第4章 新能源汽車總線通訊協(xié)議及應(yīng)用《新能源汽車整車控制技術(shù)》教學(xué)課件

4.1CAN總線概述4.2CAN技術(shù)規(guī)范4.3CAN的基本組成和數(shù)據(jù)傳輸原理4.4汽車CAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其特點(diǎn)第4章新能源汽車總線通訊協(xié)議

及應(yīng)用4.1CAN總線概述

CAN總線即控制器局域網(wǎng)總線，由德國Bosch公司于1986年提出。1991年9月，飛利浦公司制定并發(fā)布了CAN技術(shù)規(guī)范V2.0，包括A、B兩部分，其中2.0A給出了CAN報(bào)文標(biāo)準(zhǔn)格式，2.0B給出了標(biāo)準(zhǔn)和擴(kuò)展兩種格式。后經(jīng)修改，在1993年成為國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO11898）。CAN總線具有良好的功能特性和極高的可靠性，廣泛應(yīng)用在交通工具、工業(yè)自動(dòng)化、航空航天及醫(yī)療器械等領(lǐng)域。CAN2.0B協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)1Mbit/s，相當(dāng)于SAE的C級(jí)高級(jí)數(shù)據(jù)通信協(xié)議，目前汽車中采用的SAE1939通信標(biāo)準(zhǔn)的核心就是CAN2.0B。4.2CAN技術(shù)規(guī)范

CAN總線是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)結(jié)合的產(chǎn)物，其本質(zhì)上就是一種計(jì)算機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)。在國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）提出的“開放系統(tǒng)互聯(lián)（OSI）”參考模型中，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)劃分為七層模式，即應(yīng)用層、表示層、會(huì)話層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。4.2.1物理層

CAN2.0B物理層定義了CAN總線的電氣接口和物理介質(zhì)，規(guī)定了使用的接插件形狀、尺寸等機(jī)械特性，總線線纜上各條線的電壓范圍及電平的邏輯含義，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中電控單元（ECU）之間的電氣連接。物理層分為用于實(shí)現(xiàn)與位表示、定時(shí)和同步關(guān)系功能的物理層信號(hào)（PLS），以及用于耦合節(jié)點(diǎn)至發(fā)送媒體物理層的訪問單元（MAU）。4.2.2數(shù)據(jù)鏈路層

1.CAN總線通信機(jī)制當(dāng)節(jié)點(diǎn)要往CAN總線上發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先檢測(cè)總線的狀態(tài)，只有當(dāng)總線處于空閑時(shí)，節(jié)點(diǎn)才能往總線上發(fā)送數(shù)據(jù)；并且，在發(fā)送過程中要進(jìn)行總線“回讀”，判斷是否與其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)有沖突；若有沖突發(fā)送，則進(jìn)行總線仲裁?？偩€仲裁根據(jù)CAN報(bào)文ID進(jìn)行，ID值越小，報(bào)文的優(yōu)先級(jí)越高，發(fā)生仲裁時(shí)優(yōu)先級(jí)高的報(bào)文正常發(fā)送，優(yōu)先級(jí)低的報(bào)文會(huì)停止發(fā)送，但在總線空閑時(shí)會(huì)自動(dòng)重發(fā)。2.幀格式

