,汽车底盘及车身电控系统维修,第10章 车载网络技术,10.1 概述 车载网络是指汽车上多个处理器之间相互连接、协调工作并共享信息所构成的汽车车载计算机网络系统。 10.1.1 车载网络技术简介 1.车载网络技术的发展背景 自上世纪50年代汽车技术与电子技术开始融合以来，电子技术在汽车上的应用范围越来越大，特别是随着集成电路、大规模集成电路和超大规模集成电路的发展，为汽车提供功能大、速度快、性能可靠的汽车电控系统称为现实。电控系统提高了汽车的动力性、燃油经济性、安全性和舒适性。但随着电子技术的应用，汽车控制单元的数量不断增多，造成相应的传感器、执行器的数目不断增加，使汽车电路越来越复杂。汽车电路数量的增加，会造成汽车的布线十分复杂，一方面占用汽车空间，使得在有限的汽车空间内布线越来越,困难，另一方面也限制了功能的扩展。复杂电路也降低了汽车的可靠性，一旦汽车线束中出了问题，查找故障也很麻烦，增加了维修的难度。据统计，导线质量在汽车上可占整车质量的4%，导线质量每增加50 kg，汽车油耗每百公里会增加0.2 L。 为解决上述问题，现代汽车广泛采用车载网络技术，将过去一线一用的专线制改为一线多用制。车载网络技术在一条数据线上传递的信号，可以被多个系统共享，从而最大限度地提高系统的整体效率，充分利用有限的资源，减少汽车上电线的数目，缩小线束的直径，车载网络技术将计算机技术融入整个汽车系统之中，加速汽车智能化的发展。,汽车传统的信息传递方式是每项信息需独立的数据线完成，有几个信号就要有几条信号传输线。例如宝来汽车发动机电控单元J220与自动变速器电控单元J217之间就需要5条信号传输线，如图10-1所示。,图10-1 传统信号传递方式,如果需要传递的信号多，就需要更多的信号传输线，而采用车载网络技术，只需要1根或2根传输线即可，如图10-2所示。,图10-2 数字总线信号传递方式,2.国内外车载网络技术的发展简史 20世纪80年代末，BOSCH公司和英特尔公司研制了专门用于汽车电气系统的总线控制器局域网（Controller Area Network）规范，简称CAN。 20世纪90年代，由于集成电路技术和电子器件制造技术的迅速发展，用单片机作为总线的接口端，采用总线技术的价格逐步降低，总线技术进入了实用化阶段。 随着汽车电子技术的发展，欧洲提出了控制系统的新协议TTP（Time Triggered Protocol）。 随着汽车信息系统对网络传输信息量要求的不断提高，多媒体系统总线协议标准（如D2B协议和MOST协议）应运而生。 车载网络技术已运用到奔驰、宝马、大众、通用、丰田、本田等公司生产的汽车上，同时相关单位也对车载网络技术传输制订了如表10-1所示的标准。,表10-1 主要车载网络的基本情况,10.1.2 车载网络基础知识 1.局域网 局域网是在一个有限区域内连接的计算机网络，通过该网络实现系统内的资源共享和信息通信。连接到网络上的节点可以是计算机、基于微处理器的应用系统或控制装置。车载网络作为一种局域网，其数据传输速度一般在105 Kb/s范围内，传输距离在250 m范围内。,2.数据总线 数据总线是指模块间运行数据的通道，即所谓的信息高速公路，如图10-3所示。如果模块可以发送和接收数据，则这样的数据总线就称为双向数据总线，汽车上的信息高速公路实际上是一条或两条导线。,图10-3 数据总线,为了对抗电子干扰，双线制数据总线的两条线是绞在一起的，如图10-4所示。各汽车制造商一直在设计各自的数据总线，如果不兼容，就称为专用数据总线；如果是按照某种国际标准设计的，就是非专用的，但基本上都是专用的数据总线。,图10-4 双绞线,3.模块/节点 模块/节点是一种电子装置，如温度、压力传感器。传感器是一个模块装置，根据温度和压力的不同将产生不同的电压信号，这些电压信号在数字装置的输入接口被转变成数字信号，在计算机多路传输系统中的控制单元模块被称为节点。 4.局域网的拓扑结构 所谓拓扑结构，就是网络的物理连接方式。