[学士]CAN总线技术在汽车上的应用
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毕 业 论 文(设 计) 评定成绩: 题 目 CAN总线技术在汽车上的应用 副标题 性 质: 毕业论文 学生姓名 年 级 系 别 专 业 指导教师 目 录1.CAN总线技术及在汽车上的应用32.CAN总线技术的特点及优点42.1、CAN总线技术的特点42.2、CAN总线技术的优点53.汽车上的CAN总线64.车用CAN未来发展趋势65.CAN总线控制系统的检修8 5.1 CAN总线故障形式9 5.2 CAN总线系统中终端电阻的检修9 5.3 用故障诊断仪器检修CAN系统96. CAN总线的维修97.结论98.谢辞109. 参考文献10CAN总线技术在汽车上的应用摘 要:介绍了CAN总线技术在汽车上的应用,以及CAN总线出现的故障及检测和维修方法。关键词:CAN总线;总线故障;检测;维修就像汽车电子技术在20世纪70年代引入集成电路、80年代引入微处理器一样,现在数据CAN总线技术的引入也将是汽车电子技术发展的一个里程碑。随着电子、程控技术、集成电路及单片机在汽车上的应用,汽车的大多数部件控制由传统的机械控制逐步转变为现在的电子、程控控制,如电控燃油喷射发动机、自动变速器、电子转向和防盗系统等的控制。技术的进步,控制精度的提高,这就使得汽车上的控制单元数目增加,控制单元数目增加后导致线束增多、电路复杂、质量大、成本高、故障多、维修困难,为了减少线束、减少成本、优化结构,必须采用一种线束少、信息传输快、可控性强的信息传递系统。因而,一种新型的信息传递技术CAN总线技术产生了。1、CAN技术及在汽车上的应用 CAN全称为“Controller Area Network”,即控制器局域网。CAN是国际上应用最广泛的现场总线之一。它将各个单一的控制单元以某种形式(多为星形)连接起来,形成一个完整的系统。在该系统中,各控制单元都以相同的规则进行数据传输交换和共享,称为数据传输协议。CAN总线最早是德国Bosch公司为解决现代汽车中众多的电控模块(ECU)之间的数据交换而开发的一种串行通讯协议。在工程实际中CAN总线是对汽车中标准的串行数据传输系统的习惯叫法。随着车用电气设备越来越多,从发动机控制到传动系统控制,从行驶、制动、转向系统控制到安全保证系统及仪表报警系统,使汽车电子系统形成一个复杂的大系统,并且都集中在驾驶室控制。另外,随着近年来智能运输系统(ITS)的发展,以3G(GPS、GIS和GSM)为代表的新型电子通讯产品的出现,它对汽车的综合布线和信息的共享交互提出了更高的要求。CAN总线正是为满足这些要求而设计的。CAN总线主要有四部分组成:导线、控制器、收发器和终端电阻。其中导线为由两根普通铜导线绞在一起的双绞线。控制器的作用是对收到和发送的信号进行翻译。收发器负责接受和发送网络上共享的信息。电阻是阻止CAN总线信号产生变化电压的反射,当电阻出现故障,控制单元的信号无效。CAN被用来作为汽车环境中微控制器之间的通信,在车载各电子控制装置ECU之间交换信息,形成汽车电子控制网络。一辆汽车不管有多少个电控单元,也不管信息容量有多大,每个电控单元都只需引出两条线共同接在节点上,这两条导线就称为数据总线,简称BUS。CAN总线上的每个节点(ECU)都有自己的地址,数据是由控制单元向CAN总线控制器提供,CAN收发器从CAN控制器处接收到数据,并将此数据转化为电信号发出至数据总线,控制单元从数据总线上接收数据,并将接收到的数据进行检验,看是否是此控制单元所需,如果接收到的数据是此控制单元所需的,则被认可接收,反之将其忽略。从而完成数据传输。 