第10章车载网络系统(汽车电子控制技术).

汽车电子控制技术汽车类专业应用型本科示范教材机械工业出版社出版主编于京诺第10章车载网络系统•学习目标•·掌握车载网络系统的基础知识。•·掌握车载网络系统的分类。•·掌握CAN总线的结构和工作原理。•·掌握LIN总线的结构和工作原理。第10章车载网络系统10.1概述10.1.1车载网络技术简介车载网络系统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。上世纪80年代末BOSCH公司和INTEL公司研制了用于汽车电气系统的控制器局域网规范，简称CAN（ControllerAreaNetwork）总线，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，同时由于汽车信息系统对网络传输信息量要求的不断提高，多媒体系统的D2B协议和MOST协议标准应运而生。现在车载网络技术已运用到世界各汽车制造商生产的汽车上，如表10-1所示。表10-1主要车载网络车载网络内容速度（b/s）相关组织CAN（ControllerAreaNetwork）车身/动力传动系统控制用LAN协议，可能成为世界标准1MRobertBosch公司、ISOVAN（VehicleAreaNetwork）车身系统控制用LAN协议，以法国为中心1 MISOJ1850车身系统控制用LAN协议，以美国为中心41.6 KFordMotor公司LIN（LocalInterconnectNetwork）车身系统控制用LAN协议，低端子系统专用20 KLIN协会TTP/C（TimeTriggeredProtocolbyCAN）重视安全，按用途分类的控制用LAN协议，通用时分多路复用2～25 MTIT公司10.1.2车载网络基础知识（1）局域网是指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105Kb/s范围内，传输距离在250m范围内。（2）数据总线是指模块间运行数据的通道，模块可以发送和接收数据，数据总线称为双向数据总线，即所谓的信息高速公路，如图10-1所示，汽车上的信息高速公路实际是一条或两条导线，为了对抗电子干扰，双线制数据总线的两条线（图10-2）是绞在一起的。图10-1数据总线传输示意图图10-1数据总线传输示意图图10-2双绞线结构示意图（3）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）局域网的拓扑结构是网络的物理连接方式，局域网多用总线型方式，如图10-3所示，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。图10-3总线型网络拓扑结构图（5）链路是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。（6）数据帧是指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）传输协议具有三要素，分别规定了通信信息帧的格式，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；并且还具有差错监测和纠正、分块和重装、排序、流量控制功能得功能。（8）传输仲裁是指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包括以下内容：1）A类总线协议标准大部分采用UART（UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter）标准，A类目前首选的标准是LIN。2）B类总线协议标准是CAN总线，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包括C类总线协议标准、安全总线和标准、X-by-Wire总线协议标准三类标准。①C类总线协议标准。欧洲的汽车制造商基本上采用高速通信的CAN总线标准IS011898；在货车及其拖车、大客车、建筑设备以及农业设备上的使用的总线协议标准是J1939，它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；通用公司使用其专属的GMLAN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。②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。③X-by-Wire总线协议标准。X-by-Wire称为电传控制，这一类总线标准主要有TTP、•Byteflight、FlexRay。（10）车载网络传输的基本原理车载网络系统由多个控制单元组成，控制单元通过收发器（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，也称之为多主机结构，如图10-4所示，数据交换是按顺序连续完成的。4）诊断系统总线协议标准是为了满足OBDⅡ（ONBoardDiagnose）、OBD Ⅲ或E-OBD（European-OnBoardDiagnose）标准。5）多媒体系统总线协议标准分为三种类型，分别是低速、高速和无线，对应SAE的分类相应为：IDB-C（IntelligentDataBUS-CAN）、IDB-M（Multimedia）和IDB-Wireless。