CN113050465A - Can总线系统、控制系统、汽车及工程机械 - Google Patents

Can总线系统、控制系统、汽车及工程机械 Download PDF

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Abstract

本发明实施方式提供CAN总线系统及汽车控制系统，属于控制总线技术领域。系统包括：主CAN线及至少一控制器集成装置；每一控制器集成装置包括子CAN线及至少一个连接在子CAN线上的内部节点模块；控制器集成装置通过控制器集成装置的子CAN线与主CAN线连接，以使得控制器集成装置的内部节点模块能通过子CAN线与主CAN线进行数据传输。本发明上述技术方案通过将内部节点模块及子CAN线集成在控制器集成装置中，通过引出的子CAN线与主CAN线连接，从而实现各内部节点模块通过主CAN线进行数据传输，有效减少了CAN线引出过多及引脚占用过多、网络布线复杂的问题。

Description

CAN总线系统、控制系统、汽车及工程机械
技术领域
本发明涉及控制总线技术领域，具体地涉及一种CAN总线系统、一种控制系统、一种汽车及一种工程机械。
背景技术
CAN总线又称作汽车总线，全称为“控制器局域网(Controller AreaNetwork)”，是一种能有效支持分布式控制和实时控制的串行通讯网络。它将各个单一的控制单元以某种形式(多为总线型)连接起来，形成一个完整的系统。CAN总线最早是德国Bosch公司为解决现代汽车中众多的电控模块(ECU)之间的数据交换而开发的一种串行通讯协议。现今在汽车电子系统中已得到广泛应用，成为欧洲汽车制造业的主体行业标准，代表着汽车电子控制网络的主流发展趋势。总线型拓扑因费用低，数据端用户入网灵活，某个节点失效时不会影响其他节点通讯，布线要求简单、扩充容易，节点增删不影响全网工作等优点而被广泛采用。市面上现有车用多合一的拓扑方案多为各节点CAN线分别引出接入CAN总线上，此种方案有CAN线引出过多，引脚占用过多，网络布线复杂的缺点。
发明内容
本发明实施方式的目的是通过控制器集成装置集成各节点并组成CAN总线系统，以至少解决上述CAN线引出过多，引脚占用过多，网络布线复杂的问题。
为了实现上述目的，在本发明第一方面，提供一种CAN总线系统，包括：
主CAN线及至少一控制器集成装置；
每一控制器集成装置包括子CAN线及至少一个连接在所述子CAN线上的内部节点模块；所述控制器集成装置通过所述控制器集成装置的子CAN线与所述主CAN线连接，以使得所述控制器集成装置的内部节点模块能通过所述子CAN线与所述主CAN线进行数据传输。
可选地，每一内部节点模块包括：
依次连接的微控制器、CAN控制器和CAN收发器；
所述CAN收发器与所述子CAN线连接，用于将来自所述子CAN线的差分信号转换为数字信号并将转换后的数字信号发送至所述CAN控制器，以及将来自所述CAN控制器的数字信号转换为差分信号，并将转换后的差分信号通过所述子CAN线发送至所述主CAN线；
所述微控制器通过所述CAN控制器接收来自所述CAN收发器的数字信号，以及通过所述CAN控制器将所述微控制器产生的数字信号发送至所述CAN收发器。
可选地，所述控制器集成装置的子CAN线及内部节点模块封装在箱体内部，所述箱体上设置有第一CAN线接口，所述控制器集成装置的子CAN线通过所述第一CAN线接口与所述主CAN线连接。
可选地，所述主CAN线的一端连接有一个终端电阻，所述控制器集成装置的子CAN线的一端通过所述第一CAN线接口与所述主CAN线的另一端连接，所述子CAN线的另一端连接有一个终端电阻。
可选地，所述控制器集成装置还包括中继器，所述主CAN线的两端分别连接有一个终端电阻，所述子CAN线的一端与所述中继器的一端连接，所述中继器的另一端通过所述第一CAN线接口与所述主CAN线连接。
可选地，所述控制器集成装置的子CAN线及内部节点模块封装在箱体内部，所述箱体上设置有第二CAN线接口及第三CAN线接口，所述控制器集成装置的子CAN线通过所述第二CAN线接口及第三CAN线接口与所述主CAN线连接。
