《汽车电子控制技术》课程教学资源（教材讲义）第10章 CAN-BUS汽车多路信息传输系统.pdf_大学文库

- 1 - 第 10 章目录第 10 章 CAN-BUS 汽车多路信息传输系统....................................................................................................- 2 - 10.1 汽车车载电脑网络系统概述............................................................................................................... - 2 - 10.1.1 汽车电子网络结构 ....................................................................................................................- 2 - 10.1.2 微处理器（MCU 或 CPU） ..........................................................................................................- 4 - 10.1.3 汽车网络互连标准 ....................................................................................................................- 4 - 10.1.4 传输介质 ....................................................................................................................................- 6 - 10.1.5 开发语言及操作系统 ................................................................................................................- 6 - 10.2 CAN 数据传输系统原理 ...................................................................................................................... - 7 - 10.2.１ CAN 总线概述 ...........................................................................................................................- 7 - 10.2.2 CAN 总线的特点及组成 .............................................................................................................- 8 - 10.2.3 CAN 数据总线的传输过程..........................................................................................................- 9 - 10.3 大众车系单片机局域网络介绍 ....................................................................................................... - 10 - 10.3.1 宝来动力 CAN 数据传输系统...................................................................................................- 10 - 10.3.1 宝来舒适 CAN 数据传输系统...................................................................................................- 12 - 10.4 宝马 CAN 技术介绍 ........................................................................................................................... - 13 - 10.4.1 宝马（BMW E38/E39） BUS 网络总线结构............................................................................- 13 - 10.4.２宝马（BMW E38/E39） BUS 网络总线故障检查..................................................................- 13 - 小结 .............................................................................................................................................................. - 15 - 习题 .............................................................................................................................................................. - 15 -

随着新技术的不断发展,在未来的汽车网络中,还将会有专门用于气囊的安全总线系统,以及 X-by-Wire系统。 10.1.2微处理器(McU或cPU) 从1975年摩托罗拉公司为碰M生产第一个微处理器68009应用在1978年 Cadillac汽车上计程) 开始到目前,汽车上的微处理器类型已经逐渐由8位、16位发展到32位,CPU的结构也由RISC逐渐取代CISC,最近推出了16/32位RISC微控制器的M. Core ty平台。最近各汽车公司推出的新车型,多数都采用了可编程( FLASH)的32位芯片。IBM和 INTEL宣布合作开发的车载计算机平台将采用奔腾MX处理器,控制功能由简单的计程向复杂的高端应用领域拓展。 10.1.3汽车网络互连标准为了解决信息共享、减少布线问题以及满足政府排放法规要求,汽车制造商和相关组织开发了汽车网络,目前主要的汽车网络互连规范有德国B0SCH最早开发推出的欧洲规范CAN和美国汽车工程师协会(SAE)开发的美国规范J1850。其他的总线类型(如;VAN、TTP等)在汽车内部网络也有使用,不过CAN和J1850基本上已经成为事实上的标准。IDB( itS data bus)为汽车网络拓展提供了标准。 1CAN标准控制器局域网CAN( Controller Area Network)是由德国BSCH公司于1986年提出并推广应用的,按照IS0的有关部门规定,CAN拓扑结构为总线式,所以也称CAN总线。最初为CAN总线1.0 版,1990年推出CAN总线1.2修订版,1991年推出CAN总线2.0版。目前,CAN总线不但已经成为汽车总线的主要互连规范,而且被公认为最有前途的几种工业现场总线之一,已由IS0TC22技术委员会批准为国际标准,是唯一被批准为国际标准的现场总线。1993年国际CAN用户及制造商组织(简称CIA)在欧洲成立,主要作用是解决CAN总线实际应用中的问题,提供CAN产品及其开发工具, 推广CAN总西南的应用。CAN总线的典型结构如图10.3所示。 CAN采用多主工作方式,节点之间不分主从,节点之间有优先级之分。通信方式灵活,可实现点对点、一点对多点及广播式传输数据,无须调度。 CAN采用非破坏性总线仲裁技术,优先级发送,可大大节省总线冲突仲裁时间,在重负荷下现出良好的性能。 CAN采用短帧结构传输,每帧有效字节为8个,传输时间短,受干扰的概率低,并且每帧信息

