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动态播报
车载网络系统数据交换原理及技术介绍
2016年11月14日 15:32:00 来源:雷洪钧 访问:

目前物联网、车联网的概念已经很火了。笔者理解,物联网、车联网是互联网的延伸。互联网是通过计算机技术和通讯技术实现了人与人之间彼此在线(实时)信息交互。相对车联网而言,汽车总成件间状态信息交换(交互)网叫做汽车内部的区域网络,这个网络是物联网一个实例,汽车专业上叫做控制单元区域网络(Controller Area Network),通常又简称CAN,按目前通俗说法为“车载网络系统”更好容易理解和接受。对此笔者整理一些学习笔记,结合自己的理解,分享给同行。


图1传统汽车电器控制示意


从图1可以看出,汽车传统电器控制电路里,没有控制单元,主要是电路开关、继电器、熔断器。电路开关、继电器、熔断器等会愈来愈多,线束越多、越长,故障率也会越高,检修、维修越来越困难。


一、车载网络系统产生的由来


现代汽车功能是越来越多,智能化程度越来越高。不同总成件的工作状态彼此要交互信息,意味着需要越来越多的连接信号线。连接线越多故障越高。如何解决好这个矛盾?这已经提到汽车工程技术人员的案头上来了。1983年德国博世BOSCH公司首先设计出CAN数据总线。随后越来越多的车辆采用了CAN数据总线技术,使得车上的各个电脑(控制单元)可以被挂接在该总线上,都能进行数据交流,于是出现(形成)车载网络系统。随着越来越多的厂家采用CAN数据总线技术,CAN成为业界里事实上的工程标准。车载网络的学术名称,大家按BOSCH公司叫法为“控制单元区域网络(Controller Area Network)”简称:CAN,基本含义是控制单元通过网络交换数据。于是CAN在业界被传播开来。


二、CAN总线及功能


CAN与CAN总线是两个概念。可以这样理解,运用CAN总线技术的网络才能被叫做CAN。CAN指的是控制单元区域网络(Controller Area Network),而CAN总线指的是这个网上的“数据总线”技术。
为什么要叫“总线”,有总线一说,对应的有支线、分线的概念。这里“总线”可以理解是“干线”。打个比方,汽车是在“公路”上跑,公路被分为国家级、省级、县级三种。汽车总成件间状态信息(数据)在“电线”上跑。“电线”被分为数据总线, 控制总线。总线(Bus)基本含义是计算机里传输数据的公共通道。车载网络系统有许多的控制单元(计算机),控制单元之间传输数据的公共通道,叫做CAN总线。不同的控制单元(计算机)交互是通过CAN总线技术来实现的。比如两个不同地方的人,讲自己的方言,彼此无法交互。他们要互通信息,两者都讲“普通话”。即不同的控制单元(计算机)讲各自的方言,但是彼此之间要交互时,也必须讲“普通话”(CAN总线的通讯协议)。其功能示意图(见图2)。
图2 不同的控制单元(计算机)之间交互时用CAN总线协议


三、车载网络系统组成示意图


图3 车载网络系统组成示意图


上图不同的控制单元(发动机、变速箱等)其内部用自己的协议,但是彼此相互信息时必须要用CAN协议。

   四、CAN总线通讯原理


现代汽车采用CAN总线技术以后,控制单元之间所有信息通过两根数据线都能进行交换,提高了整个系统的运行效率,其示意图如下(图4)。CAN数据总线将以前的“一线一用”的专线制改为“一线多用制”(即总线制),可以大大减少汽车上电线的数量,同时也简化了整车的布线。


图4 CAN总线通讯原理

从图3中可以看出,多个控制单元之间的通信,是每个控制单元都连接到这两条CAN总线上,从而实现多个控制单元间的信息共享。


五、现代汽车采用CAN总线技术优点
    1)采用总线技术,模块之间的信号传递仅需要两条信号线;
    2)减少了车身布线数量,减少了线束的长度;
    3)替代了传统的熔断器和继电器,减少了元器件数量;
    4)扩充性强,产品升级快,开发成本降低,效率更高;

    5)每一个电控模块可将故障显示在仪表上,方便维修。


六、CAN总线技术抑制外部干扰和防向外辐射技术
    1)两根不同双绞线

   

图5 两根不同的双绞线示意图

 

CAN总线用一条导线就足以满足功能要求了,但该总线系统上还是配备了第二条导线,主要原因是为了抑制外部干扰和防向外辐射。通常黄色表示( CAN-High)的线,绿色表示(CAN-Low)的线。在这个第二条导线上,信号电压与第一条成镜像,这样可有效抑制外部干扰。CAN总线采用两条线缠绕在一起,两线条上的电位是相反的,为了防止外界电磁波干扰和向外辐射。工作中CAN高电压2.5V-3.5V,CAN低电压1.5V-2.5V,静态测量时,CAN高电压2.6V左右,CAN低电压为2.4V左右。两条扭绞在一起的导线称为双绞线。
   图6  两根不同的双绞线高电压与低电压示意图

    

2)在CAN总线的两端安装电阻


ECU本身没有120Ω电阻,在设计电路时,在CAN网终首尾端分别安装2个120Ω并联其中。
   图7 CAN总线的两端安装电阻


在数据传输终端各并联一个电阻,主要原因是防止数据传送终了反射回来。目前纯电动汽车对抑制外部干扰和防向外辐射的技术要求是越来越高,在纯电动汽车上对抑制外部干扰和向外辐射的措施会更多,如进行屏蔽技术。

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