年汽车工程会集基于ＣＡＮ总线的整车电子电气架构研究

２０１５ＣＧ ꎬꎬ【】ꎬꎬ分析了该车型的整车电子电能ꎬ定义了对应的ＣＡＮ(ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａｅｔｗｒ通信矩阵ꎬ阐述了网络负载率的理论计算方法ꎮ为验证本文基于Ｃａｎ总线的电子电气架构的有效性和合理性ꎬ基于ＣＡＮｏｅ和ＣＡＮｄｂ＋＋Ｅｄｉｔｏｒ平台构建了模拟仿真环境ꎬ并在该车型实际测试环境中进行实验验证ꎬ仿真与实验结果均表明本文基于ＣＡＮ总线的电子电气架构稳定性强、负载率小、实时性高ꎬ具有显著的工程意义ꎮＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＴｈｅＣＡＮ￣ＢＵＳＢａｓｅｄＶｅｈｉｃｌｅＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅＹａｎｇＬｕｗｅｉꎬＣｈｅｎＬｉｔａｏꎬＬｖＣｏｍｍｅｒｉｃａｌＶｅｈｉｃｌｅＤｉｖｉｓｉｏｎꎬＣｈｏｎｇｑｉｎｇＣｈａｎｇａｎＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＣｏꎬｂｔａｃｔＴｈｉｓｐａｐｅｒｓｔｕｄｉｅｓｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＣＡＮ(ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａｗｒｋｂｕｓꎬｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅＣＡＮｂｕｓｎｅｔｗｏｒｋａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｆｏｒａｆｉｘｅｄｖｅｈｉｃｌｅꎬａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｆｕｎｃｔｉｏｎꎬｄｅｆｉｎｅｓｔｈｅＣＡＮｂｕｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｍａｔｒｉｃｅｓꎬａｎｄｐｒｏｐｏｓｅｓｔｈｅｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｐｐｒｏａｃｈｏｆｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋｌｏａｄｒａｔｅＩｎｏｒｄｅｒｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓａｎｄｒｅａｓｏｎａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅꎬｔｈｉｓｐａｐｅｒａｐｐｌｉｅｓｔｈｅＣＡＮｏｅａｎｄＣＡＮｄｂ＋＋ＥｄｉｔｏｒｔｏｏｌｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｍａｔｒｉｃｅｓｔｏｂｕｉｌｄｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔꎬａｎｄｃａｒｒｉｅｓｏｕｔｓｅｖｅｒａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｕｔｉｌｉｚｉｎｇａｐｒａｃｔｉｃａｌｖｅｈｉｃｌｅｔｅｓｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍＴｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｔｈａｔｔｈｉｓａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｈａｓｇｏｏｄｓｔａｂｉｌｉｔｙꎬｓｍａｌｌｌｏａｄｒａｔｅꎬｎｉｃｅｒｅａｌｔｉｍｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｇｒｅａｔｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅＫｅｙｏｒｄｓＣＡＮｂｕｓꎬｅｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅꎬｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｍａｔｒｉｃｅｓꎬｌｏａｄ 技术飞速发展ꎬ各电气部件间通信量急剧增加ꎬ对汽车电器通信的实时性和可靠性提出了巨大的目前许多车型已经配置了防抱死系统(ＡＳꎬｎｔｉｌｏｃｋｒａｋｅＳｙｓｅ)发动机管理系统(ＥＭＳꎬｎｇｉｎｅａｎａｇｅｅｎｔＳｙｓｔｅ)多功能数字化仪表(ＩＰꎬＩｎｓｔｒｕｅｎｔａｎｅｌ)电动助力转向(ＳꎬｌｅｃｔｒｏｎｉｃｏｅｒＳｔｅｅｉｎｇ)安全气囊控制单元(ＳＳꎬＳｕｐｐｌｅｅｎｔａｒｙｅｓｔｒｉｔＳｙｓｅ)车身控制模块(ＢＣＭꎬｏｄｙｏｎｔｒｏｌｏｄｕｌｅ)系统(ＤＶＤ)等随着配置的增加ꎬ采用传统点对点的通信使得线束体积越来越大粗大的线束与汽车中有限的可用空间之间的越来越ꎬ电缆的体积可靠性重量安装成本等成为越来越突出的问题为了解决以上问题ꎬ１９８６年ꎬｏｓｃｈ在汽车工程人员(ＳＡＥ)大会上提出了ＣＡＮ(ｏｎｔｒｏｌｅｒｒｅａｅｔｏｒｋ)ꎬ它是一种采用串行通信的现场总线 ＣＡＮ总线的出现解决了现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换问题ꎬ