局域网的常用拓扑结构有三种：星型、环型、总线型。局域网多用总线型方式，总线型网络即所有入网计算机通过分接头接入到一条载波传输线上，信道利用率较高，但同一时刻只能有两处网络节点在相互通信，网络延伸距离有限，网络容纳节点数有限，适用于传输距离较短、地域有限的组网环境，如图10-5所示。,图10-5 总线型网络拓扑结构,5.链路 链路指网络信息传输的媒体，分为有线和无线两种类型，目前汽车上使用的大多数链路都是有线网络。通常用于局域网的传输媒体有：双绞线、同轴电缆和光纤。 双绞线是局域网中最普通的传输媒体，一般用于低速传输，最大传输速率可达几Mb/s；双绞线成本较低，传输距离较近，是汽车网络使用最多的传输媒体。 同轴电缆可以满足较高性能的传输要求，连接的网络节点较多，跨越的距离较大。 光纤在电磁兼容性等方面有独特的优点，数据传输速度高，传输距离远。在车载网络上，特别在一些要求传输速度高的车载网络（如车上信息与多媒体网络）上，光纤都有很好的应用前景。,6.数据帧 为了可靠地传输数据，通常将原始数据分割成一定长度的数据单元，数据单元即称为数据帧。一帧数据内应包括同步信号、错误控制、流量控制、控制信息、数据信息、寻址信息等。 7.传输协议 （1）协议的三要素 通信信息帧的格式； 通信信息帧的数据和控制信息； 确定事件传输的顺序以及速度匹配。 （2）协议的功能 差错监测和纠正。面向通信传输的协议常使用“应答-重发”和通信校验进行差错的检测和纠正工作，一般来说，协议中对异常情况的处理说明要占很大的比重。,分块和重装。为符合协议的格式要求，需要对数据进行加工处理。分块是将大的数据划分成若干小块，如将报文划分成几个子报文组。重装是将划分的小块数据重新组合复原，如将几个子报文组还原成报文。 排序。对发送的数据进行编号以标识它们的顺序，通过排序，可以达到按序传递、信息流控制和差错控制等目的。 流量控制。通过限制发送的数据量或速率，以防止在信道中出现堵塞现象。 8.传输仲裁 当出现数个使用者同时申请利用总线发送信息时，传输仲裁是用于避免发生数据冲突的机构。仲裁可保证信息按其重要程度来发送。,9.车载网络分类和协议标准 （1）A类总线协议标准 A类的网络通信大部分采用UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter）标准，A类目前首选的标准是LIN。LIN是用于汽车分布式电控系统的一种新型低成本串行通信系统，它是一种基于UART的数据格式、主从结构的单线12 V的总线通信系统，主要用于智能传感器和执行器的串行通信，LIN采用低成本的单线连接，传输速度最高可达20 Kb/s。 （2）B类总线协议标准 B类中的国际标准是CAN总线，它是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维，通信速率可达1 Mb/s。CAN总线通信接口中集成了CAN协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，CAN协议采用CRC检验并可提供相应的错误处理功能，保证了数据通信的可靠性。,（3）高速总线系统协议标准 C类总线协议标准。在C类标准中，欧洲的汽车制造商基本上采用的都是高速通信的CAN总线标准IS011898。而标准J1939在货车及其拖车、大客车、建筑设备以及农业设备上的使用，是用来支持分布在车辆各个不同位置的电控单元之间实现实时闭环控制功能的高速通信标准，其数据传输速率为250 Kb/s。通用公司已开始在所有的车型上使用其专属的GM LAN总线标准，它是一种基于CAN的传输速率为500 Kb/s的通信标准。 安全总线和标准。安全总线主要用于安全气囊系统，以连接加速度计、安全传感器等装置，为被动安全提供保障。如Delphi公司的Safety Bus和BMW公司的Byteflight。 X-by-Wire总线协议标准。