基于神经网络的ＣＡＮ技术分析与研究

摘要:计算机网络技术应用深入到社会各个领域，CAN已成为工业数据总线通信领域中不可缺少的技术。文章提出了对CAN技术应用进行优化的措施，对制约国内汽车工业发展的五大问题进行了剖析。

关键词:CAN网络；控制单元类电器设备；优化；整合；网络协议

一、前言

CAN(Controller Area Network)是由德国Bosch 公司为解决现代车辆中众多的控制和数据交换问题,而开发出的一种现场总线通信结构。CAN总线具有实时性强、可靠性高、通信速率快、结构简单、互操作性好、总线协议具有完善的错误处理机制、灵活性高和价格低廉等特点，能够满足现代自动化通信的需要，已成为工业数据总线通信领域中最为活跃的一支。

目前，车用电气设备越来越多，从发动机控制到传动系统控制，从行驶、制动、转向系统控制到安全保证系统及仪表报警系统，从电源管理到为提高舒适性而作的各种努力，使汽车电气系统形成一个复杂的大系统，而且近年来ITS的发展，以3G（GPS、GIS和GSM）为代表的新型电子通信产品的出现，对汽车的综合布线和信息的共享交互提出了更高的要求。现代汽车中的控制单元类电气设备已不同程度地CAN网络，如图1是汽车CAN总线网络拓扑图。

二、CAN技术应用现状

（一）现代汽车中CAN的应用构成了四个基本子网：

1、动力系统子网：

以高速CAN为总线的动力系统子网，主要由发动机、ABS、ASR、安全气囊、组合仪表等控制器组成。现代汽车主要采用复合动力源提供动力，能量的平衡控制比较复杂，可将驾驶操作命令的解释与能量平衡控制在结构上分为两级进行。对驾驶操作命令进行解释和从驾驶操作的层次上对车内电源装置进行管理的车辆管理器位于最上层；而对能量平衡控制的发动机、离合器、电机驱动器、自动变速箱(AMT)、动力蓄电池和再生制动发电机由能量管理器来实现，它位于第二层；对动力装置的具体控制则由专门的电控单元具体实施，它们位于最下层。与车辆动力系统控制相关的绝大部分信息数据只在能量管理器内部传递，只有和各子系统运行状态有关的重要信息才由能量管理器上传至车辆管理器，进而通过车辆管理系统中的仪表指示器提供给驾驶员进行驾驶参考。

图1汽车CAN总线网络拓扑图

2、车身控制系统子网：

车身控制系统包括两个车门控制器(用于车门自动开关、门锁的独立和集中控制)、后视镜的调节控制、后行李箱远程集中控制、电子组合仪表控制器、防盗系统控制器、车灯控制器及雨刷控制器等。车身电子系统控制以舒适性为目的，对可靠性和实时性无特殊要求，相反要求系统合理、简单、经济，以降低整车造价。它的总线传输速率通常都在125Kb/s以下，总线访问方式为周期触发与事件触发混合使用。在采用周期触发时，触发周期通常在20ms-50ms。车身控制需要某些车辆运行与控制信息，从资源共享的角度，需要与动力系统通信。例如门锁锁死在操作时需要车速信号；总线的休眠与唤醒需要点火开关信号等等。在这些情况下，电子组合仪表ECU成为动力系统网络与车身系统网络的网关。

3、安全系统子网：

安全系统是指被动安全系统，即安全气囊与安全带的分布式控制。安全子系统网络由三条总线组成，中央控制单元同时作为三条总线的主控节点，分别与碰撞传感器、安全带扣传感器、安全带张紧装置、安全气囊点火爆发装置进行数据通信，并实施控制。为了避免其他无关的信息可能造成的干扰，安全系统网络自成一个独立的分布式控制系统。有关系统进行状态的监控信息，需传送到系统外部，也即安全系统需要有一个节点作为网关与车身系统互联，安全系统中央控制单元是最为理想的一个网关节点。

4、多媒体信息子网：

多媒体通信网络的节点是数字化的音频、视频和无线电通信装置，如CD、音像系统、移动电话、移动电视、语音识别系统、紧急呼救系统和GPS卫星定位系统。随着智能交通技术、远程诊断和远程服务技术的发展，这类网络在公交车中将会获得较大发展。多媒体通信子系统网络对通信速率要求较高(10Mb/s左右)，同时须要支持同步和异步传输方式，传输介质一般采用光纤。由于介质的限制，这种网络的拓扑结构采用环形的点-点互联，目前支持多媒体网络的通信协议有D2B和MOST。

