第10章 汽车车载网络技术

汽车发动机电控技术主编廖发良第10章汽车车载网络技术10.1概述10.2CAN网络10.1概述10.1.1汽车车载网络系统发展简史10.1.2汽车车载网络系统的功能与特点10.1.3车载网络系统的结构与分类10.1.4汽车车载网络系统常用术语10.1.5车载网络通信协议标准10.1概述图10-1汽车网络信息传输方式10.1.1汽车车载网络系统发展简史表10-1主要车载网络的基本情况10.1.2汽车车载网络系统的功能与特点1.对汽车车载网络系统的要求1)对传输速度要求不高，但要求性能稳定，可靠性高。2)使用方便，制造成本低。3)线路简单，与应用系统一体化，实时性好。4)使用环境温度范围要广，一般要求在-40~125℃。5)能够承受油、水、盐雾、尘土及可能遇到的化学腐蚀物质的影响。6)能承受机械振动、颠簸及冲击的影响。7)能承受外部电磁干扰，且不能对环境造成电磁干扰。8)出现可能的故障和误操作时，如电、酒、反接、线头脱落、短路、断路及摩擦等，造成的损失应尽量小。9)发生故障时的保护措施或对安全的影响应充分考虑。10.1.2汽车车载网络系统的功能与特点10)安装与维护中的布线要合理、方便。11)网上节点的增加与软硬件更换要方便。2.汽车车载网络系统的功能(1)多路传输功能：为了减少车辆电器线束的数量，汽车车载网络系统可使部分数字信号通过共用传输线路进行传输。(2)“唤醒”和“休眠”功能：该功能用以减少在断开点火开关时蓄电池的额外消耗。(3)失效保护功能：它包括硬件失效保护和软件失效保护两种功能。10.1.2汽车车载网络系统的功能与特点(4)故障自诊断功能：故障自诊功能具有两种模式，即多路传输通信系统的自诊断模式和各系统输入线路的故障诊断模式，通过这两种模式既能对自身的故障进行自诊断，同时还能对其他系统及传输线路进行故障诊断。10.1.3车载网络系统的结构与分类1.车载网络系统的基本结构雪铁龙轿车车载网络系统组成及布置如图10-2所示。图10-2雪铁龙轿车车载网络系统布置图2.车载网络系统的分类目前存在的多种汽车网络标准，其侧重的功能有所不同，为方便研究和设计应用，SAE车辆网络委员会按照传输速率将汽车数据传输划分为A、B、C和D四类。10.1.3车载网络系统的结构与分类(1)A类网络(低速传输速率)：面向传感器、执行器控制的低速网络，数据传输速率通常只有1~10kbit/s。(2)B类网络(中速传输速率)：面向独立模块间数据共享的中速网络，传输速率一般为10~100kbit/s，主要应用于电子车辆信息中心、故障诊断、仪表显示、安全气囊等系统，以减少冗余的传感器和其他电子器件。(3)C类网络(高速传输速率)：面向高速、实时闭环控制的多路传输，最高传输速率可达1Mbit/s，主要用于悬架控制、牵引控制、先进发动机控制、ABS等系统。(4)D类网络统称智能数据总线(IDB)：主要面向信息、多媒体系统等。10.1.4汽车车载网络系统常用术语1.网络为了实现信息共享而把多条数据总线连在一起，或者把数据总线和模块连接为一个系统称为网络。2.局域网局域网，又称区域网，是在一个有限区域内连接的计算机的网络。表10-2传输介质的特点3.多路传输多路传输就是在同一通道或线路上同时传输多条信息，事实上数据是依次传输的，但速度非常之快，似乎就是同时传输的。10.1.4汽车车载网络系统常用术语图10-3常规线路与多路传输线路的对比a)常规线路b)多路传输线路10.1.4汽车车载网络系统常用术语4.模块/节点模块就是一种电子装置(可以理解为ECU)，简单一点的如温度和压力传感器，复杂的如计算机(微处理器)。5.网关由于汽车上有很多总线和网络，必须用一种有特殊功能的计算机达到信息共享和不产生协议间的冲突，实现无差错数据传输，这种计算机称为网关。6.数据总线数据总线是控制单元之间传递数据的通道。7.网络拓扑结构当组成汽车线束网络时，节点(传感器、控制单元、编码器及解码器)与节点相连接的信号传输线路的连接方式称为网络形态。