汽車CAN總線系統(tǒng)的挑戰(zhàn)與設(shè)計

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汽車CAN總線技術(shù)起源于BOSCH公司，為了解決當(dāng)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(xiàn)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(tǒng)結(jié)構(gòu)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(tǒng)必須縮短耗時的任務(wù)，BOSCH聯(lián)合其他專家合作開發(fā)了CANFD規(guī)范，并在2012年第13屆國際CAN會議上正式推出，后續(xù)CANFD技術(shù)在整車設(shè)計上得到廣泛應(yīng)用。

隨著新能源與智能網(wǎng)聯(lián)汽車的飛速發(fā)展，LIN、CAN等現(xiàn)有CAN總線通信方式已無法滿足整車網(wǎng)絡(luò)通信需求；而FlexRay、MOST因成本高、應(yīng)用復(fù)雜，僅用于高端豪華品牌。未來車載網(wǎng)絡(luò)將會發(fā)展成為基于域控制器的混合車載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：以太網(wǎng)將成為主干網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)CAN/CANFD、LIN將繼續(xù)在低容量通訊場景下使用，如圖2所示。

圖2 未來車載網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢

從上述發(fā)展趨勢來看，CAN總線在應(yīng)用上具有性價比高且技術(shù)成熟的特點，因此，CAN總線在當(dāng)前汽車設(shè)計中依舊占有重要位置。但是，現(xiàn)在汽車的制動系統(tǒng)、自動駕駛輔助系統(tǒng)、電池\電驅(qū)系統(tǒng)間都是通過總線進行通訊，當(dāng)出現(xiàn)總線節(jié)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(yè)要嚴謹對待總線問題帶來的風(fēng)險，有必要探討如何通過設(shè)計確保總線系統(tǒng)的可靠性。

本文通過以下四方面來闡述汽車總線系統(tǒng)的可靠性相關(guān)設(shè)計：

1）電氣特性設(shè)計

2）EMC設(shè)計

3）軟件設(shè)計

4）硬件設(shè)計

CAN總線由CAN控制器、CAN收發(fā)器、數(shù)據(jù)傳輸線、數(shù)據(jù)傳輸終端等組成。圖3為某品牌汽車PCAN總線拓撲結(jié)構(gòu)示意圖，該CAN總線傳輸速率為500kbps，圖中CAN控制器、CAN收發(fā)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(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)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(xiàn)差分信號通信，兩根導(dǎo)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(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

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(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣仍娇欤矔黾涌偩€的復(fù)雜性和成本。? ?

在汽車設(shè)計時，EE架構(gòu)方案中明確CAN總線的類型（CAN/CANFD）和傳輸速率，可根據(jù)架構(gòu)設(shè)計原則確認總線的節(jié)點數(shù)量、總線負載率進行選定。

總線拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計對總線的可靠性非常重要。在拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要考慮總線長度、信號傳輸質(zhì)量等因素，以保證總線的穩(wěn)定性和可靠性。

雙絞線的衰減應(yīng)通過總線系統(tǒng)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(zhí)行。

終端電阻可根據(jù)總線拓撲和模塊平臺化，以及配置情況結(jié)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)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(shù)據(jù)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(yīng)確保連接可靠，設(shè)計時應(yīng)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(xiàn)線束供應(yīng)商制造問題導(dǎo)致總線故障。如總線雙絞線未按整車廠要求執(zhí)行，總線上的差分信號往往被干擾，總線出現(xiàn)錯誤幀，嚴重時出現(xiàn)總線BUS OFF故障，整車廠應(yīng)在線束供應(yīng)商制造環(huán)節(jié)進行嚴格管控。

EMC設(shè)計是指電磁兼容性設(shè)計，目的是使電子設(shè)備在正常工作時對周圍環(huán)境不會產(chǎn)生干擾，也不受外界干擾影響。以下是EMC設(shè)計的基礎(chǔ)概念：

1）電磁場：由電荷或電流引起的物理現(xiàn)象，可分為靜電場和電動場；

2）輻射：任何發(fā)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(shè)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(shè)備到地面，起到排除噪聲和保護設(shè)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(chǎn)生錯誤幀，嚴重時會出現(xiàn)BUS OFF故障。對于EMC導(dǎo)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(shè)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(fā)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(yōu)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(xiàn)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(jīng)超過50dB，而正常的EMC環(huán)境應(yīng)控制在30dB以下；結(jié)合CANOE設(shè)備讀取的錯誤幀，三者出現(xiàn)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(shè)計中，應(yīng)嚴格執(zhí)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(shè)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。

CAN總線節(jié)點間通訊協(xié)議的實現(xiàn)對于整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性具有重要的影響。

其重要性主要體現(xiàn)在以下四個方面：

1）保證數(shù)據(jù)的實時性：CAN總線的數(shù)據(jù)傳輸速率較快，可以實現(xiàn)毫秒級別的響應(yīng)時間，因此在控制和監(jiān)測系統(tǒng)中廣泛使用。節(jié)點間通訊協(xié)議的實現(xiàn)需要保證數(shù)據(jù)的實時性，否則會影響系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度。

