鄧相紅，蘇 潔，郭 星

DENG Xiang-hong，SU Jie，GUO Xing

（三一重工股份有限公司，長沙 410100）

0 引言

電子技術(shù)的飛速發(fā)展及在工程車輛上的廣泛應(yīng)用，使得工程車輛的智能化程度越來越高，特別是在控制器技術(shù)被引入工程車輛領(lǐng)域后，給工程車輛的發(fā)展帶來了劃時(shí)代的變化，工程車輛的操作便利性、安全性、燃油經(jīng)濟(jì)性都得到了大幅的提高。然而，電子設(shè)備的大量使用，必然導(dǎo)致底盤布線愈來愈復(fù)雜，運(yùn)行可靠性降低、故障維修度增大，特別是大量的控制信息也需要實(shí)時(shí)交換，傳統(tǒng)的線束已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求。引入CAN總線系統(tǒng)可以有效的解決上述問題，CAN總線技術(shù)的應(yīng)用適應(yīng)了汽車智能化和人性化的發(fā)展趨勢，使汽車的性價(jià)比不斷提高[1]。工程車輛底盤電氣系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)目標(biāo)是結(jié)合工程車輛底盤的自身特點(diǎn)而研發(fā)的一款總線系統(tǒng)的綜合性分布式CAN網(wǎng)絡(luò)底盤電氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)需要綜合考慮底盤各部分特點(diǎn)及特有性能，再進(jìn)行合理的、科學(xué)的技術(shù)參數(shù)匹配，并建立專用的整車CAN通信協(xié)議規(guī)范。

1 總線技術(shù)及通訊協(xié)議的特點(diǎn)

工程車輛底盤電氣系統(tǒng)主要采用兩種類型的總線：CAN總線與LIN總線。對于實(shí)時(shí)性要求不高的低速事件采用低成本低速短距離的LIN總線進(jìn)行通信，如開關(guān)檢測、車窗模塊等；對于實(shí)時(shí)性、可靠性要求高的事件采用CAN總線進(jìn)行通信，如發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等。CAN-bus(Controller Area Network)即控制器局域網(wǎng)，是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一[2]。CAN總線技術(shù)取代了傳統(tǒng)的點(diǎn)與點(diǎn)之間的導(dǎo)線連接，可將全車各系統(tǒng)連接成一個(gè)完整的信息網(wǎng)絡(luò)[3]，符合汽車產(chǎn)品向電子化、模塊化、智能化方向發(fā)展的趨勢[4]。其主要具有以下特點(diǎn)：各模塊互相獨(dú)立，互不干涉，成本低，可靠性高，大大減少了車身線束，從而減小車輛自重，節(jié)約能源[5]，把相對復(fù)雜的系統(tǒng)分解，簡化和降低了各子系統(tǒng)的工作量和難度[6]；突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性[7]，極高的總線利用率，高速的數(shù)據(jù)傳輸速率（高達(dá)1Mbps）,可根據(jù)報(bào)文的ID決定接收或屏蔽該報(bào)文；可靠的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤處理和檢錯(cuò)機(jī)制，發(fā)送的信息遭到破壞后，可自動(dòng)重發(fā)；節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下具有自動(dòng)退出總線的功能；總線報(bào)文不包含源地址或者目標(biāo)地址，僅用標(biāo)志符來指示功能信息，優(yōu)先級信息；通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活，節(jié)點(diǎn)數(shù)主要取決于總線驅(qū)動(dòng)電路，目前可達(dá)到110個(gè)。

工程車輛底盤總線協(xié)議采用CAN2.0B協(xié)議為底層協(xié)議，基于SAEJ1939標(biāo)準(zhǔn)[8]，SAEJ1939協(xié)議是美國汽車工程師協(xié)會（SAE）在CAN2.0B協(xié)議基礎(chǔ)上制定的客車和重型貨車網(wǎng)絡(luò)通信應(yīng)用層協(xié)議，在目前汽車電子網(wǎng)絡(luò)中得到廣泛的應(yīng)用[9]。該協(xié)議采用CAN總線的數(shù)據(jù)幀封裝其數(shù)據(jù)信息，并明確規(guī)定了汽車內(nèi)部各ECU的名稱、地址、通訊地址、優(yōu)先級等信息，使用多路復(fù)用技術(shù)為車輛各傳感器、執(zhí)行器和控制器提供建立在CAN總線基礎(chǔ)上的標(biāo)準(zhǔn)化高速網(wǎng)絡(luò)連接，在不同的ECU間實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)共享，以期有效減少線束數(shù)量并提高車輛電子控制系統(tǒng)的靈活性、可靠性和可維護(hù)性。

