技术创新
中文核心期刊《微计算机信息》（嵌入式与ＳＯＣ）２００６年第２２卷第６－２期
３６０元／年邮局：８２－９４６
《现场总线技术应用２００例》
嵌入式网络技术应用
ＣＡＮ在客车网络控制系统设计中的若干问题研究
ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＳｅｖｅｒａｌＰｒｏｂｌｅｍｓｉｎＤｅｓｉｇｎｏｆＰａｓｓｅｎｇｅｒＣ
ａｒＮｅｔｗｏｒｋＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＣＡＮ
（武汉理工大学）胡
剑李刚炎
Ｈｕ，ＪｉａｎＬｉ，Ｇａｎｇｙａｎ
摘要：网络控制是客车技术发展的趋势。客车网络控制系统设计过程中需要对系统层与节点层的一些关键问题进行研究，
以助于提高网络控制的性能。文中对控制其局域网ＣＡＮ的相关概念，如ＣＡＮ协议、帧格式、ＣＡＮ控制器操作模式等进行辨
析；对与系统结构设计有关的帧格式选取、
标识符分配、网络结构与实时性等进行了研究，并提供了一般分析方法与原则；对节点硬件设计中的通信器件与传输介质选取进行了分析，并探讨了控制策略在软件设计中的实现。关键词：客车；ＣＡＮ；网络控制中图分类号：ＴＰ３３６；Ｕ４６２文献标识码：Ａ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｎｅｔｗｏｒｋｃｏｎｔｒｏｌｉｓｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｏｆｐａｓｓｅｎｇｅｒｃａｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｆｏｒｉｍｐｒｏｖｉｎｇｎｅｔｗｏｒｋｃｏｎｔｒｏｌｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｉｔ’ｓｎｅｃ－ｅｓｓａｒｙｔｏｒｅｓｅａｒｃｈｓｏｍｅｋｅｙｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎｄｅｓｉｇｎｐｒｏｃｅｓｓｏｆｐａｓｓｅｎｇｅｒｃａｒｎｅｔｗｏｒｋｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｉｎｃｌｕｄｉｎｇｓｙｓｔｅｍｌａｙｅｒａｎｄｎｏｄｅｌａｙ－ｅｒ．ＴｈｉｓｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｄｃｏｒｒｅｌａｔｉｖｅｃｏｎｃｅｐｔｉｏｎａｂｏｕｔＣＡＮ（ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）ｓｕｃｈａｓＣＡＮｐｒｏｔｏｃｏｌ，ｆｒａｍｅｆｏｒｍａｔａｎｄＣＡＮｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｏｐｅｒａｔｉｏｎｍｏｄｅｓ．Ａｔｓｙｓｔｅｍｆｒａｍｅｗｏｒｋｄｅｓｉｇｎａｓｐｅｃｔ，ｔｈｅａｕｔｈｏｒｒｅｓｅａｒｃｈｅｄｆｒａｍｅｆｏｒｍａｔｓｅｌｅｃｔｉｏｎ，ｉｄｅｎｔｉｆｉｅｒａｌｌｏｃａｔｉｏｎ，ｎｅｔ－ｗｏｒｋｆｒａｍｅｗｏｒｋａｎｄｒｅａｌ－ｔｉｍｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｇｅｎｅｒａｌａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄａｎｄｐｒｉｎｃｉｐｌｅｗａｓｔｏｂｅｇｉｖｅｎ．Ａｔｎｏｄｅｄｅｓｉｇｎａｓｐｅｃｔ，ｔｈｉｓｐａ－ｐｅｒａｎａｌｙｚｅｄｈｏｗｔｏｓｅｌｅｃｔｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｅｌｅｍｅｎｔｓａｎｄｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｍｅｄｉｕｍｉｎｈａｒｄｗａｒｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｄｉｓｃｕｓｓｅｄｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｒｅａｌ－ｉｚａｔｉｏｎｉｎｓｏｆｔｗａｒｅｄｅｓｉｇｎ．
