CAN總線(xiàn)技術(shù)已在汽車(chē)上廣泛應(yīng)用，隨著新能源車(chē)型以及自動(dòng)駕駛技術(shù)的推廣，總線(xiàn)問(wèn)題也對(duì)汽車(chē)的安全帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)挑戰(zhàn)，本文從系統(tǒng)角度對(duì)CAN總線(xiàn)的電氣、EMC、硬件以及軟件等相關(guān)設(shè)計(jì)進(jìn)行梳理，結(jié)合現(xiàn)有總線(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析與總結(jié)。
01、汽車(chē)總線(xiàn)技術(shù)發(fā)展與挑戰(zhàn)
汽車(chē)CAN總線(xiàn)技術(shù)起源于BOSCH公司，為了解決當(dāng)時(shí)汽車(chē)電控模塊增多帶來(lái)的布線(xiàn)空間矛盾、信號(hào)抗干擾能力差、汽車(chē)重量增加等諸多問(wèn)題而誕生的。CAN總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)了總線(xiàn)上的信息共享，大大減少了汽車(chē)的線(xiàn)束，見(jiàn)圖1所示。
圖1 汽車(chē)CAN系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖
隨著汽車(chē)電控模塊對(duì)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(shí)的任務(wù)，BOSCH聯(lián)合其他專(zhuān)家合作開(kāi)發(fā)了CANFD規(guī)范，并在2012年第13屆國(guó)際CAN會(huì)議上正式推出，后續(xù)CANFD技術(shù)在整車(chē)設(shè)計(jì)上得到廣泛應(yīng)用。
隨著新能源與智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的飛速發(fā)展，LIN、CAN等現(xiàn)有CAN總線(xiàn)通信方式已無(wú)法滿(mǎn)足整車(chē)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(lái)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)將會(huì)發(fā)展成為基于域控制器的混合車(chē)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(chǎng)景下使用，如圖2所示。
圖2 未來(lái)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)
從上述發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，CAN總線(xiàn)在應(yīng)用上具有性?xún)r(jià)比高且技術(shù)成熟的特點(diǎn)，因此，CAN總線(xiàn)在當(dāng)前汽車(chē)設(shè)計(jì)中依舊占有重要位置。但是，現(xiàn)在汽車(chē)的制動(dòng)系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛輔助系統(tǒng)、電池\電驅(qū)系統(tǒng)間都是通過(guò)總線(xiàn)進(jìn)行通訊，當(dāng)出現(xiàn)總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)丟失、總線(xiàn)BUS OFF等總線(xiàn)故障時(shí)，都會(huì)對(duì)汽車(chē)的動(dòng)力、制動(dòng)、高壓輸出帶來(lái)巨大的影響。因此，汽車(chē)企業(yè)要嚴(yán)謹(jǐn)對(duì)待總線(xiàn)問(wèn)題帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，有必要探討如何通過(guò)設(shè)計(jì)確?？偩€(xiàn)系統(tǒng)的可靠性。
本文通過(guò)以下四方面來(lái)闡述汽車(chē)總線(xiàn)系統(tǒng)的可靠性相關(guān)設(shè)計(jì)：
1）電氣特性設(shè)計(jì)
2）EMC設(shè)計(jì)
3）軟件設(shè)計(jì)
4）硬件設(shè)計(jì)
02、與總線(xiàn)系統(tǒng)有關(guān)的電氣特性設(shè)計(jì)
CAN總線(xiàn)由CAN控制器、CAN收發(fā)器、數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)、數(shù)據(jù)傳輸終端等組成。圖3為某品牌汽車(chē)PCAN總線(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖，該CAN總線(xiàn)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(xiàn)為雙絞線(xiàn)，CAN總線(xiàn)主干為ECU-BCM間總線(xiàn)，支線(xiàn)為模塊到主干間總線(xiàn)。
圖3 PCAN總線(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖
CAN總線(xiàn)的電氣特性包括差分信號(hào)、終端電阻和傳輸速率等方面：
1）差分信號(hào)：CAN總線(xiàn)通過(guò)雙絞線(xiàn)實(shí)現(xiàn)差分信號(hào)通信，兩根導(dǎo)線(xiàn)之間傳遞的是正反相位信號(hào)。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?/span>
