汽車總線技術標準研究

1、天津職業(yè)技術師范大學Tianjin University of Technology and Education汽車總線技術標準研究專 業(yè)： 自動化與電氣工程學院 班級學號： 測控0601-22號 學生姓名： 指導教師： 二一年 六 月天津職業(yè)技術師范大學本科生畢業(yè)論文 汽車總線技術標準研究 專業(yè)班級：測控0601 學生姓名： 指導教師：系 別：自動化與電氣工程學院 2010年6月摘 要隨著現(xiàn)代汽車的迅猛發(fā)展和電子技術的日新月異，汽車電子設備不斷增多，汽車綜合控制系統(tǒng)也越來越復雜，傳統(tǒng)的點對點控制己經(jīng)遠遠不能滿足汽車性能的提高、可靠性的增強、維修方便等設計要求。汽車網(wǎng)絡總線的出現(xiàn)為這一系列問題

2、提供了有效解決的方法。 本文第一章簡要分析了汽車電子技術的現(xiàn)狀、研究背景和研究內(nèi)容。通過分析可知，汽車電子技術的快速發(fā)展給汽車帶來進步的同時，也帶來了許多的負面影響，解決這一影響的方法是采用網(wǎng)絡技術；第二章介紹了現(xiàn)代汽車網(wǎng)絡技術的現(xiàn)狀、類型等；第三章討論了六種類型的汽車電子系統(tǒng)網(wǎng)絡，對于每種類型的網(wǎng)絡，都首先分析了其主要特點及其對通訊的特殊要求，然后針對如何適應該類網(wǎng)絡的特點以及滿足其通訊的特殊要求，介紹了該類網(wǎng)絡最為重要的技術標準，最后將同類型的技術標準進行比較并分析了所建議采用的技術標準的優(yōu)勢。第四章剖析了CAN總線嵌入式組合儀表的硬件實現(xiàn)原理。關鍵詞: 汽車電子；汽車網(wǎng)絡；汽車網(wǎng)絡標準；

3、CAN總線嵌入式組合儀表ABSTRACTWith the rapid development of modern cars and the ever-changing electronic technology, the growing automotive electronics, vehicle integrated control system is also more complex, the traditional point to point control has been far from satisfying the improvement of vehicle perfor

4、mance, reliability enhanced, easy maintenance design. Automotive network bus provides an effective solution for this series of problem. The first chapter show a brief analysis of the status of automotive electronic technology, the study background and contents. Analysis showed that the rapid develop

5、ment of automotive electronic technology to bring progress to the car, it also brought many negative effects, address the impact approach is to use network technology; The second chapter describes the status of modern automotive network technologies and types; the third chapter discusses the six typ

6、es of automotive electronics system net-work, for each type of network, are firstly analyzed their main characteristics and special requirements of communications, and for how to adapt to the characteristics of such networks and to meet their special requirements of communications, describes the mos

7、t important type of network technology standards, the final will compare the same type of technical standards and analyze the technical standards recommended by the advantages. The last chapter analyzes the hardware implementation principle of combination of instruments embedded about CAN bus. Key W

8、ords：Automotive electronic; automotive network; automotive network standard; CAN bus embedded combined instrument目 錄第一章 概述11.1 研究的背景11.1.1 汽車電子技術發(fā)展概述11.1.2 問題的提出31.2 研究的目的和意義31.3 研究的主要內(nèi)容4第二章 汽車網(wǎng)絡技術概述52.1 汽車網(wǎng)絡技術的發(fā)展歷史52.2 汽車網(wǎng)絡技術的作用52.3 汽車網(wǎng)絡技術的特點62.4 汽車網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)62.5 汽車網(wǎng)絡的類型82.6 汽車網(wǎng)絡技術的發(fā)展趨勢8第三章 汽車總線技術標準研究

9、103.1 LIN總線103.1.1 LIN的技術特點103.1.2 LIN的參考模型103.1.3 LIN的主要特點123.1.4 LIN的通訊機制及幀結(jié)構(gòu)133.1.5 LIN的優(yōu)勢153.2 CAN總線153.2.1 CAN的技術特點163.2.2 CAN的參考模型163.2.3 CAN的主要特點163.2.4 CAN的通訊機制及幀結(jié)構(gòu)193.2.5 CAN的優(yōu)勢233.3 MOST總線243.3.1 MOST的技術特點243.3.2 MOST的參考模型243.3.3 MOST的主要特點243.3.4 MOST通訊機制和幀結(jié)構(gòu)253.3.5 MOST的優(yōu)勢263.4 TTCAN總線273

10、.4.1 TTCAN的技術特點273.4.2 基于CAN的時間觸發(fā)操作273.4.3 參考時間與參考消息283.4.4 基本循環(huán)283.4.5 基本循環(huán)及其時間窗293.4.6 系統(tǒng)矩陣313.4.7 TTCAN的優(yōu)勢313.5 FlexRay和TTP協(xié)議32第四章 基于CAN總線的嵌入式汽車組合儀表的實現(xiàn)344.1 基于CAN總線的嵌入式組合儀表344.1.1 現(xiàn)有組合儀表的構(gòu)成框架和實現(xiàn)原理344.1.2 總線式組合儀表的構(gòu)成框架和實現(xiàn)原理354.1.3 總線式組合儀表的優(yōu)勢374.2 硬件實現(xiàn)384.2.1 接口定義394.2.2 內(nèi)部實現(xiàn)40第五章 結(jié)論與展望44參考文獻45附 錄46

11、致 謝47第一章 概述1.1 研究的背景1.1.1 汽車電子技術發(fā)展概述 汽車的誕生至今已有一百多年歷史，世界汽車一百余年的發(fā)展，歷經(jīng)了初創(chuàng)、發(fā)展、全盛、穩(wěn)定、改組再發(fā)展等階段。縱觀近三十年來汽車技術方面的重大成就，幾乎無一例外都是應用了電子技術的結(jié)果。當代汽車越來越廣泛地采用電子信息技術，以提升汽車的性能和服務功能，滿足人們各種辦公和娛樂需要，使汽車從單純的代步工具逐漸演變成“流動辦公室”、“流動家庭”和“流動娛樂室”。當前的汽車電子產(chǎn)品中使用最廣泛、占汽車電子產(chǎn)品50%以上的是娛樂和舒適性產(chǎn)品，諸如各種車載收放機、CD機、DVD機、車載電話、導航設施，以及車身附件控制模塊等，這些設施通常不

