邓相红;苏洁;郭星
【摘 要】为了满足市场对工程车辆底盘整车电气系统的信息化、智能化、自动化、集成性日益提高的需求，采用CAN总线通讯技术对整车电气系统进行了多网段总线型网络拓扑结构设计，并对各网段节点功能特性分别进行了分析。使用CANoe软件对总线错误帧与负载率进行了测试，测试结果表明：整车电气系统数据传输具有精度高、实时性好、可靠性高等优点。 【期刊名称】《制造业自动化》
【年(卷),期】2013(000)016
【总页数】3页(P74-76)
【关键词】工程车辆底盘;CAN总线;总线型网络拓扑;多网段;错误帧
【作 者】邓相红;苏洁;郭星
【作者单位】三一重工股份有限公司，长沙410100;三一重工股份有限公司，长沙410100;三一重工股份有限公司，长沙410100
【正文语种】中 文
【中图分类】TP29
0 引言
电子技术的飞速发展及在工程车辆上的广泛应用，使得工程车辆的智能化程度越来越高，特别是在控制器技术被引入工程车辆领域后，给工程车辆的发展带来了划时代的变化，工程车辆的操作便利性、安全性、燃油经济性都得到了大幅的提高。然而，电子设备的大量使用，必然导致底盘布线愈来愈复杂，运行可靠性降低、故障维修度增大，特别是大量的控制信息也需要实时交换，传统的线束已远远不能满足需求。引入CAN总线系统可以有效的解决上述问题，CAN总线技术的应用适应了汽车智能化和人性化的发展趋势，使汽车的性价比不断提高[1]。工程车辆底盘电气系统的整体设计目标是结合工程车辆底盘的自身特点而研发的一款总线系统的综合性分布式CAN网络底盘电气系统，该系统需要综合考虑底 盘各部分特点及特有性能，再进行合理的、科学的技术参数匹配，并建立专用的整车CAN通信协议规范。
1 总线技术及通讯协议的特点
工程车辆底盘电气系统主要采用两种类型的总线：CAN总线与LIN总线。对于实时性要求不高的低速事件采用低成本低速短距离的LIN总线进行通信，如开关检测、车窗模块等；对于实时性、可靠性要求高的事件采用CAN总线进行通信，如发动机、变速箱等。CAN-bus(Controller Area Network)即控制器局域网，是国际上应用最广泛的现场总线之一[2]。CAN总线技术取代了传统的点与点之间的导线连接，可将全车各系统连接成一个完整的信息网络[3]，符合汽车产品向电子化、模块化、智能化方向发展的趋势[4]。其主要具有以下特点：各模块互相独立，互不干涉，成本低，可靠性高，大大减少了车身线束，从而减小车辆自重，节约能源[5]，把相对复杂的系统分解，简化和降低了各子系统的工作量和难度[6]；突出的可靠性、实时性和灵活性[7]，极高的总线利用率，高速的数据传输速率（高达1Mbps）,可根据报文的ID决定接收或屏蔽该报文；可靠的数据错误处理和检错机制，发送的信息遭到破坏后，可自动重发；节点在错误严重的情况下具有自动退出总线的功能；总 线报文不包含源地址或者目标地址，仅用标志符来指示功能信息，优先级信息；通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活，节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达到110个。
工程车辆底盘总线协议采用CAN2.0B协议为底层协议，基于SAEJ1939标准[8]，SAEJ1939协议是美国汽车工程师协会（SAE）在CAN2.0B协议基础上制定的客车和重型货车网络通信应用层协议，在目前汽车电子网络中得到广泛的应用[9]。该协议采用CAN总线的数据帧封装其数据信息，并明确规定了汽车内部各ECU的名称、地址、通讯地址、优先级等信息，使用多路复用技术为车辆各传感器、执行器和控制器提供建立在CAN总线基础上的标准化高速网络连接，在不同的ECU间实现高速数据共享，以期有效减少线束数量并提高车辆电子控制系统的灵活性、可靠性和可维护性。
2 CAN总线在工程车辆底盘上的应用
由于总线型网络拓扑结构具有一定的可扩展性，方便未来的功能扩展、系统复杂性低、整体可靠性高的优点，因而系统整体拓扑结构选择总线型网络拓扑结构。由于动力部分、车身部分和上装部分之间的通信并不是很多，所以为了优化网络性能、提高总线可靠性，系
统采用多网段总线型网络拓扑结构，一体化泵车整体拓扑结构图如图1所示，主要分为车身CAN网络（ICAN网络）、动力CAN网络（PCAN网络）以及上装CAN网络。
图1 整体拓扑结构图
2.1 ICAN网络通讯协议设计
ICAN网络中包含：BCM、CCM、总线仪表以及视频机，这些部件从硬件到软件都是针对项目定制的，所以CAN应用层协议由项目制定。
车身CAN子网中有以下总线通信部件：BCM模块、总线仪表、视频机、底盘控制模块CCM。动力CAN子网有以下总线通信部件：BCM模块、ABS模块、变速箱模块、发动机控制模块。系统根据输入的各种开关控制量，控制相应车灯的通断，实现车窗的升降和门锁的开/关、电动后视镜的角度调整和雨刮的控制；采集汽车各种状态信息如水温、车速、车灯状态等，将相关信息显示出来，并对系统故障发出警告信息。
