CAN总线应用说明
2015-02-12杨立慧
李 安 杨立慧|文
CAN总线应用说明
李 安 杨立慧|文
目前我国商用车使用CAN总线最广泛的是客车领域，由于客户对成本和车辆等级的要求，诸多法规政策都对CAN总线提出了更加详尽的需求定义。
I n t r o d u c t i o n o f t h e Controller Area Network
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上期说到电控发动机控制器(ECU)还有一个功能就是能够储存大量的运行数据，这些数据通过各种通信方式传递给使用者。正是这些数据的共享，使“将在外君命有所不受”的粗放型运输管理向数据化的精细管理升级成为可能。本期开始我们将针对商用车电子电气的新技术进行讲解。
CAN总线概念
商用车电子电气技术首当其冲的就是CAN总线。CAN是“Controller Area Network”3个单词的缩写，翻译为“控制器局域网”。从字面看，CAN由2个关键词组成，即控制器和局域网。首先车上要有控制器，然后将控制器连接成局域网。控制器的能力决定了这个网络能实现多少功能，联网后又扩展了控制器的功能，使该网络成为一个整体——架构。
控制器自身又被称为ECU (Electronic Control Unit)电子控制单元，也称车载电脑等。从用途上讲则是汽车专用微机控制器，也叫汽车专用单片机。它的组成部分和普通单片机一样，只是相关电气元件的性能要求更高。从应用层面可以理解为：替代保险继电器，车辆不再需要中央电器盒；根据自身采集的信息进行程序化的控制，实现自我检测；将自我诊断的故障信息采用故障灯闪烁的方式展现给使用者。目前商用车上配有控制器的部件包括发动机、自动变速器、ABS、车身电路、电控空气悬架、空调等。近几年，伴随新能源汽车的发展，全车电控时代已经来临，但是各控制器之间会出现功能重叠、资源重复使用等矛盾，例如发动机、自动变速器、电控空气悬架、液力缓速器都需要车速信号，为此传统电路甚至配装速度分配器导致车辆线路臃肿。
如果我们在控制器里装上“网卡”，然后用网线将各控制器连接成网络，同时将故障信息展示功能扩展到传感器信息、负载状态等数据，再按照同一规则放在网络里，就实现上述数据网络内控制器共享，达到优化和提升网络功能的作用。那么，上文的传感器问题就可以采用就近控制器采集速度传感器信号并发送到网络，全网控制器共享，实现一个传感器支持多个控制器工作，还能实现跨控制器控制，实现数据的收集、储存、
输出，成为车辆的大数据时代的基础。
下面我们以发动机水温、转速、机油压力、前后小灯为例，对传统电路和CAN总线电路进行比较。由图1可以看出，传统电路线路多，信息无法共享；CAN总线电路各控制器各司其职，信息通过网络传递减少线束。
随着车辆电控能力的不断发展，整车的电子电气系统越来越多，包括动力系统、车身控制系统、信息、娱乐、服务等。如此多的电子系统如果简单地叠加就会出现各系统之间的干扰、冲突以及成本高、功能过剩等问题。作为车辆电子系统的“通信兵”——总线系统可以有效将各电子系统连接在一个架构内，并通过正向分解所有客户需求，形成不同的功能模式，根据功能模式形成性价比最优的部件结构，最后实现最优布局的整车电器解决方案，在业内被称为整车电子电气架构EEA(Electronic & Electrical Architecture)。EEA相当于汽车电子电气系统的总布置，具体来说，就是在功能需求、法规和设计要求等特定约束下，通过对功能、性能、成本和装配等各方面进行分析，所得到的最优的电子电气系统模型。
目前我国很多乘用车厂家已经建立了自己的电子电气架构平台，根据乘用车的经验，可以实现减轻质量，降低成本，改善各种使用性能的便捷性，缩短开发的整个周期，降低开发过程中所花费的成本。我国客车市场通过近年的发展，CAN总线系统也形成了若干种总线架构模式，已经具备电子电气架构平台的发展基础。笔者相信，在正向研发的思路下，商用车电子电气架构会使中国客车CAN总线系统实现客户利益最大化、主机厂和零部件厂商收益最大化的多赢。
我国商用车CAN总线市场形态
目前我国商用车使用CAN总线最广泛的是客车领域，由于客户对成本和车辆等级的要求，诸多法规政策都对CAN总线提出了更加详尽的需求定义，主要包括：2004年5月1日起施行的《道路交通安全法》其《实施条例》第14条规定：用于公路营运的载客汽车、重型载货汽车、半挂牵引车应当安装、使用符合国家标准的汽车行驶记录仪；《JT/ T 325 2004营运客车类型划分及等级评定》新增：特大、大型高三、高二级的客车“在底盘动力总成间配置CAN总线”的要求；GB17691-2005《车用压燃式、气体燃料点燃式发动机与汽车排气污染物排放限值及测量方法(国Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ阶段)》，使商用车发动机进入电控时代；《JT/ T 325 2010营运客车类型划分及等级评定》新增：特大、大型、中型中级以上的客车配装具备行车记录仪功能的卫星定位系统；《JT/T 888 2014公共汽车类型划分及等级评定》“所有高等级公交客车标配CAN总线”。除了以上法规要求，车辆的功能性需求