可选地，所述主CAN线的两端分别连接有一个终端电阻，所述控制器集成装置的子CAN线通过所述第二CAN线接口及所述第三CAN线接口串联在所述主CAN线上。
在本发明的第二方面，提供一种控制系统，所述控制系统包括：
上述的CAN总线系统；以及
至少一个与所述CAN总线系统连接的外部节点模块，所述外部节点模块能通过所述CAN总线系统进行数据传输。
在本发明的第三方面，提供一种汽车，所述汽车包括上述的控制系统。
在本发明的第四方面，提供一种工程机械，所述工程机械包括上述的控制系统。
本发明上述技术方案通过将内部节点模块及子CAN线集成在控制器集成装置中，使得控制器集成装置仅需通过子CAN线与主CAN线连接，而无需将每个内部节点模块分别与主CAN线连接，从而实现各内部节点模块通过主CAN线进行数据传输，有效减少了CAN线引出过多及引脚占用过多、网络布线复杂的问题。
本发明实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施方式的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施方式，但并不构成对本发明实施方式的限制。在附图中：
图1是本发明一种实施方式提供的控制器集成装置结构示意图；
图2是现有车用多合一结构示意图；
图3是本发明一种实施方式提供的内部节点模块结构示意图；
图4是本发明一种可选实施例提供的CAN总线系统结构示意图；
图5是本发明另一种可选实施例提供的CAN总线系统结构示意图；
图6是本发明另一种可选实施例提供的CAN总线系统结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本发明实施方式中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、顶、底”通常是针对附图所示的方向而言的或者是针对竖直、垂直或重力方向上而言的各部件相互位置关系描述用词。
如图1所示，在本实施方式的第一方面，提供一种CAN总线系统，包括：
主CAN线及至少一控制器集成装置；
每一控制器集成装置包括子CAN线及至少一个连接在子CAN线上的内部节点模块；控制器集成装置通过控制器集成装置的子CAN线与主CAN线连接，以使得控制器集成装置的内部节点模块能通过子CAN线与主CAN线进行数据传输。
如此，本实施方式上述技术方案通过将内部节点模块及子CAN线集成封装在箱体内，通过引出的子CAN线与主CAN线连接，从而实现各内部节点模块通过主CAN线进行数据传输，有效减少了CAN线引出过多及引脚占用过多、网络布线复杂的问题。
具体的，CAN总线广泛应用于汽车控制，通过CAN总线连接各个网络节点，形成多主机控制器局域网(CAN)，信息的传输则采用CAN通信协议实现，每个网络节点都是一个控制模块，所有控制模块共同实现对汽车各个功能单元的控制。目前CAN网络拓扑结构包括总线型、星型和环形3种类型，总线型拓扑因费用低，数据端用户入网灵活，某个节点失效时不会影响其他节点通讯，布线要求简单、扩充容易，节点增删不影响全网工作等优点而被广泛采用。但是随着汽车电子ECU的发展，以及对车辆动力性、经济型和舒适性的要求的不断提高，车载ECU模块越来越多，整车的布线越来越长，对于传统的CAN总线系统来说，网络布线越来越复杂，占用车辆空间也越来越多。ECU模块的集成化、标准化逐渐成为了各汽车主机厂的发展趋势，如图2所示，现有的车用多合一即在一个箱体里放入能连接到一条网络上的多个节点模块，同样存在CAN线引出及引脚占过多的问题。用本实施方式中，采用总线型拓扑结构，将功能相近的多个ECU模块集成在控制器集成装置中，每个ECU模块为一个内部节点模块，每个内部节点模块均与集成在控制器集成装置中的子CAN线连接通信，控制器集成装置通过引出子CAN线并将子CAN线与主CAN线连接，使得其符合SAE J1939协议的连接要求即可实现各内部节点模块与主CAN线的连接，与传统CAN总线系统相比，本实施方式通过将功能相近的ECU模块进行集成，使得汽车控制各功能单元更清晰、明确，有利于汽车控制各功能单元的安装、维护；集成在控制器集成装置中的各内部节点模块通过一条子CAN线接入主CAN线，有效减少了CAN线引出的数量，使得网络布线更简单，同时便于后期维护、检修。