2）終端電阻：CAN總線(xiàn)必須在主干兩端分別安裝一個(gè)120歐姆的終端電阻，確保信號(hào)的正確傳輸。這種電阻可以防止信號(hào)在總線(xiàn)上反射和干擾。3）傳輸速率：CAN總線(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)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?，但也?huì)增加總線(xiàn)的復(fù)雜性和成本。
在汽車(chē)設(shè)計(jì)時(shí)，EE架構(gòu)方案中明確CAN總線(xiàn)的類(lèi)型（CAN/CANFD）和傳輸速率，可根據(jù)架構(gòu)設(shè)計(jì)原則確認(rèn)總線(xiàn)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量、總線(xiàn)負(fù)載率進(jìn)行選定。
總線(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)總線(xiàn)的可靠性非常重要。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮總線(xiàn)長(zhǎng)度、信號(hào)傳輸質(zhì)量等因素，以保證總線(xiàn)的穩(wěn)定性和可靠性。
雙絞線(xiàn)的衰減應(yīng)通過(guò)總線(xiàn)系統(tǒng)主線(xiàn)和支線(xiàn)長(zhǎng)度以及支線(xiàn)間的距離進(jìn)行重點(diǎn)控制，目前CAN和CANFD的主線(xiàn)長(zhǎng)度不超過(guò)40m，各整車(chē)廠的支線(xiàn)和支線(xiàn)間的間距長(zhǎng)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(xiàn)拓?fù)浜湍K平臺(tái)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(gè)模塊中，如圖3所示，為確保數(shù)據(jù)的正確傳輸，在總線(xiàn)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(xiàn)路差分信號(hào)的抗干擾能力，線(xiàn)束中總線(xiàn)雙絞線(xiàn)必須滿(mǎn)足絞距要求以及退絞尺寸要求。雙絞線(xiàn)絞距推薦每米的對(duì)絞個(gè)數(shù)有33個(gè)以上，雙絞線(xiàn)到連接器尾部退絞尺寸推薦不超過(guò)50mm，如圖4所示。
圖4 雙絞線(xiàn)的退絞尺寸要求
對(duì)于CANFD數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)路，雙絞線(xiàn)的特性阻抗推薦選擇100Ω左右，電容推薦控制50pF/m左右。
同時(shí)，總線(xiàn)上各模塊插座和對(duì)接的線(xiàn)束連接器應(yīng)確保連接可靠，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)選用成熟可靠，通過(guò)驗(yàn)證的模塊端插座和連接器，確?？偩€(xiàn)電氣連接的可靠性。
在車(chē)輛樣車(chē)驗(yàn)證階段，容易出現(xiàn)線(xiàn)束供應(yīng)商制造問(wèn)題導(dǎo)致總線(xiàn)故障。如總線(xiàn)雙絞線(xiàn)未按整車(chē)廠要求執(zhí)行，總線(xiàn)上的差分信號(hào)往往被干擾，總線(xiàn)出現(xiàn)錯(cuò)誤幀，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)總線(xiàn)BUS OFF故障，整車(chē)廠應(yīng)在線(xiàn)束供應(yīng)商制造環(huán)節(jié)進(jìn)行嚴(yán)格管控。
03、與總線(xiàn)系統(tǒng)有關(guān)的EMC設(shè)計(jì)
EMC設(shè)計(jì)是指電磁兼容性設(shè)計(jì)，目的是使電子設(shè)備在正常工作時(shí)對(duì)周?chē)h(huán)境不會(huì)產(chǎn)生干擾，也不受外界干擾影響。以下是EMC設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)概念：
1）電磁場(chǎng)：由電荷或電流引起的物理現(xiàn)象，可分為靜電場(chǎng)和電動(dòng)場(chǎng)；
2）輻射：任何發(fā)出電磁波的過(guò)程都稱(chēng)之為輻射，包括天然輻射和人造輻射；
3）抗輻射：通過(guò)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(chǎng)的方法，一般使用金屬材料進(jìn)行屏蔽；5）地線(xiàn)：連接設(shè)備到地面，起到排除噪聲和保護(hù)設(shè)備的作用。
新能源車(chē)輛的CAN總線(xiàn)信號(hào)容易受外界的EMC干擾影響，會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤幀，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)BUS OFF故障。對(duì)于EMC導(dǎo)致總線(xiàn)故障的失效模式，存在以下原因：1）總線(xiàn)雙絞線(xiàn)絞合不符合線(xiàn)束工藝要求；
2）總線(xiàn)線(xiàn)路短路問(wèn)題或竄路；
3）高壓線(xiàn)屏蔽線(xiàn)屏蔽不良；
4）高壓線(xiàn)接頭和部件接口不匹配。
該類(lèi)故障可以通過(guò)示波器讀取總線(xiàn)電壓波形，CANOE設(shè)備讀取錯(cuò)誤幀，采取頻譜儀測(cè)試EMC干擾進(jìn)行同步測(cè)試判定。