在CAN2.0B的版本協(xié)議中有兩種不同的幀格式，即標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀。二者不同之處為標(biāo)志符域的長度不同，含有11位標(biāo)志符的幀稱為標(biāo)準(zhǔn)幀；含有29位標(biāo)志符的幀稱為擴(kuò)展幀，是CAN2.0B協(xié)議新增加的特性。為使控制器設(shè)計(jì)相對(duì)簡單，并不要求執(zhí)行完全的擴(kuò)展格式；對(duì)于新型控制器而言，必須不加任何限制地支持標(biāo)準(zhǔn)格式3.協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）J1939使用擴(kuò)展幀格式定義了標(biāo)準(zhǔn)化通信策略，即為每個(gè)節(jié)點(diǎn)規(guī)定了唯一的源地址，并將源地址映射到CAN標(biāo)識(shí)符中。此外，J1939通過協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PDU）定義了一個(gè)框架，用來組織J1939協(xié)議中定義的相關(guān)信息。PDU由CAN擴(kuò)展幀中的ID和數(shù)據(jù)場組成，并將其分為七個(gè)部分，分別是優(yōu)先級(jí)、保留位、數(shù)據(jù)頁、PDU格式、PDU特定域（可作為目標(biāo)地址、組擴(kuò)展或?qū)Ｓ茫?、源地址和?shù)據(jù)域。PDU被封裝在一個(gè)或多個(gè)CAN數(shù)據(jù)幀中，而每個(gè)CAN數(shù)據(jù)幀只能有一個(gè)PDU。4.多幀傳輸機(jī)制長度大于8字節(jié)的報(bào)文無法用單個(gè)CAN數(shù)據(jù)幀來裝載。因此，它們必須被拆分為若干個(gè)小的數(shù)據(jù)包，然后使用單個(gè)的數(shù)據(jù)幀對(duì)其逐一傳送。而接收方必須能夠接收這些單個(gè)的數(shù)據(jù)幀，然后解析各個(gè)數(shù)據(jù)包并重組成原始的信息。4.2.3網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層定義了網(wǎng)段之間的連接協(xié)議，當(dāng)同時(shí)存在不同傳輸速度或使用不同傳輸介質(zhì)的多個(gè)網(wǎng)段時(shí)，必須有至少一個(gè)網(wǎng)絡(luò)互連電控單元提供從一個(gè)網(wǎng)段到另一個(gè)網(wǎng)段的報(bào)文傳遞功能，具體包括報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)、報(bào)文過濾、波特率轉(zhuǎn)換、地址翻譯和協(xié)議轉(zhuǎn)換等。4.2.4應(yīng)用層

J1939針對(duì)車輛應(yīng)用定義了一系列信號(hào)（參數(shù)）和報(bào)文（參數(shù)組），并用可疑參數(shù)SPN來描述信號(hào)，將相關(guān)的參數(shù)組合成可疑參數(shù)組PGN。協(xié)議中規(guī)定了每個(gè)SPN的名稱、功能描述、類型、數(shù)據(jù)長度、分辨率、偏移值和有效數(shù)值范圍，以及在CAN數(shù)據(jù)場中的起始位置及所屬的PGN。參數(shù)字節(jié)序采用Intel型，即當(dāng)某個(gè)參數(shù)長度超過1個(gè)字節(jié)時(shí)，傳輸時(shí)先傳輸?shù)妥止?jié)。每個(gè)參數(shù)至少采用2Bits來表示，當(dāng)參數(shù)的每Bit為1時(shí)為無效值4.2.5表示層

數(shù)據(jù)的表示、安全、壓縮?？纱_保一個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用層所發(fā)送的信息可以被另一個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用層讀取。格式有：JPEG、ASCll、DECOIC、加密格式等。應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)之間的翻譯官，在表示層，數(shù)據(jù)將按照網(wǎng)絡(luò)能理解的方案進(jìn)行格式化；這種格式化也因所使用網(wǎng)絡(luò)的類型不同而不同。4.2.6會(huì)話層

建立、管理、終止會(huì)話，對(duì)應(yīng)主機(jī)進(jìn)程，指本地主機(jī)與遠(yuǎn)程主機(jī)正在進(jìn)行的會(huì)話。通過傳輸層（端口號(hào)：傳輸端口與接收端口）建立數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐?。主要在你的系統(tǒng)之間發(fā)起會(huì)話或者接受會(huì)話請(qǐng)求（設(shè)備之間需要互相認(rèn)識(shí)可以是IP也可以是MAC或者是主機(jī)名）。4.2.7傳輸層

