摘 要：

CAN總線技術(shù)已在汽車上廣泛應(yīng)用，隨著新能源車型以及自動(dòng)駕駛技術(shù)的推廣，總線問題也對(duì)汽車的安全帶來(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)有總線系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析與總結(jié)。

01汽車總線技術(shù)發(fā)展與挑戰(zhàn)

汽車CAN總線技術(shù)起源于BOSCH公司，為了解決當(dāng)時(shí)汽車電控模塊增多帶來(lái)的布線空間矛盾、信號(hào)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(shí)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(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)合其他專家合作開發(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)汽車的飛速發(fā)展，LIN、CAN等現(xiàn)有CAN總線通信方式已無(wú)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(lái)車載網(wǎng)絡(luò)將會(huì)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(chǎng)景下使用，如圖2所示。

圖2 未來(lái)車載網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)

從上述發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，CAN總線在應(yīng)用上具有性價(jià)比高且技術(shù)成熟的特點(diǎn)，因此，CAN總線在當(dāng)前汽車設(shè)計(jì)中依舊占有重要位置。但是，現(xiàn)在汽車的制動(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)總線進(jìn)行通訊，當(dāng)出現(xiàn)總線節(jié)點(diǎn)丟失、總線BUS OFF等總線故障時(shí)，都會(huì)對(duì)汽車的動(dòng)力、制動(dòng)、高壓輸出帶來(lái)巨大的影響。因此，汽車企業(yè)要嚴(yán)謹(jǐn)對(duì)待總線問題帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，有必要探討如何通過(guò)設(shè)計(jì)確?？偩€系統(tǒng)的可靠性。

本文通過(guò)以下四方面來(lái)闡述汽車總線系統(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與總線系統(tǒng)有關(guān)的電氣特性設(shè)計(jì)

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?fù)浣Y(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?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

CAN總線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總線通過(guò)雙絞線實(shí)現(xiàn)差分信號(hào)通信，兩根導(dǎo)線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?/p>

2）終端電阻：CAN總線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)在總線上反射和干擾。

3）傳輸速率：CAN總線的標(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)乃俣仍娇欤矔?huì)增加總線的復(fù)雜性和成本。

在汽車設(shè)計(jì)時(shí)，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(jì)原則確認(rèn)總線的節(jié)點(diǎn)數(shù)量、總線負(fù)載率進(jìn)行選定。

總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)總線的可靠性非常重要。在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需要考慮總線長(zhǎng)度、信號(hào)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(guò)總線系統(tǒng)主線和支線長(zhǎng)度以及支線間的距離進(jìn)行重點(diǎn)控制，目前CAN和CANFD的主線長(zhǎng)度不超過(guò)40m，各整車廠的支線和支線間的間距長(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(hào)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(duì)絞個(gè)數(shù)有33個(gè)以上，雙絞線到連接器尾部退絞尺寸推薦不超過(guò)50mm，如圖4所示。

圖4 雙絞線的退絞尺寸要求

對(duì)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(shí)，總線上各模塊插座和對(duì)接的線束連接器應(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€電氣連接的可靠性。

在車輛樣車驗(yàn)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(hào)往往被干擾，總線出現(xiàn)錯(cuò)誤幀，嚴(yán)重時(shí)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(jìn)行嚴(yán)格管控。

03與總線系統(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)周圍環(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：連接設(shè)備到地面，起到排除噪聲和保護(hù)設(shè)備的作用。

新能源車輛的CAN總線信號(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(guò)示波器讀取總線電壓波形，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，在某車型項(xiàng)目開發(fā)過(guò)程中，由于高壓線接頭和部件接口不匹配，試驗(yàn)車在行駛過(guò)程中，車輛模塊報(bào)總線BUS OFF故障，儀表故障燈點(diǎn)亮并提示，車輛動(dòng)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(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EMC干擾故障。

圖5 總線波形受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(jì)要求；

3）高壓線與部件的高壓接口進(jìn)行匹配驗(yàn)證，確認(rèn)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(tǒng)有關(guān)的軟件設(shè)計(jì)

CAN總線節(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(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：在汽車設(shè)計(jì)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(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，減少開發(fā)人員的工作量，降低開發(fā)成本和時(shí)間。

在設(shè)計(jì)中，CAN總線節(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。

總線設(shè)計(jì)可通過(guò)以下設(shè)計(jì)來(lái)提升的總線系統(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）總線的冗余機(jī)制

為提高總線系統(tǒng)的可靠性，可以采用冗余機(jī)制。例如，在CAN總線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，在汽車電子系統(tǒng)中，采用了雙路CAN總線設(shè)計(jì)，即兩條CAN總線同時(shí)工作，一旦某個(gè)總線發(fā)生故障，另外一個(gè)總線可以繼續(xù)工作，從而保證系統(tǒng)的可靠性。

05與總線系統(tǒng)有關(guān)的硬件設(shè)計(jì)

CAN總線的硬件設(shè)計(jì)包括以下幾方面：

1）總線選擇：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)選擇合適的總線類型。不同總線類型的特點(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）總線接口電路設(shè)計(jì)：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(jì)總線接口電路時(shí)，需要考慮時(shí)序、電氣特性、信號(hào)干擾等因素，以保證總線通信的正確性和穩(wěn)定性。

3）總線控制電路設(shè)計(jì)：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(jì)總線控制電路時(shí)，需要考慮總線協(xié)議規(guī)范、時(shí)序、信號(hào)完整性等因素，以確?？偩€能夠正常工作。

對(duì)于電控模塊的硬件開發(fā)，開展總線設(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，選擇合適的總線類型。

步驟2：設(shè)計(jì)總線接口電路，完成與CPU或其他芯片的連接。

步驟3：設(shè)計(jì)總線控制電路，保證總線能夠正常工作。

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)線的長(zhǎng)度，以減少噪聲和干擾。

b）防止信號(hào)線間的交叉和平行，以減少串?dāng)_。

c）增加電源和地線的寬度，降低電阻和電感。

d）在信號(hào)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?。電阻和電容的正確使用可以幫助穩(wěn)定CAN總線的信號(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總線電路板上添加適當(dāng)?shù)?a href="http://www.delux-kingway.cn/tags/保護(hù)電路/" target="_blank">保護(hù)電路，以保護(hù)總線免受靜電放電和過(guò)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(hào)放大等操作，有效減少總線發(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。從而提升總線設(shè)計(jì)的可靠性。

上述硬件設(shè)計(jì)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。

06總結(jié)

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(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總線系統(tǒng)的可靠性。

本文歸納了對(duì)總線系統(tǒng)EE架構(gòu)設(shè)計(jì)、EMC設(shè)計(jì)、模塊的軟件/硬件、線束的總線拓?fù)湓O(shè)計(jì)/線束設(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。

來(lái)源：線束中國(guó)

審核編輯：湯梓紅