12、涉及汽車基本功能，只是增加輔助功能而己，所以說成熟的家電產(chǎn)品都可以移植到汽車上。第二類電子產(chǎn)品是為了滿足節(jié)能和環(huán)保的需要。這類電子產(chǎn)品的發(fā)展最快，技術含量高，個性化強，在每個車型上都不同，即使應用在同一車型，在不同的銷售區(qū)域里由于駕駛習慣、道路條件、法規(guī)和能源政策的不同必須重新標定和匹配，各個供應商擁有各自專門的軟硬件系統(tǒng)。第三類電子產(chǎn)品是為了滿足車輛本身安全性的需求，包括主動安全和被動安全。這類產(chǎn)品是近年來迅速發(fā)展的領域，控制難度大，綜合智能化更高而通用性好。第四類電子產(chǎn)品是以全電子化或機電一體化結(jié)構(gòu)取代傳統(tǒng)的汽車結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。如全電子轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，電子控制懸掛系統(tǒng)，自動駕駛系統(tǒng)等。如圖1-1所示為

13、電子信息技術產(chǎn)品在汽車上的應用情況。 汽車電子技術的基礎來源于半導體行業(yè)、軟件行業(yè)、傳感器、執(zhí)行器等電子技術的發(fā)展。汽車電子技術行業(yè)的發(fā)展最終依賴于汽車工業(yè)的蓬勃發(fā)展以及汽車工業(yè)在工業(yè)領域中所處的地位。中國汽車市場已由潛在變?yōu)楝F(xiàn)實，中國汽車電子信息產(chǎn)品市場也隨之迅速擴展，部分核心控制技術正逐步國產(chǎn)化。國際汽車電子技術正處于全面快速發(fā)展階段，其特征體現(xiàn)在以下五個方面： 1、功能多樣化。從最初的電子點火、電控燃油噴射發(fā)展到如今的各種控制功能，如汽油機缸內(nèi)直噴、電控復合火花點火、智能電子氣門、各種線控技術(x-by-wire)、主動和自適應懸掛、防撞防盜系統(tǒng)等。 2、技術一體化。從最初的機電一體化到

14、如今的機、液、電、磁一體化，如直噴式發(fā)動機電控共軌燃料噴射系統(tǒng)。 3、系統(tǒng)集成化。從最初的單一控制發(fā)展到如今的多目標、多變量綜合協(xié)調(diào)控制，使之更經(jīng)濟有效。從傳感器到控制器包括布線都越來越集成化，把幾項功能集成在一起。比較典型的是車身控制模塊，取代了電動玻璃升降器、中控門鎖、防盜、雨刮、內(nèi)外燈、電動座椅調(diào)節(jié)、后視鏡調(diào)節(jié)和加熱、轉(zhuǎn)向指示等單項控制功能。又如將發(fā)動機與變速器控制集成為動力總成控制系統(tǒng)。圖1-1 電子信息技術產(chǎn)品在汽車上的應用情況 4、通信網(wǎng)絡化。從最初的多子系統(tǒng)分別工作到如今的分布式模塊化控制器局部網(wǎng)絡，如以CAN總線為基礎的整車信息共享的車載分布式控制系統(tǒng)，以D2B (Domest

15、ic Digital Bus)無線通信為基礎的遠程高頻網(wǎng)絡通信系統(tǒng)。圖1-2為通訊和電子智能化技術在汽車上的應用趨勢。5、技術標準化。由博世公司提出的控制器局域網(wǎng)CAN (Controller Area Network)己經(jīng)成為國際標準(IS和IS)，并產(chǎn)品化，而且在歐洲生產(chǎn)的汽車上獲得廣泛應用。汽車上電子裝置的急劇增加和信息相互傳送的網(wǎng)絡化提出了嵌入式操作系統(tǒng)的需求，由法德兩國汽車行業(yè)所倡導的OSEK(Open Systems and the Corresponding Interfaces For Automotive Electrics)技術是針對符合汽車電子開放式系統(tǒng)及其接口的軟件規(guī)范

16、所研發(fā)的嵌入式實時操作系統(tǒng)。OSEK規(guī)范從實時操作系統(tǒng)和軟件的開發(fā)平臺兩方面作了全面的定義和規(guī)定并日趨完善，在國際汽車電子領域影響力日益增強，將成為未來汽車電子行業(yè)嵌入式操作系統(tǒng)的技術標準，廣泛被采用。圖1-2 通訊和電子智能化技術在汽車上的應用趨勢 總之，電子信息技術的應用使汽車的性能得到極大提高，并使汽車結(jié)構(gòu)發(fā)生根本性的改變。1.1.2 問題的提出 汽車行業(yè)正日漸成為電子技術最密集的領域之一。據(jù)統(tǒng)計，近年來汽車電子設備的使用量大約每年以6%的速度增加。一方面，汽車電子技術發(fā)展使汽車的環(huán)保性安全性和舒適性得到了很大提高。另一方面，電子設備的大量應用，必將導致車身布線龐大復雜、安裝空間緊缺、運

17、行可靠性降低、故障維修難度增大。如果采用常規(guī)電控布線方式，電線一端與開關相連，另一端與用電器相連，那么一根線束包裹著幾十根電線的現(xiàn)象是很普遍的。汽車電子技術的發(fā)展給汽車帶來競爭力的同時也給汽車設計帶來了困惑。在現(xiàn)代汽車設計中，汽車作為一個整體系統(tǒng)，如何提高其使用體積、減輕整車質(zhì)量和節(jié)省導線是一個值得研究的問題。如果能把計算機網(wǎng)絡總線技術應用于汽車電器與電子控制系統(tǒng)，就能有效解決這些問題。1.2 研究的目的和意義 汽車網(wǎng)絡總線技術能提高汽車中各種信號的利用率，大批的數(shù)據(jù)信息能在不同的電子單元中共享，汽車綜合控制系統(tǒng)中大量的控制信號能得到實時交換，在一條數(shù)據(jù)線上傳遞的信號可以被多個系統(tǒng)共享，這就最

