年汽車工程會(huì)集基于ＣＡＮ總線的整車電子電氣架構(gòu)研究

２０１５ＣＧ ??【】??分析了該車型的整車電子電能?定義了對(duì)應(yīng)的ＣＡＮ(ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａｅｔｗｒ通信矩陣?闡述了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率的理論計(jì)算方法?為驗(yàn)證本文基于Ｃａｎ總線的電子電氣架構(gòu)的有效性和合理性?基于ＣＡＮｏｅ和ＣＡＮｄｂ＋＋Ｅｄｉｔｏｒ平臺(tái)構(gòu)建了模擬仿真環(huán)境?并在該車型實(shí)際測(cè)試環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明本文基于ＣＡＮ總線的電子電氣架構(gòu)穩(wěn)定性強(qiáng)、負(fù)載率小、實(shí)時(shí)性高?具有顯著的工程意義?ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＴｈｅＣＡＮ￣ＢＵＳＢａｓｅｄＶｅｈｉｃｌｅＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅＹａｎｇＬｕｗｅｉ?ＣｈｅｎＬｉｔａｏ?ＬｖＣｏｍｍｅｒｉｃａｌＶｅｈｉｃｌｅＤｉｖｉｓｉｏｎ?ＣｈｏｎｇｑｉｎｇＣｈａｎｇａｎＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＣｏ?ｂｔａｃｔＴｈｉｓｐａｐｅｒｓｔｕｄｉｅｓｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｂａｓｅｄｏｎｔｈｅＣＡＮ(ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａｗｒｋｂｕｓ?ｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅＣＡＮｂｕｓｎｅｔｗｏｒｋａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｆｏｒａｆｉｘｅｄｖｅｈｉｃｌｅ?ａｎａｌｙｚｅｓｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｆｕｎｃｔｉｏｎ?ｄｅｆｉｎｅｓｔｈｅＣＡＮｂｕｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｍａｔｒｉｃｅｓ?ａｎｄｐｒｏｐｏｓｅｓｔｈｅｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｐｐｒｏａｃｈｏｆｔｈｅｎｅｔｗｏｒｋｌｏａｄｒａｔｅＩｎｏｒｄｅｒｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓａｎｄｒｅａｓｏｎａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ?ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｐｐｌｉｅｓｔｈｅＣＡＮｏｅａｎｄＣＡＮｄｂ＋＋Ｅｄｉｔｏｒｔｏｏｌｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｍａｔｒｉｃｅｓｔｏｂｕｉｌｄｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ?ａｎｄｃａｒｒｉｅｓｏｕｔｓｅｖｅｒａｌｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｕｔｉｌｉｚｉｎｇａｐｒａｃｔｉｃａｌｖｅｈｉｃｌｅｔｅｓｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍＴｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｔｈａｔｔｈｉｓａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅｈａｓｇｏｏｄｓｔａｂｉｌｉｔｙ?ｓｍａｌｌｌｏａｄｒａｔｅ?ｎｉｃｅｒｅａｌｔｉｍｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎｄｇｒｅａｔｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅＫｅｙｏｒｄｓＣＡＮｂｕｓ?ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ?ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｍａｔｒｉｃｅｓ?ｌｏａｄ 技術(shù)飛速發(fā)展?各電氣部件間通信量急劇增加?對(duì)汽車電器通信的實(shí)時(shí)性和可靠性提出了巨大的目前許多車型已經(jīng)配置了防抱死系統(tǒng)(ＡＳ?ｎｔｉｌｏｃｋｒａｋｅＳｙｓｅ)發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)(ＥＭＳ?ｎｇｉｎｅａｎａｇｅｅｎｔＳｙｓｔｅ)多功能數(shù)字化儀表(ＩＰ?Ｉｎｓｔｒｕｅｎｔａｎｅｌ)電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向(Ｓ?ｌｅｃｔｒｏｎｉｃｏｅｒＳｔｅｅｉｎｇ)安全氣囊控制單元(ＳＳ?ＳｕｐｐｌｅｅｎｔａｒｙｅｓｔｒｉｔＳｙｓｅ)車身控制模塊(ＢＣＭ?ｏｄｙｏｎｔｒｏｌｏｄｕｌｅ)系統(tǒng)(ＤＶＤ)等隨著配置的增加?采用傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信使得線束體積越來(lái)越大粗大的線束與汽車中有限的可用空間之間的越來(lái)越?電纜的體積可靠性重量安裝成本等成為越來(lái)越突出的問(wèn)題為了解決以上問(wèn)題?１９８６年?ｏｓｃｈ在汽車工程人員(ＳＡＥ)大會(huì)上提出了ＣＡＮ(ｏｎｔｒｏｌｅｒｒｅａｅｔｏｒｋ)?它是一種采用串行通信的現(xiàn)場(chǎng)總線 ＣＡＮ總線的出現(xiàn)解決了現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測(cè)試儀器之間的數(shù)據(jù)交換問(wèn)題?