内部节点模块通过CAN总线发送/接收数据，并通过控制指令控制受控单元，如图3所示，每一内部节点模块包括：
依次连接的微控制器、CAN控制器和CAN收发器；
CAN收发器与子CAN线连接，用于将来自子CAN线的差分信号转换为数字信号并将转换后的数字信号发送至CAN控制器，以及将来自CAN控制器的数字信号转换为差分信号，并将转换后的差分信号通过子CAN线发送至主CAN线；
微控制器通过CAN控制器接收来自CAN收发器的数字信号，以及通过CAN控制器将微控制器产生的数字信号发送至CAN收发器。
CAN总线的物理层采用两个差分传输信号线组成CAN总线网络，CAN主线为双绞线，分别为CAN_High和CAN_Low,每个所有CAN总线上的节点都可以连接到这两条差分信号传输网络上进行通信，当内部节点模块需要发送数据时，微控制器将产生的数字信号通过CAN控制器发送到CAN收发器，本实施方式中的数字信号为TTL逻辑电平信号，然后由CAN收发器把这个普通的逻辑电平信号转化成差分信号，通过差分线CAN_High和CAN_Low线输出到CAN总线网络；通过CAN收发器接收主CAN线上的数据到CAN控制器时，CAN收发器将通过CAN_High及CAN_Low接收到的差分信号转化成普通的逻辑电平信号，输出到CAN控制器中，并通过CAN控制器将转化后的逻辑电平信号发送至微控制器，从而实现完整的双向通信。本实施方式中，微控制器还与受控单元连接，CAN收发器从CAN_High和CAN_Low上接收差分信号并将其转化为微控制器能处理的数字信号，通过CAN控制器将转化后的数字信号发送至微控制器，微控制器通过CAN控制器接收经CAN收发器转化的数字信号，并依据该数字信号控制对应的受控单元，从而完成对受控单元的控制。
在本实施方式中，控制器集成装置的子CAN线及内部节点模块封装在箱体内部，子CAN线需要通过接口与主CAN线连接，以实现通信，因此，箱体上设置有第一CAN线接口，控制器集成装置的子CAN线通过第一CAN线接口与主CAN线连接，以使得内部节点模块能通过子CAN线与主CAN线进行数据传输。需要增加受控单元时，仅需要将对应的控制单元与对应的内部节点模块中的微控制器连接即可将受控单元接入CAN总线网络，需要增加控制器集成装置时，仅需通过第一CAN线接口与主CAN线连接即可将控制器集成装置接入CAN总线网络，需要拆除控制器集成装置时，仅需将第一CAN线接口与主CAN线断开即可，由于无需将各内部节点模块分别引出CAN线与主CAN线连接，在接入或拆除控制器集成装置时，均只需通过第一CAN线接口即可完成，有利于后期的维护检修。其中，子CAN线也可以从箱体内直接引出至主CAN线上。
如图4所示，在本实施方式的一个可选实施例中，将控制器集成装置接入CAN总线网络中主CAN线的一个远端，以使得控制器集成装置作为主CAN线的一个远端，以使得主CAN线满足SAE J1939协议对于总线型CAN网络节点的连接方式的要求。由于信号在通信电缆中的传播过程中会因为阻抗不连续和阻抗不匹配造成信号反射，因此，主CAN线的一端连接有一个终端电阻，控制器集成装置的子CAN线的一端通过第一CAN线接口与主CAN线的另一端连接，子CAN线的另一端连接有一个终端电阻。当控制器集成装置作为主CAN线的一个远端时，将子CAN线的一端与第一CAN线接口连接，子CAN线通过第一CAN线接口与主CAN线的一端连接，使得控制器集成装置成为主CAN线的一个远端，子CAN线的另一端及主CAN线的另一端分别连接一与通信电缆阻抗相匹配终端电阻，以解决当信号在通信电缆末端突遇电缆阻抗很小或没有阻抗造成的信号反射问题。由于各内部子节点模块在箱体内部通过总线型的方式连接，n个内部子节点模块仅需通过由箱体引出的一条子CAN线即可与主CAN线连接，实现通信，相比现有的CAN总线系统，减少了n-1条引出CAN线，有效的降低了布线数量。
