汽车网络技术,沈阳大学 凌永成,配 套 教 材 信 息,教材名称：汽车网络技术 教材主编：凌永成 教材定价：35RMB 出版社：清华大学出版社 出版时间：2012年3月 国际标准书号（ISBN ）： 978-7-302-28149-8 教材所属系列： 普通高等院校汽车工程类规划教材,第3章 光学总线,3.1光学总线的信息传输,3.1.1光学传输简介,1.信号的光学传输,与传统的电传输信号不同，光学传输是利用光来传输信号的，两者的区别如图3-1所示。,图3-1 光传输与电传输的区别,图3-2 光信号通过光导纤维（光缆）传输,2.光学传输的优点,导线少且重量轻； 传输速度快； 不会产生电磁干扰，同时对电磁干扰也不敏感。,3.1.2光学传输的系统结构,1.光学传输的控制单元,在光学总线中，每一个总线用户（收音机、CD唱机、视频导航仪等）都有一个光学传输控制单元，用于实现光学传输的信号调制、解调和控制。,光学传输控制单元由内部供电装置、收发单元光导发射器（FOT）、光波收发器、标准微控制器（CPU）、专用部件等组成。,图3-3 光学传输控制单元,1）光导插头,收发单元光导发射器（FOT）由一个光电二极管和一个发光二极管构成（图3-4）。,2）电气插头,3）内部供电装置,4）收发单元光导发射器,如图3-5所示，光学传输中使用的光波波长为650 nm，是可见红光。,图3-4 光导发射器（FOT）,图3-5 波长650 nm 的可见红光,5）光波收发器,6）标准微控制器,7）专用部件,2.光电二极管,光电二极管是利用光电效应原理将光波转换成电压信号的。如图3-6所示，光电二极管内有一个P-N结，入射光可以照射到这个P-N结上。在P型层上有一个正极触点（滑环），N型层与金属底板（负极）相连。,图3-6 光电二极管的结构示意图,如果入射光或红外线照射到P-N结上，P-N结内就会产生自由电子和空穴，从而形成穿越P-N结的电流。照射到光电二极管上的入射光越强，流过光电二极管的电流就越大。这个现象称为光电效应。,图3-7 光电效应原理,3.光导纤维,1）光导纤维的作用和相关要求,作为光波的传输介质，光导纤维（亦称光缆）的作用是将在某一控制单元发射器内产生的光波传送到另一控制单元的接收器。,2）光导纤维的结构,如图3-9和图3-10所示，光导纤维由几层构成。纤芯是光导纤维的核心部分，是光波的传输介质，也可以称之为光波导线。纤芯一般用有机玻璃或塑料制成，纤芯内的光波根据全反射原理几乎无损失地传输。,图3-8 光导纤维的作用是传输光波,图3-9 光导纤维的结构,图3-10 光导纤维各部分的尺寸,3）光波在光导纤维中的传输,在直的光导纤维中，光波是按全反射原理在纤芯表面以Z字形曲线传输的。,4）专用插头,为了能将光导纤维连接到控制单元上，在光学传输系统中使用了一种专用插头。插座本体上有一个信号方向箭头，表示光波传输方向（通向接收器）。,图3-14 光学传输系统的专用插头,5）光纤端面,为了能使光波传输过程中的损失尽可能小，光导纤维的端面应光滑、垂直、洁净（图3-15）。因此，使用了一种专用的切削工具。切削面上的污垢和刮痕会加大光波的传输损失（衰减）。,图3-15 光导纤维的端面,3.2 MOST总线,3.2.1 MOST的定义与应用,1. MOST的定义,MOST是Media Oriented Systems Transport的缩写。顾名思义， MOST是一种用于多媒体数据传输的网络系统。,2. MOST的应用,MOST系统可连接汽车音响系统、视频导航系统、车载电视、高保真音频放大器、车载电话、多碟CD播放器等模块，其数据传输速率最高可达22.5Mbit/s，而且没有电磁干扰。