Canbus一般采用双绞线自身校验的结构,既可以防止电磁干扰对传输信息的影响,也可以防止本身对外界的干扰。系统中采用高低电平两根数据线,控制器输出的信号同时向两根通讯线发送,高低电平互为镜像。并且每一个控制器都增加了终端电阻,已减少数据传送时的过调效应。由于汽车不同控制器对CAN总线的性能要求不同,目前汽车CAN速率分别为500Kbit/m、100Kbit/m的高低速总线布置形式 。500Kbit/m主要应用于驱动系统、诊断系统等,100Kbit/m主要应用于舒适系统、信息系统、仪表系统等,现在有的轿车除了应用上述两条总线外,还有第三条总线,主要应用在卫星导航及智能通讯系统。 由于不同区域Canbus总线的速率和识别代号不同,因此一个信号要从一个总线进入到另一个总线区域,必须把它的识别信号和速率进行改变,能够让另一个系统接受,这个任务由网关来完成。另外,网关还具有改变信息优先级的功能。如车辆发生相撞事故,气囊控制单元会发出负加速度传感器的信号,这个信号的优先级在驱动系统是非常高,但转到舒适系统后,网关调低了它的优先级,因为它在舒适系统功能只是打开门和灯。2、CAN总线技术的特点及优点2.1、CAN总线技术的特点。CAN作为一种多主总线,支持分布式实时控制的通讯网络,采用了许多新技术及独特的设计,具有可靠性、实时性和灵活性。其特点如下:CAN为多主方式工作,网络上任一点均可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息,而不分主从,通讯方式灵活;CAN网络上的节点信息分成不同的优先级,可满足不同的实时要求,高优先级的数据最多可在134s内得到传输;CAN只需通过帧滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接受数据,无需专门“调度”;CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤,选择灵活;CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能,以使总线上其它节点的操作不受影响。2.2、CAN总线技术的优点。硬件方案的软件化实现,简化了设计,降低了成本,且在数据更新增加新信息时,只需软件升级即可,扩充性强;控制单元对所传输的信息进行实时检测,具有错误诊断能力和自动恢复能力,节省生产维护成本;CAN总线符合国际标准,因此可应用不同型号控制单元间的数据传输;数据共享减少了数据的重复处理,节省成本。如对于具有CAN总线接口的电喷发动机,其它电器可共享其提供的转速、水温、机油压力温度等,可省去额外的水温、油压、油温传感器。3、汽车上的CAN总线由于汽车的很多部分都由独立的电子控制器进行控制,为了将整个电动汽车内各系统统一管理,实现数据共享和相互之间协同工作,利用CAN总线进行数据传递是一个必然的趋势。目前汽车上的网络连接方式主要采用2条CAN,一条用于驱动系统的高速CAN,速率一般可达到500kb/s,最高可达1000kb/s;另一条用于车身系统低速CAN,速率是100kb/s。驱动系统CAN(CAN-High,也称动力主线)主要连接对象是发动机控制器(ECU)、ABS控制器、安全气囊控制器等,它们的基本特征都是控制与汽车行驶直接相关的系统。车身系统CAN(CAN-Low,也称舒适总线)主要连接和控制汽车内外部照明、灯光信号、空调、刮水电机、中央门锁与防盗控制开关、故障诊断系统、组合仪表及其它辅助电器等。有些高档车辆还有第3条CAN总线,即信息娱乐总线,主要用于卫星导航及智能通讯系统。