通信基础以及汽车总线技术概述

通信基础以及汽车总线技术概述同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲,[e-mail]内容简述车载通信网络的发展过程车载网络的基本概念常用车载网络的传输介质及其特性汽车网络主流协议及其分类同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲,[e-mail]线束的长度1400120010008006004002000线束的增加192019151925193019351940194519501955196019701965198019751990198520001995(米)(年)车载网络的发展起因过去，汽车电器系统中仅有开关和执行器这样的简单设备，各设备之间通过点到点的连线实现车载通信。随着车内电子系统和电器的增加，这种通信方式导致了庞大、昂贵和日益复杂的线束。同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲,[e-mail]线束的长度1400120010008006004002000线束的增加192019151925193019351940194519501955196019701965198019751990198520001995(米)(年)车载网络的发展起因如果继续采用点对点的连线实现车载通信，将会导致一系列的问题：汽车的整体布置空间缩小制造和总成的难度增加灵活性降低；成本增加不符合轻量化要求存在大量冗余的传感器和连接器，可靠性降低同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲,[e-mail]汽车通信网络的诞生为改善汽车的性能引进了大量的电子系统，导致线束飞速增加，而大量增加的线束又阻碍了汽车性能的进一步提高。因此，必须寻找一种新的技术，合理地解决上述问题。二十世纪八十年代初出现的汽车网络技术，是解决此矛盾的最佳途径。同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲,[e-mail]汽车通信网络通过总线将汽车上的各种电子装置和设备连成一个网络，实现相互之间的信息共享，减少了连接和线束的数量和质量使布线简单、设计简化、成本降低、可靠性和可维护性提高。汽车通信网络的标准早期的通信网络并没有广泛的标准，通常只能利用自己定制的电路和通用异步收发器设备实现简单的串行通信。各汽车制造商都有一套独立定义的接口规范以及专用的供应商，同类产品不能兼容互换，供应商之间缺乏横向联系。同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲,[e-mail]20世纪80年代，汽车制造商和零部件供应商制定了一系列汽车通信网络标准，诸如J1850、ClassII、VAN、CAN、ABUS等。同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲,[e-mail]基于网络的分布式控制系统在汽车中引进网络技术最初是为了解决日益增长的线束问题，后来逐渐演化成另一个重要功能，即优化汽车电子控制。汽车电子控制目的从早期的减少线束不断发展：同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲,[e-mail]初期的电子-机械替代独立系统的精确量化控制多目标综合控制和智能化控制集成系统将车辆中ECU互连在一起，并有望实现一种垮多个电子控制单元的复杂功能，这种配置与车辆中的互连的电控单元称为分布式网络系统基于网络的分布式控制系统分布式网络系统应用于汽车设计方面拥有很多优势：完成某个功能的系统可以在空间上分布，这些分布的电子控制单元共同实现一个功能。例如车门控制系统。分布式网络系统通常具有更好的扩展性和规模上的可配置性。与自主工作的单独系统相比，分布式网络系统能够与多个相关部件相互配合，实现更为复杂的功能。例如：ESP在容错设计方面有天生优势，这对系统的可靠性和安全性方面有重要作用。同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲,[e-mail]内容简述车载通信网络的发展过程车载网络的基本概念常用车载网络的传输介质及其特性汽车网络主流协议及其分类同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲,[e-mail]汽车网络的基本概念网络(Network)：利用通信线路将分散在各地的具有独立功能的模块连接起来，按照一定的通信协议实现资源与数据的共享和交换，这样一个集合称为网络。节点(Node)：即网络上的智能设备，可独立收发信息。总线(Bus)：总线的一般概念是，模块之间或设备之间传送信息的一组公共信号线，是系统在主控制器(模块或设备)的控制下，将发送器(模块或设备)发生的信息准确地传送给某个接收器(模块或设备)的信号道路。一组设备通过总线连接在一起称为“总线段”(Bussegment)，也叫子网。从广义来说，总线就是传输信号或信息的公共路径，是遵循同一技术规范的连接和操作方式。总线协议(BusProtocol)：管理挂接在总线上的设备使用总线的一套规则称为总线协议(busprotocol)，这是一套事先规定的、必须遵守的规约。同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲,[e-mail]汽车网络的基本概念寻址(Address)：寻址是指某设备与网络中的一个或多个其他设备建立联系的一种总线操作。通常有以下两种寻址方式：物理寻址(physicaladdress)，用于选择总线上某一特定设备作为响应者。该设备检测到总线上的地址信号，看其是否与分配给它的物理地址相符，如果符合，它就成为响应者。广播寻址(broadcastaddress)，用于选择一个或者多个响应者。发送命令的设备把地址信息发送到总线上，其他设备将此信息与其内部的有效地址进行比较(有的总线协议使用滤波机制)，如果符合，这些设备就成为响应者。