年汽車工程會集基于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?定義了對應(yīng)的ＣＡＮ(ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａｅｔｗｒ通信矩陣?闡述了網(wǎng)絡(luò)負載率的理論計算方法?為驗證本文基于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平臺構(gòu)建了模擬仿真環(huán)境?并在該車型實際測試環(huán)境中進行實驗驗證?仿真與實驗結(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、負載率小、實時性高?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?對汽車電器通信的實時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)動機管理系統(tǒng)(ＥＭＳ?ｎｇｉｎｅａｎａｇｅｅｎｔＳｙｓｔｅ)多功能數(shù)字化儀表(ＩＰ?Ｉｎｓｔｒｕｅｎｔａｎｅｌ)電動助力轉(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)點對點的通信使得線束體積越來越大粗大的線束與汽車中有限的可用空間之間的越來越?電纜的體積可靠性重量安裝成本等成為越來越突出的問題為了解決以上問題?１９８６年?ｏｓｃｈ在汽車工程人員(ＳＡＥ)大會上提出了ＣＡＮ(ｏｎｔｒｏｌｅｒｒｅａｅｔｏｒｋ)?它是一種采用串行通信的現(xiàn)場總線 ＣＡＮ總線的出現(xiàn)解決了現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換問題?

讓的電子新技術(shù)應(yīng)用在汽車上成為可能 因此?本文針對國內(nèi)某國產(chǎn)車型設(shè)計了一類新穎的基于ＣＡＮ總線的整車電子電氣架構(gòu)?解決了整車電子的實時通信難題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)計本系統(tǒng)由ＥＭＳＡＢＳＢＣＭＥＰＳＩＰ六個子系統(tǒng)組成對整車的功能進行分析?發(fā)現(xiàn)存在多個控制器同一信號的現(xiàn)象?若采用傳統(tǒng)的點對點的通信方式如所示則線束連接復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基于為了實現(xiàn)整車電子電能?需進行ＣＡＮ總線的系統(tǒng)設(shè)計首先對單個節(jié)點進行功能分析?得出單個節(jié)點的通信矩陣?再分析所有節(jié)點形成整車的通信矩陣?最后進行系統(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個控制器組成?其中ＥＭＳＡＢＳＥＰＳＳＲＳ是與整車動力整車安全性強相關(guān)的控制器?對于信號的實時性有較高的要求?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)的最近端和最遠端１２０Ω起到消除通信電路中信號的反射?降低信號失真的風險該系統(tǒng)的拓撲圖如圖所示根據(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信號通過報文形式進行傳輸?報文幀格式共有兩種類型?以標識符的長度的不同區(qū)分?即標準幀和擴展幀標準幀的標識符長度有１１位?擴展幀的標識符長度有２９位?在本系統(tǒng)中采用標準幀報文幀有四種不同的類型?即數(shù)據(jù)幀幀錯誤幀和超載幀數(shù)據(jù)幀是將要發(fā)送的數(shù)據(jù)?從發(fā)送器傳送到各個接收器幀?是一種請求具有相同標識符節(jié)點的數(shù)據(jù)幀錯誤幀?是當任何節(jié)點在檢測到總線錯誤時就會發(fā)送超載幀?是先行的與后續(xù)的數(shù)據(jù)幀之間的時間延時ＣＡＮ本系統(tǒng)設(shè)計的目的即是實現(xiàn)各控制器之間數(shù)據(jù)的實時傳遞?報文幀格式采用數(shù)據(jù)幀數(shù)據(jù)幀由個不同的位場組成:幀起始仲裁場控制場數(shù)據(jù)場場應(yīng)答場ＡＣＫ)和幀結(jié)尾標準數(shù)據(jù)幀格式示意圖如圖４圖 位下面以儀表為例進行具體信號的設(shè)計幀起始標志數(shù)據(jù)幀的開始?僅有一個顯性位組成仲裁場由１１位的標識符以及發(fā)送請求位ＲＴＲ(ＳｕｂｓｔｉｔｕｔｅＲｅｍｏｔｅＲｅｑｕｅｓｔ)組成ＲＴＲ在數(shù)據(jù)幀中為顯性?在幀中為隱性控制場由位保留位ｒ０數(shù)據(jù)長度ＤＬＣ(ｄａｔａｌｅｎｇｔｈｃｏｄｅ)組成數(shù)據(jù)場包含了該數(shù)據(jù)幀需發(fā)送的有效數(shù)據(jù)它可以為~個字節(jié)每字節(jié)有個位ＣＲＣ場包括ＣＲＣ序列(ＣＲＣＳｅｑｕｅｎｃｅ)和ＣＲＣ界定符(ＣＲＣｌｍｉｒ?起到校驗的作用應(yīng)答場長度為２個位?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)場定義為８個字節(jié)?１個字節(jié)里有８

