汽车CAN总线系统的挑战与设计
发表时间：2023-12-21 13:32:28 来源：华体会登录
技术的推广，总线问题也对汽车的安全带来风险挑战，本文从系统角度对CAN总线的
汽车CAN总线技术起源于，未解决当时汽车电控模块增多带来的布线空间矛盾、信号抗干扰能力差、汽车重量增加等诸多问题而诞生的。CAN总线实现了总线上的
共享，大幅度减少了汽车的线 汽车CAN系统结构示意图随着汽车电控模块对高速率通信的需求日益增加，高性能通信系统必须缩短耗时的任务，BOSCH联合其他专家合作开发了CANFD规范，并在2012年第13届国际CAN会议上正式推出，后续CANFD技术在整车设计上得到普遍应用。
网联汽车的快速的提升，LIN、CAN等现有CAN总线通信方式已不足以满足整车
需求；而FlexRay、MOST因成本高、应用复杂，仅用于高端豪华品牌。未来车载
将会发展成为基于域控制器的混合车载网络架构：以太网将成为主干网络，传统CAN/CANFD、LIN将继续在低容量通讯场景下使用，如图2所示。图2 未来车载网络发展的新趋势从上述发展的新趋势来看，CAN总线在应用上具有性价比高且技术成熟的特点，因此，CAN总线在当前汽车设计中依旧占有重要位置。但是，现在汽车的制动系统、无人驾驶辅助系统、电池电驱系统间都是通过总线进行通讯，当出现总线节点丢失、总线BUS OFF等总线故障时，都会对汽车的动力、制动、高压输出带来非常大的影响。因此，汽车企业要严谨对待总线问题带来的风险，有必要探讨如何通过设计确保总线系统的可靠性。
、数据传输线、数据传输终端等组成。图3为某品牌汽车PCAN总线拓扑结构示意图，该CAN总线kbps，图中CAN控制器、CAN收发器、120欧姆的终端电阻均集成在模块中，其中，120欧姆终端电阻集成在ECU和BCM模块中，数据传输线为双绞线，CAN总线主干为ECU-BCM间总线，支线为模块到主干间总线 PCAN总线拓扑结构示意图CAN总线的电气特性包括差分信号、终端电阻和传输速率等方面：
1）差分信号：CAN总线通过双绞线实现差分信号通信，两根导线之间传递的是正反相位信号。这种方式能有效地减少干扰和噪声，并提高数据传输的可靠性。2）终端电阻：CAN总线必须在主干两端分别安装一个120欧姆的终端电阻，确保信号的正确传输。这种电阻可以有效的预防信号在总线）传输速率：CAN总线 Mbps，但也可以再一次进行选择其他速率（如500 kbps、250 kbps等）；而CANFD可以再一次进行选择2 Mbps或者5Mbps，传输速率越高，数据传输的速度越快，但也会增加总线的复杂性和成本。在汽车设计时，EE架构方案中明确CAN总线的类型（CAN/CANFD）和传输速率，可根据架构设计原则确认总线的节点数量、总线负载率进行选定。
总线拓扑结构设计对总线的可靠性很重要。在拓扑结构设计时，需要仔细考虑总线长度、信号传输质量等因素，以保证总线的稳定性和可靠性。
双绞线的衰减应通过总线系统主线和支线长度以及支线间的距离进行重点控制，目前CAN和CANFD的主线m，各整车厂的支线和支线间的间距长度要求有所差异，必须按各厂尺寸要求执行。
终端电阻可根据总线拓扑和模块平台化，以及配置情况结合成本因素考虑终端电阻集成在哪个模块中，如图3所示，为确保数据的正确传输，在总线的两端的ECU和BCM模块中，分别安装终端电阻。
为保证数据传输线路差分信号的抗干扰的能力，线束中总线双绞线一定要满足绞距要求及退绞尺寸要求。双绞线绞距
同时，总线上各模块插座和对接的线束连接器应确保连接可靠，设计时应选用成熟可靠，通过验证的模块端插座和连接器，确保总线电气连接的可靠性。在车辆样车验证阶段，有可能会出现线束供应商制造问题导致总线故障。如总线双绞线未按整车厂要求执行，总线上的差分信号往往扰，总线出现错误帧，严重时出现总线BUS OFF故障，整车厂应在线束供应商制造环节进行严格管控。
设备在正常工作时对周围环境不会产生干扰，也不受外界干扰影响。以下是EMC设计的基础概念：
引起的物理现象，可分为静电场和电动场；2）辐射：任何发出电磁波的过程都称之为辐射，包括天然辐射和人造辐射；3）抗辐射：通过采取合适的措施，使设备能够抵御外部辐射干扰；
4）屏蔽：隔离电路与外界电磁场的方法，通常用金属材料来屏蔽；5）地线：连接设备到地面，起到排除噪声和保护设备的作用。新能源车辆的CAN总线信号容易受外界的EMC干扰影响，会产生错误帧，严重时会出现BUS OFF故障。对于EMC导致总线故障的失效模式，存在以下原因：
1）总线双绞线绞合不符合线）总线线路短路问题或窜路；3）高压线）高压线接头和部件
读取总线电压波形，CANOE设备读取错误帧，采取频谱仪测试EMC干扰进行同步测试判定。
以下故障为例，在某车型项目开发过程中，由于高压线接头和部件接口不匹配，试验车在行驶过程中，车辆模块报总线BUS OFF故障，仪表故障灯点亮并提示，车辆动力丢失。更换优化后的高压线（带高压连接器）后，总线故障消失。
上述总线故障中，总线波形扰后出现多个异常的峰值电压波形，如图5所示；图6为频谱仪测试波形，最大值已超越50dB，而正常的EMC环境应控制在30dB以下；结合CANOE设备读取的错误帧，三者出现异常的时刻是同步，因此，能够最终靠这种诊断方法有效判断总线EMC干扰故障。
图6 频谱仪测试的波形EMC设计中，应严格执行以下四方面要求，增强整车抗干扰能力：
总线设计可通过以下设计来提升的总线）数据链路层错误控制数据链路层错误控制是指通过校验、重传等方式，确保数据在传输过程中不可能会发生错误。其中，CRC（循环冗余校验）是一种常用的校验方式，可以检测出数据是不是发生了位错或字节错等错误。
汽车电子系统中，采用了双路CAN总线设计，即两条CAN总线同时工作，一旦某个总线出现故障，另外一个总线能够继续工作，从而保证系统的可靠性。
元器件，如高质量的电容、电阻、晶振等，能大大的提升系统稳定性和抗干扰能力。2）应遵循以下要求PCB布局要求上：
6) 使用CAN总线收发器，用于CAN总线的隔离、缓冲和信号放大等操作，有实际效果的减少总线发送和接收过程中由于信号失真导致的错误发生率。从而提升总线设计的可靠性。
本文归纳了对总线系统EE架构设计、EMC设计、模块的软件/硬件、线束的总线拓扑设计/线束设计/连接器设计进行了分析。
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