 根据故障码的提示， 维修人员能迅速准确地确定故障的性质和部位[6]。

作为OBD技术的一个重要基础， 诊断通信协议是一个关键的技术环节。 国际上在用的最多的通信协议主要有3种： ISO 15765、 SAE J1939和ISO 27145[6，7]。在中国， 客车的诊断协议正处于从K线诊断协议（ISO 14230） 到CAN总线诊断协议的转型期， 整车的诊断协议基本上均采用跟随发动机诊断协议的策略。 目前， 中通客车搭载的康明斯、 潍柴、 玉柴等燃油共轨发动机均采用SAE J1939的诊断协议， 所以中通客车整车的OBD诊断通信协议的报文格式采用SAE J1939协议定义的扩展帧格式。

2.3 新能源客车动力控制

中通客车是国内最早研发新能源车辆的企业之一， 早在2004年， 中通就立项投入新能源客车的研发， 提出了 “以发展混合动力客车为主， 探索纯电动客车在特定区域使用， 跟踪燃料电池发展趋势”的技术路线。 目前， 中通串、 并、 混联混合动力客车及插电式混合动力客车均已规模化生产， 纯电动客车也已建立多个技术平台， 成为行业内惟一一家承担3项国家 “863” 计划项目的企业。 图4是中通自主研发的同轴并联式混合动力电动客车的动力控制架构。 其动力系统工作模式主要有发动机起动模式、 纯电动驱动模式、 联合驱动模式 （电机助力）、发动机单独驱动模式和再生制动模式。

LCK6121HEV是中通并联式混合动力新能源客车的代表作， 节油率高达30%， 2008年开始在北京、 天津、 济南、 杭州等城市进行大规模示范运营， 取得了良好的社会效益和经济效益。 动力控制是新能源客车的核心技术之一， 各部件控制器之间通过CAN网络实现信息交换和控制功能， 协调整车不同工作模式之间的切换和功率分配， 保证充分发挥系统的最佳性能， 达到整车动力性与经济性的最优状态[1]。

2.4 总线数据的采集与分析

2.4.1 传统客车的数据采集分析方法

中通传统客车选用USBCAN-II智能CAN接口卡作为CAN总线数据采集工具， 该设备带有2路CAN接口， 具有体积小、 即插即用等优点， 适合客车电器设计工程师和车间电器调试技工使用。 USBCAN-II接口卡上自带光电隔离模块， 可有效避免车辆瞬间高电压的冲击， 增强系统在恶劣环境中使用的可靠性[8]。

该设备的主要参数如下： ①通道数量， 2路独立CAN通道； ②CAN协议， 按CAN 2.0B规范， 兼容CAN 2.0A； ③CAN波特率， 可编程任意设置， 范围在5 kb/s～1 Mb/s之间； ④最高帧流量， 每通道5000帧/秒； ⑤CAN总线隔离， 2500VDC； ⑥CAN控制器，NXP SJA1000T； ⑦CAN收发器， NXP PCA82C250；⑧板载缓存， 接收缓存100 000帧， 发送缓存16帧。

通过笔记本电脑上的USB接口， 将USBCAN-II智能CAN接口卡连接至客车上的CAN网络， 然后运行CANTest测试软件， 即可同步采集客车CAN总线数据。 CANTest是ZLGCAN系列板卡的通用测试软件， 此软件界面 （图5） 简洁， 操作简单， 容易上手。 利用CANTest软件， 可以很方便地查看客车总线中传输的报文地址和数据。 同时， 此设备也可以向客车总线网络发送特定地址的报文数据， 用于检测总线控制器是否正常工作， 进而判断电器设备故障。

2.4.2 新能源客车的数据采集分析方法

针对新能源客车的控制策略更为复杂的特点，中通选用功能更加强大的CANalyzer作为总线数据采集分析工具。 CANalyzer不仅能方便地观察、 分析和支持扩展多达32个CAN通道的数据传输， 还能用于LIN、 MOST或FlexRay总线通道。 它具有良好的性能和可编程功能， 能满足从简单的网络分析到复杂问题中发现并解决故障的所有要求。 CANalyzer由图形化表示的方块图控制， 它能表示数据流从总线经过PC接口进入各个不同类型的评估窗口和日志文件的流程。 在该过程中， 系统模块的参数都可以在方块图中进行设置[9]。

CANalyzer提供了如下窗口和功能模块， 如图6所示。

1） 测量设置 图形化显示功能模块和评估模块， 并且设置其参数。

2） 跟踪 用于列出总线上的所有活动， 比如报文、 错误帧和远程帧。 还用于显示每条报文中不同信号的数值， 即使在测量过程中也可显示。

3） 统计 以标识符为横轴显示各报文速率。

4） 图形 在线图形显示CAN总线报文中的各个信号 （以时间为横轴）， 例如： 转速、 温度等。

5） 数据 显示预先选择的信号， 可以以数字形式或柱状图形式。

6） 总线统计 显示报文速率、 错误率、 总线负载和CAN控制器状态。

7） 写窗口 显示系统信息和CAPL程序的用户指定输出。

8） 交互发生器模块 用于激励总线， 注入修正信号。

9） 信号发生器 用于产生数学信号 （正弦信号、 谐波信号、 脉冲信号、 值列表等）。

利用CANalyzer可以很方便地采集总线数据， 并通过图形窗口实时形象地观察数据变化， 例如车速、 电机转速、 逆变器温度、 变速器档位、 燃料消耗、 动力电池SOC等。 有了这些信息就可以判断新能源动力系统是否正常工作， 控制策略是否合适。

3 结束语

CAN总线作为一种现场控制总线， 其优势在于对车辆环境的高度适应性。 同时， 我们也应当看到CAN协议还有一些缺陷和局限性。 行业内各方面也都在针对CAN协议的缺陷， 通过补充性的协议， 逐步完善CAN协议。 随着新能源客车的快速发展，CAN总线技术有了更加广阔的应用空间， 并为研究控制策略提供不可或缺的技术支持。

［1］ 赵 佳. 基于SAE J1939协议的混合动力客车通讯技术［J］. 客车技术与研究， 2011, （2）： 55－57.

［2］ 雷洪钧. CAN总线在城市客车上的应用［J］. 客车技术与研究， 2009, （1）： 48－50.

［3］ 李贵炎. 车载网络系统结构原理与维修［M］. 南京： 江苏科学技术出版社， 2008.

［4］ 李 平. 基于CAN－BUS的汽车车载网络系统［J］. 电脑与信息技术， 2007, （4）： 52－53， 59.

［5］ 宋 立. 基于SAE J1939协议的CAN总线车灯故障诊断系统的实现［J］. 工业控制计算机， 2007, （9）： 25－26， 28.

［6］ 钟祥麟， 李孟良， 王务林. SAE J1939协议在重型车OBD中的应用［J］. 汽车电器， 2009, （7）： 1－3， 7.

［7］ SAE J1939. 车辆网络串行通信的控制总标准［S］.

［8］ USBCAN接口卡数据手册V2.0［EB］.http：//www.embedcontrol.com/.

［9］ CANalyzer介绍［EB］. http：//www.hirain.com/.