18、大限度的提高了系統(tǒng)的整體效率，充分利用了有限的資源與空間。例如常見的電腦鍵盤有104位鍵，可以發(fā)出百多個不同的指令，但鍵盤與主機之間的數(shù)據(jù)連線卻只有7根，鍵盤正是依靠這7根數(shù)據(jù)連線上不同的電平組合(編碼信號)來傳遞信號的。如果把這種方式應用在汽車電氣系統(tǒng)上，就可以大大簡化目前的汽車電路。如果通過不同的編碼信號來表示不同的開關動作，當這些信號通過網(wǎng)絡傳輸?shù)侥康牡亟獯a后，系統(tǒng)根據(jù)指令接通或斷開對應的用電設備。這樣，就能將過去一線一用的專線制改為一線多用制，大大減少了汽車上電線的數(shù)目，縮短了線束的直徑、減輕了汽車質(zhì)量，從而使得汽車這一系統(tǒng)得到不斷完善和優(yōu)化，在市場中具有更高的競爭力。 如果汽車上采用

19、網(wǎng)絡技術將會給汽車產(chǎn)業(yè)或汽車帶來如下有益之處： 1、節(jié)省大量的有色金屬。原先要用多根動力線控制的用電器，改用網(wǎng)絡總線傳輸系統(tǒng)以后，僅用一根動力線即可，導線長度至少節(jié)省50%以上。 2、擴展方便。傳統(tǒng)供電系統(tǒng)線束品種多，給組織生產(chǎn)和倉庫管理帶來了不便。改用網(wǎng)絡總線傳輸系統(tǒng)以后，線束只有長度的區(qū)別和控制軟件的差別，對硬件的生產(chǎn)帶來了極大的方便。增加用電器不必增加動力線、重新設計線束，只要把線束延長即可，即方便，又經(jīng)濟。 3、提高了駕乘人員的安全性、舒適性。網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)的快速、適時，可讓駕駛?cè)思皶r了解汽車的狀態(tài)，同樣也使各控制單元適時得到信息、處理信息、控制執(zhí)行器工作。 4、提高了電子控制系統(tǒng)的穩(wěn)定

20、性，簡化了汽車故障診斷和維修。 雖然汽車網(wǎng)絡技術己經(jīng)得到較廣泛的應用，但從進一步的需求來看還有很多工作要做。目前尚沒有滿足成本低、性能可靠、具有容錯能力、時間特性好和可擴展性好的汽車網(wǎng)絡系統(tǒng)。由于汽車上網(wǎng)絡應用的層次和目的變化很大，而不同的層次或目的對網(wǎng)絡性能的要求有很大差異。汽車本身對價格又非常敏感，如果用性能高的網(wǎng)絡系統(tǒng)覆蓋低層次的應用，則成本上無法接受。如果以車上各個控制系統(tǒng)的特點匹配不同層次的網(wǎng)絡標準，就能解決汽車網(wǎng)絡技術與成本的矛盾。1.3 研究的主要內(nèi)容 1、通過簡述汽車電子技術的現(xiàn)狀得出汽車網(wǎng)絡技術是汽車電子技術發(fā)展的必然趨勢。 2、深入研究當今汽車網(wǎng)絡技術，分析汽車中各電子控制

21、系統(tǒng)的信息傳遞、信息處理、信息需求，再對汽車網(wǎng)絡各種協(xié)議處理信息的能力、成本的高低進行比較，對汽車網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，技術特點，參考模型，通訊機制進行研究，總結(jié)沒種總線各自的優(yōu)勢。3、 針對各種總線網(wǎng)絡，對CAN總線在嵌入式組合儀表的硬件實現(xiàn)進行研究。第二章 汽車網(wǎng)絡技術概述 電子技術的迅速發(fā)展并在汽車上的廣泛應用使得汽車電子化程度越來越高，特別是微機控制器進入汽車領域后，給汽車帶來了劃時代的變化。汽車電子設備的應用不斷增多的同時也導致了汽車布線越來越復雜，電氣設備運行可靠性降低，故障維修難度增大等問題。為了提高信號的利用率，大批數(shù)據(jù)信息能在不同的電子控制單元中共享，汽車綜合控制系統(tǒng)中大量的控制信號能實

22、時交換，人們選擇了網(wǎng)絡技術。2.1 汽車網(wǎng)絡技術的發(fā)展歷史從1980年起，汽車內(nèi)就開始安裝使用網(wǎng)絡，圖2-1所示為汽車網(wǎng)絡發(fā)展過程。 早期的汽車網(wǎng)絡中，通用網(wǎng)絡標準并未得到廣泛的認同和應用，汽車制造商通常利用自己制定的電路和通用異步收發(fā)器(DART)設備來實現(xiàn)簡單的串行通信。由于沒有統(tǒng)一標準，各汽車制造商都有一套獨立定義的接口規(guī)范和專門的供應商。這樣，供應商雖然縱向緊密地與汽車制造商合作，但卻缺乏與其他汽車制造商的橫向聯(lián)系，導致生產(chǎn)的同類產(chǎn)品不能兼容互換。采用標準化網(wǎng)絡技術以后，各供應商按照統(tǒng)一的標準生產(chǎn)零部件，提高了同類產(chǎn)品的兼容性和互換性。從而汽車制造商就可以委托任意一家合格的供應商開發(fā)符

23、合標準的模塊。國際著名汽車制造商和零部件供應商于1980年代就致力于汽車網(wǎng)絡技術的研究與應用，迄今為止已經(jīng)推出多種網(wǎng)絡標準，如J1850，VAN，CAN，ABUS等。在各種汽車網(wǎng)絡中，CAN以其獨特的設計，優(yōu)異的性能和極高的可靠性得到了最為廣泛的應用。2.2 汽車網(wǎng)絡技術的作用 目前汽車電子控制己經(jīng)從初期的“電子替代機械”階段過渡到“獨立”系統(tǒng)的精確量化反饋控制階段，并朝著“多目標綜合控制和智能化控制”的方向發(fā)展，即把整體上相關、功能上相對獨立而位置上分布安裝的電子系統(tǒng)或裝置組成一個協(xié)調(diào)控制的綜合系統(tǒng)。為了實現(xiàn)多目標的優(yōu)化控制，進一步全面提高汽車的整體性能，根據(jù)智能化的要求和綜合協(xié)調(diào)控制的特點

