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摘? 要：
CAN總線技術已在汽車上廣泛應用，隨著新能源車型以及自動駕駛技術的推廣，總線問題也對汽車的安全帶來風險挑戰，本文從系統角度對CAN總線的電氣、EMC、硬件以及軟件等相關設計進行梳理，結合現有總線系統設計經驗進行分析與總結。
01
?汽車總線技術發展與挑戰
汽車CAN總線技術起源于BOSCH公司，為了解決當時汽車電控模塊增多帶來的布線空間矛盾、信號抗干擾能力差、汽車重量增加等諸多問題而誕生的。CAN總線實現了總線上的信息共享，大大減少了汽車的線束，見圖1所示。
圖1 ?汽車CAN系統結構示意圖
隨著汽車電控模塊對高速率通信的需求日益增加，高性能通信系統必須縮短耗時的任務，BOSCH聯合其他專家合作開發了CANFD規范，并在2012年第13屆國際CAN會議上正式推出，后續CANFD技術在整車設計上得到廣泛應用。
隨著新能源與智能網聯汽車的飛速發展，LIN、CAN等現有CAN總線通信方式已無法滿足整車網絡通信需求；而FlexRay、MOST因成本高、應用復雜，僅用于高端豪華品牌。未來車載網絡將會發展成為基于域控制器的混合車載網絡架構：以太網將成為主干網絡，傳統CAN/CANFD、LIN將繼續在低容量通訊場景下使用，如圖2所示。
圖2 未來車載網絡發展趨勢
從上述發展趨勢來看，CAN總線在應用上具有性價比高且技術成熟的特點，因此，CAN總線在當前汽車設計中依舊占有重要位置。但是，現在汽車的制動系統、自動駕駛輔助系統、電池\電驅系統間都是通過總線進行通訊，當出現總線節點丟失、總線BUS OFF等總線故障時，都會對汽車的動力、制動、高壓輸出帶來巨大的影響。因此，汽車企業要嚴謹對待總線問題帶來的風險，有必要探討如何通過設計確保總線系統的可靠性。
本文通過以下四方面來闡述汽車總線系統的可靠性相關設計：
1）電氣特性設計
2）EMC設計
3）軟件設計
4）硬件設計
02
?與總線系統有關的電氣特性設計
CAN總線由CAN控制器、CAN收發器、數據傳輸線、數據傳輸終端等組成。圖3為某品牌汽車PCAN總線拓撲結構示意圖，該CAN總線傳輸速率為500kbps，圖中CAN控制器、CAN收發器、120歐姆的終端電阻均集成在模塊中，其中，120歐姆終端電阻集成在ECU和BCM模塊中，數據傳輸線為雙絞線，CAN總線主干為ECU-BCM間總線，支線為模塊到主干間總線。
圖3 PCAN總線拓撲結構示意圖
CAN總線的電氣特性包括差分信號、終端電阻和傳輸速率等方面：
1）差分信號：CAN總線通過雙絞線實現差分信號通信，兩根導線之間傳遞的是正反相位信號。這種方式可以有效地減少干擾和噪聲，并提高數據傳輸的可靠性。
2）終端電阻：CAN總線必須在主干兩端分別安裝一個120歐姆的終端電阻，確保信號的正確傳輸。這種電阻可以防止信號在總線上反射和干擾。
3）傳輸速率：CAN總線的標準傳輸速率最高為1 Mbps，但也可以選擇其他速率（如500 kbps、250 kbps等）；而CANFD可以選擇2 Mbps或者5Mbps，傳輸速率越高，數據傳輸的速度越快，但也會增加總線的復雜性和成本。? ?
