伴隨著汽車電子技術(shù)的飛速發(fā)展，CAN網(wǎng)絡(luò)總線架構(gòu)復(fù)雜度日益增加，以滿足人們對汽車安全性、舒適性、娛樂性的不斷需求，而伴隨著插電混合動(dòng)力車型的研發(fā)，新能源系統(tǒng)架構(gòu)的加入使得整車CAN網(wǎng)絡(luò)總線架構(gòu)復(fù)雜度成幾何級(jí)上升，從而對汽車電器通信的實(shí)時(shí)性和可靠性提出巨大的挑戰(zhàn)。

目前許多傳統(tǒng)車型已經(jīng)配置了諸如EMS(發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng))、TCU(變速器控制單元)、ESC(電子穩(wěn)定控制單元)、ACU(安全氣囊控制單元)、EPB(電子駐車制動(dòng)系統(tǒng))、EPS(電子助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng))、PAS(泊車輔助系統(tǒng))、MMI(多媒體交互系統(tǒng))、T—BOX(遠(yuǎn)程信息處理控制器)、BCM(車身控制模塊)等控制節(jié)點(diǎn)，然新能源系統(tǒng)的加入又增加了BMS(電池管理系統(tǒng))、DC—Dc(Dc—Dc轉(zhuǎn)換控制器)、HCU(混動(dòng)控制單元)、MCU(電機(jī)控制單元)、OBC(車載充電機(jī))等控制節(jié)點(diǎn)。

對于如此繁多的控制節(jié)點(diǎn)，普通的的單路串行通訊總線(如圖1所示)已無法滿足系統(tǒng)的通訊需求。


圖1 單路串行總線

因此， 針對國內(nèi)某國產(chǎn)車型設(shè)計(jì)了一類新穎的基于獨(dú)立網(wǎng)關(guān)的總線架構(gòu)(如圖2)，解決了插電混合動(dòng)力汽車各控制模塊的實(shí)時(shí)通信難題。


圖2 基于獨(dú)立網(wǎng)關(guān)的總線架構(gòu)

2. 整車電子電氣架構(gòu)

概述本文研究了基于獨(dú)立網(wǎng)關(guān)的CAN總線的某混動(dòng)車型電子電氣架構(gòu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，通過對該混動(dòng)車型設(shè)計(jì)任務(wù)書、配置表、功能矩陣及功能規(guī)范等技術(shù)文件進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)有30多個(gè)控制節(jié)點(diǎn)，則傳統(tǒng)的單路串行通訊總線已無法滿足該型混動(dòng)車型各控制節(jié)點(diǎn)信息交互的需求，若采用多路CAN通訊總線通過獨(dú)立網(wǎng)關(guān)連接的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，不僅可以滿足該型混動(dòng)車型諸多控制節(jié)點(diǎn)信息交互需求，還具備該車型后續(xù)的新功能擴(kuò)展能力。

3. 系統(tǒng)通信設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)整車電子電氣功能，需進(jìn)行CAN總線的系統(tǒng)設(shè)計(jì)。圖2基于獨(dú)立網(wǎng)關(guān)的總線架構(gòu)由整車功能矩陣分配至系統(tǒng)級(jí)功能矩陣，再分配至單個(gè)控制節(jié)點(diǎn)的功能列表，通過對單個(gè)控制節(jié)點(diǎn)功能列表的分析，即可得出單個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信矩陣，進(jìn)而再分析所有節(jié)點(diǎn)形成整車的通信矩陣，最后進(jìn)行系統(tǒng)仿真。

3.1 整車網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)

單路CAN總線的通信速率一般為125kbit/s一1Mbit/s，為了保證各路CAN線上控制節(jié)點(diǎn)信號(hào)采集的實(shí)時(shí)性和有效性，綜合考慮，各路CAN總線速率均采用500kbit/s。

為了保證總線通信的可靠性，需在各路總線的最近段(網(wǎng)關(guān))與最遠(yuǎn)端的控制節(jié)點(diǎn)上加裝終端電阻(典型值120Ω)，能夠起到消除通信電路中信號(hào)的反射，降低信號(hào)失真的風(fēng)險(xiǎn)。該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D3所示，根據(jù)整車上各控制器布置的位置，設(shè)置了各路CAN總線的終端電阻。


圖3系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)拓?fù)鋱D

3.2 整車通信矩陣設(shè)計(jì)

根據(jù)IS01 1898的定義，總線上的CAN信號(hào)通過固定的報(bào)文形式進(jìn)行傳輸，報(bào)文幀格式共有兩種類型，以標(biāo)識(shí)符的長度的不同進(jìn)行區(qū)分，即標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀。標(biāo)準(zhǔn)幀的標(biāo)識(shí)符長度有11位，擴(kuò)展幀的標(biāo)識(shí)符長度有29位，在本系統(tǒng)中采用標(biāo)準(zhǔn)幀。報(bào)文幀有四種不同的類型，即數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)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(gè)接收器。遠(yuǎn)程幀，是一種接收單元向具有相同標(biāo)識(shí)符的節(jié)點(diǎn)請求數(shù)據(jù)的幀，也稱之為遙控幀。錯(cuò)誤幀，是總線上任何節(jié)點(diǎn)在檢測到總線錯(cuò)誤時(shí)向其他單元通知錯(cuò)誤的幀。超載幀，是接收單元通知其尚未做好接收準(zhǔn)備的幀。