24、，綜合控制系統(tǒng)將更多地依賴系統(tǒng)內(nèi)、外部信息的獲取，這要求互相獨立的電子系統(tǒng)和裝置間進行數(shù)據(jù)交換和信息傳遞。因此，現(xiàn)代汽車采用網(wǎng)絡技術解決分布式控制是一種必然，使用汽車網(wǎng)絡不僅可以減少線束，而且能夠提高各控制系統(tǒng)的運行可靠性，減少冗余的傳感器及相應的軟硬件配置，實現(xiàn)各子系統(tǒng)之間的資源共享，便于集中實現(xiàn)各子系統(tǒng)的在線故障診斷。如圖2-1所示為汽車網(wǎng)絡的作用。2.3 汽車網(wǎng)絡技術的特點 汽車是應用環(huán)境很差的設備，所有的道路、電磁及氣候環(huán)境汽車都有可能遇到。根據(jù)汽車的這些使用要求和使用環(huán)境，汽車上的系統(tǒng)設計應當考慮到溫度、振動、電磁兼容、高可靠性等。車上網(wǎng)絡系統(tǒng)不但要滿足以上條件，還應當考慮下列因素：

25、 1、節(jié)點與總線的連接接頭的電氣與力學特性以及連接頭數(shù)量。 2、網(wǎng)絡系統(tǒng)和應用系統(tǒng)的評估與性能檢測方法。 3、容錯與故障恢復問題。 4、實時控制網(wǎng)絡的時間特性。 5、安裝與維護中的布線。 6、網(wǎng)絡節(jié)點的增加與軟硬件更新(可擴展性)。汽車網(wǎng)絡系統(tǒng)要求可靠、廉價、與應用系統(tǒng)一體化、線路簡單和實時性好等，其特點是范圍小、節(jié)點少，多數(shù)應用要求的傳輸速度不高。 圖2-1 汽車網(wǎng)絡技術的作用2.4 汽車網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)汽車網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)常見有星型、總線型和環(huán)型網(wǎng)絡如圖2-2所示。 1、星型拓撲星型拓撲中，每個站點通過點一一點連接到中央節(jié)點，任何兩站之間的通信都通過中央節(jié)點進行。星型拓撲采用電路交換，一個站點的

26、故障只會影響本站，而不會影響到全網(wǎng)。但是在這種結(jié)構(gòu)中，通信極大地依賴中央節(jié)點，對中央節(jié)點的可靠性和容量要求很高;另外每個站點都要同中央節(jié)點連接，耗費大量電纜。 圖2-2 網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu) 2、總線型拓撲 總線型拓撲采用單一信道作為傳輸介質(zhì)，所有站點通過相應硬件接口接至這個公共信道(總線)上，任何一個站點發(fā)送的信息，所有其他站都能接收。因此，總線型拓撲稱為多點式或廣播式。信息也是按組發(fā)送，達到各站點后，經(jīng)過地址識別(濾波)，符合的站點將信息復制下來。由于所有節(jié)點共享一條公共信道，當多點同時發(fā)送信號時，信號會相互碰撞而造成傳輸失敗，這種現(xiàn)象稱為沖突。為了避免沖突，每次只能由一個站點發(fā)送信號，因此，必須

27、有一種仲裁機制來決定每次由哪個站點使用信道，這是屬于數(shù)據(jù)鏈路層的任務?？偩€網(wǎng)中通常采用分布式的控制策略，如CSMA/ CD協(xié)議就是常用的規(guī)范。 總線拓撲的優(yōu)點是，所需電纜長度短，布線容易。缺點是系統(tǒng)范圍受到限制(由于數(shù)據(jù)速率和傳輸距離的相互制約關系)。一個站點的故障可能影響整個網(wǎng)絡，故障的檢測需要在各站點上進行。 3、環(huán)型拓撲 在環(huán)型拓撲中，站點和連接站點的點對點鏈路組成一個閉合環(huán)路，每個站點從一條鏈路上接收數(shù)據(jù)，然后以同樣的速率從另一條鏈路發(fā)送出去。鏈路大多數(shù)是單方向的，即數(shù)據(jù)沿一個方向在網(wǎng)上環(huán)行。 環(huán)型拓撲也同總線拓撲一樣，存在沖突問題，必須采用某種控制機制來決定每個站點在什么時候可以將數(shù)

28、據(jù)送到環(huán)上。環(huán)型網(wǎng)絡通常也采用分布式控制策略，這里主要包含一種特殊信息幀一一“令牌”。環(huán)型拓撲的優(yōu)點是，所需介質(zhì)長度較短；它的鏈路都是單方向性的，因而可以用光纖作為傳輸介質(zhì)。環(huán)型拓撲的缺點是，一個站點的故障會引起全網(wǎng)的故障。2.5 汽車網(wǎng)絡的類型汽車網(wǎng)絡技術從二十世紀八十年代提出以來，至今存在許多側(cè)重功能不同的汽車網(wǎng)絡標準，為方便研究和設計應用，二十世紀九十年代中期SAE(Society of Automotive Engineer)把車用網(wǎng)絡分為A，B，C，D，E等類型，其中，A類網(wǎng)為面向執(zhí)行器、傳感器的低速網(wǎng)絡，LIN，TTP/A為其主流協(xié)議；B類網(wǎng)為面向數(shù)據(jù)共享的中速網(wǎng)絡，其主流協(xié)議將是

29、CAN (ISO 11898-3)，SAE J1850，VAN等協(xié)議。C類網(wǎng)為面向?qū)崟r控制的高速網(wǎng)絡，其主流協(xié)議為高速CAN (IS-2)，TTP/C (Time-Triggered Protocol)，F(xiàn)lex Ray等協(xié)議；D類網(wǎng)主要面向多媒體、導航系統(tǒng)等。目前該類網(wǎng)絡的主流協(xié)議為：D2B(Domestic Digital Bus)、MOST(Media Oriented Systems Transport)；E類網(wǎng)是面向乘員安全系統(tǒng)的網(wǎng)絡，主要應用于車輛被動安全性領域，該類網(wǎng)絡的協(xié)議有Byteflighttlol等。如表2-1所示。表2-1 SAE的汽車網(wǎng)絡分類網(wǎng) 絡分 類 位傳輸速率

