王玮，初洪超（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）



汽车CAN总线拓扑结构设计

王玮，初洪超
（安徽江淮汽车股份有限公司技术中心，安徽 合肥 230601）

摘要：汽车CAN总线技术在汽车控制器领域应用越来越广泛，总线拓扑结构就是由这些控制器通过总线所组成的网络结构。如何设计合理的拓扑结构，如何分析其可行性，文章将给予阐述。

关键词：CAN总线；拓扑结构

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.05.033

CLC NO.: U462.1Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)05-127-03

前言

CAN（Controller Area Network）即控制器局域网，由于具有高性能、高可靠性以及独特的设计，CAN总线越来越受到人们的重视。CAN已经形成国际标准，并已经被公认为几种最有前途的现场总线之一。

汽车CAN总线拓扑结构设计是整车CAN网络通讯设计中非常重要的一环，它主要包含的如下的信息：

1）网络节点配置

2）总线条数与类型

3）总线速率与终端电阻分布

4）诊断方式

通过拓扑结构能够获得汽车网络的基本信息，了解总线通讯的构成。然而设计拓扑结构时存在诸多需要考虑的因素，本文将阐述建立整车总线拓扑的过程以及其中的设计因素和要点，提供设计指导。

1、设计应用

1.1整车配置分析

表1　CAN通讯模块

表2　LIN通讯模块

建立拓扑结构之前，首先要确定总线网络上的通讯节点，总线网络的通讯节点来源于整车配置中各个控制器模块。因此，根据开发车型的配置信息，分析可能需要进行CAN/LIN总线通讯的模块，最终由模块的工程师来确定是否为总线通讯的节点。

常见的ECU通讯模块参考如表1、2：

1.2总线配置分析

在确定了各个通讯节点之后，须对节点在总线网络中的配置进行分析，并确定以下三个方面：

1）高速CAN节点

高速CAN节点一般具有通讯速率高、安全等级高、实时性好的要求，例如ABS制动防抱死系统对行车安全起着重要作用，故对通讯的实时性、安全性要求很高。

一般情况下，与动力、主动及被动安全相关的节点均设置为高速CAN节点。这一类特点的节点有发动机管理模块、安全气囊模块、转向模块、制动模块等等。

2）低速CAN节点

低速CAN节点一般对通讯速率、安全等级、实时性没有较高的要求，车身舒适系统一般属于此范畴。这一类特点的节点有车身控制模块、音响、DVD、空调以及其他信息娱乐系统等等。

3）LIN节点

根据成本要求，部分低速CAN通讯模块也可以采用LIN总线的方案，例如倒车雷达，门窗防夹控制等等，这些需要根据实车开发时模块的具体要求而定。

由于LIN总线为主从式结构，在设计LIN总线时需要确定主节点，一般让能够获取CAN总线信号的CAN节点来同时担当LIN的主节点，这样LIN总线上需要通过CAN总线信号来做出的逻辑功能可由此节点来实现。LIN总线的主节点一般由车身控制器、网关等来担当。

4）网关节点

CAN总线的通讯能力是有限的，并不是所有的节点都可以连接在一条总线上，为了分担负载，降低风险，在必要时需要分段设计。若整车网络在设计时存在两条及两条以上的总线，且总线之间需要进行信息的交换，则需要开发网关模块。

网关模块负责各条总线之间的信息交换，网关模块本身有两种选择：一是设置独立的网关模块，专门用于总线信息交换；二是集成于某一通讯节点中，负责交换总线信息。通常处于成本考虑采用后者，而集成网关的节点一般为ICM或BCM。但是当总线数量较多时，受到处理能力或PCB板布置的限制，单靠集成网关是无法满足要求的，这时便需要独立的网关模块来处理。

1.3总线参数设定

在确定通讯节点和总线配置之后，还需要设定总线的相关参数，体现在如下几个方面：

1）总线协议

CAN总线协议主要有ISO 11898-2、ISO 11898-3，前者为高速CAN总线协议标准，后者为容错CAN总线协议标准。前者可应用于各类节点，后者主要用于车身控制模块等对通讯要求不高的节点。现代很多车型在总线设计时，往往采用高低速CAN总线均采用ISO 11898-2的方式，即车身CAN系统也采用与动力CAN系统相同的总线协议，使用高速CAN的收发器和控制器来进行通讯，这种方式的优点在于整车各通讯节点物理层统一，便于节点在各路总线上的移植和扩展。