定義傳輸數(shù)據(jù)的協(xié)議端口號(hào)，以及流控和差錯(cuò)校驗(yàn)。協(xié)議有：TCPUDP等，數(shù)據(jù)包一旦離開網(wǎng)卡即進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)傳輸層。定義了一些傳輸數(shù)據(jù)的協(xié)議和端口號(hào)（WWW端口80等），如：TCP（傳輸控制協(xié)議，傳輸效率低，可靠性強(qiáng)，用于傳輸可靠性要求高，數(shù)據(jù)量大的數(shù)據(jù)），UDP（用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議，與TCP特性恰恰相反，用于傳輸可靠性要求不高，數(shù)據(jù)量小的數(shù)據(jù)，如QQ聊天數(shù)據(jù)就是通過這種方式傳輸?shù)模Ｖ饕菍南聦咏邮盏臄?shù)據(jù)進(jìn)行分段和傳輸，到達(dá)目的地址后再進(jìn)行重組。常常把這一層數(shù)據(jù)叫做段。4.3CAN的基本組成和數(shù)據(jù)傳輸原理

CAN由每個(gè)ECU內(nèi)部的CAN控制器和收發(fā)器、每個(gè)ECU外部連接的兩條CAN總線和整個(gè)系統(tǒng)中的兩個(gè)終端組成。4.3.1基本組成4.3.2數(shù)據(jù)傳輸原理

汽車一般裝有多個(gè)ECU，ECU之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕顒e在于數(shù)據(jù)傳輸頻率。如發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，進(jìn)行的是高頻數(shù)據(jù)傳輸，每隔幾毫秒就傳輸一次；而在低轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，進(jìn)行的是低頻數(shù)據(jù)傳輸，每隔幾十毫秒甚至幾百毫秒才傳輸一次。CAN總線上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)（ECU）都有自己的地址，連續(xù)監(jiān)視著總線上發(fā)出的各種數(shù)據(jù)，當(dāng)所收到的數(shù)據(jù)地址值與自身地址吻合時(shí)，該節(jié)點(diǎn)就獲得令牌（一種通信規(guī)約，只允許唯一獲得令牌的一個(gè)節(jié)點(diǎn)有權(quán)發(fā)送數(shù)據(jù)，以防止兩個(gè)或兩個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)引起混亂），每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都有機(jī)會(huì)獲得令牌，完成數(shù)據(jù)傳輸。4.4汽車CAN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及其特點(diǎn)

4.4.1總線架構(gòu)按照J(rèn)1939的要求，CAN線纜可以采用屏蔽雙絞線，干線長度L應(yīng)不超過40m，在干線的兩端各有一個(gè)120Ω的終端電阻；節(jié)點(diǎn)支線的長度I應(yīng)盡可能短，允許的最大長度為1m；兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的距離D應(yīng)該大于0.1m，且節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的布置不能相同，即D和I的值應(yīng)不同，以減小信號(hào)傳輸過程中的駐波。4.4.2汽車CAN網(wǎng)絡(luò)的組成

汽車CAN總線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)按功能區(qū)分由基本CAN總線系統(tǒng)和網(wǎng)關(guān)組成。基本CAN總線系統(tǒng)有以下5點(diǎn)。1.動(dòng)力和傳動(dòng)控制系統(tǒng)

常見的動(dòng)力和傳動(dòng)控制系統(tǒng)包括：發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)（EMS）、自動(dòng)變速控制系統(tǒng)（TCU）、制動(dòng)防抱死系統(tǒng)（ABS）、緩速器控制系統(tǒng)（Retarder）；新能源汽車包括整車控制系統(tǒng)（VCU/HCU）、電機(jī)控制系統(tǒng)（MCU）和電池管理系統(tǒng)（BMS）等。2.底盤和安全控制系統(tǒng)常見的汽車底盤和智能主動(dòng)安全控制系統(tǒng)有電子控制制動(dòng)系統(tǒng)（EBS）、電子穩(wěn)定控制系統(tǒng)（ESC/ESP）、空氣懸架電子控制系統(tǒng)（ECAS）、車道偏離預(yù)警系統(tǒng)（LDWS）、360°全景影像環(huán)視系統(tǒng)（360環(huán)視）、夜視系統(tǒng)（NVS）、前向防撞預(yù)警系統(tǒng)（FCWS）、胎壓測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TPMS）、電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（EPS）、儀表（Cluster）和行駛記錄儀等。3.車身和舒適控制系統(tǒng)