30、應用場合 A低速，小于10kbps應用于只需傳輸少量數(shù)據(jù)的場合，如控制行李箱的開啟和關閉 B中速, 10-125kbps應用于一般的信息傳輸場合，如儀表 C高速，125-1Mbps應用于實時控制的場合，如動力系統(tǒng) D高速，大于1Mbps應用于更嚴格的實時控制場合和多媒體控制 E高速，大于5Mbps應用于車輛被動安全性領域，如乘員的安全系統(tǒng)2.6 汽車網(wǎng)絡技術的發(fā)展趨勢 1、在汽車中應用迅速普及短短幾年內(nèi)，汽車網(wǎng)絡技術的發(fā)展速度令人瞳目結(jié)舌。從目前情況看，世界各大汽車公司的車身網(wǎng)絡控制和動力系統(tǒng)網(wǎng)絡控制技術平臺均己基本建立，在新推出的車型中，全面采用網(wǎng)絡控制技術己成為可能?？梢詳嘌?，近幾年內(nèi)網(wǎng)絡

31、技術在汽車中的應用將會迅速普及。 2、高速、實時、容錯的網(wǎng)絡控制技術線控概念(x-by-wire)是一種新的汽車工程概念，目前已有使用線控系統(tǒng)的概念車出現(xiàn)。x-by-wire技術在未來將是十分重要的技術，該技術極大改善了汽車的可操縱性、安全性、設計的靈活度及總體結(jié)構(gòu)。駕駛員和方向盤之間將沒有任何機械部分的連接，使用這種技術使汽車的操縱系統(tǒng)、制動系統(tǒng)及其它輔助系統(tǒng)能夠通過電子方式進行控制，這就是說，象汽車內(nèi)的剛性傳動件將會被基于網(wǎng)絡控制的各種傳感器、控制器和電液式電動執(zhí)行器所組成的線控系統(tǒng)取而代之。x-by-wire技術必將促進高速、實時、容錯網(wǎng)絡通信技術的發(fā)展。 3、豐富的軟件設計未來汽車將成

32、為軟件產(chǎn)品，此斷言可能是一種幻想，因為現(xiàn)在無法想象除了機械之外，還有什么能使汽車運動、關閉車窗和天窗、打開氣門或電動機。然而，這說明在未來的汽車中軟件主導硬件的趨勢是不可避免的，軟件在汽車設計中已無處不見，可以說未來汽車市場競爭的熱點之一就是軟件的競爭。 4、統(tǒng)一網(wǎng)絡協(xié)議目前在汽車行業(yè)中存在許多網(wǎng)絡通信協(xié)議，由于缺乏全世界統(tǒng)一的標準，實際上提高了汽車的制造成本。雖然建立一個統(tǒng)一的汽車網(wǎng)絡協(xié)議體系是一件十分復雜和困難的工作，但在汽車制造商和供應商之間已逐漸對這一問題達成一致：A類網(wǎng)絡使用LIN；B類網(wǎng)絡使用低速CAN；C類網(wǎng)絡使用高速CAN已作為事實上的統(tǒng)一標準；在采用x-by-wire技術的下

33、一代汽車中，TTP或者FIexRay協(xié)議將是一種必然的選擇?？梢灶A見，在不久的將來，各類網(wǎng)絡標準將被合并成為一個。若真的形成這種天下一統(tǒng)的局面，那么汽車及其相關工業(yè)將受益匪淺，從而大大加快汽車技術的發(fā)展。 第三章 汽車總線技術標準研究 據(jù)我們統(tǒng)計，可獲得的文獻中涉及的汽車總線技術標準有42種，其中分布式網(wǎng)絡部分列出的為汽車總線技術標準，表3-1中對這些技術標準的細節(jié)進行了比較。3.1 LIN總線3.1.1 LIN的技術特點LIN(Local Interconnect Network)是一種低成本的串行通訊網(wǎng)絡，用于實現(xiàn)汽車中的分布式電子系統(tǒng)控制。LIN的目標是為現(xiàn)有汽車網(wǎng)絡提供一種低速總線技術

34、標準，它能滿足CAN總線所不要求的帶寬和功能，比如傳感器和執(zhí)行器的通訊，使用LIN總線可大大節(jié)省成本。在使用LIN總線的網(wǎng)絡中，電控單元的集成是將汽車上分布的智能ECU連成一個局部網(wǎng)絡，如將門上的電動窗、集控門鎖、電動后視鏡連成一個局部網(wǎng)絡，然后再通過網(wǎng)關將這個網(wǎng)絡掛接到車輛的主體網(wǎng)絡中去。LIN的標準簡化了現(xiàn)有的基于多路解決方案的低端SCI，同時降低了汽車電子裝置的開發(fā)、生產(chǎn)和服務費用。LIN的開發(fā)應用速度很快，這是因為其開發(fā)環(huán)境簡單，可以利用C或者C+進行編程，系統(tǒng)連接也不繁瑣，且網(wǎng)絡性能優(yōu)良，穩(wěn)定性好。LIN技術規(guī)范中，除定義了基本協(xié)議和物理層外，還定義了開發(fā)工具和應用軟件接口。因此，從

35、硬件、軟件以及電磁兼容性方面來看，LIN保證了網(wǎng)絡節(jié)點的互換性。這極大地提高了開發(fā)速度，同時保證了網(wǎng)絡的可靠性。LIN采用低成本的單線連接，傳輸速度最高可達20Kb/s，對于低端的大多數(shù)應用對象來說，這個速度是可以接受的。LIN通訊是基于SCI(UART)數(shù)據(jù)格式，它的媒體訪問采用單主控制器/多從設備的模式，不需要進行仲裁，同時在從節(jié)點中不需要晶體振蕩器而能進行自同步，這極大地降低了硬件平臺的成本。3.1.2 LIN的參考模型LIN僅包括OSI參考模型中的最低兩層，即數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。數(shù)據(jù)鏈路層又分為兩個子層：邏輯鏈路子層和介質(zhì)訪問子層。LIN在邏輯鏈路子層中完成接收濾波、通訊恢復管理、時基

