基于CAN/LIN总线的汽车通信网络设计

摘要：随着我国经济水平的不断提升，人们对于汽車提出了更高要求。由于汽车上电控系统数量越来越多，会使汽车的电路越来越复杂，导致汽车的可靠性下降。为了能够更好的保证汽车的性能，导致了汽车生产成本的增加。为了能够有效解决现实生活中所存在的这一问题，本文提出了一种基于CAN总线和LIN总线技术现代汽车通讯网络的设计方案。在整个设计方案当中，我们所要用到的是CAN的高速的驱动系统，将LIN总线技术运用到了低速的车身系统当中。对于芯片，我们所选择的是我国汽车典型的电子芯片。这些内容的设计不仅能够有效地实现对汽车网络的控制，同时还有效地降低了汽车生产过程中的成本。使得人们在对汽车的使用过程中能够更加安心。

关键词：CAN总线;LIN总线;汽车通讯网络

0  引言

从上世纪90年代以来，人们对汽车舒适性、经济性要求就越来越高，整个汽车当中，所包含的电控系统数量越来越多，由于汽车新增加的功能及通讯设备导致电路更加复杂，会使汽车在行驶过程中的可靠性降低。为了能够有效地解决这一问题，就必须要采用能够满足高速或者多条道路使用的通讯网络，通过共享信息的方式传送给多种控制系统。

从当前情况看来，我国汽车当中采用的汽车网络普遍都是局部网络。有着各种各样的高速发展的汽车网络技术，例如高速容错网络协议FlexRay，应用于汽车多媒体，以及导航的MOST，还包含有与计算机网络兼容的蓝牙系统等内容。这篇文章主要侧重于已经得到高速发展的网络技术——CAN总线和LIN总线而展开。

1  现状

1.1 CAN总线

CAN是控制器局域网络的简称，这项内容是由德国的以研发和生产汽车电子产品而出名的BOSCH公司开发研究出来的的，并通过了国家的最终审核，已经成为了国际标准。在当前可以算得上国际上应用最为广泛的现场总线之一。

在美洲北部和欧洲西部，CAN总线已经成为了整个汽车行业控制系统当中的一项标准内容，并且这项总线专门为大型的货车和机械车进行工作。

这项总线具有如下几种特点：

在数据通讯的过程当中，不具有先后之分，任何一个节点都可以向其它的一个或者多个节点传送信息，由于其他节点设有优先接收的顺序，所以在接受这些内容时不会出现接受故障的问题。

当多个节点同时发起通讯功能时，由于优先级的设计，会让优先级低的避让优先级高的，虽然不会出现通讯线路阻塞的情况。

我觉得距离最高，可以达到10千米，最低可以到达40米。

CAN总线在传输过程中所需要的介质是双绞线。这种线比较适用于大数据长距离或短距离通信，能够更好地达到实时性的要求。

1.2 LIN总线

随着对汽车网络化这一内容研究的不断深入，LIN总线技术得到了迅速的发展。自从推出LIN总线规范以来，已经进行了四次的修改。国内外对这项内容的研究量也越来越多，由于这一线路所需要花费的成本比较低。所以它的应用范围在逐渐地扩大。

LIN网络设计过程中的关键内容是LIN总线接口的设计，包含有硬件设施的设计和软件的设计。LIN的主要特征包括于通用UART接口，所需要花费的成本比较低;符合国际标准，LIN总线仅仅是由3根导线来设计组成的;传输速率最高达每秒2万字节，所传输的长度可以高达40m;有单主机和多从机两种运行模式，无总线判断;从机节点能够通过自身来完成信息的自动同步;在一定时间内能够完成信号的传输工作;接入电源就可以进行使用等。LIN总线主要用作CAN等高速网络的子网络，能够有效地的实现传感器、执行器等设备的连接工作。

2  通讯协议

2.1 CAN总线通讯协议——J1939通讯协议

这一协议的内容是根据CAN2.0B作为基础的，是整个总线的应用层次的协议内容。这一协议内容主要分为如下几点内容：优先级、数据页、协议所通过的数据的单元内容。CAN的通讯协议能够帮助定义汽车中控制的各种参数的内容以及设定的命令的数据页。

2.2 LIN总线通信协议

该协议的内容通过一些硬件装备接入到加入口上。这项内容主要是应用在汽车当中所涉及到的智能传感器和执行器当中。

将传输过程中的实际数据作为实体帧，一个帧是由帧头以及回应的数据部分组成。在一个被激活的网络当中，通讯通常是由主节点进行启动，通过主节点将各种各样的信息数据发送出去。从第一个节点的任务开始通过过滤等操作。接收到自身所需要进行的操作，同时会启动相关的传送信息的内容，将剩余的信息传送到下一个环节，以此类推。

3  总体通讯网络设计

3.1 整车通信网络设计

汽车间不同设备之间数据传输的主要差别就是数据传输的频率，根据美国汽车工程师的划分，将其划分为了三个等级。

在一个完整的汽车电子控制系统当中，许多动态的信息必须要实时显示出来。由于每一个设备对实时性的要求不同，所以对数据更新的速度和控制周期就有不同。例如一个八缸的柴油机运行速度为每分钟2400转，控制器喷射的时间间隔为6毫秒，喷射持续的时间为每两毫秒旋转30度，要想在剩下的四毫秒之内完成转速的测量和油量测量任务等一系列的过程，就需要保证数据的传送和接收在一毫秒钟之内就能完成，才能更好地完成实时性的要求。同时，这些内容就要求数据通讯网在优先选择权的竞争模式当中也要存在着本身具有极高的通信速率。CAN总线就是为满足这些要求而设计的。