ＫｅｙＷｏｒｄｓ：ＰａｓｓｅｎｇｅｒＣａｒ，ＣＡＮ，ＮｅｔｗｏｒｋＣｏｎｔｒｏｌ
文章编号：１００８－０５７０（２００６）０６－２－０１１０－０３
１相关概念辨析
１．１ＣＡＮ１．２与ＣＡＮ２．０
ＣＡＮ１．２与ＣＡＮ２．０是ＣＡＮ技术规范的两个不同的版本，ＣＡＮ２．０兼容ＣＡＮ１．２。
１．２ＣＡＮ２．０Ａ与ＣＡＮ２．０Ｂ
ＣＡＮ２．０包括Ａ部分和Ｂ部分，即ＣＡＮ２．０Ａ与ＣＡＮ２．０Ｂ。其中，ＣＡＮ２．０Ａ是按ＣＡＮ１．２规范定义的ＣＡＮ报文格式的说明，规定ＣＡＮ控制器必须有一个１１位的标识符；ＣＡＮ２．０Ｂ是对ＣＡＮ报文的标准格式和扩展格式的说明，ＣＡＮ控制器的标识符长度可以是１１位或２９位。遵循ＣＡＮ２．０Ｂ协议的ＣＡＮ控制器可以发送和接收１１位标识符的标准帧或２９位标识符的扩展帧。如果禁止ＣＡＮ２．０Ｂ，则ＣＡＮ控制器只能发送和接收１１位标识符的标准帧，而忽略扩展格式的
报文结构，但不会出现错误。
１．３标准帧与扩展帧
ＣＡＮ２．０Ｂ有两种不同的帧格式，不同之处为仲裁域的长度不同：具有１１位标识符的帧为标准帧，具有２９位标识符的帧为扩展帧，两种帧格式如图１所示。
标准帧理论上最多可以标识２１１（２０４８）个数据类型，由于协议规定标识符最高７位不能同时全是隐性位，所以最多可以标识２１１－２４（２０３２）个数据类型。扩展
帧使用２９位标识符，最多可标识５亿多个数据类型。
图１ＣＡＮ标准帧与扩展帧格式
１．４ＢａｓｉｃＣＡＮ与ＰｅｌｉＣＡＮ
ＢａｓｉｃＣＡＮ和ＰｅｌｉＣＡＮ是Ｐｈｉｌｉｐｓ公司生产的独立ＣＡＮ控制器的２个不同操作模式。ＢａｓｉｃＣＡＮ模式是
上电后默认的操作模式，它能够传输标准帧格式的报
文。ＰｅｌｉＣＡＮ模式是新的操作模式，它能够处理所有
ＣＡＮ２．０Ｂ规范的帧类型（标准帧／扩展帧），而且还具有一些支持错误分析的增强功能。在ＣＡＮ控制器中，不
同操作模式的寄存器配置和参数设置方法也是不一
样的。
２影响网络系统设计的主要因素
２．１标准帧与扩展帧的选择
采用ＣＡＮ２．０Ｂ传输报文时，需对标准帧和扩展帧
胡剑：博士研究生
项目资助：教育部高等学校博士点专项科研项目
基金资助编号：２００２０４９７００９
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邮局：８２－９４６３６０元／年技
术创新
嵌入式网络技术应用
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进行选择。从延迟的角度分析，它用于表示网络响应
速度，延迟越少，响应越快，性能越好。ＣＡＮ最高位速率可达１Ｍｂｐｓ，此时每位的传输时间是１μｓ。总线竞争获胜的标准格式报文在传输不被中断的情况下，长度为最大值的报文总线访问时间只有１１１μｓ，加填充位为１３４μｓ；扩展帧格式最大长度报文的总线访问时间为１３１μｓ，加填充位为１５９μｓ。从总线吞吐量分析，它在数值上等于网络或信道在单位时间内成功传输的总信息量，单位为ｂｐｓ。标准格式信息帧的长度为４７＋８＊ＤＬＣ，数据域在一帧报文中所占比率为（８＊ＤＬＣ）／
