基于CAN/LIN總線的汽車通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與實現(xiàn)

　　引言

　　隨著汽車電子技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對汽車安全性、可靠性的要求也越來越高，為了解決由汽車電子元器件的增加而帶來的通信問題，這就要求采用一種高速、多路、共享的汽車通信網(wǎng)絡(luò)。目前，已經(jīng)開發(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)成目前汽車上最廣泛的總線形式。本文主要介紹已得到眾多汽車制造商推崇的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)---CAN 總線和LIN 總線技術(shù)。

　　CAN總線、LIN總線簡介及各自通信協(xié)議

　　CAN總線及LIN總線簡介

　　20世紀(jì)80年代末，德國博世公司為解決現(xiàn)代汽車中眾多控制單元、測試儀器之間的實時數(shù)據(jù)交換而開發(fā)了一種串行通信協(xié)議CAN,并使其成為國際標(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總線由于采用了獨特的設(shè)計和新的技術(shù)，與一般的通信總線相比，它具有突出的可靠性、實時性和靈活性。CAN采用多主工作方式，成本低，且具有極高的總線利用率；CAN總線具有可靠的錯誤處理和檢錯機(jī)制，采用短幀結(jié)構(gòu)，傳輸時間短，受干擾的概率低；采用非破壞性總線仲裁技術(shù)，節(jié)點在錯誤嚴(yán)重的情況下具有自動退出功能。

　　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)，它旨在傳送開關(guān)設(shè)置和傳感器輸入等狀態(tài)的變化，并對這種變化做出響應(yīng)，因此它只適用于對傳送時間要求不高的低速事件，并不適用于發(fā)動機(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)，用于實現(xiàn)汽車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合，比如智能傳感器和制動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)成為國際標(biāo)準(zhǔn)，被多數(shù)整車廠商和配件廠商所接受。

　　LIN 的主要特點如下： 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，無需仲裁機(jī)制；從節(jié)點不需晶振或陶瓷震蕩器就能實現(xiàn)自同步，節(jié)省了從設(shè)備的硬件成本；保證信號傳輸?shù)难舆t時間；不需要改變L IN 從節(jié)點的硬件和軟件就可以在網(wǎng)絡(luò)上增加節(jié)點。通常一個L IN 網(wǎng)絡(luò)上節(jié)點數(shù)目小于12個，共有64 個標(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)識符劃分為如下幾個部分：優(yōu)先級（ P） 、數(shù)據(jù)頁（ 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)用層文檔定義了車輛控制的各種參數(shù)及命令的PGN.表1 為J1939 的報文格式。

　　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、用于將車輛中分布的智能傳感器和執(zhí)行器連接到車內(nèi)主控制器的單總線（12V） 串行通信協(xié)議。

　　通過LIN 總線傳輸?shù)膶嶓w為幀。一個報文幀由幀頭以及回應(yīng)（數(shù)據(jù)） 部分組成。在一個激活的L IN 網(wǎng)絡(luò)中，通訊通常由主節(jié)點啟動，主節(jié)點任務(wù)發(fā)送包含有同步間隙的報文頭、同步字節(jié)以及報文標(biāo)志符（ ID） .一個從節(jié)點的任務(wù)通過接收并過濾標(biāo)志符被激活，并啟動回應(yīng)報文的傳送?；貞?yīng)中包含了1 到8 個字節(jié)的數(shù)據(jù)以及一個字節(jié)的校驗碼。圖1 為LIN 協(xié)議幀結(jié)構(gòu) .