当两条CAN总线(CAN-High和CAN-Low)其中一条线断路时,整个动力系统将无法正常工作,即不能进行单线传输,只有CAN-Low线出现对地断路时还能正常工作。而由于舒适和信息娱乐总线都设有位于系统内各个控制单元中不同阻值的终端电阻,因此可实现单线传输。其整车管理系统的总体结构示意图如图1。汽车总线系统的研究与发展可以分为三个阶段:研究汽车的基本控制系统(也称舒适总线),如照明、电动车窗、中央集控锁等;研究汽车的主要控制系统(也称动力主线),如电喷ECU控制系统、ABS系统、自动变速器等;研究汽车各电子控制系统之间的综合、实时控制和信息反馈。利用CAN总线构建一个车内网络,需要解决的关键技术包括:总线传输信息的速率、容量、优先等级、节点容量等技术问题;高电磁干扰环境下的可靠数据传输;确定最大传输时的延时大小;网络的容错技术;网络的监控和故障诊断功能。4、车用CAN未来发展趋势技术的先进性是CAN总线在汽车上应用的最大动力,也是汽车生产商竞相应用CAN总线的主要原因。在现代轿车的设计中,CAN已经成为必须采用的装置,奔驰、宝马、大众、沃尔沃、雷诺等汽车都采用了CAN作为控制器联网的手段。据相关报道,中国首辆CAN网络系统混合动力轿车已在奇瑞公司装配成功,并进行运行。上海大众的帕萨特和POLO汽车上也开始引用了CAN总线技术。CAN总线控制技术是提高汽车性能的一条很好途径。但总的来说,目前CAN总线技术在我国汽车工业总的应用尚处于试验和起步阶段,绝大部分的汽车还没有采用汽车总线的设计,因而存在着不少弊端。就像汽车电子技术在20世纪70年代引入集成电路、80年代引入微处理器一样,现在数据CAN总线技术的引入也将是汽车电子技术发展的一个里程碑。“汽车电子业最大的热点就是网络化。”一位业内人士如此描述汽车网络的应用前景。而控制器局域网(CAN)拥有的多主节点、开放式架构,以及错误检测及自恢复能力等优势,成为汽车网络应用的热门。从以下一组数字中也印证了这一趋势,02年数据,全球市场上大约有一亿只CAN收发器,平均一辆车上有12个到15个低速CAN收 发器,4到5个高速CAN收发器。一些汽车专家认为,就像在20世纪70年代引入集成电路、80年代引入微处理器一样,近10年来数据总线技术的引入也将是汽车电子技术发展的一个里程碑。 适应实时诊断与安全性需求CAN总线成必备装置CAN总线网络技术的应用可以说是躬逢其盛。德尔福电子与安全部中国工程经理许向东指出,随着排放法规的驱动以其在线诊断的需要,通过CAN总线将各系统中的诊断总线连接在一起,通过ECU软件来实时诊断与维修。 并且,随着安全性能日益受到重视,安全气囊也将逐渐增多,以前是在驾驶员前面安装一个,今后侧面与后座都会安装安全气囊,这些气囊通过传感器感受碰撞信号,通过CAN总线将传感器信号传送到一个中央处理器内,控制各安全气囊的启动弹出动作。同时,先进的防盗设计也正基于CAN总线网络技术。首先,确认钥匙合法性的校验信息通过CAN网络进行传递,改进了加密算法,其校验的信息比以往的防盗系统更丰富;其次,车钥匙、防盗控制器和发动机控制器相互储存对方信息,而且在校验码中搀杂随机码,无法进行破译,从而提高防盗系统的安全性。而这些功能的实现无一不借助CAN总线来完成,CAN总线成为汽车智能化控制的“定海神针”。 在现代轿车的设计中,CAN已经成为必须采用的装置。奔驰、宝马、大众、沃尔沃、雷诺等汽车都采用了CAN作为控制器联网的手段。据报道,中国首辆CAN网络系统混合动力轿车已在奇瑞公司试装成功,并进行了初步试运行。在上海大众的帕萨特和POLO汽车上也开始引入了CAN总线技术。但总的来说,目前CAN总线技术在我国汽车工业中的应用尚处于试验和起步阶段,绝大部分的汽车还没有采用汽车总线设计。