2）確保通訊的可靠性：在汽車各種工況環(huán)境中，CAN總線常常處于噪聲干擾和電磁干擾等復(fù)雜的環(huán)境中，節(jié)點間通訊協(xié)議的實現(xiàn)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(tǒng)的安全性：在汽車設(shè)計中，CAN總線被廣泛應(yīng)用于安全相關(guān)的系統(tǒng)中，例如制動系統(tǒng)、駕駛員輔助系統(tǒng)等。節(jié)點間通訊協(xié)議的實現(xiàn)需要采用適當(dāng)?shù)陌踩胧_保系統(tǒng)的安全可靠。

4）降低開發(fā)成本：節(jié)點間通訊協(xié)議的實現(xiàn)可以通過使用已有的通信協(xié)議棧和驅(qū)動程序等方式，減少開發(fā)人員的工作量，降低開發(fā)成本和時間。

在設(shè)計中，CAN總線節(jié)點間通訊協(xié)議的實現(xiàn)需要考慮到網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)、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(xié)議棧和應(yīng)用程序，可以根據(jù)應(yīng)用需求進行選擇和定制。

總線設(shè)計可通過以下設(shè)計來提升的總線系統(tǒng)的可靠性。

1）數(shù)據(jù)鏈路層錯誤控制? ??

數(shù)據(jù)鏈路層錯誤控制是指通過校驗、重傳等方式，確保數(shù)據(jù)在傳輸過程中不會發(fā)生錯誤。其中，CRC（循環(huán)冗余校驗）是一種常用的校驗方式，可以檢測出數(shù)據(jù)是否發(fā)生了位錯或字節(jié)錯等錯誤。

2）總線的冗余機制

為提高總線系統(tǒng)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(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。

3）容錯設(shè)計

容錯設(shè)計是指在系統(tǒng)設(shè)計中考慮到可能出現(xiàn)故障的情況，并采取相應(yīng)的措施以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。例如，在汽車電子系統(tǒng)中，采用了雙路CAN總線設(shè)計，即兩條CAN總線同時工作，一旦某個總線發(fā)生故障，另外一個總線可以繼續(xù)工作，從而保證系統(tǒng)的可靠性。

CAN總線的硬件設(shè)計包括以下幾方面：

1）總線選擇：在硬件設(shè)計中，需要根據(jù)系統(tǒng)需求和設(shè)備接口來選擇合適的總線類型。不同總線類型的特點和應(yīng)用場景不同，根據(jù)實際的需求在設(shè)計時進行選用。

2）總線接口電路設(shè)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(shè)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(wěn)定性。

3）總線控制電路設(shè)計：總線控制電路是指控制總線數(shù)據(jù)傳輸和訪問的電路。在設(shè)計總線控制電路時，需要考慮總線協(xié)議規(guī)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(fā)，開展總線設(shè)計一般有以下四個步驟：

步驟1：確定系統(tǒng)需求和設(shè)備接口，選擇合適的總線類型。

步驟2：設(shè)計總線接口電路，完成與CPU或其他芯片的連接。

步驟3：設(shè)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(yōu)化總線設(shè)計，以達到最好的性能和可靠性。?

硬件設(shè)計中，提升總線穩(wěn)健性的設(shè)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(guī)范和性能要求：在設(shè)計中選用高品質(zhì)的元器件，如高質(zhì)量的電容、電阻、晶振等，可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和抗干擾能力。

2）應(yīng)遵循以下要求PCB布局要求上：

• 降低信號線的長度，以減少噪聲和干擾。

• 防止信號線間的交叉和平行，以減少串?dāng)_。

• 增加電源和地線的寬度，降低電阻和電感。

• 在信號線旁添加屏蔽，以減少干擾和噪聲。

3) 使用適當(dāng)?shù)碾娮韬碗娙荨ｋ娮韬碗娙莸恼_使用可以幫助穩(wěn)定CAN總線的信號，并減少噪聲和抖動。如在終端上使用適當(dāng)?shù)慕K端電阻，可以消除反射并穩(wěn)定信號。

4) 在CAN總線連接器中使用適當(dāng)?shù)倪^濾器，以減少EMI（電磁干擾）。

5) 在CAN總線電路板上添加適當(dāng)?shù)谋Ｗo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(fā)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(fā)送和接收過程中由于信號失真導(dǎo)致的錯誤發(fā)生率。從而提升總線設(shè)計的可靠性。

上述硬件設(shè)計使得CAN總線更加可靠，并提高了汽車系統(tǒng)的性能和安全性。

CAN總線系統(tǒng)的可靠性受到內(nèi)外多種部因素影響，必須從系統(tǒng)層面把相關(guān)設(shè)計要求傳遞到各個設(shè)計環(huán)節(jié),并有效貫徹執(zhí)行，才能有效提升CAN總線系統(tǒng)的可靠性。

本文歸納了對總線系統(tǒng)EE架構(gòu)設(shè)計、EMC設(shè)計、模塊的軟件/硬件、線束的總線拓撲設(shè)計/線束設(shè)計/連接器設(shè)計進行了分析。

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