3.2.1 CAN總線報(bào)文數(shù)據(jù)幀設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的即為實(shí)現(xiàn)各控制節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳遞，報(bào)文幀格式采用數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀由7個(gè)不同的位場組成：幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC場、應(yīng)答場(ACK)和幀結(jié)尾。標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀格式示意圖如圖4所示。


圖4標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀格式示意圖

幀起始標(biāo)志數(shù)據(jù)幀的開始，僅有一個(gè)顯性位組成。仲裁場由11位的標(biāo)識(shí)符以及遠(yuǎn)程發(fā)送請求RTR(Substitute Remote Request)組成，其定義了該數(shù)據(jù)幀的優(yōu)先級(jí)。RTR在數(shù)據(jù)幀中為顯性，而在遠(yuǎn)程幀中為隱性。

控制場由IDE位，保留位r0，數(shù)據(jù)長度DLC(data length code)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 圖4標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)幀格式示意圖0～8個(gè)字節(jié)，每字節(jié)有8位。

CRC場包括CRC序列(CRC Sequence)和CRC界定符(CRC Delimiter)，起到校驗(yàn)幀傳輸正確與否的作用。應(yīng)答場長度為2個(gè)位，包含應(yīng)答間隙(ACK Slot)和應(yīng)答界定符(ACK Delimiter)，用于確定報(bào)文是否被其他節(jié)點(diǎn)正確接收。幀結(jié)束表示該數(shù)據(jù)幀的結(jié)束。

3.2.2 以IPU(電機(jī)控制器)為例的傳輸信號(hào)設(shè)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)幀的數(shù)據(jù)場定義為8個(gè)字節(jié)，每個(gè)字節(jié)有8個(gè)位。下面以MCU(電機(jī)控制器)為例進(jìn)行具體信號(hào)的設(shè)計(jì)。首先對MCU需要發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行分析。根據(jù)功能定義，IPU(電機(jī)控制器)需要發(fā)出電機(jī)的轉(zhuǎn)速信號(hào)、電機(jī)的溫度信號(hào)、報(bào)警信息。信號(hào)分為物理量和狀態(tài)量兩種。

其中電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)和溫度信號(hào)為物理量，需根據(jù)傳感器實(shí)際采集值進(jìn)行實(shí)時(shí)變化。報(bào)警信息是狀態(tài)量，有錯(cuò)誤和正常兩種狀態(tài)。信號(hào)需按表1中內(nèi)容進(jìn)行定義。



信號(hào)名稱包含該信號(hào)的發(fā)送方和英文簡稱，固定周期為該信號(hào)的固定發(fā)送周期，信號(hào)長度定義了該信號(hào)的數(shù)據(jù)長度，信號(hào)描述為該信號(hào)內(nèi)所包含各數(shù)字段的中文解釋，編碼方式說明了該信號(hào)每個(gè)數(shù)字段的定義，單位則是定義每個(gè)數(shù)字段所表示量的單位(物理量即為所表示量的單位，狀態(tài)量單位默認(rèn)為為bit)。

每個(gè)信號(hào)的總線值與實(shí)際物理值的轉(zhuǎn)換關(guān)系為：物理量=精度X總線值+偏移量 (1)

其中，精度受信號(hào)采集傳感器的約束。偏移量為系統(tǒng)設(shè)置的補(bǔ)償量，可通過標(biāo)定達(dá)到適配值。通過將MCU所發(fā)送的信號(hào)進(jìn)行上述分析，一幀報(bào)文即可完成所有信號(hào)的發(fā)送。

以此類推，對單個(gè)節(jié)點(diǎn)完成分析后，再完成所有節(jié)點(diǎn)的分析，即可形成整車的CAN通訊矩陣，最后根據(jù)每個(gè)報(bào)文的優(yōu)先級(jí)分配唯一的ID(信息標(biāo)識(shí)符)，ID越小即代表該條報(bào)文具有更高的發(fā)送優(yōu)先級(jí)。

3.3 CAN網(wǎng)絡(luò)負(fù)載率理論計(jì)算

在CAN總線通信過程中，負(fù)載率是衡量通信質(zhì)量的重要過程指標(biāo)。其定義為1s內(nèi)網(wǎng)絡(luò)總線上所有傳輸數(shù)據(jù)所占帶寬的百分率，其理論計(jì)算方法如下：



其中，DLC為報(bào)文長度，g為CAN報(bào)文中控制位的總位數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)幀為34，擴(kuò)展幀為54)，13為無位填充段(10)+幀間間隔(3)。

通過上述公式計(jì)算，5路CAN線的負(fù)載率分別為：
Hybrid CAN 25％，PT CAN 22％
Chassis CAN 24％，Comfort CAN 13％
InformationCAN 7％。

另考慮到真實(shí)網(wǎng)絡(luò)在惡略情況下可能比理論計(jì)算值高出10％，則各路CAN線負(fù)載率預(yù)估值為：
Hybrid CAN 28％，PT CAN 24％
Chassis CAN 26％，Comfort CAN 14％
InformationCAN 8％。

通過計(jì)算，各路CAN線負(fù)載率均低于標(biāo)準(zhǔn)安全閥值30％，且節(jié)點(diǎn)數(shù)均低于10個(gè)，完全符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。