国内在技术、设计和应用上进行网络总线的“深造”势在必行。 高速与低速CAN各擅所长CAN加LIN适宜低成本需求CAN分为高速和低速CAN总线,低速CAN的总线速度为10Kb-125Kb/s,高速为250Kb-1Mb/s。许向东介绍,德尔福开发的CAN总线系统是将发动机控制与变速箱连接在一起,因为汽车在换档时需要发动机变换扭矩,以保持汽车行驶的平稳性。高速CAN应用在发动机、变速箱、ABS等实时性要求强的控制模块,低速CAN主要是运用在车身控制模块领域。 然而,对于许多基本的汽车应用而言,由于CAN总线的实现成本较高,并非都需要用CAN节点来实现连接。飞思卡尔汽车电子市场部经理康晓敦说,CAN总线的实现成本较高,做一个节点,MCU需要带CAN数字接口,至少20多元,加上CAN收发器七八元,因此一个CAN节点芯片需要30多元左右。随着节点数的增加,这部分成本会增加许多,而LIN(局部互联网络)对MCU要求的资源很少,普通的串行口就可以做,一般LIN子节点所用的MCU只需要几元。并且,LIN总线正是针对相对简单的应用而设计的。因此在CAN/LIN网络中,CAN节点可连接发动机、变速箱、仪表盘等,LIN节点来连接门窗、后视镜、车灯等。这是综合汽车成本、性能方面的权衡之举。 中科院电工研究所唐晓泉博士也提到,在竞争激烈的汽车市场,成本因素是汽车厂商考虑的因素,如单做车灯控制,就设计一个CAN网络,这样不是很经济。但如果从整体出发,做车身控制CAN网络的系统设计,那么相应的成本不会增加多少,但却提升了智能化控制水平。这也需要整车厂商与汽车电子厂商共同协作。 应用层标准将出“国标”三网合一时代已露端倪CAN总线是一个三层网络,包括物理层、数据链路层及应用层。物理层和数据链路层的规范直到90年代初才逐步标准化。TI汽车电子市场代表、DL国际有限公司产品经理庞川博士介绍,在CAN应用层方面,针对不同的应用场合,出现了一些著名的协议,如针对卡车和载重汽车应用提出的J1939等。据中国汽车技术研究中心龚进峰博士介绍,他们也正着手制订中国汽车CAN网络应用层的标准,主要是通讯协议编码方面。这也将进一步促进国内CAN网络技术的应用。 康晓敦提到,CAN网络的上游是向传输速率更高的FlexRay协议发展,下游是向LIN协议发展。FlexRay的速率高、更加安全可靠,但实现成本目前还较高,其接口和收发器方面要求均较高,精度和复杂性更高。因此,未来几年内CAN总线仍占据汽车网络技术的主导。 同时,为适应未来汽车多媒体娱乐系统发展的需要,未来DVD、导航仪、汽车音响将通过数据总线集成在一起,以传输移动图像,这也就需要传输速率更高、更快的网络总线。康晓敦指出,目前市场上已开发出一种MOST标准网络,做音视频娱乐通信,它是基于光纤的通信协议,传输速率可达20多兆,在一些顶级车上已有应用。目前做MOST总线很复杂,MOST网关需用支持多媒体的32位MCU实现,并需要大量的16位单片机做每个子系统的控制,它的应用还需汽车厂商、汽车电子厂商的共同推动。 未来整个网络将是CAN、LIN、MOST三网合一的整体。MOST负责音视频,CAN负责重要的电子控制单元,如发动机、ABS、安全气囊等,LIN负责次要的电子控制单元,如门窗、车灯等。X-by-Wire技术的推动也将缔造如此堪称“完美”的网络组合。5CAN总线控制系统的检修5.1 CAN总线故障形式:5.1.1 CANHigh和CANLow短路5.1.2 CANHigh对地短路5.1.3 CANHigh对正极短路5.1.4 CANHigh断路5.1.5 CANLow对地短路5.1.6 CANLow对正极短路5.1.7 CANLow断路这些故障可通过专用仪器测量波形,如大众车系的专用检测仪5051测量波形来检测。