- 4 - 随着新技术的不断发展，在未来的汽车网络中，还将会有专门用于气囊的安全总线系统，以及 X-by-Wire 系统。 10.1.2 微处理器（MCU 或 CPU）从 1975 年摩托罗拉公司为 GM 生产第一个微处理器 68009 应用在 1978 年 Cadillac 汽车上计程）开始到目前，汽车上的微处理器类型已经逐渐由 8 位、16 位发展到 32 位，CPU 的结构也由 RISC 逐渐取代 CISC，最近推出了 16/32 位 RISC 微控制器的 M.Core TM 平台。最近各汽车公司推出的新车型，多数都采用了可编程（FLASH）的 32 位芯片。IBM 和 INTEL 宣布合作开发的车载计算机平台将采用奔腾 MMX 处理器，控制功能由简单的计程向复杂的高端应用领域拓展。 10.1.3 汽车网络互连标准为了解决信息共享、减少布线问题以及满足政府排放法规要求，汽车制造商和相关组织开发了汽车网络，目前主要的汽车网络互连规范有德国 BOSCH 最早开发推出的欧洲规范 CAN 和美国汽车工程师协会（SAE）开发的美国规范 J1850。其他的总线类型（如；VAN、TTP 等）在汽车内部网络也有使用，不过 CAN 和 J1850 基本上已经成为事实上的标准。IDB（ITS data bus）为汽车网络拓展提供了标准。 1.CAN 标准控制器局域网 CAN（Controller Area Network）是由德国 BOSCH 公司于 1986 年提出并推广应用的，按照 ISO 的有关部门规定，CAN 拓扑结构为总线式，所以也称 CAN 总线。最初为 CAN 总线 1.0 版，1990 年推出 CAN 总线 1.2 修订版，1991 年推出 CAN 总线 2.0 版。目前,CAN 总线不但已经成为汽车总线的主要互连规范,而且被公认为最有前途的几种工业现场总线之一，已由 ISO TC22 技术委员会批准为国际标准，是唯一被批准为国际标准的现场总线。1993 年国际 CAN 用户及制造商组织（简称 CIA）在欧洲成立，主要作用是解决 CAN 总线实际应用中的问题，提供 CAN 产品及其开发工具，推广 CAN 总西南的应用。CAN 总线的典型结构如图 10.3 所示。 CAN 采用多主工作方式，节点之间不分主从，节点之间有优先级之分。通信方式灵活，可实现点对点、一点对多点及广播式传输数据，无须调度。 CAN 采用非破坏性总线仲裁技术，优先级发送，可大大节省总线冲突仲裁时间，在重负荷下表现出良好的性能。 CAN 采用短帧结构传输，每帧有效字节为 8 个，传输时间短，受干扰的概率低，并且每帧信息

- 5 - 都有 CRC 校验和其他校验措施，数据出错率极低。当节点发生严重错误时，具有自动关闭功能，但总线上的其他节点不受影响。 CAN2.0 B 规范 CAN 总线最大通讯速率可以达到 1Mbps。图 10.3 CAN 总线的典型结构目前，汽车上主要有 2 条 CAN 总线，即低速（L）与高速（H）CAN 总线，L 线路工作在 125kbps 以内，主要控制车身及舒适系统（中央门锁、车窗、天窗、收音机、座椅、安全气囊和综合显示仪表等）；H 线路工作在 125kbps 以上，主要控制动力系统（发动机、自动变速器、制动系统以及防侧滑系统等），随着汽车技术的发展，总线的数量会越来越多，功能越来越强大。大众公司（VW）近年来已经由 A—BUS（最高速率为 500kbps）转向 CAN 总线。亚洲汽车厂商的汽车网络尽管没有自己开发的规范，但多数厂商的汽车网络规范选择了 CAN，在中国 CAN 也占多数。国内像奥迪 A6、帕萨特 B5、波罗、宝来、奇瑞 A5 都采用 CAN 数据总线。 2.J1850 标准 J1850 是美国汽车的车内联网标准，包含了两个不兼容的规程。通用汽车公司（GM）和克莱斯勒汽车公司（Chryler）采用 10.4kbps 可变规程的类似版本，在单根线的总线上通信；福特汽车公司（FORD）采用 46.1kbps 的 PWM 行，在双线的差分总线上通信。 J1850 也是采用载波传感、多路存取/碰撞分辨的仲裁规程。当多个节点同时发送数据时，优先级低的节点重新发送，优先级高的节点信息则连续传送至其目的地。J1850 的速率远低于 CAN，目前部分北美的发动机和变速器系统使用了速率更高的 CAN 进行通讯，但美国大量的检测工具都是按照信号前置及驱动电路单片计算机 CAN 接口控制器信号前置及驱动电路单片计算机 CAN 接口控制器 CAN 接口控制器中央监控计算机数据传输终端数据传输终端控制单元 1 控制单元 2 控制单元 3