讓的電子新技術(shù)應(yīng)用在汽車上成為可能 因此?本文針對(duì)國(guó)內(nèi)某國(guó)產(chǎn)車型設(shè)計(jì)了一類新穎的基于ＣＡＮ總線的整車電子電氣架構(gòu)?解決了整車電子的實(shí)時(shí)通信難題１本文研究了基于總線的某車型電子電氣架構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)本系統(tǒng)由ＥＭＳＡＢＳＢＣＭＥＰＳＩＰ六個(gè)子系統(tǒng)組成對(duì)整車的功能進(jìn)行分析?發(fā)現(xiàn)存在多個(gè)控制器同一信號(hào)的現(xiàn)象?若采用傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式如所示則線束連接復(fù)雜可靠性較低若采用總線的通信方式如圖２所示?則所有控制器的信號(hào)都可以發(fā)送到總線上?線束回路更少可靠性更高配置兼容１ ２０１５ＣＧ

３２２基于為了實(shí)現(xiàn)整車電子電能?需進(jìn)行ＣＡＮ總線的系統(tǒng)設(shè)計(jì)首先對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行功能分析?得出單個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信矩陣?再分析所有節(jié)點(diǎn)形成整車的通信矩陣?最后進(jìn)行系統(tǒng)仿真ＣＡＮＣＡＮ總線的通信速率一般為１２５ｋｂｉｔ/ｓ~１Ｍｉｔ/ｓ該系統(tǒng)共由６個(gè)控制器組成?其中ＥＭＳＡＢＳＥＰＳＳＲＳ是與整車動(dòng)力整車安全性強(qiáng)相關(guān)的控制器?對(duì)于信號(hào)的實(shí)時(shí)性有較高的要求?綜合考慮?系統(tǒng)總線速率采用５００ｋｂｉｔ/ｓ為了保證總線通信的可靠性?需在系統(tǒng)的最近端和最遠(yuǎn)端１２０Ω起到消除通信電路中信號(hào)的反射?降低信號(hào)失真的風(fēng)險(xiǎn)該系統(tǒng)的拓?fù)鋱D如圖所示根據(jù)整車上各控制器分布的位置終端電阻值設(shè)上

根據(jù)ＩＳＯ１１８９８的定義?總線上的ＣＡＮ信號(hào)通過(guò)報(bào)文形式進(jìn)行傳輸?報(bào)文幀格式共有兩種類型?以標(biāo)識(shí)符的長(zhǎng)度的不同區(qū)分?即標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀標(biāo)準(zhǔn)幀的標(biāo)識(shí)符長(zhǎng)度有１１位?擴(kuò)展幀的標(biāo)識(shí)符長(zhǎng)度有２９位?在本系統(tǒng)中采用標(biāo)準(zhǔn)幀報(bào)文幀有四種不同的類型?即數(shù)據(jù)幀幀錯(cuò)誤幀和超載幀數(shù)據(jù)幀是將要發(fā)送的數(shù)據(jù)?從發(fā)送器傳送到各個(gè)接收器幀?是一種請(qǐng)求具有相同標(biāo)識(shí)符節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)幀錯(cuò)誤幀?是當(dāng)任何節(jié)點(diǎn)在檢測(cè)到總線錯(cuò)誤時(shí)就會(huì)發(fā)送超載幀?是先行的與后續(xù)的數(shù)據(jù)幀之間的時(shí)間延時(shí)ＣＡＮ本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的即是實(shí)現(xiàn)各控制器之間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳遞?報(bào)文幀格式采用數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)幀由個(gè)不同的位場(chǎng)組成:幀起始仲裁場(chǎng)控制場(chǎng)數(shù)據(jù)場(chǎng)場(chǎng)應(yīng)答場(chǎng)ＡＣＫ)和幀結(jié)尾標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀格式示意圖如圖４圖 位下面以儀表為例進(jìn)行具體信號(hào)的設(shè)計(jì)幀起始標(biāo)志數(shù)據(jù)幀的開始?僅有一個(gè)顯性位組成仲裁場(chǎng)由１１位的標(biāo)識(shí)符以及發(fā)送請(qǐng)求位ＲＴＲ(ＳｕｂｓｔｉｔｕｔｅＲｅｍｏｔｅＲｅｑｕｅｓｔ)組成ＲＴＲ在數(shù)據(jù)幀中為顯性?在幀中為隱性控制場(chǎng)由位保留位ｒ０數(shù)據(jù)長(zhǎng)度ＤＬＣ(ｄａｔａｌｅｎｇｔｈｃｏｄｅ)組成數(shù)據(jù)場(chǎng)包含了該數(shù)據(jù)幀需發(fā)送的有效數(shù)據(jù)它可以為~個(gè)字節(jié)每字節(jié)有個(gè)位ＣＲＣ場(chǎng)包括ＣＲＣ序列(ＣＲＣＳｅｑｕｅｎｃｅ)和ＣＲＣ界定符(ＣＲＣｌｍｉｒ?起到校驗(yàn)的作用應(yīng)答場(chǎng)長(zhǎng)度為２個(gè)位?包含應(yīng)答間隙(ＡＣＫＳｌｏｔ)和應(yīng)答界定符(ＡＣＫｅｌｉｅｒ?用于２本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)場(chǎng)定義為８?jìng)€(gè)字節(jié)?１個(gè)字節(jié)里有８