典型故障1:Can-Low 断路, Can-Low断路是在Can-Low上出现断开区域。典型故障2:CANHigh断路,CANHigh断路是在CANHigh断路上出现断开区域,Can-Low 断路波形与CANHigh断路波形相似。5.2 CAN总线系统中终端电阻的检修 终端电阻的检测。终端电阻可利用万用表在线对比诊断,诊断方式如下:a.拆下蓄电池电压线。b.启动点火开关,使各存电设备充分放电。c.用万用表的表笔,分别接在Can-Low与Can-high上。d.将一带终端电阻的电控单元插头拔下,观察万用表阻值变化,阻值有变化,此总线终端电阻正常,否则损坏。e.依次对比分析,观察有终端电阻的控制单元。5.3 用故障诊断仪器检修CAN系统 一种检测方式是利用专用仪器5051。为读取故障码,查找各控制单元内部存储单元内的故障信息。判断具体故障原因,从而排除故障。另一种是读取测量数据块中CAN总线通讯状态。用5051读取某控制单元数据块,观察哪些控制单元与之发生信息交流及工作状态是否正常。如果某控制单元显示1,表示有信息交流。如果显示0,表示无信息交流。原因是网关之间的连线断路或没有安装该控制单元。6CAN总线的维修 如果CAN总线为双绞线导线,若导线有破损或断路需要接线时,每段长度应小于50mm,每两段接线之间长度应大于100mm,如果需要在中央接点处维修,则严禁打开接点,只允许在距接点100mm以外断开导线。接线点处,要做好屏蔽处理,以免干扰源对传输信号干扰。另外,每条CAN总线导线长度应不超过5m,否则导线所传输的脉冲信号会失真。结 论:随着电子技术和大规模集成电路的迅速民展,网络控制芯片性能逐步提高,体积逐步减小,价格进步降低,为汽车局域网的普及推广创造了良好条件,CAN以其优异的品质具有明显的优势,越来越爱到业界的欢迎,CAN总线在汽车上的广泛应用将使汽车的动力性、操纵稳定性、安全性、燃油经济性都上升到新的高度,给汽车技术的发展注入新的活力。谢 辞:本论文在各位老师的悉心指导和严格要求下完成,从课题选择到具体的写作过程,无不凝聚着老师的心血和汗水,在临毕业之际,我还要借此机会向在这三年中给予了我帮肋和指导的所有老师表示由衷的谢意,感谢他们三年来的辛勤栽培。各位任课老师认真负责,在他们的悉心帮肋和支持下,我能够很好的掌握和运用专业知识,并在设计中得以体现,顺利完成毕业论文。谢谢!参考文献:1.付亮、李伟,CAN总线技术及其在现代汽车中应用,中国汽车制造,20062.王德、CAN部线在汽车中的应用,中国汽报,20043.葛林、周文华、徐航,CAN通信网络在汽车中的应用研究,汽车技术20004.李宽明,CAN总线原理和应用系统设计,北京航空航天大学出版社,20025.阳宪惠,现场总线技术及其应用,北京;清华大学出版社,19996.1999.孙泽昌,网络,总线,通迅协议的前期研究,上海同济大学汽车学院,20027.孙发杰;赵雁南;王家廞;贾培发;基于CompactPCI总线的机器人控制器的设计;1999年中国智能自动化学术会议论文集(下册),1999年8.施洪昌;现场总线在风洞中的应用;西部大开发 科教先行与可持续发展中国科协2000年学术年会文集,2000年9. 岳中第;姚作勋;玄刚日;林承祯;汽车起重机的整机结构分析技术;面向21世纪迎接物料搬运技术新发展中国机械工程学会物料搬运分会第六届年会论文集,2000年10.刘曙光;吴惠红;王君贤;一种面向电力设备的分布式多站点环境监控系统;第五届全国智能化电器及应用研讨会会议论文集,2001年13
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