,图3-17 AUDI A8汽车的信息及娱乐（Information and Entertainment）多媒体系统,图3-18 BMW车系F01/F02车型的MOST多媒体影音娱乐系统 TOP HIFI顶级高保真音响放大器；CIC车辆信息计算机； DVDDVD换碟机；KOMBI组合仪表；RSE后座区娱乐系统； SDARS卫星收音机调谐器；TCU远程通信系统控制单元； ULF-SBX接口盒；VM视频模块；ZGM中央网关模块,3. MOST的传输速率,图3-19 多媒体的数据传输速率,图3-20 带有立体声的数字式电视系统,车载多媒体影音娱乐系统对数据传输速率要求很高。仅仅是带有立体声的数字式电视系统，就需要约6 Mbit/s的传输速度。,在车载多媒体影音娱乐系统中，海量的视频和音频数据是由MOST总线来传输的，而CAN总线只能用来传输控制信号（图3-21）。,图3-21 CAN总线在车载数字电视系统中用来传输控制信号,3.2.2 MOST的组成与系统状态,1. MOST的拓扑结构,MOST总线系统采用环形拓扑结构。控制单元通过光导纤维沿环形方向将数据发送到下一个控制单元。这个过程一直在持续进行，直至首先发出数据的控制单元又接收到这些数据为止。可以通过数据总线自诊断接口和诊断CAN总线来对MOST系统进行故障诊断。,图3-22 MOST系统采用环形拓扑结构,图1-42 BMW E60车系全车网络系统构成,在MOST总线中，每个终端设备（节点、控制单元）在一个具有环形结构的网络中通过光导纤维环相互连接。,图3-23 音频、视频数据信息在MOST环形总线上循环 R接收器；T发射器,各个控制单元之间的连接通过一个数据只沿一个方向传输的环形总线实现。也就是说，一个控制单元拥有两根光导纤维，一根光导纤维用于发射器，一根光导纤维用于接收器。,在 MOST 控制单元中进行纯粹的光导纤维连接。对于所有MOST插头而言，2 芯光导纤维插头（图3-24）的结构是一样的。光导纤维线脚 Pin 1 始终用于输入，光导纤维线脚 Pin 2始终用于转发，其上由箭头符号。,图3-24 2 芯光导纤维插头,2. MOST系统管理器,MOST系统管理器与诊断管理器共同负责MOST总线内的系统管理。,（1）控制系统状态； （2）发送MOST总线信息； （3）管理传输容量。,系统管理器的作用如下：,3. MOST总线系统状态,1）休眠模式,处于休眠模式时，MOST总线内没有数据交换，静态电流降至最小值，系统处于待命状态，只能由系统管理器发出的光波启动脉冲来激活。,图3-25 处于休眠模式下的MOST系统,2）备用模式,MOST总线系统处于备用模式时，无法为用户提供任何服务，但这时MOST总线系统仍在后台运行。,图3-26 处于备用模式下的MOST总线系统,3）通电工作模式,MOST总线系统处于通电工作模式时，控制单元完全接通，MOST总线上有数据交换，用户可使用影音娱乐、通信、导航等所有功能。,图3-27 处于通电工作模式下的MOST系统,3.2.3 MOST的数据传输,1.信息帧,1）脉冲频率,MOST系统管理器以44.1KHz的脉冲频率向环形总线上的下一个控制单元发送信息帧（Frames)。由于使用了固定的时间光栅和脉冲频率，MOST系统允许传递同步数据。,2）信息帧的结构,在MOST系统中，一个信息帧的大小为64字节（1个字节为8bit，可分成以下几部分。,图3-28 MOST信息帧的结构,（1）起始区。,（2）分界区。,（3）数据区。,（4）校验字节。,两个校验字节传送发射器/接收器地址（标识符）和接收器的控制指令（如放大器音量增大或音量减小）信息。,（5）状态区。,信息帧的状态区包含用于给接收器发送信息帧的信息。,（6）奇偶校验区。,奇偶校验区用于最后检查数据的完整性，该区的内容将决定是否需要重复一次发送过程。,2.MOST总线的工作过程,1）系统启动（唤醒）,图3-35 伺服光波的传输过程,图3-36 主光波,图3-37 唤醒过程结束（开始数据传输）,2）同步数据的传输,在MOST系统中，音频和视频信息是作为同步数据传输的。为便于理解，下面以AUDI A8 03年型汽车播放音乐CD为例来进行说明。