整車CAN通訊協(xié)議的基本拓撲結(jié)構(gòu)詳解

電動汽車，以電池和電機系統(tǒng)取代了內(nèi)燃機汽車的發(fā)動機系統(tǒng)，使得汽車上主要的結(jié)構(gòu)和電氣件發(fā)生了很大變化。在傳統(tǒng)汽車上已經(jīng)比較成熟的CAN總線技術(shù)，電動汽車仍然需要作出必要調(diào)整才能夠使用。

1 電動汽車的CAN協(xié)議

常用車輛CAN總線通訊協(xié)議，大多直接采用SAE-J1939的形式制定。電動汽車首先遇到了電池系統(tǒng)、電機系統(tǒng)等新加入電器需要重新設(shè)定PGN碼等問題。CAN協(xié)議始終處在諸侯割據(jù)的狀態(tài)。在過去的幾年中，國家及相關(guān)機構(gòu)也一直在對電動汽車的CAN通訊協(xié)議進行研究，希望形成統(tǒng)一的協(xié)議體系。統(tǒng)一的CAN協(xié)議，首先是零部件供應(yīng)商的福音。當前主流主機廠，每家都有自己的整車通訊協(xié)議，各個供應(yīng)商，需要根據(jù)整車廠的定義，修改零部件的CAN協(xié)議。

制定電動汽車的CAN協(xié)議，基本的思路是在SAE-J1939的基礎(chǔ)上，根據(jù)自身電動汽車的需求，做出必要的調(diào)整。

1.1 原則

常用的CAN總線協(xié)議標準SAE-J1939中，標準給OSI（開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型）定義成七層：物理層，數(shù)據(jù)鏈路層，網(wǎng)絡(luò)層，傳輸層，會話層，表示層，應(yīng)用層。其中物理層和數(shù)據(jù)鏈路層是最基礎(chǔ)的兩層，在標準ISO 11898中進行定義，并且不可變更。而SAE-J1939定義了應(yīng)用層的相關(guān)會話規(guī)則，所謂通訊協(xié)議。因此我國的CAN 通信協(xié)議的制定主要包括物理層和應(yīng)用層協(xié)議兩個方面，其中最主要的工作還是集中在應(yīng)用層上。

1.2 物理層

物理層對一系列硬件參數(shù)進行了規(guī)定，包含總線供電電壓、接入系統(tǒng)設(shè)備數(shù)目、允許的連接器類型、線纜長度以及波特率等。我們的物理層特性基本完全繼承J1939物理層規(guī)范，相應(yīng)的，參數(shù)基本與J1939保持一致。比如CAN2.0B，接入系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)目，最多30個；終端電阻阻值120歐姆，波特率250kbits，線束建議采用雙絞線、同軸電纜等等。

1.3 應(yīng)用層

應(yīng)用層主要規(guī)定的內(nèi)容包括：標識符的分配，報文的發(fā)送和接收規(guī)則，系統(tǒng)內(nèi)節(jié)點的優(yōu)先級分配等等。

鑒于電動汽車與傳統(tǒng)汽車相比存在的很多不同特點，針對一款新車型建立CAN通訊協(xié)議，需要明確的事項包括：確定拓撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具體分配節(jié)點地址源碼，定義報文發(fā)送周期等等。

1.3.1 整車CAN通訊協(xié)議的基本拓撲結(jié)構(gòu)

電動汽車上的電氣設(shè)備數(shù)量比較多，使得通訊系統(tǒng)也變得復(fù)雜。下面是兩種整車通訊的結(jié)構(gòu)形式，前者列舉的是混合動力汽車單一總線結(jié)構(gòu)的拓撲圖，后者是一種純電動汽車CAN通訊網(wǎng)絡(luò)的情形，電池、電機、故障診斷掛在同一條CAN網(wǎng)絡(luò)上，其余電氣集中在另外一條網(wǎng)絡(luò)上。兩條網(wǎng)絡(luò)不能直接交換數(shù)據(jù)，只能以整車控制器VCU為中轉(zhuǎn)站，進行溝通。

從這兩個實例也可以看出，CAN總線的拓撲結(jié)構(gòu)，常常是根據(jù)不同車輛的實際需要設(shè)計的，目前還沒有統(tǒng)一的要求。

多個設(shè)備集中在同一條信息通道上，對總線波特率的要求也會相應(yīng)比較高，同時，系統(tǒng)冗余比較小的話，系統(tǒng)出錯率會上升。

1.3.2 需要增加定義的參數(shù)

電動汽車CAN總線系統(tǒng)，應(yīng)用層部分參數(shù)需要重新定義。定義過程需要綜合考慮系統(tǒng)內(nèi)節(jié)點的重要程度，對刷新頻率的需求等因素，制定應(yīng)用層協(xié)議中需要明確幾個參數(shù)，節(jié)點源地址、節(jié)點優(yōu)先級，參數(shù)組編碼。

1）節(jié)點地址(Source address，SA)。CAN系統(tǒng)中，每個節(jié)點會獲得一個唯一的地址碼，用以標示節(jié)點身份。一個節(jié)點如果包含幾種功能，則不同功能可以獲得不同地址碼。網(wǎng)絡(luò)中重要性最大的節(jié)點，地址代碼數(shù)字越小，相應(yīng)的優(yōu)先級越高。在CAN報文的幀定義中，專門設(shè)置了地址代碼位，下圖是CAN2.0B29位擴展幀的形式。