2 CAN總線在工程車輛底盤上的應(yīng)用

由于總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有一定的可擴(kuò)展性，方便未來的功能擴(kuò)展、系統(tǒng)復(fù)雜性低、整體可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，因而系統(tǒng)整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于動(dòng)力部分、車身部分和上裝部分之間的通信并不是很多，所以為了優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能、提高總線可靠性，系統(tǒng)采用多網(wǎng)段總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一體化泵車整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖1所示，主要分為車身CAN網(wǎng)絡(luò)（ICAN網(wǎng)絡(luò)）、動(dòng)力CAN網(wǎng)絡(luò)（PCAN網(wǎng)絡(luò)）以及上裝CAN網(wǎng)絡(luò)。

圖1 整體拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2.1 ICAN網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議設(shè)計(jì)

ICAN網(wǎng)絡(luò)中包含：BCM、CCM、總線儀表以及視頻機(jī)，這些部件從硬件到軟件都是針對項(xiàng)目定制的，所以CAN應(yīng)用層協(xié)議由項(xiàng)目制定。

車身CAN子網(wǎng)中有以下總線通信部件：BCM模塊、總線儀表、視頻機(jī)、底盤控制模塊CCM。動(dòng)力CAN子網(wǎng)有以下總線通信部件：BCM模塊、ABS模塊、變速箱模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊。系統(tǒng)根據(jù)輸入的各種開關(guān)控制量，控制相應(yīng)車燈的通斷，實(shí)現(xiàn)車窗的升降和門鎖的開/關(guān)、電動(dòng)后視鏡的角度調(diào)整和雨刮的控制；采集汽車各種狀態(tài)信息如水溫、車速、車燈狀態(tài)等，將相關(guān)信息顯示出來，并對系統(tǒng)故障發(fā)出警告信息。

BCM模塊為車身控制模塊，其功能分為兩部分：一是采集連接其上的各種開關(guān)量、模擬量信息如前后霧燈開關(guān)信號、倒車信號、雨刮信號等，完成車身控制功能；二是作為CAN總線系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)，完成跨網(wǎng)段信息的轉(zhuǎn)發(fā)功能。BCM模塊控制車身部件的功能主要是指，BCM采集通過LIN連接的各類開關(guān)量信號，將其它部件需要的信息發(fā)送到相應(yīng)CAN總線上，從CAN總線中獲取車身控制的信號，然后結(jié)合采集的開關(guān)量，控制車身部分的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成預(yù)定動(dòng)作。

BCM作為網(wǎng)關(guān)通過三個(gè)CAN通信接口同時(shí)與ICAN、PCAN及上裝CAN子網(wǎng)相連，負(fù)責(zé)ICAN、PCAN、上裝三個(gè)CAN子網(wǎng)絡(luò)間的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)功能，如將來自PCAN網(wǎng)絡(luò)的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱的報(bào)文信息轉(zhuǎn)發(fā)至ICAN網(wǎng)絡(luò)的總線儀表、視頻機(jī)，并將來自總線儀表的控制報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)至PCAN中的發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱。

CCM模塊為底盤控制模塊，它的主要作用是采集底盤需要的相關(guān)的開關(guān)量或模擬量信號如機(jī)油濾清器開關(guān)量、空濾阻塞開關(guān)量、應(yīng)急泵開關(guān)量、上裝喇叭開關(guān)量、排氣制動(dòng)開關(guān)量、左右剎車燈、霧燈開關(guān)量、燃油傳感器模擬量、氣壓傳感器模擬量等信號，組成報(bào)文通過總線發(fā)送至總線儀表和視頻機(jī)進(jìn)行顯示處理，同時(shí)該模塊接收來自視頻機(jī)的油泵啟動(dòng)開關(guān)量控制油泵的開啟。

總線儀表安置在駕駛員與方向盤前方，主要向駕駛員集中提供行進(jìn)中的車輛的行駛狀況。如發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫度、郵箱中的油量、發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速、汽車實(shí)時(shí)行駛速度、故障信息等。通常這些信息以表針和/或液晶顯示的形式實(shí)時(shí)的顯示給駕駛員，使駕駛員實(shí)時(shí)掌握車輛的信息，對車輛的狀況做出實(shí)時(shí)、正確的判斷。除卻上述信息外，總線儀表還應(yīng)有各向車行方向的指示燈、轉(zhuǎn)向燈、儀表盤背光顯示燈等，有些總線儀表還配備有液晶顯示屏，可以以視屏形式動(dòng)態(tài)顯示車內(nèi)車外狀況或GPS等。

視頻機(jī)主要的功能是實(shí)時(shí)視頻顯示，接收同總線儀表基本相同的報(bào)文信息。

ICAN網(wǎng)絡(luò)傳輸速率為250kbps，采用總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，總線儀表和CCM模塊中接入終端電阻，如圖2所示。