图10-4车载CAN网络系统的总线连接图数据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数据交换，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。诊断仪读出数据传输总线故障记录后，可按这些数据准确地查寻故障，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。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关使用，因此网关也用作诊断接口。数据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。10.2控制器局域网10.2.1CAN的基本知识1.CAN工作原理当CAN总线上的一个节点发送数据时，它以报文形式广播给网络中所有节点，对每个节点来说，无论数据是否是发给自己的，都对其进行接收，每组报文开头的11位字符为标识符（CAN2.0A），定义了报文的优先级，这种报文格式称为面向内容的编址方案。在同一系统中标识符是唯一的，不可能有两个节点发送具有相同标识符的报文。当一个节点要向其它节点发送数据时，该节点的CPU将要发送的数据和自己的标识符传送给本节点的CAN芯片，并处于准备状态，当它收到总线分配时，转为发送报文状态。CAN芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出，这时网上的其它节点处于接收状态，每个处于接收状态的节点对接收到的报文进行检测，判断这些报文是否是发给自己的，以确定是否接收它。由于CAN总线是一种面向内容的编址方案，因此很容易建立高水准的控制系统并灵活地进行配置，可以很容易地在CAN总线中加进一些新节点而无需在硬件或软件上进行修改。当所提供的新节点是纯数据接收设备时，数据传输协议不要求独立的部分有物理目的地址，它允许分布过程同步化，即总线上控制器需要测量数据时，可由网上获得，而无须每个控制器都有自己独立的传感器。2.CAN总线特点CAN总线是一种串行数据通信协议，最大通讯距离可达10km，最大通信速率可达1Mbps。CAN控制器工作于多主方式，网络中的各节点都可根据总线访问优先权（取决于报文标识符）采用无损结构的逐位仲裁的方式竞争向总线发送数据，且CAN协议废除了节点地址编码，而代之以对通信数据进行编码，这可使不同的节点同时接收到相同的数据，这些特点使得CAN总线构成的网络各节点之间的数据通信实时性强，并且容易构成冗余结构，提高系统的可靠性和系统的灵活性。10.2.2CAN协议与标准1.CAN协议CAN协议中的对应ISO/OSI参考模型的网络层，CAN为串行通讯协议，能有效地支持具有很高安全等级的分布实时控制。为了达到设计透明度以及实现灵活性，根据ISO/OSI参考模型，CAN2.0协议细分为数据链路层和物理层。数据链路层的LLC子层和MAC子层的服务及功能分别被解释为对象层和传输层，逻辑链路控制子层（LLC）的作用主要为远程数据请求以及数据传输提供服务，确定由实际要使用的LLC子层接收哪一个报文，为恢复管理和过载通知提供手段。MAC子层的作用主要是传送规则，也就是控制帧结构、执行仲裁、错误检测、出错标定、故障界定。总线上什么时候开始发送新报文以及何时开始接收报文，均在MAC子层里确定。物理层的作用是在不同节点之间根据所有的电气属性进行位的实际传输，同一网络的物理层对于所有的节点当然是相同的。2.CAN标准（1）报文总线上的报文以不同的固定报文格式发送，但长度受限，当总线空闲时任何连接的单元都可以开始发送新的报文。（2）信息路由在CAN系统里，CAN的节点不使用任何关于系统配置的报文（比如节点地址），不用依赖应用层以及任何节点软件和硬件的改变，就可以在CAN网络中直接添加节点，提高系统灵活性。报文的内容由识别符命名，识别符不指出报文的目的地，但解释数据的含义，网络上所有的节点可以通过报文滤波确定是否应对该数据做出反应。（3）位速率不同的系统CAN的速度不同，在一个给定的系统里，位速率是唯一的，并且是固定的。（4）优先权在总线访问期间，识别符定义一个静态的报文优先权。（5）远程数据请求通过发送远程帧，需要数据的节点可以请求另一节点发送相应的数据帧，数据帧和相应的远程帧是由相同的识别符命名的。（6）仲裁只要总线空闲，任何单元都可以开始发送报文，具有较高优先权报文的单元可以获得总线访问权，如果2个或2个以上的单元同时开始传送报文，那么就会有总线访问冲突。仲裁的机制确保了报文和时间均不损失，当具有相同识别符的数据帧和远程帧同时初始化时，数据帧优先于远程帧。仲裁期间，每一个发送器都对发送位的电平与被监控的总线电平进行比较，如果电平相同，则这个单元可以继续发送；如果发送的是一“隐性”电平而监视的是一“显性”电平，单元失去了仲裁，必须退出发送状态。（7）错误检测为了获得最安全的数据发送，CAN的每一个节点均采取了强有力的措施以便于错误检测、错误标定及错误自检。错误检测的机制具有检测到所有的全局错误，检测到发送器所有的局部错误，检测到报文里多达5个任意分布的错误，检测到报文里长度低于15（位）的突发性错误，检测到报文里任一奇数个的错误等属性。任何检测到错误的节点会标志出损坏的报文，此报文会失效并将自动地开始重新传送。（8）故障界定CAN节点能够把永久故障和短暂扰动区别开来，故障的节点会被关闭。（9）总线值总线有二个互补的逻辑值“显性”或“隐性”，“显性”位和“隐性”位同时传送时，总线的结果值为“显性”，比如在总线的“写与”执行时，逻辑0代表“显性”等级，逻辑1代表“隐性”等级。（10）应答所有的接收器检查报文的连贯性，对于连贯的报文，接收器应答，对于不连贯