汽车CAN总线信号可靠性研究

摘 要：本文结合整车CAN总线网络的实际开发，对CAN规范中对信号可靠性设定进行梳理;对CAN规范未定义到进行了信号的可靠性研究。

关键词：CAN规范;信号可靠性;研究

0 引言

CAN（Controller Area Networking）是控制器局域网，CAN通信协议主要描述ECU（Eletronic Control Unit）之间的信息传递方式，总线的信息传递是指将N个信号加上帧头、帧尾打包成的固定格式的报文发送。各个ECU根据通讯矩阵设定，确认自己应该发送和接收哪些信号来实现自身功能。如果信号有问题，与其相关的功能就会异常，所以信号的可靠性显得尤为重要。

1 信号可靠性的定义

可靠性是指抗故障性及数据交换的稳定与准确性。

CAN信号可靠性是指在规定条件下和规定时间区间信号不被损坏，能稳定、准确被传递。

汽车CAN网络的信号可靠性取决于多方面因素，如发送节点和接收节点的性能，传输路径，电磁环境、总线负载率等都会影响信号可靠性。报文传输路径越长，转发次数越多，信号延迟就越大;车上电磁环境越恶劣，对CAN节点干扰越大，信号完整性就会越低，即信号越容易失真;总线负载率影响CAN网络的实时性，负载率越高，信号延迟越大，车辆的功能受到影响越严重，网络系统可靠性越低。

2 CAN规范中的信号可靠性

2.1 CAN协议对信号可靠性的设定

CAN协议中关于CAN层的定义与OSI（Open System Interconnection）一致，CAN协议主要定义了OSI模型的最下面两层[1]：数据链路层和物理层。

CAN协议中各层做了相应的规定来保证信号可靠性的实现。

物理层设定同步方式，CAN的数据流包含不同的时钟，CAN协议中定义的同步保证报文可以不管节点间积累的相位误差正确的译码;位编码方式可以有效的检测出位错误或填充错误，从而更好的修正信号，提供信号传递的可靠性。

数据链路层CRC （Cyclic Redundancy Check）、应答和格式检查等检错机制，错误恢复功能等更好的确保了ECU间的数据能准确的发送和接收。

2.2 其他规范对信号可靠性的设定

ISO11898和SAE J1939标准设定了CAN总线的终端电阻，防止能量反射，影响信号波形质量;还对CAN通信线束长度及总线电阻率进行限定，以免能量衰减造成信号波形的衰减。

2.3 小结

CAN规范自身不是完美的，所以除了CAN规范里定义的安全机制外，新的安全机制也成为了重要的研究方向。

3 CAN规范外的信号可靠性实现研究

CAN的分层不一定严格按照OST模型来分，根据数据的传输过程，也可以分为四层图：应用层、交互层、数据链路层、物理层。交互层（SIL）是应用层和数据链路层之间的抽象层，它为上一层提供信号接口，是网络（帧级）到本地ECU（信号级）之间提供转换接口。

3.1 物理层

为了保证电平转换，控制总线的电平状态、异步串行通信功能可靠的实现，在设计ECU的物理层接口电路时，需要考虑增加电路的保护设计，如图1：

信号共模扼流圈，可抑制传输线上的共模干扰，而令传输线上的数据信号可畅通无阻地通过。ESD保护齐纳二极管，可提高抗静电能力。

CAN收发器是控制器局域网CAN协议驱动器和物理总线之间的接口，它的性能参数直接影响CAN网络的性能。如收发器的EMC、ESD、工作温度范围如果没有达到指定要求，就会影响整车CAN网络的信号，可能导致信号变形，影响信号的可靠性。所以在新项目开展中，主机厂可以指定性能高的CAN收发器的型号，这样信号的一致性不仅更好，网络的抗干扰性也得到更大的保证。

3.2 交互层

3.2.1 信号的参数设定

CAN信号的默认值，在网络非正常运行或网络故障出现时ECU功能处理必不可少。对于发送ECU来说，在应用程序更新为有效信号值前COM驱动将发送这默认值。对于接收ECU来说，在接收到有效网络有效信号前或网络发生错误时，应用程序将使用这默认值。

默认值没有标准定义，主机厂可以根据具体情况定义，但要与整车的功能策略定义方向一致，如ECU以接收信号CraOuSts（信号值为0=No crash 和 1=crash）为依据来实现碰撞断油功能，实现策略为收到CraOuSts为1，ECU执行断油操作，为0不做反应。断油跟安全相关，必须是真碰撞才执行断油，所以网络故障时，默认值不能为1，要求设定为0。

CAN信号的错误值表示发送ECU发现了错误或信号不可用时发出来的值，错误值不要求每个信号都定义，重要的信號可以定义错误值，使接收ECU更好应用此信号。

CAN信号值定义一项原则：为了使信号值不出现丢失，可能同时出现的信号值，不能放在同一个信号里面，如信号PeA（1=ES，2=PE）定义就不合理，2个信号值都可能同时出现，总线上只能发送一个值，1个值就会丢失掉。