（４７＋８＊ＤＬＣ），在１Ｍｂｐｓ位速率时的总线吞吐量为（８＊ＤＬＣ）／（４７＋８＊ＤＬＣ）＊１Ｍｂｐｓ。扩展格式信息帧的长度为６７＋８＊ＤＬＣ，数据域在一帧报文中所占比率为（８＊ＤＬＣ）／（６７＋８＊ＤＬＣ），在１Ｍｂｐｓ位速率时的总线吞吐量为（８＊ＤＬＣ）／（６７＋８＊ＤＬＣ）＊１Ｍｂｐｓ。当数据域长度为８字节时，若不考虑填充位，则标准帧的总线吞吐量为５７７Ｋｂｐｓ，而扩展帧的总线吞吐量为４８８Ｋｂｐｓ。从以上分析可见，虽然扩展帧格式可以表示的数据类型比标准帧格式多得多，但在总线访问时间和总线吞吐量方面，标准帧格式明显优于扩展帧格式，所以在满足节点数量要求的条件下应采用标准帧格式。
２．２标识符分配
ＣＡＮ只提供与物理层和数据链路层相关的协议，
并没有制定与特定应用相关的应用层的内容。因此，
根据具体应用的特点，在总线协议的基础上定义详细的标识符分配及网络配置管理的具体方式是开发基
于ＣＡＮ的客车网络控制系统的前提。标识符分配可以
通过两种方式来实现，一是用户自定义，二是采用
ＣＡＮ的高层协议标准，如ＳＡＥＪ１９３９、ＣＡＮＯｐｅｎ等。无
论采用哪种方式，都必须保证与安全性相关的高实时
性的信息能够获得高优先级。如ＳＡＥＪ１９３９中，信息优先级顺序为控制参数、驱动状态参数、驱动系控制、驱
动系配置参数、信息参数、信息状态参数等。
２．３网络结构设计
随着客车电子控制单元的增多和信息通讯性能
要求的不同，单总线网络结构引发网络通讯负载大、
通信效率低、实时性能差和通信距离—网络性能矛盾突出等问题。因此，一般采用多网段结构来构建基于
ＣＡＮ的客车网络控制系统。
多网段结构适合于连接功能相对独立的网段，信
息交换通过网关来实现。其特点是：同一网段的节点
通过总线方式连接；不同网段之间通过网关连接，并
实现相互通信；网络管理和集中控制的功能由网关实
现。如采用低速总线连接低实时性要求的车身控制单
元，增加通信传输距离，提高抗干扰能力；采用高速总线连接动力传动系统，以满足与行驶安全相关信息的
高实时性要求；采用带双通道ＣＡＮ控制器的微处理器实现两条ＣＡＮ总线信息的通信和控制功能。
２．４网络实时性分析
客车网络控制系统是分布式实时系统，许多任务
具有严格实时性和硬实时性，信息传输与控制必须满
足任务截止期要求。客车网络控制系统的实时性可以
通过信息的响应时间来衡量，典型的理论方法有
Ｗｏｒｓｔ－ｃａｓｅ、Ａｃｔｕａｌ－ｃａｓｅ、Ａｖｅｒａｇｅ和Ｍａｘｉｍｕｍ等。Ａｃ－ｔｕａｌ－ｃａｓｅ同时考虑到周期性信息和非周期性信息，Ｗｏｒｓｔ－ｃａｓｅ考虑到信息传输过程中的最坏情况，一般
将二者结合进行实时性分析。位速率是网络实时性分
析的一个重要参数，它的确定必须考虑到通信距离，
尤其在高速通信的情况下，距离的增加带来的传输延
迟是不可忽略的。表１为ＣＡＮ通信位速率与总线长度的关系。
表１位速率与总线长度的关系
３节点硬件设计主要内容
３．１基于ＣＡＮ的客车网络控制系统典型节点结构
基于ＣＡＮ的客车网络控制系统的典型节点结构如图２所示。ＣＡＮ收发器、光电耦合器、和ＣＡＮ控制器共同完成报文的发送和接收；微控制器对ＣＡＮ控制器进行初始化，设定ＣＡＮ控制器工作参数，控制ＣＡＮ控制器实现数据的接收和发送等通讯任务，同时还可
以接收外围设备和传感器信号，并控制执行器工作状态；传感器／执行器完成信号检测上传／执行控制指令的任务；外围设备负责人机交互。
图２基于ＣＡＮ的客车网络控制系统典型节点结构图
３．２ＣＡＮ控制器
ＣＡＮ控制器可以分为独立ＣＡＮ控制器和与微处理器集成的ＣＡＮ控制器，以完成ＣＡＮ协议数据链路层（ＤＬＬ）的功能，实现媒体访问控制子层（ＭＡＣ）的报
文分帧、仲裁、应答、错误检测和标定，以及逻辑链路
控制子层（ＬＬＣ）的报文滤波、过载通知、恢复管理等具
体服务。
独立ＣＡＮ控制器有ＰＣＡ８２Ｃ２００、ＳＪＡ１０００和８２５２６／８２５２７等。与微处理器集成的ＣＡＮ控制器有
Ｐ８ｘＣ５９１、ＬＰＣ２２９０／２２９２／２２９４、ＭＣ６８ＨＣ０５Ｘ４／Ｘ１６／
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《现场总线技术应用２００例》