让的电子新技术应用在汽车上成为可能 因此ꎬ本文针对国内某国产车型设计了一类新颖的基于ＣＡＮ总线的整车电子电气架构ꎬ解决了整车电子的实时通信难题１本文研究了基于总线的某车型电子电气架构系统设计本系统由ＥＭＳＡＢＳＢＣＭＥＰＳＩＰ六个子系统组成对整车的功能进行分析ꎬ发现存在多个控制器同一信号的现象ꎬ若采用传统的点对点的通信方式如所示则线束连接复杂可靠性较低若采用总线的通信方式如图２所示ꎬ则所有控制器的信号都可以发送到总线上ꎬ线束回路更少可靠性更高配置兼容１ ２０１５ＣＧ

３２２基于为了实现整车电子电能ꎬ需进行ＣＡＮ总线的系统设计首先对单个节点进行功能分析ꎬ得出单个节点的通信矩阵ꎬ再分析所有节点形成整车的通信矩阵ꎬ最后进行系统仿真ＣＡＮＣＡＮ总线的通信速率一般为１２５ｋｂｉｔ/ｓ~１Ｍｉｔ/ｓ该系统共由６个控制器组成ꎬ其中ＥＭＳＡＢＳＥＰＳＳＲＳ是与整车动力整车安全性强相关的控制器ꎬ对于信号的实时性有较高的要求ꎬ综合考虑ꎬ系统总线速率采用５００ｋｂｉｔ/ｓ为了保证总线通信的可靠性ꎬ需在系统的最近端和最远端１２０Ω起到消除通信电路中信号的反射ꎬ降低信号失真的风险该系统的拓扑图如图所示根据整车上各控制器分布的位置终端电阻值设上

根据ＩＳＯ１１８９８的定义ꎬ总线上的ＣＡＮ信号通过报文形式进行传输ꎬ报文帧格式共有两种类型ꎬ以标识符的长度的不同区分ꎬ即标准帧和扩展帧标准帧的标识符长度有１１位ꎬ扩展帧的标识符长度有２９位ꎬ在本系统中采用标准帧报文帧有四种不同的类型ꎬ即数据帧帧错误帧和超载帧数据帧是将要发送的数据ꎬ从发送器传送到各个接收器帧ꎬ是一种请求具有相同标识符节点的数据帧错误帧ꎬ是当任何节点在检测到总线错误时就会发送超载帧ꎬ是先行的与后续的数据帧之间的时间延时ＣＡＮ本系统设计的目的即是实现各控制器之间数据的实时传递ꎬ报文帧格式采用数据帧数据帧由个不同的位场组成:帧起始仲裁场控制场数据场场应答场ＡＣＫ)和帧结尾标准数据帧格式示意图如图４图 位下面以仪表为例进行具体信号的设计帧起始标志数据帧的开始ꎬ仅有一个显性位组成仲裁场由１１位的标识符以及发送请求位ＲＴＲ(ＳｕｂｓｔｉｔｕｔｅＲｅｍｏｔｅＲｅｑｕｅｓｔ)组成ＲＴＲ在数据帧中为显性ꎬ在帧中为隐性控制场由位保留位ｒ０数据长度ＤＬＣ(ｄａｔａｌｅｎｇｔｈｃｏｄｅ)组成数据场包含了该数据帧需发送的有效数据它可以为~个字节每字节有个位ＣＲＣ场包括ＣＲＣ序列(ＣＲＣＳｅｑｕｅｎｃｅ)和ＣＲＣ界定符(ＣＲＣｌｍｉｒꎬ起到校验的作用应答场长度为２个位ꎬ包含应答间隙(ＡＣＫＳｌｏｔ)和应答界定符(ＡＣＫｅｌｉｅｒꎬ用于２本系统中的数据场定义为８个字节ꎬ１个字节里有８

的信号进行分析仪表需要发送的信号ꎬ有车外温度信号气囊系统灯状态油量信息信号分为物理量和状态量两种车外温度信号和油量信息是物理量需根据传感器实际值进行实时变化气囊系统灯状态是状态量ꎬ有灯亮灯灭失败等三种情况信号需按表中内容进行定义信号名称ꎬ即对信号的英文描述ꎬ信号描述是信号的中文解释ꎬ信号长度定义了该ｂｉｔｓ)每个信号的总线值与实际物理值物理量＝精度×总线值＋偏移量 其中ꎬ精度受信号传感器的约束偏移量为系统设置的补偿量ꎬ通常需要进行标定和匹配通过将仪表发送的信号进行上述分析ꎬ一帧报文即可完成所有信号的发送对单个节点完成分析后ꎬ再完成所有节点的分析ꎬ形成整车的通讯矩阵ꎬ最后为每个报文分配唯一的ＩＤꎬＩＤ越小ꎬ则发送优２０１５ＣＧ１