LIN总线协议为LIN1.0/1.3/2.0/2.1等版本，根据需要进行选择，LIN协议具有向下兼容的特点，高版本可以兼容低版本的协议。

2）总线速率

总线速率根据总线协议具有不同的范围，其中ISO 11989-2的总线最高速率为1Mbps，而ISO 11898-3的总线最高速率为125kbps。

LIN总线的最高通讯速率为20kbps。

总线速率根据具体需求而定，一般高速CAN为500kbps，而低速CAN为125kbps或100kbps。实时性较高的信息处于安全和性能的考虑，所在的总线所要求的速率较高，如动力、安全系统的信息。

3）诊断协议

现行CAN总线执行的诊断标准有两种，一是KWP2000诊断协议，一是UDS统一诊断协议，根据具体需要进行开发。

4）终端电阻

在总线中，CAN_H、CAN_L间需要具有一定电阻，用于吸收反射波，其设计方案如下图1、2所示。在ISO 11898-2总线协议情况下，总线中需要2个节点具有终端电阻，且阻值为120欧姆，因此需要在拓扑结构中说明；而在ISO 11898-3的情况下，每个节点均有终端电阻，关于阻值的定义可在ISO11898-3中查询。

图1　终端电阻方案1

1.4总线拓扑图设计

在分析完以上各个问题之后，最后进行就是整个CAN总线系统的拓扑图设计，拓扑结构中包含节点个数、总线条数和类型、终端电阻分布、传输速率、诊断类型和接口等信息。拓扑结构采用图形表示方法，如下图3所示：

完整的总线拓扑结构设计可参考下图：

2、验证分析

总线拓扑结构设计是否合理，是需要通过分析和验证的，分析手段主要为网络负载率计算或测试。

按照总线设计原则，为了保证信息传输的可靠性，避免信号延迟，一般每条CAN总线在正常情况下通讯的负载不应超过30％。负载率可以通过人工计算和工具测试来进行。

1）人工计算

当总线通讯的信息帧确定以后，每一帧消息所占用的负载率如下：

其中：C—消息帧负载率

L—消息帧字节数

T—信号帧发送周期，单位为ms

S—总线速率，单位为kbit/s

将一条CAN总线上所有传输的消息帧占用的负载率相加，即可得到总负载率，若每条总线负载率值小于30％，则该总线拓扑结构可以满足设计要求；若有超过30％的现象，则需要通过调节消息的传输周期或减少帧的个数来降低负载率，若周期和帧个数无法改变或改变后仍不满足要求，则需要对拓扑结构进行调整，使负载率达到合理范围。

下表为计算示例：

表3　负载率计算示例

2）工具测试

总线负载率除了人工计算，也可以通过测试工具对设计好的总线进行仿真分析，分析结果更为准确，总线设计常用的工具有Vector公司CANoe。

图4　CANoe的仿真示例

经过以上一系列的设计，便完成了CAN总线拓扑设计。随着汽车电子化智能化的发展，在实际应用中，CAN总线模块越来越多，总线结构也越来越复杂，但基本的设计方法仍然是一致的。

3、总结

总线拓扑结构是整车CAN总线网络的框架，决定着汽车网络的设计质量，只有合理的拓扑结构才能使得总线网络具备可靠的信息传输和更好的拓展性。因此，掌握总线拓扑结构设计的影响因素和要点尤为重要，并且通过分析验证来确定其合理性，保障网络通讯质量。

参考文献

[1]史久根. CAN现场总线系统设计技术[M]. 第1版，北京：国防工业出版社，2004. 21～22.

[2]ISO 11898-2, Road vehicles—Controller area network (CAN)—Part 2: High-speed medium access unit[S].

[3]ISO 11898-3, Road vehicles—Controller area network (CAN)—Part 3: Low-speed, fault-tolerant, medium-dependent interface[S].

Topology Design Of The Vehicle CAN Bus

Wang Wei, Chu Hongchao
（Anhui Jianghuai Autobile Co., Ltd, Technical Center, Anhui Heifei 230601）

Abstract:The application of the CAN bus technology become more and more extensive which usd in Vehicle controller area. The topology is a network structure composed by these controllers.How to design a rational topology and how to analyse the feasibility,this text will specify.

Keywords:CAN Bus; Topology

中图分类号：U462.1

文献标识码：A

文章编号：1671-7988（2016）05-127-03

作者简介：王玮，就职于安徽江淮汽车股份有限公司技术中心。