　　總體通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

　　整車通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

　　汽車內(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，美國汽車工程師協(xié)會（SAE） 將汽車網(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 個等級。在一個完善的汽車電子控制系統(tǒng)中，許多動態(tài)信息必須與車速同步，每個ECU 對實時性的要求是因數(shù)據(jù)的更新速率和控制周期的不同而不同的。例如：一個8 缸的柴油機(jī)運行速度為2400r/ min ,電控單元控制兩次噴射的時間間隔為6. 25ms ,其中，噴射持續(xù)時間為30°的曲軸轉(zhuǎn)角（2ms） ,在剩余4ms 內(nèi)需完成轉(zhuǎn)速測量、油量測量、A/ D 轉(zhuǎn)換、執(zhí)行器的控制等一系列過程，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)電控的實時性要求。同時，這也就要求其數(shù)據(jù)通信網(wǎng)是基于優(yōu)先權(quán)競爭的模式，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)計的。

　　然而在A 類通信網(wǎng)絡(luò)中，進(jìn)氣溫度的參數(shù)允許響應(yīng)時間為20s ,冷卻溫度的參數(shù)允許響應(yīng)時間1min ,燃油溫度的參數(shù)允許響應(yīng)時間約10min （ 上述3 個信號每隔100ms 或1min 采樣一次就完全足夠了） ,前后車燈開關(guān)、座椅調(diào)節(jié)、車門開閉的傳輸延遲為10~100ms ,如將這些較為簡單的ECU 節(jié)點掛在L IN 總線上，則既實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)分級控制，同時也降低了車輛電子系統(tǒng)的開發(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 類網(wǎng)絡(luò)，其控制對象為：發(fā)動機(jī)控制器、自動變速器、驅(qū)動防滑系統(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的采集系統(tǒng)等。L IN 總線用于A 類系統(tǒng)，最高傳輸速率可達(dá)20kbps.其控制對象主要為：前后車燈控制開關(guān)、電動座椅開關(guān)、中央門鎖與防盜控制開關(guān)、后視鏡、空調(diào)、車窗控制開關(guān)等。這些控制對象對信息傳輸?shù)膶崟r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。以門窗控制為例，在車門上有門鎖、車窗玻璃開關(guān)、車窗升降電機(jī)、操作按鈕等，只需一個L IN 網(wǎng)絡(luò)就可以實現(xiàn)。

　　CAN 總線和L IN 總線相互獨立，通過中央控制器實現(xiàn)資源共享并進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。中央控制器是整車管理系統(tǒng)的核心，它同時也是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各種信息進(jìn)行分析處理并發(fā)出指令，協(xié)調(diào)汽車各控制單元及電器設(shè)備的工作。

　　接口設(shè)計

　　整車通信網(wǎng)絡(luò)是由許多CAN 節(jié)點和L IN 節(jié)點通過CAN 總線和L IN 總線連接組成的一個局域網(wǎng)，因此接口設(shè)計十分重要。

　　圖3 為中央控制器與CAN 總線、L IN 總線接口設(shè)計。中央控制器內(nèi)包括了一個CAN 的控制器和一個SCI 接口。CAN 智能節(jié)點一般由MCU ,CAN 控制器和CAN 收發(fā)器組成。

　　目前從事CAN 總線及L IN 總線芯片開發(fā)和制造的廠商很多，如PHIL IPS ,FREESCAL E ,ONSEMI , TI 等，設(shè)計人員可以根據(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。該芯片是專為汽車電子應(yīng)用設(shè)計的功能強(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)點選擇了FREESC2AL E 的器件。其中L IN 節(jié)點收發(fā)器采用MC33399 ; L IN 節(jié)點MCU 選擇MC68HC805 PV8 .由于汽車上的電磁干擾較大，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)點選擇PHIL IPS 器件： PCA82C250 作為CAN 收發(fā)器； CAN 節(jié)點的MCU 選用P89C591 , 因P89C591 內(nèi)部集成有CAN 控制器（有PeliCAN 接口） ,所以沒有再選擇CAN 控制器，其連接圖如圖4 所示。設(shè)計人員也可以選用微控制器+ 外接CAN 控制器這樣的連接法。

　　PCA82C250 提供對總線的差動發(fā)送能力和對CAN控制器的差動接收能力。在低速和總線長度較短時，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，斜率可通過調(diào)節(jié)由引腳8 至地連接的電阻進(jìn)行控制。通信信號傳輸?shù)綄?dǎo)線的端點時會發(fā)生反射，反射信號會干擾正常信號的傳輸，因而總線兩端需接終端電阻，以消除反射信號。其阻值約等于傳輸電纜的特性阻抗。

　　總結(jié)

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