基于CAN总线技术的智能汽车系统的设计

崔巍

（佛山职业技术学院，广东 佛山 528000）

随着汽车功能的增加与电子控制技术的普遍应用，汽车电气件越来越多，电线也会越来越多，汽车上的电路数量与用电量显著增加，线束也就变得越粗越重。

如何使大量线束在有限的汽车空间中，更有效合理地布置，使汽车线束发挥更大的功能，已成为汽车制造业面临的问题。CAN总线技术的开发，对于汽车电子控制系统的应用无疑是一个突破，并将得到更大的发展。

1 CAN总线概述

CAN（Controller Area Network的缩写），即控制器局域网络。CAN总线是由德国BOSCH公司于1986年进行开发，并随后通过国标ISO11898及ISO11519，如今已经成为国际上被最为广泛应用的工业现场总线之一。尤其在欧洲和北美地区，CAN协议已经是汽车网络的标准协议，成为汽车计算机控制系统和控制局域网的标准总线。

在目前的汽车产业中，为了满足对于汽车安全性、便捷性、舒适度、低成本等多种要求，各种不同的电子控制系统不断被开发，并应用于汽车产业中。但是由于这些电子系统之间通信时所需要的数据类型及要求有不同之处，所以，就要由很多条总线构成，并且不同的地方越多，电气件也越多，电线也就越多，线束也就变得越粗越重。

而与一般的总线相较，CAN总线在数据通信的应用中，拥有十分突出的实时性、可靠性和灵活性等优势，其性能良好、设计独特，与传统线束比较，多路传输装置大大减少了导线及联插件数目，使布线更为简易，因此，越来越受到人们的重视和青睐，并且被广泛应用在汽车领域。

因此，为了适应“减少线束的数量”等要求，先进的汽车就引入了CAN总线配置，采用多路传输系统。如世界上著名的汽车制造商BMW（宝马）、BENZ（奔驰）、ROLLS-ROYCE（劳斯莱斯）等等都采用了CAN总线，作为控制总线，用来实现汽车内部的系统控制和检测执行机构之间的数据通信。

2 智能汽车和智能汽车系统

智能汽车具有自动驾驶的功能，并且集计算机、信息处理和控制、通讯和传感器等多种高端技术于一身。而智能汽车的主要用途，是体现在野外环境中的，其能够依照事先设定的指令，并根据地图信息进行全局路径的规划，还能在行进过程中对周围的环境信息有着极为敏感和及时的感知能力，从而自行做出相应的决策，来引导其自身安全地进行行驶，并完成先前制定的规划和任务。

智能汽车除了拥有普通汽车具备的各种功能外，还增加了多种特有的功能。例如，其可以测算车身的位置，能够精准测出车头方向，还能控制汽车自带有向天线方向使其与基地之间进行无线通信等功能。

如此众多的信息，如果采用一般的总线进行内部的数据交换，是比较困难的，但是使用CAN总线技术，可以保证系统内数据交换过程中的高速率和安全可靠的性能，因而采用CAN总线，作为智能汽车的内部数据传输技术是必然的。

3 CAN总线技术在智能汽车中应用的优势

CAN总线技术在智能汽车中的应用，具有以下优势：

（1）实现信息的共享。采用CAN总线技术，可以实现各个ECU（Electronic ControlUnit的缩写，即电子控制单元，又称“行车电脑”。“车载电脑”等，从用途上讲是汽车专用微机控制器，也叫汽车专用单片机）之间的信息共享，从而避免增加很多不必要的线束，操作起来更为简易。

假设某辆汽车的电喷发动机使用的是CAN总线技术，那么发动机提供的转速、水温、机油压力等等，也可以被其他电器共享。这样，一方面可以不用再额外设置水温、机油压力等；另一方面可以将这些数据全部显示在仪表盘上，便于司机及时能够查看发动机运行状况，也利于发动机的及时保养维护。

（2）大量减少线束。汽车线束作为汽车内部电路的网络主体结构，用于连接汽车的电气部件并使之发挥功能，可以说没有线束，就不存在汽车电路。

在现代汽车上，汽车线束特别多，电子控制系统与线束有着密切关系。随着各种新型电子通讯产品的出现，对于汽车布线的问题上，也有了越来越高的要求。而传统的电子系统的通信方式，大多是点对点的单一形式，相互间的共享难以达到。随着电气件越来越多，电线也会越来越多，汽车上的电路数量与用电量随之显著增加，线束也就变得越粗越重，这样形成的庞大的布线系统，已经不能顺应时代的要求。