序号序号序号序号序号序号发送周期(序号序号序号序号序号序号总线通信过程中负载率是衡量通信质量的重要过程指标通常情况下ꎬ负载率Ｌｂｕｓ)定义为

有位填充ꎬ且位填充的随机性ꎬ真实网络在恶劣情况下可能比理论值超出ꎬ那么系统负责率可能在~之间通过计算系统负载率远低于标准安全阈值ꎬ完全符合３

＝Ｔｍｅｓ×

ＣＡＮ网络协议的仿真和分析工作在ＣＡＮｏｅ８２式中Ｔ管理报文周期都按照１００ｍｓ进行计算ꎻｆｂａｕｄ系统的总线传输速率ꎻＬｍｅｓ可描述为Ｌｍｅｓ＝Ｌｆｉｘ＋８× 其中ꎬＬｆｉｘ＝４４表示报文的长度ꎬ本系统中ＤＬＣ＝通过计算ꎬ本系统的负载率理论值为１２ 考虑

本文基于ＣＡＮｄｂ＋＋Ｅｄｉｔｏｒ平台创建了系统通信数据库ꎬ配置了所有信号和报文发送的标识符周期等属性及仿真程序需要使用的环境变量为模拟实际车辆中各上电时间不一致的情况在ＣＡＮｏｅ中为各节点设置不同的上电延迟时间延迟时间在１０ｍｓ内本系统的模拟网络如图５５在ＣＡＮｏｅ中运行该工程ꎬ观察Ｔｒａｃｅ窗口里系统地传输数据ꎬ并通过ＣＡＮｏｅ的“ＢｕｓＳｔａｔｉｓｔｉｃｓ”窗口ꎬ观察总线负载率大小总线负载率的仿真结果为ꎬ网段负载率远低于总线标准安全阈值(３０％)从总线负载率的角度来看ꎬ当ＥＣＵ增加新的报文时ꎬ不会对网络产生较大的影响ꎬ本系统

４本文采用某国产车型搭建实物测试环境ꎬ其ＣＡＮ总线通信测试环境如图６所示测试硬件由电脑总线干扰仪ＣＡＮｓｔｒｅｓｓ示波器ＰｉｃｏＳｃｏｐｅ５４４４Ｂ总线开发设备ＶＮ１６４０ＣＡＮｃａｓｅＸＬ被测单元连接线总线串口线双绞线连接线电源等组成ꎬ上位机测试平台为ＣＡＮｏｅ图 某国产车型ＣＡＮ总线通信测试示意１)给系统电源Ｋ３０ꎬＫ１５供电ꎬ让所有Ｃａｎ节点都上电

２)运行Ｃａｎｏｅꎬ利用ＢｕｓＳｔａｔｉｓｔｉｃｓ窗口测试数据分析总３)运行ＰｉｃｏＳｃｏｐｅꎬ捕获报文波形ꎬ ２０１５ＣＧ４)运行Ｃａｎｓｔｒｅｓｓꎬ给系统施加干扰１０ｓ后停止ꎬ观察总线通信情况截取一组正常通信的ＣＡＮ报文如表２所示ꎬ分别例举了ＥＭＳＡＢＳ和的某一参数２ＥＭＳＡＢＳＩＰＢＣＭ００２Ｄ２８２Ｄ２８０００００００００Ｃ０００Ｅ０００００９８０实验证明本系统的实际负载率远低于标准安全阈值系统时延较小通信安全有效通过对报文的波形进行分析发现通信波形质量良好证明系统十分稳健为进一步测试系统的鲁棒性ꎬ采用ＣＡＮｓｔｒｅｓｓ为系统施加干扰ꎬ系统随即出现总线关闭的状态ꎬ当停止干扰后ꎬ总

５本文提出了针对某国产车型的ＣＡＮ总线网络架构ꎬ分析了该车型的整车电子电能ꎬ定义了对应的ＣＡＮ通信矩阵ꎬ阐述了网络负载率的理论计算方法为验证本文提出的基于Ｃａｎ总线的电子电气架构的有效性和合理性ꎬ基于ＣＡＮｏｅ和ＣＡＮｄｂ＋＋Ｅｄｉｔｏｒ平台构建了模拟仿真环境ꎬ并在该车型实际测试环境中进行实验验证ꎬ仿真与实验结果均表明ꎬ系统负载率较低ꎬ通信波形质量良好ꎬ系统具有较强的能力和鲁棒性ꎬ因此ꎬ本文设计的ＣＡＮ总线整车电子电气架构能够安全实时有效地应用于我国产车型的整车通信ꎬ具有较强的理论意义与实际价值ꎬ为提高我国汽车参考文献[１]Ｊ.ＪｉｍｅｎｅｚꎬＪ.ｒｔｉꎬＡ.