嵌入式网络技术应用
Ｘ３２、ＭＣ６８ＨＣ７０５Ｘ４和ＴＭＳ３２０Ｃ２０００系列ＤＳＰ芯片等独立ＣＡＮ控制器能够与各种型号的微处理器相连接，与集成ＣＡＮ控制器相比，其使用更灵活。目前使用最广泛的独立ＣＡＮ控制器是ＳＪＡ１０００。
３．３ＣＡＮ收发器
ＣＡＮ收发器完成ＣＡＮ协议物理层的功能，是ＣＡＮ控制器和物理传输线路之间的接口。ＣＡＮ收发器有ＰＣＡ８２Ｃ２５０／２５１、ＴＪＡ１０５０／１０４０、ＴＪＡ１０５４和ＴＪＡ１０４１等，部分特性比较如表２所示。由于客车为２４ｖ直流供电，因此，一般采用ＰＣＡ８２Ｃ２５１作为客车用ＣＡＮ收发器。
表２不同型号ＣＡＮ收发器的部分特性比较
３．４ＣＡＮ总线的传输介质
用于ＣＡＮ总线的传输介质有双绞线、同轴电缆和
光纤，双绞线具有较高的性价比。在高速工作模式下，
ＣＡＮ发送器输出级晶体管将以尽可能快的速度开闭。
在这种模式下，不采取任何措施限制上升斜率和下降
斜率，应使用屏蔽电缆以避免射频干扰ＲＦＩ问题。在斜率控制模式下，允许使用非屏蔽双绞线。但为了降低射频干扰ＲＦＩ，并考虑电磁兼容性ＥＭＣ问题，应限
制上升斜率和下降斜率。同时，总线的两个末端应接
有１２０Ω的负载电阻以抑制反射。位于ＥＣＵ内部的负载电阻应该取消，因为如果其中一个ＥＣＵ从总线上断
开时，总线将丢失终端，影响信息传输。
４节点软件设计
４．１ＣＡＮ控制器初始化与信息收发
基于ＣＡＮ的客车网络控制系统的ＣＡＮ控制器软件设计主要包括三大部分：ＣＡＮ控制器初始化、信息发送和信息接收。不同的ＣＡＮ控制器，虽然软件实现
方法不一样，但基本原理是相同的。
中国客车网报价以ＳＪＡ１０００为例，其初始化在复位模式下进行，主要工作是设置控制器工作方式、接收滤波方式、接
收码和屏蔽码、波特率和中断允许等寄存器的参数与
状态；信息发送程序负责进行相关条件判断，将报文
发送至发送缓冲区，并启动发送命令；信息接收程序
中，对总线状态、错误报警、报文格式等情况进行判断处理后，启动接收命令即可。
４．２控制策略的研究与实现
控制策略是客车网络控制系统实现控制功能的
基础，直接影响系统应用的正确性、可靠性和有效性。
同时，ＣＡＮ是事件触发型协议，研究客车行驶过程中基于事件的系统控制策略也是客车网络控制系统设
计的一项基础性工作。
客车网络控制系统控制策略的研究必须针对我
国城市道路交通现状，并综合考虑人—车—路—环境
系统因素，主要作用为：当客车在行驶过程中遇到特
定事件时，系统应用智能控制理论和技术方法，产生
控制策略和控制任务，各功能控制装置按照已设定好
的控制策略实现各电子控制单元的信息传递，实施关
联、实时控制，确保车辆行驶的安全性。控制策略的智能控制方法有递阶控制、专家控制、模糊控制、神经控
制和学习控制等。
５总结
本文从概念、系统和节点等不同角度对客车网络
控制系统设计过程中的一些关键问题进行了研究，分
析了设计过程中影响系统工作性能的主要因素，提出
了相关设计方法与设计原则。本文工作有助于提高网
络控制性能，为系统开发提供了理论与技术基础。
参考文献：
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［２］ＰＣＡ８２Ｃ２５０／２５１ＣＡＮＴｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ，ＰｈｉｌｉｐｓＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ，１９９６．
［３］ＴＪＡ１０５０ＣＡＮＨｉｇｈ－ｓｐｅｅｄｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ，ＰｈｉｌｉｐｓＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ，２０００．