如舒适性、低底盘、铰接车、新能源等，也都对CAN总线提出了需求。
结合以上需求，再从CAN总线网络技术层面可以把我国的CAN总线网络分成单网络架构和多网络架构。单网络架构主要是在底盘动力总成信息总线网络的基础上，扩展到仪表收集信息并显示、卫星定位装置所需数据实现CAN通信。多网络架构主要是在单网络架构上进行网络扩充，引入智能化的车身及底盘电气控制网络、服务类电子设备信息总线网络，其目的是通过提高车辆信息化和智能化水平，最终满足车辆安全、环保以及舒适性等更高要求。
因此，我国的客车CAN总线可以这样来理解：实现车载控制器之间的信息共享、协同联控的局域网络，微观上使用智能的电子电控电路取代传统的电器电路(例如取消中央电器盒），通过现场总线方式将各控制器连接成局域网络；宏观上是基于车载控制器局域网络将客户电气需求最大化、电气结构最优化。根据目前我国客车电子电控化的程度，CAN总线经历了以下发展历程：基于发动机电控的动力总成数据交换需求、行车记录仪和卫星定位装置数据收集需求的信息共享阶段——基于动力总成、底盘总成、车身电气实现电控功能的信息共享、协同联控阶段——基于全车电气的信息共享、协同联控的全车网络化阶段。
我国客车CAN总线的最低要求是满足行车记录仪、卫星定位装置(北斗监控系统)、动力总成的数据需求。一般由一个控制器采集车辆的各种信号、数据，然后由仪表显示。随着技术的发展，控制器和仪表被集成一体，可以将数据通过CAN网络传递给卫星定位装置。这样的总线架构减少了一个控制器，使得整车线路在增加两三根CAN线后和传统线路只有仪表接头的区别，不但优化了设计，而且也使维修趋同传统线路；同时也避免了卫星定位装置自己采集信号的大量接线，减少了线路。这是以信息传递共享为主要功能的总线架构，它是达到法规要求的单网总线架构。
除了上述最基本的要求，社会对车辆还有环保、安全的要求。控制器通过使用大功率晶体管技术实现无电火花的智能开关，从而替代保险、继电器，避免了继电器、保险电火花的安全隐患；控制器电路是程控电路，如果没有软件设定，负载就无法工作，能够有效避免客户私自改装车辆电路的隐患。另外，客户对车辆可维护性也有需求，所以程控电路的控制器必须有完善的自检测技术。目前我国客车总线架构已经出现了控制器完全或部分替代中央电器盒的架构，该架构是以突出控制器的安全、程控优势为主的总线架构。部分替代架构是在整车电路里增加一个控制器，再将替代的保险和继电器在中央电器盒上取消，也就是控制器和中央电器盒同时存在；而完全替代中央电器盒的架构，在整车电路里没有增加部件，只是部件替换，实现了功能完善、设计简单、维修方便，但是价格会略高一些。
高等级车辆大量使用电控系统(ABSASR、EBSEPS、电控空气悬架、液力缓速器、自动变速器等)来提高整车的安全性和舒适性，但较多的控制器导致网络数据庞大，以及控制器协调工作的技术要求。对此，我国客车CAN总线采用一种被称之为全车总线的架构来解决相应问题：根据车辆用电器位置布置多个车身控制器，采用网络传递和控制器接收执行全车电气功能。因为控制器之间采用网络传递，所以有效减少了线束量。另外车身数据会和动力数据分成2个网络，有效解决多个控制器网络通信的问题。
近几年新能源技术突飞猛进，特别是车辆上的电气设备成倍增加，通信数据更是出现爆炸性增长。普通网络架构已经无法满足大量数据的需求，于是新能源客车CAN总线会有3条网络用于架构中，有效地解决了数据传递和控制器协调工作问题。
除了以上几种总线架构外，目前欧洲还有一种先进的网络架构——以太网总线架构。欧洲城市公共交通需要充分考虑城市客车全方位的智能化和信息化，于是在多网络架构的基础上，将信息、监控、经营、服务等性质的控制器采用传递速度快、传递数据量大的以太网进行联网，然后将以太网连接到整车CAN网络中，从而满足全车智能化、信息化的需求。
作为一种新技术，各种架构让我们的车辆使用者应接不暇。那么，从应用层面需要作哪些准备？笔者从使用维护的角度做了几点总结：第一，卫星定位装置网络化，减少卫星定位装置自身采集信号的线路，避免安全隐患；第二，针对具备保险继电器盒的车身控制器，一定要配置故障自检功能；第三，一车安装多个车身控制器时，尽量选择可互换通用的车身控制器；第四，新能源车辆应选用2条以上的网络架构方式，解决因数据量过大导致数据堵塞引起的控制器重启的问题，可以避免控制器重启而引起车辆抛锚。