的信號(hào)進(jìn)行分析儀表需要發(fā)送的信號(hào)?有車外溫度信號(hào)氣囊系統(tǒng)燈狀態(tài)油量信息信號(hào)分為物理量和狀態(tài)量?jī)煞N車外溫度信號(hào)和油量信息是物理量需根據(jù)傳感器實(shí)際值進(jìn)行實(shí)時(shí)變化氣囊系統(tǒng)燈狀態(tài)是狀態(tài)量?有燈亮燈滅失敗等三種情況信號(hào)需按表中內(nèi)容進(jìn)行定義信號(hào)名稱?即對(duì)信號(hào)的英文描述?信號(hào)描述是信號(hào)的中文解釋?信號(hào)長(zhǎng)度定義了該ｂｉｔｓ)每個(gè)信號(hào)的總線值與實(shí)際物理值物理量＝精度×總線值＋偏移量 其中?精度受信號(hào)傳感器的約束偏移量為系統(tǒng)設(shè)置的補(bǔ)償量?通常需要進(jìn)行標(biāo)定和匹配通過(guò)將儀表發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行上述分析?一幀報(bào)文即可完成所有信號(hào)的發(fā)送對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)完成分析后?再完成所有節(jié)點(diǎn)的分析?形成整車的通訊矩陣?最后為每個(gè)報(bào)文分配唯一的ＩＤ?ＩＤ越小?則發(fā)送優(yōu)２０１５ＣＧ１

序號(hào)序號(hào)序號(hào)序號(hào)序號(hào)序號(hào)發(fā)送周期(序號(hào)序號(hào)序號(hào)序號(hào)序號(hào)序號(hào)總線通信過(guò)程中負(fù)載率是衡量通信質(zhì)量的重要過(guò)程指標(biāo)通常情況下?負(fù)載率Ｌｂｕｓ)定義為

有位填充?且位填充的隨機(jī)性?真實(shí)網(wǎng)絡(luò)在惡劣情況下可能比理論值超出?那么系統(tǒng)負(fù)責(zé)率可能在~之間通過(guò)計(jì)算系統(tǒng)負(fù)載率遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)安全閾值?完全符合３

＝Ｔｍｅｓ×

ＣＡＮ網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的仿真和分析工作在ＣＡＮｏｅ８２式中Ｔ管理報(bào)文周期都按照１００ｍｓ進(jìn)行計(jì)算?ｆｂａｕｄ系統(tǒng)的總線傳輸速率?Ｌｍｅｓ可描述為Ｌｍｅｓ＝Ｌｆｉｘ＋８× 其中?Ｌｆｉｘ＝４４表示報(bào)文的長(zhǎng)度?本系統(tǒng)中ＤＬＣ＝通過(guò)計(jì)算?本系統(tǒng)的負(fù)載率理論值為１２ 考慮