3.2.2 重要信号的保护

扭矩类重要的信号，对传输可靠性要求更严格，虽然CAN总线各规范定义了安全机制如CRC，但不够，所以规范外的各安全机制应运而生。

报文循环计数器，该信号算法在0～15之间循环计数，从0开始，每发一帧报文加1，加到15后返回0重新计数。接收方在收到该报文时，首先判断报文循环计数器是不是满足算法要求，如满足说明这次收到的报文有效，如不满足这次报文不可靠应丢弃。

报文总和校验（CheSum），信号长度一般为8bits，算法可以根据需要自定义。算法CheSum = { （byte1 +…byte7  ） && （ 0XFF） }接收方在接收到报文时，先判断报文总和校验是不是满足该的算法要求，如果满足，说明这次接收到的报文有效，如果不满足，说明这次报文不可靠放弃使用这次报文。

有效校验值（简写为Vd），信号长度为1bits，表示两个状态，即有效和无效。例如信号sig1很重要，会有一个信号sig1Vd加于校验，sig1和sig1Vd需要打包在一帧报文中。接收方在接收到报文时，先会读取信号sig1Vd，如果值为无效，就判断sig1无效，不再去读取，如果sig1Vd有效，说明sig1有戏，再去读取sig1。

报文循环计数器、报文总和校验、有效校验值进一步加强的信号保护作用，加强收发双方的握手，使用到的信号更安全可靠，功能和性能实现更有保障。但不是说每个信号或每帧报文都需要用到这三个冗余信号，这会增加网络负担。设计师可以根据具体功能性能，给重要信号增加，更好的平衡网络。

有效校验值使用没有限定条件，但是报文循环计数器、报文总和校验不是什么情况下都可以使用，一般情况要求通过网关转发不能使用。因为网关转发的信号，基本通过报文拆包、组包和更改发送周期，这样网关转发后，这两个信号计算的结果有变化。

3.3 应用层

3.3.1 信号ID的分配研究

CAN总线根据标识符（ID）决定优先级进行仲裁，两个以上的ECU同时开始发送报文时，对各报文ID 的每个位进行逐个仲裁比较。仲裁获胜（被判定为优先级最高）的ECU可继续发送报文，仲裁失利的ECU则立刻停止发送而进行接收工作。所以优先级低的ID存在发送延迟，进而可能影响功能的实现。这是CAN总线系统客观存在的缺陷，不可避免的。但可以根据整车的功能性能需求，合理分配ID，实现即使信号发送延迟，也不会对整车功能实现、性能稳定造成影响，ID分配原则为：分配优先级高的ID，如 安全、实时性要求高，如碰扭矩信号;分配优先级低的ID， 实时性要求不高，如诊断信号。

3.3.2 信号打包位置研究

关于信号打包位置，如果信号能放在一个字节里，就不要放两个，放两个字节增加误读风险。

3.3.3 信号解读研究

关于信号解读，对ECU来说，最好只解读本ECU使用的信号比特位，没有使用到的比特位不解读，以免产生错误。一般情况下，主机厂给每个ECU释放的DBC，只与本ECU有关，无关的信号ECU1是看不到的，如图2字节4高四位整车是有信号的，ECU1看不到。

3.3.4 特殊信号的发送策略

有些ECU以IG off/on为条件，当IG on时， ECU唤醒网络，当IG off时，ECU退出网络。但在IG off时，某些功能需要ECU提供信号，所以 ECU不能以IG off/on为当唤醒休眠条件，需进行特殊的定义。

3.4 CAN总线网络的负载率

CAN总线网络的负载率是CAN总线一个非常重要的网络性能指标，负载率如果过高，会引起网络延迟，严重可能引起网络堵塞。影响网络负载率的主要有两个因素，报文数量和报文周期。在CAN总线开发前期，需要根据项目需求，评估报文的数量和报文的周期，用专业的软件（如Volcano Network Architect）进行时序分析和负载率的计算，以此作为CAN网络开发可行性的依據。

4结束语

本文主要对CAN规范中对信号可靠性的设定进行梳理;对CAN规范未定义的信号可靠性实现进行研究，主要从物理层、交互层、应用层以及CAN网络的负载率方面，对影响和提高信号可靠性的因素进行了分析。

参考文献：

[1]牛跃听，周立功，方舟.汽车CAN总线系统原理、设计与应用.01版[M].北京：电子工业出版社，2010.

[2]Boschs CAN specification 2.0.

[3]瑞萨科技.CAN入门书.1.0版[M].2006年2月20日.

作者简介：庄丽兴（1986-），女，海南海口人，本科，助理工程师，研究方向：汽车网络通讯。