汽車CAN總線架構(gòu)的設(shè)計(jì)

蘆曉媛，陳 霽，劉凌凱，王春鳳

（北京汽車研究總院有限公司 電子電器與空調(diào)部，北京 100195）

汽車CAN總線架構(gòu)的設(shè)計(jì)

蘆曉媛，陳 霽，劉凌凱，王春鳳

（北京汽車研究總院有限公司 電子電器與空調(diào)部，北京 100195）

以國(guó)內(nèi)車型的總線設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程為例進(jìn)行論證，將總線架構(gòu)設(shè)計(jì)要素規(guī)范化，并對(duì)平臺(tái)化戰(zhàn)略應(yīng)用在自主研發(fā)品牌的車型設(shè)計(jì)中進(jìn)行綜合評(píng)估。通過(guò)實(shí)踐證明：搭建汽車總線架構(gòu)的平臺(tái)化就是結(jié)構(gòu)模塊化之一，可以明顯縮短開(kāi)發(fā)周期，降低研發(fā)制造成本，大大提高生產(chǎn)效率和節(jié)省后期的維護(hù)成本，能夠滿足用戶個(gè)性化的需求。汽車平臺(tái)化的技術(shù)將在未來(lái)的汽車行業(yè)中得到更大的發(fā)展，也會(huì)在降低成本方面為各大主機(jī)廠做出更大的貢獻(xiàn)。

汽車總線；架構(gòu)設(shè)計(jì)；平臺(tái)化

CAN總線以其優(yōu)越的性能廣泛應(yīng)用于汽車控制系統(tǒng)和自動(dòng)控制等各個(gè)領(lǐng)域，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將會(huì)影響到網(wǎng)絡(luò)性能以及成本投入，所以網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是整車電子電器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵一步。目前，國(guó)內(nèi)自主品牌總線系統(tǒng)的發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀：多數(shù)總線控制器在設(shè)計(jì)上會(huì)直接采用現(xiàn)有供應(yīng)商推薦的技術(shù)方案，若設(shè)計(jì)中不形成適合自主研發(fā)品牌的總線架構(gòu)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程和平臺(tái)化策略，將會(huì)影響架構(gòu)的設(shè)計(jì)效果及整車后期的拓展需求，從而導(dǎo)致開(kāi)發(fā)成本的增加。因此，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的合理性設(shè)計(jì)及平臺(tái)化，對(duì)整車通信技術(shù)狀態(tài)及成本，都將產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性的影響，推進(jìn)拓?fù)浼軜?gòu)平臺(tái)化勢(shì)在必行。本文主要分析總線架構(gòu)設(shè)計(jì)及架構(gòu)平臺(tái)化需要考慮的因素。以某商用車為例，從需求分析、架構(gòu)初建、期望方案幾個(gè)方面進(jìn)行論述。

1 需求分析

需求分析是為后期的架構(gòu)方案做依據(jù)和鋪墊。其中，最為主要的是配置解析。

根據(jù)產(chǎn)品配置性能指標(biāo)，對(duì)該項(xiàng)目的配置進(jìn)行解析，列出電子電器總線相關(guān)的控制器清單（重點(diǎn)是否標(biāo)配、車型平臺(tái)劃分等），且所有控制器可統(tǒng)稱為ECU，如表1所示。

表1 某車型配置解析列表

表1 （續(xù)）

2 架構(gòu)初建

結(jié)合表1，搭建架構(gòu)，針對(duì)考慮因素進(jìn)行如下研究。

1）網(wǎng)段劃分原則

網(wǎng)段劃分對(duì)于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的搭建產(chǎn)生決定性的影響，因此網(wǎng)段劃分需謹(jǐn)慎細(xì)密，不僅需參考標(biāo)桿網(wǎng)段劃分的分析報(bào)告，同時(shí)還要綜合考慮以下幾方面因素：功能劃分因素、負(fù)載率的因素、安全性的因素、電源管理因素。CAN通信可以分為500k、250k、125k等不同的通信速率；同時(shí)根據(jù)零部件功能實(shí)現(xiàn)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及調(diào)查問(wèn)卷信息也可以采用LIN線，9.6k或者19.2k。

表1中的ECU在250k通信速率下通信實(shí)現(xiàn)ECU的功能，將上述的ECU分為2個(gè)網(wǎng)段：動(dòng)力網(wǎng)段、車身網(wǎng)段。2個(gè)網(wǎng)段中，將私有網(wǎng)段連接到主網(wǎng)段上。如表2所示。

表2 網(wǎng)段初步劃分清單

2）終端電阻配置

根據(jù)CAN標(biāo)準(zhǔn)要求，在每個(gè)網(wǎng)段保證60Ω的終端電阻。

對(duì)上述配置分析，初步將終端電阻配置在BCM、IC以及EMS的控制器上。提前規(guī)劃可以設(shè)計(jì)成內(nèi)置終端電阻。

3）負(fù)載率的計(jì)算

負(fù)載率的理論計(jì)算可以預(yù)先評(píng)估出各網(wǎng)段的通常情況下負(fù)載率值，與設(shè)計(jì)預(yù)期值進(jìn)行對(duì)比分析、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估后可結(jié)合網(wǎng)段劃分原則中前4點(diǎn)因素，適當(dāng)調(diào)整ECU所掛接的網(wǎng)段，以免負(fù)載率過(guò)大導(dǎo)致總線問(wèn)題。