8.通信协议要实现汽车内各控制单元之间的通信，必须制订规则保证通信双方能相互配合，即通信方法、通信时间、通信内容，这是通信双方同样能遵守、可接受的一组规定和规则。10.1.4汽车车载网络系统常用术语图10-4网络拓扑结构a)总线形式b)环形形式c)星形形式10.1.5车载网络通信协议标准1.低速总线协议标准低速总线协议标准大部分采用UART(异步发送/接收电路)标准，UART使用起来既简单又经济，但随着技术的发展，一些协议标准正有被淘汰的趋势。2.中速总线协议标准中速总线协议标准为ISO11898或ISO11519。3.高速总线协议标准在高速总线标准协议中，一般采用的是CAN总线ISO11898的标准，主要面向高速实时闭环控制的多路传输网络，传输速率在125kbit/s~1Mbit/s之间，主要用于牵引力控制、发动机控制、ABS控制、安全气囊控制等系统中。4.自诊断系统总线协议标准故障自诊断是现代汽车一个不可缺少的功能，许多汽车生产厂商都采用ISO14230作为自诊断系统的通信标准，它能够满足OBD—II和OBD—III的要求。10.1.5车载网络通信协议标准5.多媒体系统总线协议标准汽车多媒体网络和协议分为低速、高速和无线三种类型，对应SAE的分类相应为IDB—C、IDB—M和IDB—Wireless，其传输速率为250kbit/s~100Mbit/s。1)低速型用于远程通信、诊断及通用信息传送，IDB—C按CAN总线的格式以2500kbit/s的位速率进行消息传送。2)高速型主要用于实时的音频和视频通信，如DVD和CD等的播放，所使用的传输介质是光纤，这一类里主要有DDB、MOST和IEEE1394。3)D2B型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介质，可连接CD播放器、语音控制单元、电话和因特网。4)MOST是车辆内LAN的接口规格，用于连接车载导航器和无线设备等。10.2CAN网络10.2.1CAN数据总线传输系统的组成与原理10.2.2CAN数据总线的特征10.2.1CAN数据总线传输系统的组成与原理1.CAN数据传输总线系统的组成CAN数据总线传输系统是由每个控制单元内部安装的一个CAN控制器和一个收发器(在网络系统中俗称节点)，在每个控制单元外部连接的两条CAN数据总线和整个系统中的两个终端组成(有的车辆将终端设置在控制单元内，有的车辆在外部单独设置了终端)，如图10-5所示。(1)CAN控制器：其作用是接收控制单元中微处理器发出的数据，对这些数据进行处理，并传给CAN收发器；同样，图10-5CAN数据总线的组成10.2.1CAN数据总线传输系统的组成与原理(2)CAN收发器：它是一个发送器和接收器的组合，将CAN控制器提供的数据转化为电信号并通过数据总线发送出去；同时，它也接收总线数据，并将数据传给CAN控制器。(3)数据传输终端：它实际上是一个电阻器，作用是防止数据在终端反射，产生反射波而使数据遭到破坏。(4)CAN数据总线：CAN数据总线使用以传输数据的双向数据线，分为CAN高位(CAN—High)和低位(CAN—Low)数据线。2.数据传递原理CAN数据总线是控制单元间的一种数据传递形式，它连接各个控制单元形成一个完整的系统。10.2.1CAN数据总线传输系统的组成与原理图10-6CAN总线的数据传输过程10.2.2CAN数据总线的特征1.CAN的特点1)CAN支持从几千到1Mbit/s的传输速率(在很多车辆上可以看到2条不同传输速率的CAN)。2)使用廉价的物理传输媒介。3)数据帧短，实时性好，但降低了有效数据传输的速度。4)多站同时发送信息，模块可以优先获取数据。5)错误检测校正能力强，保证了系统的可靠性。6)能判断暂时错误和永久错误的节点，具有故障节点自动脱离功能。7)大部分CAN具有丢失仲裁或出错时信息自动重发功能。2.CAN数据传输系统的优点数据总线与其他部件组合在一起就成为数据传输系统。