如图5所示，在本实施方式的另一个可选实施例中，将控制器集成装置整体作为CAN总线网络的一个节点以总线方式连接在主CAN线上，则，主CAN线的两端分别连接有一个终端电阻，控制器集成装置的子CAN线的一端通过第一CAN线接口与主CAN线连接，子CAN线的另一端连接有一个终端电阻。由于控制器集成装置内部集成了多个内部节点模块，因此，要将控制器集成装置整体作为CAN总线网络的一个节点，需要将控制器集成装置内部的多个内部节点模块组成子网络，则，本实施例的控制器集成装置还包括中继器，子CAN线的一端与中继器的一端连接，中继器的另一端通过述第一CAN线接口与主CAN线连接。
在通过CAN总线网络进行通信时，由于CAN总线网络在不同波特率下存在可以容纳的最大节点数量和最大总线长度的理论值，当现场实际接入总线网络的节点数过多或总线总长度过长时，会造成部分节点无法通信的情况，因此，在本实施例中，将控制器集成装置内部的n个内部节点模块及子CAN线以总线型的方式连接，并在子CAN线的一端连接一中继器，子CAN线的一端与中继器的内部终端电阻连接。通过中继器使封装在箱体内部的n个内部节点模块组成子网络，并通过中继器的另一路网络引出箱体接入主CAN线的两端之间，通过中继器，能实现主CAN线上两个网络节点之间物理信号的双向转发工作，完成信号的复制、调整和放大功能，从而延长总线网络的长度，避免因在线路上传输的信号功率逐渐衰减导致的信号失真，使得传输的数据保持与原数据相同，同时能有效的扩大总线系统的容量，这样不仅减少了内部节点模块引出箱体的CAN线，通过一条CAN线即可将n个内部节点模块接入主CAN线，相比现有CAN总线网络，减少了n-1条引出CAN线，也使得主CAN线上的节点有效减少了，由于控制器集成装置的n各内部节点模块通过中继器组成子网络，实际上只有中继器一个节点接入主CAN线，减少了n-1个节点，箱体内的n个内部节点模块通过中继器与主CAN线上的外部节点进行信息的交互，中继器的两路网络可设置为自适应波特率的方式，在控制器集成装置和主CAN线上的外部节点之间进行全部数据的相互转发。
如图6所示，在本实施方式的另一个可选实施例中，控制器集成装置的子CAN线及内部节点模块封装在箱体内部，箱体上设置有第二CAN线接口及第三CAN线接口，控制器集成装置的子CAN线通过第二CAN线接口及第三CAN线接口与主CAN线连接。为了消除反射信号的影响，主CAN线的两端分别连接有一个终端电阻，控制器集成装置的子CAN线通过第二CAN线接口及第三CAN线接口串联在主CAN线上。如此，控制器集成装置通过第二CAN线接口及第三CAN线接口与主CAN线连接，控制器集成装置的多个内部节点模块仅需通过第二CAN线接口及第三CAN线接口即可实现与主CAN线通信连接，有效的减少了主CAN线上的连线数量。
在箱体的两侧分别设置第二CAN线接口及第三CAN线接口，子CAN线的两端分别通过第二CAN线接口及第三CAN线接口与主CAN线连接，箱体内的子CAN线及n个内部节点模块通过总线型的方式连接，也可以将子CAN线直接从箱体两端引出，由于只需要通过箱体第二CAN线接口及第三CAN线接口引出子CAN线的两端串联在主CAN线上即可实现箱体内的n个节点与主CAN线的总线连接，与现有CAN总线系统相比，n个内部节点模块只需通过子CAN线的两端串联至主CAN线上即可，相对于现有的需要将每个节点模块都引出CAN线至主CAN线上的方式，本实施例的CAN线减少了n-2条，有效降低了引线数量，同时，便于拆卸，有利于后期维护、检修。
在本发明的第二方面，提供一种控制系统，控制系统包括：
上述的CAN总线系统；以及
至少一个与CAN总线系统连接的外部节点模块，外部节点模块能通过CAN总线系统进行数据传输。各外部节点模块用于通过主CAN线进行数据传输及控制对应的受控单元，在实际工作中，将各功能相近的ECU模块集成在一个控制器集成装置中，使得汽车的各控制单元功能区分更清晰，同时，控制器集成装置减少了接入主CAN线的CAN线数量及节点数量，使得CAN总线网络具有更大的容量。