- 6 - 美国加州空气资源委员会和环境保护局（EPA）规定基于 J1850 的，这就需要有一个网关将 J1850 的检测工具接入 CAN。因此，SAE 正在调研将测试工具改为 CAN 的可能性。 3.IDB（ITS Data Bus）标准智能交通系统 ITS（Intelligent Transportation System）使汽车运行更加安全、便利，汽车上的电子装备越来越多，包括传输、计算、导航、定位、娱乐和办公设备等。但由于汽车网络的不同，设备制造商不得不制造不同网络标准的产品，以适应不同网络标准的汽车。 ITS Data Bus 结构示意图如图 10.4 所示。图 10.4 ITS Data Bus 结构示意图目前，SAE 的 IDB 委员会已拟定部分 IDB 的大纲协定，其中对传输速率在 1.6 Mbps 和 10 Mbps 时，IDB 能否传输视频、声音等冗长信息问题仍处于讨论中。 10.1.4 传输介质汽车网络可用的传输介质主要有同轴电缆、双绞线、光纤电缆和无线电。光纤电缆以其抗电磁干扰、信号传输速度快和音频响应好的优点，将逐渐取代传统的同轴电缆和双绞线。特别值得一提的是短程无线通讯标准——蓝牙（Bluetooth）技术在汽车应用中的实现，使汽车网络更加丰富多彩。 2000 年 12 月,日本矢岐总业公司展示了使用蓝牙技术控制汽车内部的样车.该样车配备蓝牙接口的网关设备连接到汽车内部网络 CAN 上,通过汽车外部的笔记本电脑实施开关车门车窗等,还将通过蓝牙手机实现这些功能。汽车系统集成商 Kvaser 公司，将在汽车应用的互联协议研发项目中采用 CAN 和蓝牙产品。目前，很多轿车采用了车内 CAN/Bluetooth 系统。 10.1.5 开发语言及操作系统在使用 8 位和 16 位处理器时，开发人员主要使用汇编语言。随着开发周期的缩短要求及复杂性车载系统网关（防火墙） IDB 设备 1 IDB 设备 2 车载系统总线 ITS Data Bus