36、同步、信息有效性管理的任務；在介質(zhì)訪問子層中完成對數(shù)據(jù)的封裝和拆裝、錯誤的監(jiān)測和標記、串并行轉(zhuǎn)換的功能。物理層完成通過、位定時以及總線驅(qū)動的功能。 根據(jù)OSI參考模型的LIN分層結(jié)構(gòu)在圖3-1中顯示。1、物理層定義了信號如何在總線媒體上傳輸，并且定義了物理層的驅(qū)動器接收器特性。表3-1 主要汽車總線技術標準的比較 協(xié)議制定者應用 傳輸 介質(zhì)介質(zhì)訪問方式錯誤檢測方法數(shù)據(jù)段長度最高傳輸速率ABUS大眾控制單根線爭用比特校驗16位500kb/sACP福特音頻雙絞線CSMA/CA校驗和64位9.6kb/sAUTOLIN控制雙絞線主/從循環(huán)冗余校驗0-644Mb/sBEAN豐田控制單根線帶沖突檢測的載波

37、偵聽多路訪問循環(huán)冗余校驗8-8810kb/sCAN博世控制雙絞線爭用循環(huán)冗余校驗0-644Mb/s CCD 克 萊 斯 勒傳感器多路復用雙絞線CSMA/CR循環(huán)冗余校驗不限7.8kb/s CSC 克 萊 斯 勒傳感器多路復用雙絞線查詢/尋址循環(huán)冗余校驗1位1kb/s D2B光芯片協(xié)會音頻/視頻光纖爭用不祥不祥12Mb/s DAN阿爾法羅密歐儀表盤雙絞線主/從循環(huán)冗余校驗8位9.6kb/s DSI摩托羅 拉傳感器多路復用雙根線主/從循環(huán)冗余校驗16位5kb/sIVMS日產(chǎn)控制雙絞線查詢奇偶校驗16位27.8kb/sJ1850PWMSAE控制雙根線CSMA/CR循環(huán)冗余校驗8-6441.6kb/s

38、J1850VPW SAE控制單根線CSMA/CD循環(huán)冗余校驗8-6410.4kb/sJ1939 SAE控制雙絞線爭用循環(huán)冗余校驗0-641Mb/sMML德福爾多媒體光纖主/從不祥2048110Mb/sMOSTOasis多媒體光纖不祥不祥不祥25Mb/sPALMNET馬自達控制雙絞線爭用循環(huán)冗余校驗32/641Mb/sTTPTT技術實時控制雙通線時分多路訪問循環(huán)冗余校驗1282/4LINLIN協(xié)會傳感器單根線主從校驗和820kb/sVAN雷諾&標致控制雙絞線爭用循環(huán)冗余校驗0-64250kb/s 2、MAC媒體訪問控制子層是LIN協(xié)議的核心，它管理從LLC子層接收到的消息也管理發(fā)送到LLC子層的

39、消息，MAC子層由故障界定這個管理實體監(jiān)控。3、LLC邏輯鏈路控制子層涉及消息濾波和恢復管理的功能。 數(shù)據(jù)鏈路層邏輯連爐子層接收濾波恢復管理時基同步消息有效性媒體訪問控制子層數(shù)據(jù)封裝/拆裝錯誤檢測出錯標定串行化/解除串行化 物理層位定時位同步驅(qū)動器/接收器同步 系統(tǒng)同步 故障界定 總線故障管理 圖3-1 LIN的OSI參照模型3.1.3 LIN的主要特點 1、單主多從，配置靈活的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu) LIN網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)為總線型，網(wǎng)絡中只有一個主節(jié)點，其余均為從節(jié)點。主節(jié)點控制整個網(wǎng)絡的通信，網(wǎng)絡中不存在沖突，不需要仲裁。整個網(wǎng)絡的配置信息只保護在主節(jié)點中，從節(jié)點可以自由的接入或脫離網(wǎng)絡而不會對網(wǎng)絡中的其

40、他節(jié)點產(chǎn)生任何影響。網(wǎng)絡中的節(jié)點數(shù)不僅受標識符場長度的限制，而且還受總線物理特性的限制。實際應用中LIN網(wǎng)絡中掛接的節(jié)點數(shù)不高于12個。 2、單線傳輸，速率最高達20kbps LIN單線傳輸最大距離不超過40m，最大波特率受EMI的限制最高達20kbit/s，受網(wǎng)絡傳輸?shù)某瑫r限制，最小為1 kbit/s。這一速度能滿足多數(shù)智能傳感器和執(zhí)行器的通信要求。 3、可保證的信號傳輸最大延遲 通訊時不會產(chǎn)生沖突，無需仲裁，故網(wǎng)絡的最大傳輸延時能通過計算準確得出，從而為可靠通訊提供保障。 4、從節(jié)點的時鐘同步不需要內(nèi)部石英或陶瓷振蕩器 由于通訊速率不是很高，網(wǎng)絡中從節(jié)點可以利用主節(jié)點發(fā)出的同步場進行同步而

41、不需要從節(jié)點內(nèi)的石英或陶瓷振蕩器。5、低成本的硬件接口 低成本及使用最為普遍的硬件接口是LIN最初開發(fā)的主要目標之一。LIN的物理層采用普遍的SCI/UART標準硬件接口，并通過總線收發(fā)器連接至LIN網(wǎng)絡。由于大多數(shù)單片機中都含有SCI接口，因此網(wǎng)絡中的從節(jié)點可以由廉價的單片機來開發(fā)，這樣就降低了整個網(wǎng)絡的成本。6、可變長度的信息幀 LIN信息幀中的數(shù)據(jù)場長度可變，可以選擇為2、4、8個字節(jié)。7、故障檢測 LIN網(wǎng)絡中的節(jié)點具有區(qū)分短暫干擾和永久故障的能力。睡眠和喚醒網(wǎng)絡空閑時，主節(jié)點發(fā)出睡眠命令使整個網(wǎng)絡進入睡眠。睡眠命令只能由主節(jié)點發(fā)出，網(wǎng)絡中任何的一個節(jié)點都可以發(fā)出喚醒信號來喚醒整個網(wǎng)絡