以下故障為例，在某車(chē)型項(xiàng)目開(kāi)發(fā)過(guò)程中，由于高壓線(xiàn)接頭和部件接口不匹配，試驗(yàn)車(chē)在行駛過(guò)程中，車(chē)輛模塊報(bào)總線(xiàn)BUS OFF故障，儀表故障燈點(diǎn)亮并提示，車(chē)輛動(dòng)力丟失。更換優(yōu)化后的高壓線(xiàn)（帶高壓連接器）后，總線(xiàn)故障消失。上述總線(xiàn)故障中，總線(xiàn)波形被干擾后出現(xiàn)多個(gè)異常的峰值電壓波形，如圖5所示；圖6為頻譜儀測(cè)試波形，最大值已經(jīng)超過(guò)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(cuò)誤幀，三者出現(xiàn)異常的時(shí)刻是同步，因此，可以通過(guò)這種診斷方法有效判斷總線(xiàn)EMC干擾故障。
圖5 總線(xiàn)波形受EMC干擾時(shí)的波形（受干擾的峰值波形）
圖6 頻譜儀測(cè)試的波形
EMC設(shè)計(jì)中，應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行以下四方面要求，增強(qiáng)整車(chē)抗干擾能力：
1）模塊和高壓零部件必須滿(mǎn)足EMC要求；
2）模塊的接地滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；
3）高壓線(xiàn)與部件的高壓接口進(jìn)行匹配驗(yàn)證，確認(rèn)接口匹配滿(mǎn)足要求；
4）高壓屏蔽線(xiàn)的壓接工藝滿(mǎn)足線(xiàn)束制造要求。
04、與總線(xiàn)系統(tǒng)有關(guān)的軟件設(shè)計(jì)
CAN總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)間通訊協(xié)議的實(shí)現(xiàn)對(duì)于整個(gè)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(gè)方面：1）保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性：CAN總線(xiàn)的數(shù)據(jù)傳輸速率較快，可以實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)別的響應(yīng)時(shí)間，因此在控制和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中廣泛使用。節(jié)點(diǎn)間通訊協(xié)議的實(shí)現(xiàn)需要保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性，否則會(huì)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(chē)各種工況環(huán)境中，CAN總線(xiàn)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(diǎn)間通訊協(xié)議的實(shí)現(xiàn)需要采用合適的錯(cuò)誤檢測(cè)和糾正機(jī)制，確保通訊的可靠性。
3）提高系統(tǒng)的安全性：在汽車(chē)設(shè)計(jì)中，CAN總線(xiàn)被廣泛應(yīng)用于安全相關(guān)的系統(tǒng)中，例如制動(dòng)系統(tǒng)、駕駛員輔助系統(tǒng)等。節(jié)點(diǎn)間通訊協(xié)議的實(shí)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(kāi)發(fā)成本：節(jié)點(diǎn)間通訊協(xié)議的實(shí)現(xiàn)可以通過(guò)使用已有的通信協(xié)議棧和驅(qū)動(dòng)程序等方式，減少開(kāi)發(fā)人員的工作量，降低開(kāi)發(fā)成本和時(shí)間。
在設(shè)計(jì)中，CAN總線(xiàn)節(jié)點(diǎn)間通訊協(xié)議的實(shí)現(xiàn)需要考慮到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、傳輸速率、錯(cuò)誤檢測(cè)和糾正機(jī)制、安全性等多個(gè)因素。目前，市場(chǎng)上有很多成熟的CAN總線(xiàn)通信協(xié)議棧和應(yīng)用程序，可以根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行選擇和定制。
總線(xiàn)設(shè)計(jì)可通過(guò)以下設(shè)計(jì)來(lái)提升的總線(xiàn)系統(tǒng)的可靠性。
1）數(shù)據(jù)鏈路層錯(cuò)誤控制
數(shù)據(jù)鏈路層錯(cuò)誤控制是指通過(guò)校驗(yàn)、重傳等方式，確保數(shù)據(jù)在傳輸過(guò)程中不會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。其中，CRC（循環(huán)冗余校驗(yàn)）是一種常用的校驗(yàn)方式，可以檢測(cè)出數(shù)據(jù)是否發(fā)生了位錯(cuò)或字節(jié)錯(cuò)等錯(cuò)誤。
2）總線(xiàn)的冗余機(jī)制
為提高總線(xiàn)系統(tǒng)的可靠性，可以采用冗余機(jī)制。例如，在CAN總線(xiàn)中采用了冗余的消息序列號(hào)、CRC校驗(yàn)等機(jī)制，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。
3）容錯(cuò)設(shè)計(jì)
容錯(cuò)設(shè)計(jì)是指在系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(chē)電子系統(tǒng)中，采用了雙路CAN總線(xiàn)設(shè)計(jì)，即兩條CAN總線(xiàn)同時(shí)工作，一旦某個(gè)總線(xiàn)發(fā)生故障，另外一
