CAN通信網在汽車中的應用研究

控制局域網CAN(ControllerAreaNetwork)是德國Bosch公司為解決現代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數據交換而應用開發的一種通信協議。在國外，尤其是歐洲，CAN網絡已被廣泛地應用在汽車上，如BENZ、BMW、PORSCHE、ROLLSROYCE、JAGUAR等車。

現代汽車典型的控制單元有電控燃油噴射系統、電控傳動系統、防抱死制動系統(ABS)、防滑控制系統(ASR)、廢氣再循環控制、巡航系統和空調系統。

在一個完善的汽車電子控制系統中，許多動態信息必須與車速同步。為了滿足各子系統的實時性要求，有必要對汽車公共數據實行共享，如發動機轉速、車輪轉速、油門踏板位置等。但每個控制單元對實時性的要求是因數據的更新速率和控制周期不同而不同的。例如，一個8缸柴油機運行在2400r/min，則電控單元控制兩次噴射的時間間隔為6.25ms。其中，噴射持續時間為30°的曲軸轉角(2ms)，在剩余的4ms內需完成轉速測量、油量測量、A/D轉換、工況計算、執行器的控制等一系列過程。這就意味著數據發送與接收必須在1ms內完成，才能達到柴油機電控的實時性要求。這就要求其數據交換網是基于優先權競爭的模式，且本身具有極高的通信速率，CAN現場總線正是為滿足這些要求而設計的。不同參數應具有不同的通信優先權。

典型參數允許響應時間

發動機噴油量10ms

發動機轉速300ms

車輪轉速1s~100s

進氣溫度20s

冷卻液溫度1min

燃油溫度≈10min

3CAN總線的特點及通信協議

3.1CAN總線的特點

CAN作為一種多主總線，支持分布式實時控制的通信網絡。其通信介質可以是雙絞線、同軸電纜或光纖。在汽車發動機控制部件、傳感器、抗滑系統等應用中，總線的位速率最大可達1Mbit/s。CAN光線具有以下主要特性：

a.無破壞性的基于優先權競爭的總線仲裁。

b.可借助接收濾波的多地址幀傳送。

c.具有錯誤檢測與出錯幀自動重發送功能。

d.數據傳送方式可分數據廣播式和遠程數據請求式。

3.2CAN總線幀格式

CAN和OSI七層參考模式，按照IEEE802.2和IEEE802.3標準，其通信接口集成了CAN協議的物理層和數據鏈路層功能，可完成對通信數據的成幀處理，包括位填充、數據塊編碼、循環冗余檢驗及優先級別等項工作。在系統中，數據按照攜帶的信息類型可分為四種幀格式：

a.數據幀。

用于節點間傳遞數據，是網絡信息的主體。一個數據幀由7個不同位場構成：幀起始、仲裁場、控制場、數據場、CRC場、ACK場和幀結束。其中數據段長度可編程0～8個字節。
數據幀格式

b.遠程幀。由在線單元發送，用于請求發送具有相同標識符的數據幀，其幀格式與數據幀基本相同，但沒有數據場。

c.出錯幀。出錯幀是檢測總線出錯的一個信號標志，由兩個不同場構成。第一場由來自不同節點的錯誤標志疊加，第二個場為錯誤界定符。CAN協議采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證數據通信的可靠性。

d.超載幀。由超載標識和超載界定符組成，表明邏輯鏈路控制層要求的內部超載狀態，并將由媒體訪問控制層的一些出錯條件而被啟動發送。用于擴展幀序列的延遲時間。

3.3CAN數據鏈路控制

系統中，CAN總線以報文為單位進行數據傳輸，節點對總線的訪問采取位仲裁方式。報文起始發送節點標識符分為功能標識符(如轉速信號)和地址標識符(如控制單元節點地址)。CAN協議的最大特點是打破了傳統的節點地址編碼方式，而擴展了對通信數據塊進行編碼方式。采用數據塊的標識符可用11位或29位二進制表示，即可定義211或229個不同的數據類型。即使對未來更復雜的汽車控制網絡其容量也足夠了。標識符的值越小，幀數據的優先級越高。通過數據鏈路控制，每個接收器完成幀接收濾波確定此幀數據是否有效，實際汽車應用中一般采用不冗余的通信線路，而CAN協議提供強大的出錯診斷機制，在保證數據通信的可靠性方面起了重要作用。