的提高,高级语言被逐步使用,使用高级语言编写可重复使用模块的工作比较容易。开发语言使用的趋势朝着C语言发展,但在关键的定时情况还要使用汇编语言。在操作系统方面,欧洲汽车制造商规定0SEK标准为汽车控制器开发公共平台的应用编程接口 0SK是德缩写,意思是“汽车电子开放系统和通信接口”。该接口包括实时操作系统(0S)、通信系统(C0M)、网络管理系统(MM)和功能库。OSEK是与元器件产品融为一体的,元器件必须有兼容性摩托罗拉公司提供了较全面的0SEK器件产品,还为 Window N提供了0SEK0S及0SEK编程器,可以使应用程序开发独立于目标软件,大大缩短开发周期。此外,多家公司如: Wind river Systems、 Accelerated technology以及 Integrated Systems等也推出了OSEK兼容操作系统。目前,汽车在推出之前,制造商已经可以对汽车的所有功能进行仿真,不久,将可以对汽车的运行情况进行仿真。 QNX Software公司的实时操作系统(RT0S)可针对车内的路况引导系统,对实时全球定位系统 (GPS)信息与交通图西安市和音频命令进行协调。 2002年4月份在中国上市的雪铁龙C5装备了雪铁龙与微软共同开发的车载电脑系统—— Xsara Windows ce,可以实现语音分析识别、自动照明系统、电子泊车辅助装置以及多功能信息系统等多种新的强大功能。此外,IM公司将在该公司开发的汽车软件里面加入移动客户服务器结构和嵌入Java系统当今的汽车技术正在高速发展,汽车制造商、汽车配件制造商、汽车芯片以及软件商的技术发展都在推动着汽车技术的快步前进。汽车系统电子化、模块化、信息化和网络化的发展趋势,将使汽车的安全性和各项功能得到进一步的提高,生产成本将回进一步下降。 10.2CAN数据传输系统原理 10.2.1cAN总线概述 AN是 Controller area network(控制器局域网络)的英文缩写。CAN是国际上应用最为广泛的现场总线之一。CAN这种新技术应用到汽车工业中,最初出现在20世纪80年代末由德国的博世 BOSCH公司设计。当时由于消费者对于汽车功能的要求越来越多,而这些功能的实现大多是依靠电子控制装置进行控制的,这就使得电子控制装置之间的通信越来越复杂,同时意味着需要更多的连接信号线。这样就会导致电控单元的针脚数增加、线路复杂、故障率增多以及维修困难。为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通信,减少不断增加的信号线,CAN被用来作为汽车电子控制装置之间的信息交换,使车上的各个电脑都能进行数据交流,形成车载网络系统。汽车不管有多少块电控单元,不管信息容量有多大,每块电控单元都只需引出两条线共同接在两个节点上,这两

- 7 - 的提高，高级语言被逐步使用，使用高级语言编写可重复使用模块的工作比较容易。开发语言使用的趋势朝着 C 语言发展，但在关键的定时情况还要使用汇编语言。在操作系统方面，欧洲汽车制造商规定 OSEK 标准为汽车控制器开发公共平台的应用编程接口， OSEK 是德缩写，意思是“汽车电子开放系统和通信接口”。该接口包括实时操作系统（OS）、通信系统（COM）、网络管理系统（NM）和功能库。OSEK 是与元器件产品融为一体的，元器件必须有兼容性。摩托罗拉公司提供了较全面的 OSEK 器件产品，还为 Window NT 提供了 OSEK OS 及 OSEK 编程器，可以使应用程序开发独立于目标软件，大大缩短开发周期。此外，多家公司如：Wind River Systems、Accelerated technology 以及 Integrated Systems 等也推出了 OSEK 兼容操作系统。目前，汽车在推出之前，制造商已经可以对汽车的所有功能进行仿真，不久，将可以对汽车的运行情况进行仿真。 QNX Software 公司的实时操作系统（RTOS）可针对车内的路况引导系统，对实时全球定位系统（GPS）信息与交通图西安市和音频命令进行协调。 2002 年 4 月份在中国上市的雪铁龙 C5 装备了雪铁龙与微软共同开发的车载电脑系统——Xsara Windows CE，可以实现语音分析识别、自动照明系统、电子泊车辅助装置以及多功能信息系统等多种新的强大功能。此外，IBM 公司将在该公司开发的汽车软件里面加入移动客户服务器结构和嵌入 Java 系统。当今的汽车技术正在高速发展，汽车制造商、汽车配件制造商、汽车芯片以及软件商的技术发展都在推动着汽车技术的快步前进。汽车系统电子化、模块化、信息化和网络化的发展趋势，将使汽车的安全性和各项功能得到进一步的提高，生产成本将回进一步下降。 10.2 CAN 数据传输系统原理 10.2.１ CAN 总线概述 CAN 是 Controller Area Network(控制器局域网络)的英文缩写。CAN 是国际上应用最为广泛的现场总线之一。CAN 这种新技术应用到汽车工业中，最初出现在 20 世纪 80 年代末由德国的博世 BOSCH 公司设计。当时由于消费者对于汽车功能的要求越来越多，而这些功能的实现大多是依靠电子控制装置进行控制的，这就使得电子控制装置之间的通信越来越复杂，同时意味着需要更多的连接信号线。这样就会导致电控单元的针脚数增加、线路复杂、故障率增多以及维修困难。为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通信，减少不断增加的信号线，CAN 被用来作为汽车电子控制装置之间的信息交换，使车上的各个电脑都能进行数据交流，形成车载网络系统。汽车不管有多少块电控单元，不管信息容量有多大，每块电控单元都只需引出两条线共同接在两个节点上，这两