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BCM模块为车身控制模块，其功能分为两部分：一是采集连接其上的各种开关量、模拟量信息如前后雾灯开关信号、倒车信号、雨刮信号等，完成车身控制功能；二是作为CAN总
线系统的网关，完成跨网段信息的转发功能。BCM模块控制车身部件的功能主要是指，BCM采集通过LIN连接的各类开关量信号，将其它部件需要的信息发送到相应CAN总线上，从CAN总线中获取车身控制的信号，然后结合采集的开关量，控制车身部分的执行机构完成预定动作。
BCM作为网关通过三个CAN通信接口同时与ICAN、PCAN及上装CAN子网相连，负责ICAN、PCAN、上装三个CAN子网络间的报文转发功能，如将来自PCAN网络的发动机、变速箱的报文信息转发至ICAN网络的总线仪表、视频机，并将来自总线仪表的控制报文转发至PCAN中的发动机、变速箱。
CCM模块为底盘控制模块，它的主要作用是采集底盘需要的相关的开关量或模拟量信号如机油滤清器开关量、空滤阻塞开关量、应急泵开关量、上装喇叭开关量、排气制动开关量、左右刹车灯、雾灯开关量、燃油传感器模拟量、气压传感器模拟量等信号，组成报文通过总线发送至总线仪表和视频机进行显示处理，同时该模块接收来自视频机的油泵启动开关量控制油泵的开启。
总线仪表安置在驾驶员与方向盘前方，主要向驾驶员集中提供行进中的车辆的行驶状况。
如发动机冷却水温度、邮箱中的油量、发动机转速、汽车实时行驶速度、故障信息等。通常这些信息以表针和/或液晶显示的形式实时的显示给驾驶员，使驾驶员实时掌握车辆的信息，对车辆的状况做出实时、正确的判断。除却上述信息外，总线仪表还应有各向车行方向的指示灯、转向灯、仪表盘背光显示灯等，有些总线仪表还配备有液晶显示屏，可以以视屏形式动态显示车内车外状况或GPS等。
大功率白光led视频机主要的功能是实时视频显示，接收同总线仪表基本相同的报文信息。
ICAN网络传输速率为250kbps，采用总线型拓扑结构，总线仪表和CCM模块中接入终端电阻，如图2所示。
图2 ICAN网络结构示意图
2.2 PCAN网络通信协议设计
PCAN网络中除了充当网关的BCM以外，还包括发动机、变速箱以及ABS模块，这些模块都是直接采购。网络通信同样采用CAN扩展帧格式，使用250kbps传输速率，拓扑结构为总线型拓扑，BCM模块、发动机控制模块中接入终端电阻，如图3所示。
图3 PCAN网络结构示意图
PCAN网络主要负责ABS、变速箱模块、发动机以及BCM之间的通信。
1) ABS模块：ABS是在车辆制动期间用于控制和监视车辆速度的电子系统，其通过常规制动系统起作用，可有效提高车辆的主动安全性。在紧急制动时可以保持车辆方向的可操作性，缩短10%左右的制动距离，一般由电子控制器ECU、ABS电磁阀、传感器及制动器组成。
2) 变速箱模块：即为车辆的变速器，其可以改变传动比，扩大驱动轮转矩和转速的变化范围，使得发动机在有利工况下工作，也可以实现在发动机旋转方向不变情况下的车辆倒退行驶，还可利用空挡，中断动力传递，以使发动机能够启动、变速。该模块主要向BCM模块发送自身故障诊断报文及变速箱自身状况信息，如自动、手动模式信息，档位信息等。
藻井式吊顶3) 发动机模块：车辆的动力发生装置，是车辆的心脏，其是一个能量转换机构，将汽油/柴油的热能转变为机械能，推动车辆运行。该模块采集发动机的机油压力、扭矩信息、转速信息、冷却水温度、实时油耗等信息通过总线网络发送至BCM模块，之后通过BCM网关将
信息转发至总线仪表、视频机等模块；同时该模块接收BCM转发的变速箱转速信息进行动作。
3 总线错误帧与负载率测试
铅封号整车在静态在静态、发动机启动、正常运行（空调、雨刮器等大功率部件启动）三种状态下使用CANoe和CANcaseXL测量CAN总线上的错误帧与负载率。测试步骤如下：
1）将底盘手动电源总开关打到ON档，给整车所有的CAN节点上电；
2）开启CANoe与CANcaseXL,利用Bus Statistics窗口测量分析ICAN总线和PCAN总线上静态时的错误帧与负载率，试验进行两次；
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3）开启CANoe与CANcaseXL，利用Bus Statistics窗口测量发动机启动过程中的错误帧与负载率，试验进行两次；
4）开启CANoe与CANcaseXL，使发动机处于运行状态，不断的开启关断空调、雨刮器等大功率部件，利用Bus Statistics窗口测量整车正常运行状态的错误帧与负载率，试验进行两次；
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