42、。3.1.4 LIN的通訊機制及幀結(jié)構(gòu)LIN網(wǎng)絡中每個節(jié)點都含有一個稱為Slave task的模塊，Slave task又分為發(fā)送和接收兩個任務模塊，此外主節(jié)點中還包含一個master task模塊，如圖3-2所示。 主節(jié)點 Master task Slave task 從節(jié)點 Slave task 從節(jié)點 Slave task LIN BUS 圖3-2 LIN的通訊機制 LIN網(wǎng)絡中的所有通訊都是由master task來發(fā)起的。Master task發(fā)出幀頭來啟動網(wǎng)絡中的通信，幀頭包括3部分：同步間隙、同步場和信息標識符。所有節(jié)點的slave task(包括主節(jié)點)都接收響應，而由用戶程序

43、最終決定信息是否有用。針對每一個標識符只有一個節(jié)點發(fā)出響應。信息標識符標識信息的內(nèi)容不是目的地址，這一特點使得網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)交換能以多種方式進行：主節(jié)點既可以與每一個節(jié)點進行單獨的通信(上載和下載數(shù)據(jù))，也可以進行網(wǎng)絡廣播，從節(jié)點與從節(jié)點間的通信可直接進行，而不需要通過主節(jié)點進行數(shù)據(jù)交換。消息傳輸是由消息幀的格式形成和控制，消息幀由master task向slave task傳送同步和標識符信息，并將一個slave task的信息傳送到所有其他slave task。Master task位于主機節(jié)點內(nèi)部，它負責消息的進度表、發(fā)送消息頭。Slave task位于所有的(即主機和從機)節(jié)點中，其中一

44、個(主機節(jié)點或從機節(jié)點)發(fā)送消息的響應。一個消息幀由一個主機節(jié)點發(fā)送的消息頭和一個主機或從機節(jié)點發(fā)送的響應組成(如圖3-3所示)。幀的消息頭包括一個同步間隔場(Synch Break Field)、一個同步場( Synch Field)、和一個標識符場。消息幀的響應則由3個到9個字節(jié)場組成：2、4或8字節(jié)的數(shù)據(jù)場(Data Field)和一個校驗和場(Checksum Field)。字節(jié)場由字節(jié)間空間分隔，消息幀的消息頭和響應是由一個幀內(nèi)響應空間分隔)最小的字節(jié)間空間和幀內(nèi)響應空間是0。圖3-3 LIN的消息結(jié)構(gòu) 幀頭由主節(jié)點中的master task發(fā)出，用于從節(jié)點的同步和信息標識。同步場由

45、5個下降沿構(gòu)成；標識符場為一個字節(jié)，其中03位為信息類別標識，45位為信息長度標識，67位為奇偶校驗。響應由Slave task發(fā)出，由可變長度的數(shù)據(jù)場和校驗場構(gòu)成。幀頭與響應間以及幀內(nèi)部均有間隙，間隔的大小沒有具體規(guī)定，但要符合信息幀的最大長度要求。LIN協(xié)議1.2版本中有些標識符用于特殊的用途，包括命令幀標識符和擴展幀標識符。命令幀分為請求幀和響應幀，ox3D為響應幀的標識符，用于主節(jié)點從節(jié)點上載數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)場中的第一個字節(jié)值在0x000x7F之間的命令幀由LIN協(xié)會保留，其中0x00為睡眠命令。擴展幀標識符0xFE用于標識用戶自定義幀格式，0xBF由LIN協(xié)會保留用作幀的擴展。目前對于0x

46、FE、0xBF為標識符的幀，幀長度、數(shù)據(jù)內(nèi)容以及通訊方式(如多主通信)沒有明確定義，即響應可以為任意長度。Slave task在接收到擴展標識符時，若數(shù)據(jù)內(nèi)容對其沒用，則忽略后續(xù)數(shù)據(jù)場，直接接收到下一個同步間隔。擴展幀格式如圖3-4所示。3.1.5 LIN的優(yōu)勢LIN是一低速總線技術標準，和同類的技術標準相比，LIN具有下面的優(yōu)勢： 圖3-4 LIN擴展幀格式 1、標準化的接口，器件具有良好的可替換性 LIN協(xié)會成立于2000年，是由汽車制造商奧迪(Audi)公司、寶馬(BMW)公司、戴姆勒克萊斯勒(Daimler Chrysler)公司、沃爾沃(Volvo)汽車公司、大眾(Volkswage

47、n)汽車公司、通信領域的專業(yè)廠商火山通信技術(VCT-Volcano Communications Technologies)公司以及半導體生產(chǎn)商摩托羅拉(Motorola)公司共同創(chuàng)建的。協(xié)會的成立宗旨就是制定高度標準化的汽車A類網(wǎng)絡總線技術標準，LIN通訊基于SCI(UART)數(shù)據(jù)格式，符合LIN規(guī)范的器件具有良好的可替換性。 2、節(jié)點成本低 由于物理層采用普遍的SCI/UART標準硬件接口，并通過總線收發(fā)器連接至LIN網(wǎng)絡。而大多數(shù)單片機中都內(nèi)建有SCI接口，因此網(wǎng)絡中的從節(jié)點可以由廉價的單片機來開發(fā)，這樣就降低了節(jié)點成本。另外，由于不需要從節(jié)點內(nèi)的石英或陶瓷振蕩器，也可進一步降低成本。

48、 3、主從方式通訊，無需仲裁，傳輸延遲可估計 由于所有通訊都由子網(wǎng)上唯一的主節(jié)點啟動，因此通訊時不會產(chǎn)生沖突，無需仲裁，同時網(wǎng)絡的最大傳輸延時能通過計算準確得出。 4、成熟的開發(fā)環(huán)境和良好的軟硬件支持 Motorola和VCT的參與使LIN具有非常成熟的開發(fā)環(huán)境和良好的軟硬件支持。 5、高可靠性的通訊 LIN規(guī)范中定義了詳細的處理異常的方式，同時LIN本身通訊速率不高，能夠很容易保證高可靠性的通訊。3.2 CAN總線CAN總線是控制器網(wǎng)絡事實上的工業(yè)標準，為絕大多數(shù)的汽車制造商采用。這一地位的取得主要是由于CAN得天獨厚的技術優(yōu)勢。3.2.1 CAN的技術特點 控制器局域網(wǎng)協(xié)議CAN是德國博世