3.传输线颜色特点CAN总线基本颜色为橙色，CAN低线均为棕色，CAN高线、驱动系统为黑色，舒适系统为绿色，信息系统为紫色。4.总线上的电压数据总线的连线被指定为CAN高线(BUS+)和CAN低线电脉冲在0～5.0V变化，没有信息时，CAN高线为5.0V，而CAN低线为0V传递信息时，读数据相反。10.2.3典型CAN多路控制系统10.3其他车载网络10.4车载网络系统故障诊断与检修2.CAN数据传输系统的优点数据总线与其他部件组合在一起就成为数据传输系统。1)将传感器信号线减至最少，使更多的传感器信号进行高速数据传输。2)组网自由，扩张性强。3)各控制单元的监测。4)CAN数据总线符合国际标准，便于一辆车上不同生产厂家的控制单元间进行数据交换。5)总线利用率高，数据传输距离较长。6)节省大量有色金属，成本相对较低。10.2.3典型CAN多路控制系统1.CAN多路集中控制系统的功能车身电气控制器局域网(B—CAN)用传输速率较低(33.33kbit/s)的总线连接各控制单元，用于对响应速度要求不高的电气装置的控制。2.CAN多路集中控制系统的故障自诊断CAN多路集中控制系统可对系统进行故障监测，在有故障发生时，可以故障码的形式储存故障信息，并可用PGM检测仪直接进入各控制单元读取故障信息。10.2.3典型CAN多路控制系统图10-7广本雅阁轿车CAN多路集中控制系统1.CAN多路集中控制系统的功能车身电气控制器局域网(B—CAN)用传输速率较低(33.33kbit/s)的总线连接各控制单元，用于对响应速度要求不高的电气装置的控制。表10-3多路集中控制系统各控制单元的功能1.CAN多路集中控制系统的功能车身电气控制器局域网(B—CAN)用传输速率较低(33.33kbit/s)的总线连接各控制单元，用于对响应速度要求不高的电气装置的控制。表10-3多路集中控制系统各控制单元的功能1.CAN多路集中控制系统的功能车身电气控制器局域网(B—CAN)用传输速率较低(33.33kbit/s)的总线连接各控制单元，用于对响应速度要求不高的电气装置的控制。表10-3多路集中控制系统各控制单元的功能2.CAN多路集中控制系统的故障自诊断CAN多路集中控制系统可对系统进行故障监测，在有故障发生时，可以故障码的形式储存故障信息，并可用PGM检测仪直接进入各控制单元读取故障信息。(1)故障码类型：CAN多路集中控制系统的故障码有以下三类：(2)CAN多路集中控制系统自诊断原理：B—CAN和F—CAN系统会在一特定事件后发送一条特定的信息，网络中各控制单元ECU均会在一规定时间内等待这一信息。(1)故障码类型：CAN多路集中控制系统的故障码有以下三类：1)内部错误故障码。2)失去通信故障码。3)信号错误故障码。图10-8广本雅阁轿车CAN多路集中控制系统自诊断原理10.3其他车载网络10.3.1VAN网络10.3.2LIN网络10.3.3MOST网路10.3.4FlexRay网络10.3.1VAN网络图10-9VAN网的典型结构10.3.2LIN网络图10-10LIN网络结构10.3.3MOST网路图10-11MOST节点结构模型10.3.4FlexRay网络图10-12FlexRay总线的拓扑结构10.4车载网络系统故障诊断与检修10.4.1汽车车载网路系统故障的状态与类型10.4.2汽车车载网络系统的故障检修10.4.1汽车车载网路系统故障的状态与类型1.车载网络系统故障状态2.车载网络系统故障现象与类型1.车载网络系统故障状态(1)错误激活状态：是指可以正常参与总线通信的状态。(2)错误认可状态：是指容易出现错误的状态。(3)总线关闭状态：是指不能参与总线通信的状态。2.车载网络系统故障现象与类型(1)车载网络系统故障现象：车载网络系统发生故障时一般都有一些明显的故障特征。1)整个网络失效或多个控制单元不工作或工作不正常。2)在本同的系统、不同的地方同时表现出不同的多个故障现象，且故障直现象之间没有任何关联。3)