但是在低速的通讯网络当中，要想达到进气温度的参数，20秒之后才能完成，但是冷却的时间需要一分钟。燃烧柴油允许的时间约为十分钟，再加上车灯的开关，座椅的调节和车门的开闭传输过程中的延迟时间记录上，如果将这些较为简单的节点直接悬挂在LIN总线上，不仅能够实现网络的分级控制，同时还能有效降低车辆在开发过程中的成本。

当传数据传输速率较高时，它主要的控制對象就转变成了发动机控制器和自动变速器等。通过相关的分级，可以发现LIN总线属于A类系统，他传输速率可以达到20kbps，它主要控制前后车灯的开启与关闭，座椅的调节，门锁的开关以及雨刷的开闭等内容。这些信息对实时性要求不高，但所包含的数据较多。利用LIN总线能够有效地减少其他内容的干扰，增加传输的距离，降低成本。以门窗的控制为例，只需要一个LIN网络也实现它的控制。

CAN总线和LIN总线是两个相互独立的存在，能够通过中央控制系统的控制，来实现数据的共享与交换。中央控制系统是整个汽车管理过程中的核心，同时它也作为二者的网关服务器，它的主要功能就是对收集到的各种信息进行处理，并发出相关的指令，使得汽车当中的各个单元配件正常工作。

3.2 接口设计

整个车的通讯网络是通过CAN节点和LIN节点连接到总线上形成的一个局域网络，所以对于接口的设计十分重要。

目前从事CAN总线和LIN总线芯片开发制造的厂商很多，例如飞利浦等厂商。所以，设计人员可以根据自身的需求来对不同种类的芯片做出选择，这里的中央控制系统选择了在汽车电子应用中具有十分强大功能的八位单片机——FREESCALE的MC68HC908AZ60芯片。这一芯片内部已经形成了一个低速的CAN控制器，适合应用于各种板块，其中还包含有一个SCI版块。这一新片除了能够完成两种网络之间的通讯连接之外，还能够发挥出其自身的控制功能。

LIN节点选择的是这个FREESC-ALE器件。其中LIN收发器采用的是MC33399，LIN节点MCU选择mc68hc805 PV8。由于汽车上电磁干扰比较大，为了能够有效减少电磁对汽车运行过程中的干扰，所以在控制区域收发器之间增加了光电隔离电路，从而来提升自身系统的抗干扰能力。

CAN智能节电选择的是飞利浦当中的PCA82C250作为收发器。CAN节点的MCU选择的是P89C591，主要是这一器件内部具有CAN控制器的接口，所以不需要对控制器进行再次的选择。设计人员还可以使用微型控制器加上外接的CAN控制器这样的连接方式。PCA82C250能够提供给总线发动能力来提升对CAN控制器差遣的能力。在低速情况下，或者总线长度比较短时，一般采用的是斜率控制方式来限制它上升和下降的斜率，同时能够有效的发挥出降低射频干扰的能力。斜率可以通过调节来完成，将其连接至接地的电阻进行控制。当通讯信号传输到导线的端点时会发生信号的反射，反射出来的信号会对正常信号的传输过程产生影响输。所以总线的两端需要连接终端电阻，以便更好的消除掉由于发射信号对其的影响。

4  车身系统方案

结合控制结构和车身系统本身的特点，我们需要设计一种控制最优，成本最低的方案。由于两种总线在车身系统和驱动系统有着很大的差别，所以在选择总线的时候，需要考虑到车身各种元件功能，以便更好地降低总线节点的成本。

这协议的选择上，由于之前LIN技术还不够成熟，所以一般采用的都是CAN技术。由于这项技术它本身所存在的固有特性，虽然能够顺利的完成汽车的各项操作控制功能，但是对于成本所提出的要求比较高。同时，由于这一总线系统控制的主要是低速电机系统，对于实时性等内容并没用很高的要求，且需要的数量较少，但是比较重要的是对硬件成本较高，所以比较适合采用LIN总线。同时，从当前的控制领域看来，由于LIN总线成本较低，比较适合应用在汽车的控制上，所以这一总线系统的特性获得了很大程度上的应用。同时由于它自身防控干扰的能力比较强，所以主要应用在那些要求不是很严格的部件控制上。

5  结束语

这篇文章的研究设计是基于总线的车载通讯网络系统，利用了相关的模型来进行了仿真实验。由于总线当中各个节点的模型都能够正确发送和接收数据，通过网关的连接，还能够进行不同的数据之间的转化，有效地完成了网关的数据帧转发和通信控制功能。

参考文献：

[1]路平，孙灿，张进明.基于CAN/LIN总线技术的车身控制器设计与应用[J].汽车电器，2016（02）：14-15，19.

[2]庄会泉.基于CAN/LIN总线的汽车车身网络设计[D].河北工业大学，2014.

[3]刘晓明，高青春，熊东.基于CAN/LIN总线的汽车通信网络设计[J].微机发展，2005（08）：78-80，84.

作者简介：相铁武（1979-），男，浙江嵊州人，总经理，中级职称，研究生，研究方向为并联机器人、相关控制器设计、控制程序及相关软件算法。