汽車的車身和舒適控制系統(tǒng)包括雨刮系統(tǒng)（Wiper）、自適應(yīng)前照燈系統(tǒng)（AFS）、遙控鑰匙（RKE）、車身控制模塊（BCM）和空調(diào)控制系統(tǒng)（ACS）等4.通訊和信息娛樂系統(tǒng)

通訊和信息娛樂系統(tǒng)包括智能導(dǎo)航系統(tǒng)（NAV）、車聯(lián)網(wǎng)車載終端、汽車影音系統(tǒng)、實(shí)時(shí)交通信息咨詢系統(tǒng)、車輛定位系統(tǒng)和信息化服務(wù)系統(tǒng)等。5.診斷系統(tǒng)

診斷系統(tǒng)指車載診斷設(shè)備VDU、外部診斷設(shè)備及OBD-II車載診斷接口。OBD-II車載診斷接口是內(nèi)部總線與外部診斷設(shè)備通訊的接口

4.4.3CAN節(jié)點(diǎn)規(guī)范由于每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)造成影響，可能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)通信異常。因此，對(duì)于接入整車CAN網(wǎng)絡(luò)的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，都應(yīng)規(guī)范節(jié)點(diǎn)的CAN物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的相關(guān)參數(shù)4.4.3幾種常見的汽車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)1.單路網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)單路網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是指汽車上只有一路CAN總線系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，由儀表直接連入動(dòng)力和傳動(dòng)CAN總線形成2.多路網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)多路網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是實(shí)現(xiàn)全車負(fù)載由ECU控制的一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。根據(jù)應(yīng)用不同，可以拓展形成不同類型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。（1）基本多路網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在單路網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中接入車身和舒適總線系統(tǒng)就形成基本多路網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。（2）基于車聯(lián)網(wǎng)的多路網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基于車聯(lián)網(wǎng)的多路網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是在基本多路網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)上增加了車聯(lián)網(wǎng)終端，從而使車輛具備遠(yuǎn)程通信、遠(yuǎn)程運(yùn)營管理和遠(yuǎn)程診斷等功能。（3）新能源汽車多路網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（4）集成客運(yùn)管理系統(tǒng)的多路網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)4.4.5典型汽車的CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

整車網(wǎng)絡(luò)分為動(dòng)力CAN和車身CAN兩大網(wǎng)絡(luò)。其中，底盤動(dòng)力CAN網(wǎng)絡(luò)包括：發(fā)動(dòng)機(jī)ECU、后處理ECU、變速器、ABS/ASR、緩速器、限速控制器、發(fā)動(dòng)機(jī)智能驅(qū)動(dòng)控制模塊、汽車電子控制的空氣懸架系統(tǒng)（ECAS）、電子風(fēng)扇控制系統(tǒng)、輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPMS)、儀表動(dòng)力CAN和信息服務(wù)系統(tǒng)動(dòng)力CAN等；車身CAN網(wǎng)絡(luò)包括：車身前控模塊、中控模塊、后控制模塊、空調(diào)控制器、總電源管理模塊、車道偏離報(bào)警系統(tǒng)、自動(dòng)大燈控制系統(tǒng)、全景環(huán)視系統(tǒng)、多功能轉(zhuǎn)向盤、儀表車身CAN和信息服務(wù)系統(tǒng)車身CAN等。對(duì)于儀表系統(tǒng)和信息服務(wù)系統(tǒng)，還常常帶有兩路CAN，可分別接入整車CAN和車身CAN，以實(shí)現(xiàn)兩路CAN數(shù)據(jù)的顯示和遠(yuǎn)程診斷等功能。4.4.6汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