X-by-Wire称为电传控制，在飞机控制中得到广泛应用。由于目前提高汽车容错能力和通信系统的高可靠性的需求日益增长，X-by-Wire开始应用于汽车电子控制领域。这一类总线标准主要有TTP、Byteflight和FlexRay。,（4）诊断系统总线标准、协议 故障诊断是为了满足OBD（ON Board Diagnose）、OBD 或E-OBD（European-On Board Diagnose）标准。目前，许多汽车生产厂商都采用ISO14230（Keyword Protocol 2000）作为诊断系统的通信标准，它满足OBD 和OBD 的要求。 （5）多媒体系统总线协议标准 汽车多媒体网络和协议分为三种类型，分别是低速、高速和无线。对应SAE的分类相应为：IDB-C（Intelligent Data BUS-CAN）、IDB-M（Multimedia）和IDB-Wireless，其传输速率为250 Kb/s-100 Mb/s。低速用于远程通信、诊断及通用信息传送，IDB-C按CAN总线的格式以250 Kb/s的位速率进行信息传送。高速主要用于实时的音频和视频通信，如MP3、DVD和CD等的播放，所使用的传输媒体是光纤，这一类主要有D2B、MOST和IEEE 1394。D2B是用于汽车多媒体和通信的分布式网络，通常使用光纤作为传输媒体，可连接CD播放器、语音控制单元、电话和因特网。在无线通信方面采用BluetoothTM规范，主要面向汽车的声音系统、信息通信等应用系统。,10. 车载网络传输的基本原理 （1）数据传输的基本原理 车载网络中的数据传输总线的数据传递像一个电话会议，一个电话用户（控制单元）将数据“讲”入网络中，其它用户通过网络“接听”这个数据，对这个数据感兴趣的用户就会利用数据，而其它用户则选择忽略，如图10-6所示。,图10-6 数据传输的基本原理图,数据传输总线是车内电子装置中的一个独立系统，用于在连接的控制单元之间进行信息交换。如果数据传输总线系统出现故障，故障就会存入相应的控制单元故障存储器内，可以用诊断仪读出这些故障。控制单元拥有自诊断功能，通过自诊断功能，还可识别出与数据传输总线相关的故障。用诊断仪读出数据传输总线故障记录后，可按这些信息准确地查寻故障。控制单元内的故障记录用于初步确定故障，还可用于读出排除故障后的无故障说明。 车载网络系统由多个控制单元组成，这些控制单元通过所谓的收发器（发射/接收放大器）并联在总线导线上，所有控制单元的地位均相同，没有哪个控制单元有特权。在这个意义上也称之为多主机结构，如图10-7所示。信息交换是按顺序连续完成的。,数据传输总线原则上用一条导线就足以满足功能要求了，但通常总线系统上还是配备了第二条导线，信号在第二条导线上按相反顺序传送的，可有效抑制外部干扰。,图10-7 基本车载网络系统的总线连接示意图,（2）网关的基本原理 车载网络的网关具备从一个网络协议到另一个网络协议转换信息的能力，由于电压电平和电阻配置不同，因此在不同类型的数据总线之间无法进行直接耦合连接。另外，各种数据总线的传输速率是不同的，决定了它们无法使用相同的信号。这时需要在这两个系统之间完成一个转换，这个转换过程是通过所谓的网关来实现的。可以用火车站作为例子来清楚地说明网关的原理，如图10-8所示。,图10-8 网关的原理示意图,在站台A（站台即网关）到达一列快车（CAN驱动数据总线，500 Kb/s），车上有数百名旅客。在站台B已经有一辆火车（CAN舒适/信息数据总线，100 Kb/s）在等待，有一些乘客就换到这辆火车上，还有一些乘客要换乘快车继续旅行。车站/站台的这种功能，即让旅客换车以便通过不同速度的交通工具到达各自目的地的功能，与CAN驱动数据总线和CAN舒适/信息数据总线两个系统网络的网关功能是相同的。网关的主要任务是使两个速度不同的系统之间能进行信息交换。 根据车辆的不同，网关可能安装在组合仪表内、车上供电控制单元内或在自己的网关控制单元内。由于通过各种数据传输总线的所有信息都供网