,图3-38 同步数据（音频和视频信息）的传输过程,同步传输的数据管理如图3-39所示，前部信息控制单元 J523用带有以下校验数据的信息组：,图3-39 同步传输的数据管理,3）异步数据的传输,在MOST系统中，导航系统的地图显示、导航计算、互联网网页和E-Mail等图片、文本信息是作为异步数据传输的。,异步数据源是以不规则的时间间隔来发送这些数据的。为此，每个数据源将其异步数据存储到缓冲寄存器内。然后数据源开始等待，直至接收到带有接收器地址的信息组。,3.2.4 MOST的诊断,1.诊断管理器,除系统管理器外，MOST总线还有一个诊断管理器。,图3-41 诊断管理器,诊断管理器执行环路断开诊断，并将MOST总线上的控制单元诊断数据传给诊断控制单元。在Audi A8 03年型汽车上，数据总线诊断接口J533就是执行自诊断功能的。,2.系统故障,如果在MOST总线上发生数据传输中断，就无法完成正常的数据传输任务。由于MOST总线是环形结构，因此将这种数据传输中断称为环路断开，亦即总线断路。,诊断管理器的故障存储器中存有故障信息“光纤数据总线断路”。,3.环路断开诊断,1）诊断导线与询问脉冲,为准确判断出发生环路断开的具体位置，需要使用诊断导线来进行环路断开诊断。,诊断导线通过中央导线连接器与MOST总线上的各个控制单元相连。,图3-42 诊断导线与MOST总线上的各个控制单元相连,2）应答的内容,环路断开诊断开始后，MOST总线上的各个控制单元发送以下两种信息：,（1）控制单元电气方面是否正常本控制单元电气功能是否正常（如电源供电是否正常）；,（2）控制单元光学方面是否正常本控制单元的光电二极管是否能够接收到环形总线上位于其前面的控制单元发出的光波信号。,诊断管理器通过这些信息就可识别出：,（1）MOST总线系统是否有电气故障（供电故障）以及是哪个控制单元出现了电气故障；,（2）MOST总线系统中哪两个控制单元之间的数据传输中断了，亦即是哪两个控制单元之间的光导纤维发生了断路。,3）故障的确认,可利用备用的控制单元VAS6186来替换可疑控制单元，然后观察MOST系统是否恢复正常。若替换后，系统恢复正常，则可确认，故障确系可疑控制单元损坏所致。,图3-43 用备用的控制单元VAS6186替换可疑控制单元,图3-44 备用的控制单元VAS6186,4.信号衰减幅度增大的诊断,诊断管理器还有信号衰减幅度增大的诊断功能，即通过监测MOST系统传输光波功率的降低来判断光学系统在信号传输过程中是否存在信号衰减幅度过大的故障。,图3-45 信号衰减幅度增大的诊断,3.3 byteflight总线,3.3.1 byteflight简介,1.byteflight的功能与发展,byteflight 系统是由 BMW 与 Motorola、Elmos、Infineon 合作开发的，主要用于传输时间上要求特别紧迫的安全气囊系统数据。,byteflight系统的数据传输速率为10Mbit/s，可以满足对数据传输的实时性要求非常高的汽车安全气囊系统的要求，且可在强电磁干扰条件下可靠地传输数据。,byteflight在ISIS（智能安全集成系统）和 ASE （高级安全电子设备）中使用。这两个安全系统负责控制安全气囊、安全带拉紧装置和断开安全蓄电池接线柱。,2.byteflight总线的拓扑结构,BMW车辆使用byteflight将用于控制安全气囊系统、乘员保护系统和安全蓄电池接线柱的控制单元联网。,数据传输介质是塑料光导纤维，光导纤维通过光波脉冲传输数据。因此，更不易于受到外部干扰。数据传输速率为10 Mbit/s。,传输介质为一根光导纤维，且可朝两个方向双向传输数据。控制单元以时间和事件触发方式进行通信。既能以同步方式传输数据，也能以异步方式传输数据。,图3-50 byteflight系统采用星形拓扑结构,3.3.2 byteflight系统的数据传输,1.byteflight的数据结构,同CAN总线一样，数据也通过数据电码