的信號進行分析儀表需要發(fā)送的信號?有車外溫度信號氣囊系統(tǒng)燈狀態(tài)油量信息信號分為物理量和狀態(tài)量兩種車外溫度信號和油量信息是物理量需根據(jù)傳感器實際值進行實時變化氣囊系統(tǒng)燈狀態(tài)是狀態(tài)量?有燈亮燈滅失敗等三種情況信號需按表中內(nèi)容進行定義信號名稱?即對信號的英文描述?信號描述是信號的中文解釋?信號長度定義了該ｂｉｔｓ)每個信號的總線值與實際物理值物理量＝精度×總線值＋偏移量 其中?精度受信號傳感器的約束偏移量為系統(tǒng)設(shè)置的補償量?通常需要進行標定和匹配通過將儀表發(fā)送的信號進行上述分析?一幀報文即可完成所有信號的發(fā)送對單個節(jié)點完成分析后?再完成所有節(jié)點的分析?形成整車的通訊矩陣?最后為每個報文分配唯一的ＩＤ?ＩＤ越小?則發(fā)送優(yōu)２０１５ＣＧ１

序號序號序號序號序號序號發(fā)送周期(序號序號序號序號序號序號總線通信過程中負載率是衡量通信質(zhì)量的重要過程指標通常情況下?負載率Ｌｂｕｓ)定義為

有位填充?且位填充的隨機性?真實網(wǎng)絡(luò)在惡劣情況下可能比理論值超出?那么系統(tǒng)負責率可能在~之間通過計算系統(tǒng)負載率遠低于標準安全閾值?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管理報文周期都按照１００ｍｓ進行計算?ｆｂａｕｄ系統(tǒng)的總線傳輸速率?Ｌｍｅｓ可描述為Ｌｍｅｓ＝Ｌｆｉｘ＋８× 其中?Ｌｆｉｘ＝４４表示報文的長度?本系統(tǒng)中ＤＬＣ＝通過計算?本系統(tǒng)的負載率理論值為１２ 考慮

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

４本文采用某國產(chǎn)車型搭建實物測試環(huán)境?其ＣＡＮ總線通信測試環(huán)境如圖６所示測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被測單元連接線總線串口線雙絞線連接線電源等組成?上位機測試平臺為ＣＡＮｏｅ圖 某國產(chǎn)車型ＣＡＮ總線通信測試示意１)給系統(tǒng)電源Ｋ３０?Ｋ１５供電?讓所有Ｃａｎ節(jié)點都上電

２)運行Ｃａｎｏｅ?利用ＢｕｓＳｔａｔｉｓｔｉｃｓ窗口測試數(shù)據(jù)分析總３)運行ＰｉｃｏＳｃｏｐｅ?捕獲報文波形? ２０１５ＣＧ４)運行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報文如表２所示?分別例舉了ＥＭＳＡＢＳ和的某一參數(shù)２ＥＭＳＡＢＳＩＰＢＣＭ００２Ｄ２８２Ｄ２８０００００００００Ｃ０００Ｅ０００００９８０實驗證明本系統(tǒng)的實際負載率遠低于標準安全閾值系統(tǒng)時延較小通信安全有效通過對報文的波形進行分析發(fā)現(xiàn)通信波形質(zhì)量良好證明系統(tǒng)十分穩(wěn)健為進一步測試系統(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)?當停止干擾后?總

５本文提出了針對某國產(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?定義了對應(yīng)的ＣＡＮ通信矩陣?闡述了網(wǎng)絡(luò)負載率的理論計算方法為驗證本文提出的基于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平臺構(gòu)建了模擬仿真環(huán)境?并在該車型實際測試環(huán)境中進行實驗驗證?仿真與實驗結(jié)果均表明?系統(tǒng)負載率較低?通信波形質(zhì)量良好?系統(tǒng)具有較強的能力和魯棒性?因此?本文設(shè)計的ＣＡＮ總線整車電子電氣架構(gòu)能夠安全實時有效地應(yīng)用于我國產(chǎn)車型的整車通信?具有較強的理論意義與實際價值?為提高我國汽車參考文獻[１]Ｊ.Ｊｉｍｅｎｅｚ?Ｊ.ｒｔｉ?Ａ.