本文基于ＣＡＮｄｂ＋＋Ｅｄｉｔｏｒ平臺(tái)創(chuàng)建了系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)庫(kù)?配置了所有信號(hào)和報(bào)文發(fā)送的標(biāo)識(shí)符周期等屬性及仿真程序需要使用的環(huán)境變量為模擬實(shí)際車輛中各上電時(shí)間不一致的情況在ＣＡＮｏｅ中為各節(jié)點(diǎn)設(shè)置不同的上電延遲時(shí)間延遲時(shí)間在１０ｍｓ內(nèi)本系統(tǒng)的模擬網(wǎng)絡(luò)如圖５５在ＣＡＮｏｅ中運(yùn)行該工程?觀察Ｔｒａｃｅ窗口里系統(tǒng)地傳輸數(shù)據(jù)?并通過(guò)ＣＡＮｏｅ的“ＢｕｓＳｔａｔｉｓｔｉｃｓ”窗口?觀察總線負(fù)載率大小總線負(fù)載率的仿真結(jié)果為?網(wǎng)段負(fù)載率遠(yuǎn)低于總線標(biāo)準(zhǔn)安全閾值(３０％)從總線負(fù)載率的角度來(lái)看?當(dāng)ＥＣＵ增加新的報(bào)文時(shí)?不會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生較大的影響?本系統(tǒng)

４本文采用某國(guó)產(chǎn)車型搭建實(shí)物測(cè)試環(huán)境?其ＣＡＮ總線通信測(cè)試環(huán)境如圖６所示測(cè)試硬件由電腦總線干擾儀ＣＡＮｓｔｒｅｓｓ示波器ＰｉｃｏＳｃｏｐｅ５４４４Ｂ總線開發(fā)設(shè)備ＶＮ１６４０ＣＡＮｃａｓｅＸＬ被測(cè)單元連接線總線串口線雙絞線連接線電源等組成?上位機(jī)測(cè)試平臺(tái)為ＣＡＮｏｅ圖 某國(guó)產(chǎn)車型ＣＡＮ總線通信測(cè)試示意１)給系統(tǒng)電源Ｋ３０?Ｋ１５供電?讓所有Ｃａｎ節(jié)點(diǎn)都上電

２)運(yùn)行Ｃａｎｏｅ?利用ＢｕｓＳｔａｔｉｓｔｉｃｓ窗口測(cè)試數(shù)據(jù)分析總３)運(yùn)行ＰｉｃｏＳｃｏｐｅ?捕獲報(bào)文波形? ２０１５ＣＧ４)運(yùn)行Ｃａｎｓｔｒｅｓｓ?給系統(tǒng)施加干擾１０ｓ后停止?觀察總線通信情況截取一組正常通信的ＣＡＮ報(bào)文如表２所示?分別例舉了ＥＭＳＡＢＳ和的某一參數(shù)２ＥＭＳＡＢＳＩＰＢＣＭ００２Ｄ２８２Ｄ２８０００００００００Ｃ０００Ｅ０００００９８０實(shí)驗(yàn)證明本系統(tǒng)的實(shí)際負(fù)載率遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)安全閾值系統(tǒng)時(shí)延較小通信安全有效通過(guò)對(duì)報(bào)文的波形進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)通信波形質(zhì)量良好證明系統(tǒng)十分穩(wěn)健為進(jìn)一步測(cè)試系統(tǒng)的魯棒性?采用ＣＡＮｓｔｒｅｓｓ為系統(tǒng)施加干擾?系統(tǒng)隨即出現(xiàn)總線關(guān)閉的狀態(tài)?當(dāng)停止干擾后?總

５本文提出了針對(duì)某國(guó)產(chǎn)車型的ＣＡＮ總線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)?分析了該車型的整車電子電能?定義了對(duì)應(yīng)的ＣＡＮ通信矩陣?闡述了網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率的理論計(jì)算方法為驗(yàn)證本文提出的基于Ｃａｎ總線的電子電氣架構(gòu)的有效性和合理性?基于ＣＡＮｏｅ和ＣＡＮｄｂ＋＋Ｅｄｉｔｏｒ平臺(tái)構(gòu)建了模擬仿真環(huán)境?并在該車型實(shí)際測(cè)試環(huán)境中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明?系統(tǒng)負(fù)載率較低?通信波形質(zhì)量良好?系統(tǒng)具有較強(qiáng)的能力和魯棒性?因此?本文設(shè)計(jì)的ＣＡＮ總線整車電子電氣架構(gòu)能夠安全實(shí)時(shí)有效地應(yīng)用于我國(guó)產(chǎn)車型的整車通信?具有較強(qiáng)的理論意義與實(shí)際價(jià)值?為提高我國(guó)汽車參考文獻(xiàn)[１]Ｊ.Ｊｉｍｅｎｅｚ?Ｊ.ｒｔｉ?Ａ.