圖2 ICAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 PCAN網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議設(shè)計(jì)

PCAN網(wǎng)絡(luò)中除了充當(dāng)網(wǎng)關(guān)的BCM以外，還包括發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱以及ABS模塊，這些模塊都是直接采購。網(wǎng)絡(luò)通信同樣采用CAN擴(kuò)展幀格式，使用250kbps傳輸速率，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為總線型拓?fù)洌珺CM模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)控制模塊中接入終端電阻，如圖3所示。

圖3 PCAN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

PCAN網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)ABS、變速箱模塊、發(fā)動(dòng)機(jī)以及BCM之間的通信。

1) ABS模塊：ABS是在車輛制動(dòng)期間用于控制和監(jiān)視車輛速度的電子系統(tǒng)，其通過常規(guī)制動(dòng)系統(tǒng)起作用，可有效提高車輛的主動(dòng)安全性。在緊急制動(dòng)時(shí)可以保持車輛方向的可操作性，縮短10%左右的制動(dòng)距離，一般由電子控制器ECU、ABS電磁閥、傳感器及制動(dòng)器組成。

2) 變速箱模塊：即為車輛的變速器，其可以改變傳動(dòng)比，擴(kuò)大驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的變化范圍，使得發(fā)動(dòng)機(jī)在有利工況下工作，也可以實(shí)現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向不變情況下的車輛倒退行駛，還可利用空擋，中斷動(dòng)力傳遞，以使發(fā)動(dòng)機(jī)能夠啟動(dòng)、變速。該模塊主要向BCM模塊發(fā)送自身故障診斷報(bào)文及變速箱自身狀況信息，如自動(dòng)、手動(dòng)模式信息，檔位信息等。

3) 發(fā)動(dòng)機(jī)模塊：車輛的動(dòng)力發(fā)生裝置，是車輛的心臟，其是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，將汽油/柴油的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，推動(dòng)車輛運(yùn)行。該模塊采集發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油壓力、扭矩信息、轉(zhuǎn)速信息、冷卻水溫度、實(shí)時(shí)油耗等信息通過總線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至BCM模塊，之后通過BCM網(wǎng)關(guān)將信息轉(zhuǎn)發(fā)至總線儀表、視頻機(jī)等模塊；同時(shí)該模塊接收BCM轉(zhuǎn)發(fā)的變速箱轉(zhuǎn)速信息進(jìn)行動(dòng)作。

3 總線錯(cuò)誤幀與負(fù)載率測試

整車在靜態(tài)在靜態(tài)、發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、正常運(yùn)行（空調(diào)、雨刮器等大功率部件啟動(dòng)）三種狀態(tài)下使用CANoe和CANcaseXL測量CAN總線上的錯(cuò)誤幀與負(fù)載率。測試步驟如下：

1）將底盤手動(dòng)電源總開關(guān)打到ON檔，給整車所有的CAN節(jié)點(diǎn)上電；

2）開啟CANoe與CANcaseXL,利用Bus Statistics窗口測量分析ICAN總線和PCAN總線上靜態(tài)時(shí)的錯(cuò)誤幀與負(fù)載率，試驗(yàn)進(jìn)行兩次；

3）開啟CANoe與CANcaseXL，利用Bus Statistics窗口測量發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程中的錯(cuò)誤幀與負(fù)載率，試驗(yàn)進(jìn)行兩次；

4）開啟CANoe與CANcaseXL，使發(fā)動(dòng)機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)，不斷的開啟關(guān)斷空調(diào)、雨刮器等大功率部件，利用Bus Statistics窗口測量整車正常運(yùn)行狀態(tài)的錯(cuò)誤幀與負(fù)載率，試驗(yàn)進(jìn)行兩次；

5）測試結(jié)束，分析數(shù)據(jù)。

表1 總線錯(cuò)誤幀與負(fù)載率測試數(shù)據(jù)

從3.1數(shù)據(jù)可以看到發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，ICAN和PCAN上的負(fù)載率下降了。但是發(fā)動(dòng)機(jī)、空調(diào)、雨刮器等大功率部件啟動(dòng)過程中兩個(gè)網(wǎng)段上沒有產(chǎn)生錯(cuò)誤幀，它們未能干擾到兩個(gè)網(wǎng)段上報(bào)文的正常通訊。

4 結(jié)論

針對工程車輛底盤整車電氣系統(tǒng)的復(fù)雜性以及實(shí)時(shí)性要求高的需求，本文采用了多網(wǎng)段總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。測試結(jié)果表明此方案實(shí)用可行，性能穩(wěn)定，功能強(qiáng)大，安全可靠。

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