新能源系統(tǒng)包括電池管理系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器、轉(zhuǎn)向控制器、充電控制器等。其作為連接新能源總成和傳統(tǒng)總成之間的網(wǎng)關(guān)，一般選取檔位面板或整車控制器。整車電控節(jié)點(diǎn)包括發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元、發(fā)電機(jī)控制單元、驅(qū)動(dòng)電機(jī)控制器、動(dòng)力電池管理系統(tǒng)、DC/DC控制器、自動(dòng)變速器控制裝置等。國產(chǎn)大型電動(dòng)車的CAN總線結(jié)構(gòu)圖。從整車的電子電氣架構(gòu)平臺(tái)角度考慮，整車CAN網(wǎng)絡(luò)包含兩大主干網(wǎng)絡(luò)，驅(qū)動(dòng)及高壓動(dòng)力網(wǎng)絡(luò)、信息傳遞及監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)；以及電池內(nèi)部模塊之間的管理子網(wǎng)絡(luò)、儀表和車身及組合按鍵之間的子網(wǎng)絡(luò)等子網(wǎng)絡(luò)。以中央控制器ECU統(tǒng)一管理電機(jī)控制器等動(dòng)力管理單元控制器的同時(shí)，兼顧網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)功能。4.5CAN總線控制單元

4.5.1動(dòng)力CAN網(wǎng)絡(luò)單元1.發(fā)動(dòng)機(jī)ECU2.驅(qū)動(dòng)電機(jī)ECU

驅(qū)動(dòng)電機(jī)ECU的總體結(jié)構(gòu)由外殼及冷卻系統(tǒng)、功率電子電源、控制電路、底層軟件和控制算法組成。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)ECU兩大組成部分為硬件電路和軟件算法。驅(qū)動(dòng)電機(jī)ECU的硬件主要包括中央控制器模塊、功率變換器模塊、驅(qū)動(dòng)器及相應(yīng)傳感器組成?？刂栖浖糠挚梢苑譃闋顟B(tài)控制、矢量算法、需求轉(zhuǎn)矩和診斷模塊。3.電子風(fēng)扇控制系統(tǒng)（智能冷卻控制系統(tǒng)）電子風(fēng)扇控制系統(tǒng)亦稱“智能冷卻控制系統(tǒng)”，是在對(duì)大型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)溫度精確控制方面進(jìn)行大量研究工作的基礎(chǔ)上，結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)熱平衡、散熱器熱傳遞等關(guān)鍵特性，通過驅(qū)動(dòng)電子風(fēng)扇等部件實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液水溫及中冷后氣溫的精準(zhǔn)控制，從而確保發(fā)動(dòng)機(jī)能夠工作在高效節(jié)能的溫度范圍內(nèi)。4.發(fā)動(dòng)機(jī)智能驅(qū)動(dòng)控制模塊5.變速器電控單元汽車上常用的變速器有機(jī)械變速器（ManualTransmissions，MT）、機(jī)械式自動(dòng)變速器（AutomatedManualTransmissions,AMT）和自動(dòng)變速器（AutomaticTransmissions，AT）。其中，前者沒有電控單元，無相應(yīng)通信接口；而機(jī)械式自動(dòng)變速器和自動(dòng)變速器則有電控單元，其電控單元通過CAN總線與發(fā)動(dòng)機(jī)等的電控單元通信，根據(jù)車輛行駛工況（車速、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩等）和駕駛員的駕駛意圖（加速踏板、換擋控制桿操作等），按照設(shè)定的換擋規(guī)律，選擇合適的檔位和換擋時(shí)機(jī)，控制換擋執(zhí)行機(jī)構(gòu)的換擋動(dòng)作。6.汽車電子控制空氣懸架系統(tǒng)（ECAS）汽車電子控制空氣懸架系統(tǒng)（ECAS）由ECAS電控單元、電磁閥、高度傳感器和氣囊等部件組成。ECAS的基本工作原理是：高度傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)車輛高度（車架和車橋間的距離）的變化，并把這一信息傳遞給ECU，除高度信息外，ECU還接受其他的輸入信息，如車速、制動(dòng)、車門和供氣壓力等信息，然后綜合所有的輸入信息，判斷當(dāng)前車輛狀態(tài)并按照其內(nèi)部的控制邏輯，激發(fā)電磁閥工作，由電磁閥實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)氣囊的充、放氣調(diào)節(jié)

ECAS基本系統(tǒng)組成示意圖1-電子控制器（ECU）；2-電磁閥；3-高度傳感器；4-氣囊；5-遙控器4.5.2.車身CAN網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)

1.新型車身控制模塊

儀表主要負(fù)責(zé)信息顯示，包括轉(zhuǎn)速、車速和水溫等；主控模