在汽車設計時，EE架構方案中明確CAN總線的類型（CAN/CANFD）和傳輸速率，可根據架構設計原則確認總線的節點數量、總線負載率進行選定。
總線拓撲結構設計對總線的可靠性非常重要。在拓撲結構設計時，需要考慮總線長度、信號傳輸質量等因素，以保證總線的穩定性和可靠性。
雙絞線的衰減應通過總線系統主線和支線長度以及支線間的距離進行重點控制，目前CAN和CANFD的主線長度不超過40m，各整車廠的支線和支線間的間距長度要求有所差異，必須按各廠尺寸要求執行。
終端電阻可根據總線拓撲和模塊平臺化，以及配置情況結合成本因素考慮終端電阻集成在哪個模塊中，如圖3所示，為確保數據的正確傳輸，在總線的兩端的ECU和BCM模塊中，分別安裝終端電阻。
為保證數據傳輸線路差分信號的抗干擾能力，線束中總線雙絞線必須滿足絞距要求以及退絞尺寸要求。雙絞線絞距推薦每米的對絞個數有33個以上，雙絞線到連接器尾部退絞尺寸推薦不超過50mm，如圖4所示。
圖4 雙絞線的退絞尺寸要求
對于CANFD數據傳輸線路，雙絞線的特性阻抗推薦選擇100Ω左右，電容推薦控制50pF/m左右。
同時，總線上各模塊插座和對接的線束連接器應確保連接可靠，設計時應選用成熟可靠，通過驗證的模塊端插座和連接器，確保總線電氣連接的可靠性。
在車輛樣車驗證階段，容易出現線束供應商制造問題導致總線故障。如總線雙絞線未按整車廠要求執行，總線上的差分信號往往被干擾，總線出現錯誤幀，嚴重時出現總線BUS OFF故障，整車廠應在線束供應商制造環節進行嚴格管控。
03
?與總線系統有關的EMC設計
EMC設計是指電磁兼容性設計，目的是使電子設備在正常工作時對周圍環境不會產生干擾，也不受外界干擾影響。以下是EMC設計的基礎概念：
1）電磁場：由電荷或電流引起的物理現象，可分為靜電場和電動場；
2）輻射：任何發出電磁波的過程都稱之為輻射，包括天然輻射和人造輻射；
3）抗輻射：通過采取合適的措施，使設備能夠抵御外部輻射干擾；
4）屏蔽：隔離電路與外界電磁場的方法，一般使用金屬材料進行屏蔽；
5）地線：連接設備到地面，起到排除噪聲和保護設備的作用。? ?
新能源車輛的CAN總線信號容易受外界的EMC干擾影響，會產生錯誤幀，嚴重時會出現BUS OFF故障。對于EMC導致總線故障的失效模式，存在以下原因：
1）總線雙絞線絞合不符合線束工藝要求；
2）總線線路短路問題或竄路；
3）高壓線屏蔽線屏蔽不良；
4）高壓線接頭和部件接口不匹配。
該類故障可以通過示波器讀取總線電壓波形，CANOE設備讀取錯誤幀，采取頻譜儀測試EMC干擾進行同步測試判定。
以下故障為例，在某車型項目開發過程中，由于高壓線接頭和部件接口不匹配，試驗車在行駛過程中，車輛模塊報總線BUS OFF故障，儀表故障燈點亮并提示，車輛動力丟失。更換優化后的高壓線（帶高壓連接器）后，總線故障消失。
上述總線故障中，總線波形被干擾后出現多個異常的峰值電壓波形，如圖5所示；圖6為頻譜儀測試波形，最大值已經超過50dB，而正常的EMC環境應控制在30dB以下；結合CANOE設備讀取的錯誤幀，三者出現異常的時刻是同步，因此，可以通過這種診斷方法有效判斷總線EMC干擾故障。
圖5 總線波形受EMC干擾時的波形（受干擾的峰值波形）
圖6 頻譜儀測試的波形
EMC設計中，應嚴格執行以下四方面要求，增強整車抗干擾能力：
1）模塊和高壓零部件必須滿足EMC要求；
2）模塊的接地滿足設計要求；
3）高壓線與部件的高壓接口進行匹配驗證，確認接口匹配滿足要求；
4）高壓屏蔽線的壓接工藝滿足線束制造要求。
04
?與總線系統有關的軟件設計
CAN總線節點間通訊協議的實現對于整個系統的穩定性和可靠性具有重要的影響。
其重要性主要體現在以下四個方面：
1）保證數據的實時性：CAN總線的數據傳輸速率較快，可以實現毫秒級別的響應時間，因此在控制和監測系統中廣泛使用。節點間通訊協議的實現需要保證數據的實時性，否則會影響系統的響應速度和控制精度。
2）確保通訊的可靠性：在汽車各種工況環境中，CAN總線常常處于噪聲干擾和電磁干擾等復雜的環境中，節點間通訊協議的實現需要采用合適的錯誤檢測和糾正機制，確保通訊的可靠性。
3）提高系統的安全性：在汽車設計中，CAN總線被廣泛應用于安全相關的系統中，例如制動系統、駕駛員輔助系統等。節點間通訊協議的實現需要采用適當的安全措施，確保系統的安全可靠。
4）降低開發成本：節點間通訊協議的實現可以通過使用已有的通信協議棧和驅動程序等方式，減少開發人員的工作量，降低開發成本和時間。? ?