［４］ＴＪＡ１０４０ＨｉｇｈｓｐｅｅｄＣＡＮｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ，ＰｈｉｌｉｐｓＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ，２００１．
［５］Ｆａｕｌｔ－ｔｏｌｅｒａｎｔＣＡＮＴｒａｎｓｃｅｉｖｅｒＰＣＡ８２Ｃ２５２／ＴＪＡ
１０５３／ＴＪＡ１０５４／ＴＪＡ１０５４ＡＶｅｒｓｉｏｎ３．１，ＰｈｉｌｉｐｓＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ，２００１．［６］ＴＪＡ１０４１ＣＡＮＨｉｇｈ－ｓｐｅｅｄｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ，ＰｈｉｌｉｐｓＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ，２００１．
［７］ＳＪＡ１０００Ｓｔａｎｄ－ａｌｏｎｅＣＡＮｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ＰｈｉｌｉｐｓＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ，１９９７．
［８］杨志．基于ＣＡＮ总线的电梯串行通讯［Ｊ］．微计算机信息，２００５，７－２：５６－５７
作者简介：胡剑（１９８０—），男，汉族，武汉理工大学机
电工程学院博士研究生，专业：机械电子工程，研究方
向：汽车电子、车载网络，Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｕｊｉａｎ＠ｍａｉｌ．ｗｈｕｔ．ｅ－ｄｕ．ｃｎ；李刚炎（１９６２—），男，汉族，博士，武汉理工大学
机电工程学院教授、博士生导师，研究方向：汽车电
子、车载网络、产品数字化设计、先进设计方法。
Ａｕｔｈｏｒｓ’ｂｒｉｅｆｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ：Ｔｈｅｆｉｒｓｔａｕｔｈｏｒ：ＨＵＪｉａｎ（１９８０－），ｍａｌｅ，ｔｈｅＨａｎｎａｔｉｏｎａｌｉｔｙ，ｄｏｃｔｏｒａｌｃａｎｄｉｄａｔｅｏｆＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅ－ｃｈａｎｉｃａｌ＆ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈ－ｎｏｌｏｇｙ，ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎ：Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ｒｅ－ｓｅａｒｃｈｆｉｅｌｄ：ｖｅｈｉｃｌｅｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｉｎ－ｖｅｈｉｃｌｅｎｅｔｗｏｒｋ．
（４３００７０武汉理工大学机电工程学院）胡剑李刚炎
（ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ＆ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＷｕｈａｎＵｎｉ－
ｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｗｕｈａｎ，Ｃｈｉｎａ４３００７０．）
通讯地址：
（４３００７０武汉理工大学机电工程学院）胡剑
（投稿日期：２００５．１１．４）（修稿日期：２００５．１２．１１）
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