据有关数据统计，如果一辆高档汽车采用传统布线方法，其导线的总长度可以达到2 000m，电气节点约有1 500个，并且大约每10年就会增长1倍。

而CAN总线技术的采用，则可以实现有效合理的布置线束，节省空间。假如某汽车的门锁控制、摇窗机等需要的传统布线需要20到30根左右，但CAN总线却只需要2根，这之间的差距可想而知。

（3）进行关联控制。在出现某些事故的时候，会需要对各个ECU进行关联控制，但是这种要求，传统控制方法是难以达到的，可CAN总线却可以加以实现。

假如发生了碰撞事故，汽车上的多个气囊会打开，并通过CAN总线进行协调工作，可以通过传感器感受到碰撞信号，并通过CAN总线系统将传感器信号传输到一个中央处理器内，以控制各安全气囊的启动弹出动作。

（4）实现突出的可靠性能。如果汽车在使用中，出现交换错误的现象，汽车的安全就会出现问题，会大大提高对司机形成危险的概率。因此，汽车的安全系统必须要求有较高安全性的数据传输技术。换而言之，如果数据传输具有足够高的可靠性，或者残留下来的数据错误非常低的话，实现高度安全这一目标将不再是难事。

4 CAN总线技术应用举例

世界上很多著名的汽车制造商，都已经开始采用CAN总线技术，进一步实现监测和执行之间的数据通信功能。如我们熟知的BMW（宝马）、BENZ（奔驰）、ROLLS-ROYCE（劳斯莱斯），还有很多国产的汽车上，也开始引入CAN总线技术，例如帕萨特、大众途观等。

CAN总线一般分为低速和高速。低速的总线速度，为10～125 kbps，主要应用在车身控制模块领域；高速为250 kbps～1Mbps，主要应用在发动机、变速箱、ABS等对于实时性要求比较高的控制模块。

当然，根据车型的不同，会根据具体情况选择适用于自身的总线结构。例如，通过下位机传送给上位机的数据包括：汽车车头当前的方向、GPS坐标以及有向天线相对车头的角度方向；而上位机传送给下位机的数据包括：电极旋转的方向角度以及基地的GPS坐标。那么，这些需要上位机和下位机相互传送的数据通信，就能都由CAN模块和CAN总线技术来完成。

按照汽车的档次来设计，基本上可以归纳为两个方案：

（1）作为一个完整的汽车电子系统，采用的是多CAN子网结构，采用CAN总线技术将信息交换较为密切的系统，放在一个子网当中，从而使得整个系统具有极高的实时性，不同的子网之间，采用不同的接口和通信速率，从而优化了系统结构。这样一来，简化了各个CAN子网的设计难度，但是硬件上对于网络的要求比较高，系统成本就偏高，因此适合于中高档汽车使用。

（2）第二种方案的系统，具有极高的性价比，将车身控制模块在区分高速和低速总线的接触上加以简化，保留中央控制模块和4个门模块作为车身控制总线的方案，由于成本较低，主要适用于希望采用CAN总线的中低档轿车。

5 应用的注意事项

CAN总线技术应用在汽车中的实质，其实就是在汽车中搭建一个车内网络，有若干需要注意的技术问题：

（1）在高电磁环境下被干扰的数据传输的可靠性；

（2）CAN总线传输信息时的容量、速率、节点容量等技术；

（3）CAN总线控制网络的时间特性；

（4）容错技术功能；

（5）CAN总线网络的监控功能；

（6）CAN总线网络对于故障的诊断功能。

6 结束语

智能汽车系统，是在普通汽车系统的基础上，进行了功能的扩展，加入了人工智能领域中的一些技术。传统布线过于厚重和繁琐，在数据传输过程中容易出现错误。而CAN总线技术可靠性强、扩展性强，还具有灵敏的自我诊断和监控功能，不仅提高了通信的品质，还方便了系统的软硬件设计。

因此，CAN总线作为一种可靠的计算机网络总线，已经开始在先进的汽车上得到使用，达到了简化汽车布线、有效降低成本和协调各个控制系统等一系列的效果。随着汽车电子技术的发展，这种具有实时性、可靠性、扩展性的CAN总线通信技术，必将在汽车电子控制系统中，得到更为广泛的应用。

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