2）?優(yōu)先級(Priority，P)，優(yōu)先級P，占用3個2進制位，有8中不同級別。最高0級和最低7級，報文優(yōu)先級可以設(shè)置，可以修改。報文優(yōu)先級的主要影響因素是節(jié)點信息的發(fā)送頻率，越是重要性高的節(jié)點，信息刷新頻率也越高，占用總線的權(quán)限就越高，幾個因素有聯(lián)動關(guān)系。

3）參數(shù)組定義，同一個設(shè)備內(nèi)不同的功能構(gòu)成參數(shù)組，為了提高總線的使用效率，刷新頻率接近的參數(shù)盡量放在一個參數(shù)組內(nèi)發(fā)送，可以減少節(jié)點信息發(fā)送次數(shù)，提高總線利用率。比如同一個設(shè)備的電流監(jiān)測值和電壓監(jiān)測值就可以放在一個參數(shù)組中。

1.3.3 新節(jié)點定義

新加入系統(tǒng)的節(jié)點都需要重新分配地址，每個節(jié)點內(nèi)的參數(shù)再進行參數(shù)配置。在J1939基礎(chǔ)上新增的節(jié)點包括：整車控制器，自動換擋變速器，DCDC，電動助力轉(zhuǎn)向，電動助力制動，電機控制器，電空調(diào)控制器，動力電池管理系統(tǒng)。

2 CAN報文解析

CAN報文解析，是技術(shù)人員處理電動汽車故障的常用方法，基本過程：將設(shè)備準備齊全 →?獲得通訊協(xié)議和報文原文 →?翻譯 → 針對故障現(xiàn)象，得出初步處理建議。

下面內(nèi)容來自鐘文浩的論文《電動汽車CAN報文的解析及應(yīng)用》，詳細介紹了解析CAN報文的全部過程。

2.1 ?獲得CAN報文的過程

準備軟硬件環(huán)境，硬件周立功CAN卡，軟件使用ZLGCANTest，安裝在電腦上；通過CAN卡連接整車CAN或者調(diào)試端口，通過軟件交互界面獲取CAN報文。

2.2 CAN2.0B報文基本格式

接收到的報文，是一串十六進制的字符，而報文格式定義和位數(shù)是按照二進制定義的。29位擴展標識符，報文幀格式如下圖所示。表格中，上面一行為字段代號，下面一行表示字段的位數(shù)。SA為報文的源地址，有8位。

2.3 報文基本組成

如下面抓圖所示，我們初始能夠獲得的是幀ID的一串字符，就是前面的29位擴展標識符，通過幀ID找到目標所在行，進而找到數(shù)據(jù)段。數(shù)據(jù)段包含的信息，是我們需要的部分。

2.4 數(shù)據(jù)段的組成

數(shù)據(jù)段由8個字節(jié)組成，對應(yīng)通信協(xié)議中約定的含義。每個字節(jié)有2個字符，前邊字符代表高4位，后邊字符代表低4位。

例如，一串報文1818D0F3 ce 0d 00 7d 00 6d 1100（ID是1818D0F3）。第1個字節(jié)ce中的c為高4位，e為低4位。如果通訊協(xié)議規(guī)定，第1、2字節(jié)表示總電壓，而且注明Byte1為低字節(jié)，Byte2為高字節(jié)，那么解析時就應(yīng)該為：0dce。

2.5 具體CAN報文解析過程

收到的報文為：1818D0F3?ce 0d 00 7d 00 6d 11 00。

第一、二字節(jié)，協(xié)議中規(guī)定了，1818D0F3ID幀內(nèi)，第一、二字節(jié)表示電壓，并且，高字節(jié)表示高字節(jié)表示電壓數(shù)值的高位，低字節(jié)表示電壓數(shù)值的低位，比例因子0.1V。

數(shù)據(jù)中0dce代表總電壓，轉(zhuǎn)為十進制為3534，乘以0.1 V的單位，則得到總電壓值為353.4 V。

第三、四字節(jié)，協(xié)議中規(guī)定報文的第三、四字節(jié)表示總電流，又總電流的單位為0.1 A，偏移量為32000。數(shù)據(jù)中7d00轉(zhuǎn)為十進制為32000，乘以0.1再減去3200的偏移量0，則說明此時電池組沒有被充電或放電，電流為0。

第六、七字節(jié)，協(xié)議中規(guī)定報文的第六、七字節(jié)表示最高單體電池電壓及位置。單體電池電壓單位為0.01 V，最高4位代表箱號。數(shù)據(jù)中116d，其中1代表箱號，即最高電池電壓在第1箱。16d代表最高電池電壓，轉(zhuǎn)為十進制為365，乘以0.01 A的單位，則得到最高電池電壓為3.65 V。

十六進制轉(zhuǎn)換成十進制數(shù)的方法，從最低位開始，16的0次方加第一位+16的1次方加第二位數(shù)……比如前文中的116d，最高4位代表箱體編號，16^0+1=1，因此箱體號為1；后面的12位代表單體電壓，計算方式（16^0+13）+（16^1+6）+（16^2+1）=365，算式中的13是報文中的d。

參考文獻

符興鋒，電池管理系統(tǒng)CAN信號不同步對于電動汽車控制策略與安全性的影響分析

趙春明，基于CAN總線的電動汽車分布式控制系統(tǒng)的故障診斷研究

李芳，電動汽車動力總成系統(tǒng)控制器局域網(wǎng)（CAN）總線通信協(xié)議

鐘文浩，電動汽車CAN報文的解析及應(yīng)用

周竹朋，基于CAN總線的新能源汽車通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

編輯：黃飛

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