負(fù)載率的通用計(jì)算公式如下

負(fù)載率=F×（128或者108）×R×100% （1）

式中：F——每秒鐘總線上發(fā)送的報(bào)文數(shù)；128——29位ID；108——11位ID；R——位時(shí)間。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 各節(jié)點(diǎn)負(fù)載率計(jì)算結(jié)果

4）網(wǎng)絡(luò)管理分析

根據(jù)ECU是否需要在點(diǎn)火鑰匙斷開(kāi)后工作，CAN網(wǎng)絡(luò)中的ECU可分為如下2類。

A類：ECU只在點(diǎn)火鑰匙接通時(shí)工作（例如：EMS、TCU）。

B類：ECU不僅在點(diǎn)火鑰匙接通時(shí)，還需要在點(diǎn)火鑰匙斷開(kāi)后工作（例如：BCM、IC）。

綜上所述，結(jié)合前期基本調(diào)查問(wèn)卷各ECU網(wǎng)絡(luò)管理支持情況及項(xiàng)目總體規(guī)劃，制定出網(wǎng)絡(luò)管理方案：①初步將動(dòng)力安全采用簡(jiǎn)單的鑰匙ON喚醒，鑰匙OFF休眠，但是延時(shí)時(shí)間不能超出ECU給出的延時(shí)時(shí)間；②設(shè)計(jì)車身部分的網(wǎng)絡(luò)管理需要滿足OSEK網(wǎng)絡(luò)管理需求規(guī)范。

5）診斷接口規(guī)劃

根據(jù)目前整車網(wǎng)絡(luò)方案，參考診斷需求規(guī)范，分析各診斷方式的優(yōu)缺點(diǎn)，制定出整車的診斷方案和采用的診斷協(xié)議。診斷方式：①按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)選擇診斷接口的類型；②按照網(wǎng)段劃分和前期分析確認(rèn)診斷接口在整個(gè)架構(gòu)中的搭建方式：跨接還是網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)。

6）網(wǎng)關(guān)路由選擇

網(wǎng)關(guān)路由的目的是用于構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)連接功能，包括數(shù)據(jù)的過(guò)濾、重新打包和轉(zhuǎn)發(fā)。其選擇需要確認(rèn)是否需要網(wǎng)關(guān)和采用何種路由網(wǎng)關(guān)。

圖1 期望方案

3 期望方案

在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，不僅需要考慮整車分布式功能、優(yōu)化部件功能設(shè)計(jì)、前期的6項(xiàng)分析外，同時(shí)，需要綜合考慮：①CAN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)目；②節(jié)點(diǎn)固定位置；③線束布置；④可擴(kuò)展性。

綜合前期的所有推理與分析，最終制定出比較合理的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)期望方案。如圖1所示。

方案中，整車分為動(dòng)力CAN網(wǎng)段（紅色）和車身CAN網(wǎng)段（藍(lán)色）。在本方案中，BCM將作為一個(gè)集成網(wǎng)關(guān)，既完成車身負(fù)載的控制功能，也完成BCAN和PCAN之間的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)。此方案中網(wǎng)關(guān)預(yù)留有3路：診斷、LIN和根據(jù)速率要求的一路總線通信，可滿足后期拓展需求。

DLC（診斷接口）跨接在BCAN和PCAN上，采用UDS on CAN來(lái)實(shí)現(xiàn)整車的診斷功能。CMIC跨接在BCAN和PCAN上，實(shí)現(xiàn)儀表的顯示功能。同時(shí)，CMIC可以作為備用網(wǎng)關(guān)使用，防止BCM故障后網(wǎng)關(guān)功能丟失，影響網(wǎng)段之間的通信。

動(dòng)力網(wǎng)段采用J1939協(xié)議，通信速率為250kbits/s，網(wǎng)絡(luò)管理采用OSEK間接網(wǎng)絡(luò)管理；車身CAN采用J1939協(xié)議，通信速率為250kbits/s，網(wǎng)絡(luò)管理采用OSEK直接網(wǎng)絡(luò)管理。

采用方案設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以滿足整車的功能和可靠性,并且可以滿足后期的拓展需求,實(shí)現(xiàn)架構(gòu)平臺(tái)化。

［1］ 吳基安.汽車電氣電子工程師手冊(cè)［Z］.黑龍江:黑龍江科技技術(shù)出版社，2005.

［2］ 徐景波.汽車總線技術(shù)［M］.北京：中國(guó)人民大學(xué)出版社，2011.

［3］ 康拉德.萊夫. BOSCH汽車電氣與電子（第2版）［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2014.

（編輯 凌 波）

The Design of Platform Based CAN Architecture

LU Xiao-yuan，CHEN Ji，LIU Ling-kai，WANG Chun-feng

（Electric and electronics department，Beijing Automotive Technology Center，Beijing 100195，China）

This article will take CAN bus design development process of a domestic commercial vehicle as an example，to demonstrate the CAN bus architecture design elements standardization，and comprehensively evaluate the application of platform strategy in vehicle design of independent research and development of brand. Practice proves that the platform of automotive bus architecture is a kind of structure modularization，which can significantly shorten the development cycle，reduce costs，greatly improve the production efficiency and the maintenance cost，and satisfy needs of individual users.Automotive platform technology will be the future of the automotive industry，and make a greater contribution to cost reduction for OEMs.

CAN bus; architecture design; platform based

U463.6

A

1003-8639（2017）10-0050-03

2016-12-01；

2017-06-19

蘆曉媛（1980-），女，山西人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事電子電器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)測(cè)試工作。