- 8 - 条导线就称作数据总线，亦称 BUS 线，如图 10.5 所示。CAN 数据总线可以比作公共汽车，公共汽车可以运输大量乘客，CAN 数据总线可以传输大量的数据信息。我们把这种在同一通道或线路上同时传输多条信息称为多路传输。事实上数据传输是依次传输的，但是传输速度非常快，似乎就是同时传输的。由于汽车常规线路系统各单元或传感器之间每项信息通过独立的数据线进行交换，而多路传输系统的 ECU 之间所有信息都通过两根数据线进行交换，所以多路传输所用导线比常规线路系统所用导线少得多，并且多路传输系统可以通过两（或一）根数据总线执行多个指令，因此可以增加许多功能。电子计算机网络用“电子语言”来“说话”，各电控单元必须使用和解读相同的“电子语言”，这种语言称“协议”。汽车电脑网络常见的传输协议有数种。新奔驰、宝马车装用博世公司产品，数据总线采用 CAN 协议，这个协议是由福特、Internet 与博世公司共同开发的高速汽车通信协议。图 10.5 CAN 总线 10.2.2 CAN 总线的特点及组成 1.CAN 总线的特点数据总线与其模块部件组合在一起成为数据传输系统 , CAN 数据传输系统的优点是：（1）将传感器信号线减至最少，使更多的传感器信号进行高速数据传递。（2）电控单元和电控单元插脚最小化应用，节省电控单元的有限空间。（3）如果系统需要增加新的功能，仅需软件升级即可。（4）各电控单元的监测对所连接的 CAN 总线进行实时监测，如出现故障该电控单元会存储故障码。（5）CAN 数据总线符合国际标准，便于一辆车上不同厂家的电控单元间进行数据交换。 2.CAN 总线的组成 CAN 数据总线由一个控制器、一个收发器、两个数据传输终端以及两条数据传输线组成。除数

- 9 - 据传输线以外，其他元件都位于控制单元内部。（1）CAN 控制器的作用是接收控制单元中微处理器发出的数据，处理数据并传给 CAN 收发器。同时 CAN 控制器也接收由收发器传来的数据，对这些数据进行处理并将其传给控制单元中的微处理器。（2）CAN 收发器将 CAN 控制器传来的数据转化为电信号并将其送入数据传输线。它也为 CAN 控制器接收和转发数据。（3）数据传输终端实际上是一个电阻器，其作用是避免数据在数据传输线终端被反射回来，产生反射波而使数据遭到破坏。（4）数据传输线是用以传输数据的双向数据线，分为 CAN 高位(CAN-high)和低位(CAN—low) 数据线。数据设有指定接收器，数据通过数据总线发送给各控制单元，各控制单元接收后进行计算。为了防止外界电磁波干扰和向外辐射，CAN 总线采用两条线缠绕在一起，如图 10.6 所示。两线条上的电位是相反的，如果一条线的电压是 5 V，另一条线就是 0 V，两条线的电压和总等于常值。通过这种办法，CAN 总线得到保护而免受外界电磁场干扰，同时 CAN 总线向外辐射也保持中性，即无辐射。图 10.6 CAN 数据传输线（双绞线） 10.2.3 CAN 数据总线的传输过程 CAN 数据总线的传输过程如图 10.7 所示。（1）提供数据：控制单元向 CAN 控制器提供数据用于传输。（2）发送数据：CAN 收发器从 CAN 控制器处接收数据，并将其转化为二进制电信号发送出去。这些数据以数据列的形式进行传输，数据列是由一长串二进制（高电平与低电平）数字组成。（3）接收数据：CAN 网络系统所有的控制单元的收发器都接收数据。（4）检验数据：控制单元对接收到的数据进行检测，看此数据是否是其功能所需要。（5）认可数据：如果接收到的数据是有用的，将被认可及处理，反之将其忽略