個(gè)總線(xiàn)可以繼續(xù)工作，從而保證系統(tǒng)的可靠性。
05、與總線(xiàn)系統(tǒng)有關(guān)的硬件設(shè)計(jì)
CAN總線(xiàn)的硬件設(shè)計(jì)包括以下幾方面：
1）總線(xiàn)選擇：在硬件設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)系統(tǒng)需求和設(shè)備接口來(lái)選擇合適的總線(xiàn)類(lèi)型。不同總線(xiàn)類(lèi)型的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景不同，根據(jù)實(shí)際的需求在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行選用。
2）總線(xiàn)接口電路設(shè)計(jì)：總線(xiàn)接口電路是指將CPU或其他芯片與總線(xiàn)連接的電路。在設(shè)計(jì)總線(xiàn)接口電路時(shí)，需要考慮時(shí)序、電氣特性、信號(hào)干擾等因素，以保證總線(xiàn)通信的正確性和穩(wěn)定性。3）總線(xiàn)控制電路設(shè)計(jì)：總線(xiàn)控制電路是指控制總線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和訪(fǎng)問(wèn)的電路。在設(shè)計(jì)總線(xiàn)控制電路時(shí)，需要考慮總線(xiàn)協(xié)議規(guī)范、時(shí)序、信號(hào)完整性等因素，以確?？偩€(xiàn)能夠正常工作。 對(duì)于電控模塊的硬件開(kāi)發(fā)，開(kāi)展總線(xiàn)設(shè)計(jì)一般有以下四個(gè)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(xiàn)類(lèi)型。
步驟2：設(shè)計(jì)總線(xiàn)接口電路，完成與CPU或其他芯片的連接。
步驟3：設(shè)計(jì)總線(xiàn)控制電路，保證總線(xiàn)能夠正常工作。
步驟4：進(jìn)行仿真驗(yàn)證和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，不斷優(yōu)化總線(xiàn)設(shè)計(jì)，以達(dá)到最好的性能和可靠性。
硬件設(shè)計(jì)中，提升總線(xiàn)穩(wěn)健性的設(shè)計(jì)包括以下幾個(gè)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(jì)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：
a）降低信號(hào)線(xiàn)的長(zhǎng)度，以減少噪聲和干擾。
b）防止信號(hào)線(xiàn)間的交叉和平行，以減少串?dāng)_。
c）增加電源和地線(xiàn)的寬度，降低電阻和電感。
d）在信號(hào)線(xiàn)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?。電阻和電容的正確使用可以幫助穩(wěn)定CAN總線(xiàn)的信號(hào)，并減少噪聲和抖動(dòng)。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(hào)。4) 在CAN總線(xiàn)連接器中使用適當(dāng)?shù)倪^(guò)濾器，以減少EMI（電磁干擾）。
5) 在CAN總線(xiàn)電路板上添加適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)電路，以保護(hù)總線(xiàn)免受靜電放電和過(guò)壓的影響。
6) 使用CAN總線(xiàn)收發(fā)器，用于CAN總線(xiàn)的隔離、緩沖和信號(hào)放大等操作，有效減少總線(xiàn)發(fā)送和接收過(guò)程中由于信號(hào)失真導(dǎo)致的錯(cuò)誤發(fā)生率。從而提升總線(xiàn)設(shè)計(jì)的可靠性。
上述硬件設(shè)計(jì)使得CAN總線(xiàn)更加可靠，并提高了汽車(chē)系統(tǒng)的性能和安全性。
06、總結(jié)
CAN總線(xiàn)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(jì)要求傳遞到各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié),并有效貫徹執(zhí)行，才能有效提升CAN總線(xiàn)系統(tǒng)的可靠性。本文歸納了對(duì)總線(xiàn)系統(tǒng)EE架構(gòu)設(shè)計(jì)、EMC設(shè)計(jì)、模塊的軟件/硬件、線(xiàn)束的總線(xiàn)拓?fù)湓O(shè)計(jì)/線(xiàn)束設(shè)計(jì)/連接器設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析。另外，本文只從系統(tǒng)層面簡(jiǎn)單闡述了對(duì)CAN總線(xiàn)可靠性有影響的相關(guān)設(shè)計(jì)，初步探討相關(guān)設(shè)計(jì)方法，未能深入討論具體設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)，上述的設(shè)計(jì)均是需要大量的設(shè)計(jì)規(guī)范和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行支撐和保證的，后續(xù)有待我們進(jìn)一步挖掘和探討。
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