49、公司開發(fā)的一套串行總線通訊協(xié)議，特別適用于智能設備之間的互聯(lián)來構(gòu)成智能系統(tǒng)或子系統(tǒng)。CAN是一種基于廣播通訊機制的協(xié)議，這種機制通過使用一種面向消息的傳輸協(xié)議來實現(xiàn)，在這種協(xié)議下，不定義具體的站點和站點地址，只定義消息。而通過消息標識符來區(qū)別不同的消息。這種消息標識符在整個網(wǎng)絡中是唯一的，它不但定義了消息的內(nèi)容，也定義了消息的優(yōu)先級。優(yōu)先級在多節(jié)點爭用總線式將決定哪個節(jié)點獲得總線的控制。由于使用了這種面向內(nèi)容的編址方式，基于CAN的系統(tǒng)往往在組成合配置上具有較高的適應性。這體現(xiàn)在，很容易向一個CAN網(wǎng)絡中添加一個節(jié)點，當這一節(jié)點僅作為接收者時甚至不需要對已有的節(jié)點的軟硬件做任何的改動。這使得可

50、以在CAN系統(tǒng)中實現(xiàn)標準模塊的概念，也使得可以在CAN系統(tǒng)中容易的實現(xiàn)分布式過程的多接收和同步：數(shù)個節(jié)點都需要的信息可以一次就實現(xiàn)傳輸，這種方式下，不需要讓每個節(jié)點知道數(shù)據(jù)的產(chǎn)生者是誰。由于數(shù)據(jù)傳輸不依靠特定類型的節(jié)點，很容易實現(xiàn)CAN網(wǎng)絡的升級。3.2.2 CAN的參考模型 CAN遵循ISO/OSI標準模型，定義了OSI模型的數(shù)據(jù)鏈路層(包括邏輯鏈路控制子層LLC和媒體訪問子層MAC)和物理層。圖3-5所示為CAN的分層體系結(jié)構(gòu)。LLC子層和MAC子層的運作被一個叫做“錯誤界定實體(FCE)”的管理實體監(jiān)控著。錯誤界定是一種能區(qū)分短期干擾和永久性故障的自校驗機制物理層可由一種檢測并管理物理介

51、質(zhì)故障(比如總線短路或中斷，總線故障管理)的實體來監(jiān)控。其中MAC(媒體訪問控制子層)是其核心層。MAC子層可分為完全獨立工作的兩個部分，即發(fā)送部分和接收部分，其功能如圖3-6所示：這兩部分的具體功能列于表3-2。物理層是實現(xiàn)ECU與總線相連的電路。ECU的總數(shù)取決于總線的電力負載。這里所說的物理層專用于高速場合(高達1兆比特/秒)。CAN能夠使用多種物理介質(zhì)，例如雙絞線、光纖等。最常用的就是雙絞線，信號使用差分電壓傳送，兩條信號線被稱為CAN_H和CAN_L。靜態(tài)時均是2.5V左右，此時狀態(tài)表示為邏輯“1”，也可以叫做隱性。用CAN_H比CAN_L高表示邏輯“0”，稱為顯性，此時通常電壓值為

52、CAN_H=3.5V和CAN_L=1.5V。3.2.3 CAN的主要特點CAN總線的最大特點是，任一節(jié)點所發(fā)送的數(shù)據(jù)信息不包括發(fā)送節(jié)點或接收節(jié)點的物理地址。信息的內(nèi)容通過一個標識符(ID)作上標記，在整個網(wǎng)絡中，該標識符是唯一的。網(wǎng)絡上的其他節(jié)點收到信息后，每一節(jié)點都對這個標識符進行檢測，圖3-5 CAN的分層結(jié)構(gòu)和功能 圖3-6 CAN的媒體訪問控制子層（MAC）的功能表3-2 CAN的媒體訪問控制子層的功能 發(fā)送功能 接收功能發(fā)送數(shù)據(jù)封裝接收LLC幀并接口信息接收數(shù)據(jù)封裝由接收幀中去除MAC特定信息CRC循環(huán)計算通過向LLC附加SOF，RTR，保留位，CRC，ACK和EOF構(gòu)造MAC幀輸出

53、LLC幀和接口控制信息LLC子層發(fā)送媒體方位管理確認總線先后，開始發(fā)送過程接收媒體訪問管理由物理層接收串行位流MAC串行化解除串行結(jié)構(gòu)并重新構(gòu)筑幀結(jié)構(gòu)插入填充位（位填充）檢測填充位（解除位填充）在丟失仲裁情況，推出仲裁并轉(zhuǎn)入接收方式錯誤檢測（CRC，格式校驗，填充，規(guī)則校驗）錯誤檢測（監(jiān)視，格式校驗）發(fā)送應答應答校驗構(gòu)造錯誤幀并開始發(fā)送確認超載條件確認超載條件構(gòu)造超載并開始發(fā)送重新激活超載幀結(jié)構(gòu)并開始發(fā)送構(gòu)造出錯幀并開始發(fā)送輸出串行位流至物理層準備發(fā)送 以判斷此信息是否與自己有關。若是相關信息，則它將得到處理；否則被忽略。這一方式稱為“多主”方式。采用“多主”方式的優(yōu)點是可使網(wǎng)絡內(nèi)的節(jié)點數(shù)在理

54、論上不受限制(實際上受限于電器負載)，也可以使不同的節(jié)點同時接收到相同的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)字段最多為8字節(jié)，既能滿足一般要求，又一可保證通信的實時性。標識符還決定了信息的優(yōu)先權(quán)。ID值越小，其優(yōu)先權(quán)越高。CAN總線確保發(fā)送具有最高優(yōu)先權(quán)信息的節(jié)點獲得總線使用權(quán)，而其他的節(jié)點自動停止發(fā)送。總線空閑后，這些節(jié)點將自動重新發(fā)送信息。CAN采用帶有沖突檢測的載波偵聽多路訪問方法，它能通過無破壞性仲裁解決沖突。CAN總線上的數(shù)據(jù)采用非歸零編碼(NRZ)，數(shù)據(jù)位可以具有兩種互補的邏輯值，即“顯性”和“隱性”?！帮@性”電平用邏輯“0”表示，“隱性”電平用邏輯“1”表示?？偩€按照“線與”機制對總線上任一潛在的沖突進行仲裁，“顯性”電平覆蓋“隱性”電平。CAN總線通常采用屏蔽或非屏蔽的雙絞線，總線接口能在極其惡劣的環(huán)境下工作。根據(jù)ISO11