（二）控制单元类电器设备，如发动机方面的电控燃油喷射EFI、电控点火装置ESA、怠速控制ISC、废气再循环EGR等；以及底盘方面的自动变速器控制ECT、电控防抱死制动ABS、加速防滑控制ASR、电控悬架装置TEMS等与CAN的连接目前已部份实现，但车型不多。较多的是发动机控制EFI、ESA、ISC与变速器控制ECT的CAN连接整合，这与整车网络电控还相距很远。

三、CAN技术应用优化研究

（一）CAN应用初期，将一部份传感器、执行器以及ECU整合入网，使CAN的整车信息资源共享特性得以充分发挥。

1、各控制单元相同功能传感器的整合入网：

从表1可见，汽车中共用着一些传感器及传感信号，接入CAN后，可对这部份传感器及信号进行整合，以减少或消除同种类传感器的重复设置，做到信息共享，从而达到减少线束、减少传感器以及相关器件数量、节省能源消耗、降低整车成本的目的。

2、各控制单元ECU的整合入网：

对于汽车中的ECU的发动机、制动装置和安全气囊等关键控制单元应该采用分散式控制；而对灯控、门控、座椅控制等与安全无关的单元，出于成本考虑，可采用CAN与LIN混合的集中控制方式。

表1 部份控制系统使用的传感器及信号

3、各控制单元执行器的整合入网：

目前的汽车电子控制系统中，常有一个执行器或其控制器件受多个控制系统控制的情况，如怠速控制阀、喷油器电磁阀、电子节气门等。在CAN中，如果对各执行器或其控制器件按功能进行相应整合，就可以避免同功能执行器的重复设置，从而简化汽车的结构，降低生产成本。

4、整车电源系统的整合布网：

汽车用电设备日益增多，用电消耗增大，如果采用CAN技术，从前到后仅用一根总电源线，设支线连接各用电设备，则可节约原材料、节约能源、降低汽车生产成本。

汽车电控网络化已成必然趋势，综合分析各控制系统，特别是车身控制系统的各传感器、执行器以及ECU的控制实时性要求，对相应的传感器、执行器以及ECU做出在整体网络中更合理的位置安排显得相当重要。

（二）汽车网络技术目前已经历了研究和开发阶段，各大汽车公司纷纷推出自己的网络技术协议和相应的硬件产品，网络协议没有实现如INTERNET网络协议类似的标准化，这将会对汽车网络进一步发展和普及带来许多问题。国内CAN技术应用亟待解决的问题日渐突出：

1、国内的汽车电子厂商起步晚、投资小，现在国内该技术的研究单位大都属于大学等科研机构，技术不能形成装备产品，影响在该领域的技术发展和应用。如果大学和汽车电子厂商的联合，一些有实力的企业投入汽车电子行业并组织相关开发机构，国内的现状将有改观。

2、国内生产的主要车型网络技术真正是我们自主开发的车载网络的还没有，自主的本土车载网络技术基本上还处于试验或样机阶段。国内整车厂基本上侧重于机械和常规电器方面的自主系统设计，汽车电子厂商不能仅仅局限在一个基于网络模块的设计和供应，需从整车的网络拓扑结构设计上和总线资源的分配上提供方案。

3、网络协议一般集中在物理层和数据链路层，而不同的汽车生产企业有着自己独立的技术标准、设计理念和完整的零部件生产体系，汽车的制造技术有保密性，使得协议标准在应用层上难于统一，国内整车厂应加快网络平台建设。汽车电子标准工作组组织行业有关单位采用SAEJ1939起草了《商用车控制系统局域网络(CAN)通信协议》系列国家标准，目前正在陆续上网征求意见，网络连接着车身、底盘、发动机各个控制系统，该系列标准是汽车电子标准的重中之重，对我国汽车网络的使用，特别是对切入发动机和底盘动力控制系统具有里程碑的意义。

4、国内在ECU的研究开发上有相当的水平，但仅集中在研究和原型开发方面，需要在安全性、可靠性、完善性、EMC等产品的工程化技术方面，做大量试验，进行大量的持续改进工作。

5、网络的测试也是网络开发中的难点，国内在网络测试规范和标准这方面也处于空白状态，应加速基于网络的分布式系统设计及测试方法的完善。

四、结束语

CAN技术在汽车上的广泛应用，将使汽车的动力性、操作稳定性、安全性、燃油经济性都上升到新的高度，给汽车技术的发展注入新的活力。随着环境保护、行驶中的路况监测、外部通讯功能等一系列要求的提高，汽车对计算机、对计算机网络的依赖程度也越来越大。可以预计，汽车网络化作为汽车的一个新卖点，将成为21世纪汽车发展今不可阻挡的潮流和趋势。或许，网络汽车最终将成为汽车产品最基本、最普遍的特征之一。

参考文献：

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