在本发明的第三方面，提供一种汽车，汽车包括上述的控制系统。
在本发明的第四方面，提供一种工程机械，工程机械包括上述的控制系统。
综上所述，本实施方式的上述技术方案通过将内部节点模块及子CAN线集成封装在箱体内，通过引出的子CAN线与主CAN线连接，从而实现各内部节点模块通过主CAN线进行数据传输，有效减少了CAN线引出过多及引脚占用过多、网络布线复杂的问题。
以上结合附图详细描述了本发明的可选实施方式，但是，本发明实施方式并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施方式的技术构思范围内，可以对本发明实施方式的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施方式对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施方式的思想，其同样应当视为本发明实施方式所公开的内容。

Claims (10)

1.一种CAN总线系统，其特征在于，包括：
主CAN线及至少一控制器集成装置；
每一控制器集成装置包括子CAN线及至少一个连接在所述子CAN线上的内部节点模块；所述控制器集成装置通过所述控制器集成装置的子CAN线与所述主CAN线连接，以使得所述控制器集成装置的内部节点模块能通过所述子CAN线与所述主CAN线进行数据传输。
2.根据权利要求1所述的CAN总线系统，其特征在于，每一内部节点模块包括：
依次连接的微控制器、CAN控制器和CAN收发器；
所述CAN收发器与所述子CAN线连接，用于将来自所述子CAN线的差分信号转换为数字信号并将转换后的数字信号发送至所述CAN控制器，以及将来自所述CAN控制器的数字信号转换为差分信号，并将转换后的差分信号通过所述子CAN线发送至所述主CAN线；
所述微控制器通过所述CAN控制器接收来自所述CAN收发器的数字信号，以及通过所述CAN控制器将所述微控制器产生的数字信号发送至所述CAN收发器。
3.根据权利要求1所述的CAN总线系统，其特征在于，所述控制器集成装置的子CAN线及内部节点模块封装在箱体内部，所述箱体上设置有第一CAN线接口，所述控制器集成装置的子CAN线通过所述第一CAN线接口与所述主CAN线连接。
4.根据权利要求3所述的CAN总线系统，其特征在于，所述主CAN线的一端连接有一个终端电阻，所述控制器集成装置的子CAN线的一端通过所述第一CAN线接口与所述主CAN线的另一端连接，所述子CAN线的另一端连接有一个终端电阻。
5.根据权利要求3所述的CAN总线系统，其特征在于，所述主CAN线的两端分别连接有一个终端电阻，所述控制器集成装置还包括中继器，所述子CAN线的一端与所述中继器的一端连接，所述中继器的另一端通过所述第一CAN线接口与所述主CAN线连接。
6.根据权利要求1所述的CAN总线系统，其特征在于，所述控制器集成装置的子CAN线及内部节点模块封装在箱体内部，所述箱体上设置有第二CAN线接口及第三CAN线接口，所述控制器集成装置的子CAN线通过所述第二CAN线接口及第三CAN线接口与所述主CAN线连接。
7.根据权利要求6所述的CAN总线系统，其特征在于，所述主CAN线的两端分别连接有一个终端电阻，所述控制器集成装置的子CAN线通过所述第二CAN线接口及所述第三CAN线接口串联在所述主CAN线上。
8.一种控制系统，其特征在于，所述控制系统包括：
权利要求1-7中任一项权利要求所述的CAN总线系统；以及
至少一个与所述CAN总线系统连接的外部节点模块，所述外部节点模块能通过所述CAN总线系统进行数据传输。
9.一种汽车，其特征在于，所述汽车包括权利要求8所述的控制系统。
10.一种工程机械，其特征在于，所述工程机械包括权利要求8所述的控制系统。
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