在設計中，CAN總線節點間通訊協議的實現需要考慮到網絡拓撲結構、傳輸速率、錯誤檢測和糾正機制、安全性等多個因素。目前，市場上有很多成熟的CAN總線通信協議棧和應用程序，可以根據應用需求進行選擇和定制。
總線設計可通過以下設計來提升的總線系統的可靠性。
1）數據鏈路層錯誤控制 ? ?
數據鏈路層錯誤控制是指通過校驗、重傳等方式，確保數據在傳輸過程中不會發生錯誤。其中，CRC（循環冗余校驗）是一種常用的校驗方式，可以檢測出數據是否發生了位錯或字節錯等錯誤。
2）總線的冗余機制
為提高總線系統的可靠性，可以采用冗余機制。例如，在CAN總線中采用了冗余的消息序列號、CRC校驗等機制，以確保數據傳輸的正確性。
3）容錯設計
容錯設計是指在系統設計中考慮到可能出現故障的情況，并采取相應的措施以確保系統的穩定性。例如，在汽車電子系統中，采用了雙路CAN總線設計，即兩條CAN總線同時工作，一旦某個總線發生故障，另外一個總線可以繼續工作，從而保證系統的可靠性。
05
? 與總線系統有關的硬件設計
CAN總線的硬件設計包括以下幾方面：
1）總線選擇：在硬件設計中，需要根據系統需求和設備接口來選擇合適的總線類型。不同總線類型的特點和應用場景不同，根據實際的需求在設計時進行選用。
2）總線接口電路設計：總線接口電路是指將CPU或其他芯片與總線連接的電路。在設計總線接口電路時，需要考慮時序、電氣特性、信號干擾等因素，以保證總線通信的正確性和穩定性。
3）總線控制電路設計：總線控制電路是指控制總線數據傳輸和訪問的電路。在設計總線控制電路時，需要考慮總線協議規范、時序、信號完整性等因素，以確保總線能夠正常工作。??
對于電控模塊的硬件開發，開展總線設計一般有以下四個步驟：
步驟1：確定系統需求和設備接口，選擇合適的總線類型。
步驟2：設計總線接口電路，完成與CPU或其他芯片的連接。
步驟3：設計總線控制電路，保證總線能夠正常工作。
步驟4：進行仿真驗證和實驗測試，不斷優化總線設計，以達到最好的性能和可靠性。?
硬件設計中，提升總線穩健性的設計包括以下幾個方面：
1) 采用成熟可靠的電器元件，以確保使用的電器元件符合規范和性能要求：在設計中選用高品質的元器件，如高質量的電容、電阻、晶振等，可以提高系統穩定性和抗干擾能力。
2）應遵循以下要求PCB布局要求上：
a）降低信號線的長度，以減少噪聲和干擾。
b）防止信號線間的交叉和平行，以減少串擾。
c）增加電源和地線的寬度，降低電阻和電感。
d）在信號線旁添加屏蔽，以減少干擾和噪聲。
3) 使用適當的電阻和電容。電阻和電容的正確使用可以幫助穩定CAN總線的信號，并減少噪聲和抖動。如在終端上使用適當的終端電阻，可以消除反射并穩定信號。
4) 在CAN總線連接器中使用適當的過濾器，以減少EMI（電磁干擾）。
5) 在CAN總線電路板上添加適當的保護電路，以保護總線免受靜電放電和過壓的影響。
6) 使用CAN總線收發器，用于CAN總線的隔離、緩沖和信號放大等操作，有效減少總線發送和接收過程中由于信號失真導致的錯誤發生率。從而提升總線設計的可靠性。
上述硬件設計使得CAN總線更加可靠，并提高了汽車系統的性能和安全性。
06
? 總結
CAN總線系統的可靠性受到內外多種部因素影響，必須從系統層面把相關設計要求傳遞到各個設計環節,并有效貫徹執行，才能有效提升CAN總線系統的可靠性。
本文歸納了對總線系統EE架構設計、EMC設計、模塊的軟件/硬件、線束的總線拓撲設計/線束設計/連接器設計進行了分析。
另外，本文只從系統層面簡單闡述了對CAN總線可靠性有影響的相關設計，初步探討相關設計方法，未能深入討論具體設計細節，上述的設計均是需要大量的設計規范和設計經驗進行支撐和保證的，后續有待我們進一步挖掘和探討。
來源：線束中國
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