同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲,[e-mail]汽车网络的基本概念总线仲裁(BusArbitration)：如果挂在总线上的两个或几个节点同时向总线发送信息，就会发生“冲突”(contention)现象，此时需要对总线访问权进行“仲裁”(arbitration)。总线仲裁用于裁决哪个节点获得总线访问权。某一时刻只允许一个节点占用总线，等它完成数据传输，释放总线访问权后，才允许其他节点对总线进行访问。出错检测(ErrorDetection)：在总线上发送的信息会因噪声和串扰而出错，因此在高性能的总线中，特别是在汽车领域中使用的网络通信总线中，一般都设有出错码产生和校验机制，对传输过程进行出错检测。容错(FaultTolerance)：顾名思义，“容错”就是系统应能容纳错误的意思，它包含两层含义，第一，系统会出错，第二，系统应能在错误发生的情况下继续正常运行。如何减少故障对系统的影响，提高系统运行的可靠性，是容错设计的主要任务。同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲,[e-mail]汽车网络的基本概念码元：码元是对网络中传输的每一位二进制数字的统称。数据传输速率：数据传输速率是指每秒能传输的代码位数，单位为bits/sec，记为bps。一般说来，数据传输数率的高低由每位所占的时间决定，如果每位所占时间即脉冲宽度越小，则速率越高误码率：是指二进制码元在传输中出错的概率，是衡量传输系统可靠性的指标，误码率以接收码元中错误码元占传输总码元数的比例来衡量，通常应低于10-6。负载率：也称信道利用率，定义为网络吞吐量与信道数据传输速率之间的比值，用百分数表示。例如某个CAN总线网络，数据传输速率为100kbps，若测得此网络的吞吐量为40kbps，则负载率为40%。在网络运行过程中，负载率达到的最大值称为峰值负载率。同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲,[e-mail]汽车网络的基本概念传输延迟：网络中的某一节点，从向网络发送第一帧(Frame)数据的第一位开始，到这帧数据的最后一位到达目的节点为止，这个过程所用的时间，称为传输延迟。网络的延迟和吞吐量之间通常是矛盾的，网络的吞吐量增大，通常也会使数据的传输延迟增加。同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲,[e-mail]信号的4种常用编码方式数据编码是指通信系统中以何种物理信号的形式表达数据。目前在汽车网络中常用的4种编码方式：非归零（NonReturntoZero,NRZ)变脉宽调制(VariablePulseWidthModulation，VPW)脉宽调制(PulseWidthModulation,PWM)曼彻斯特编码(Manchester)同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲,[e-mail]非归零（NRZ)非归零编码：在一个比特时间内电平保持不变。高电平表示1，低电平表示0，并且在表示完一个码元后，电压不需回到0特点：本身不包含同步时钟信息，对它的读写必须借助读写时钟。这种编码方式实现较容易。但存在发送方和接收方的同步问题。同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲,[e-mail]曼彻斯特编码(Manchester)曼彻斯特编码：在该编码方式中，将时间划分成等间隔的小段，每个小段代表一个比特。同时，每个小段时间又分成两半，前半个时间段表示所传输比特值的反码，后半段表示传输比特值本身。简单说，正跳变代表0，负跳变代表1。（有些书中相反）特点：时钟和数据包含在数据流中。因此具有自同步能力和良好的抗干扰性能。同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲,[e-mail]0110变脉宽调制编码(VPW)变脉宽调制编码：每位数据由两个连续跳变的时间和电平共同决定，并且两位连续比特的电平是不相同的。例子是J1850定义的VPW波形，当传输速率为10.4Kbps时，逻辑“1”定义为，在总线上低电平持续128µs或高电平持续64µs；与此相反，逻辑“0”为总线上高电平持续128µs或低电平持续64µs。特点：由时间和电平共同决定同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲,[e-mail]脉宽调制编码(PWM)脉宽调制编码：每位数据由PWM信号的占空比决定。PWM信号的频率决定了位传输速率，而相应的脉冲宽度决定了传输数据的值。通常占空比为1/3时表示传输的值为逻辑“1”，占空比为2/3时表示传输的值为逻辑“0”特点：传输数据的每一位内必定有一次电平转变，故该类编码携带有信号传输的同步信息，不需要另外传输同步信号。同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲,[e-mail]1001车用网络的拓扑结构网络的拓扑结构是指网络中节点的互连形式。在汽车网络拓扑结构中，常见的结构有总线、星形以及环形结构。同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲,[e-mail]总线拓扑在总线拓扑中，传输介质为一条总线，节点通过相应的硬件接口接至总线上(例如CAN网络使用CAN收发器)。当一个节点发送消息时，其他节点均可接收该消息。由于所有的节点共享同一信道，因此任一时刻只允许一个节点发送消息。该网络拓扑必须使用总线访问机制，这样当两个或多个节点同时准备发送信息时，能确定哪个节点先获得总线访问权。目前在汽车控制网络中使用最多的拓扑结构为总线拓扑结构优点：节点互连及其连接器简单易实现；一个节点脱离或者出故障不会影响网络中的其他节点；不需要中断网络的正常工作就可以实现网络的扩展。缺点：如果在总线中没有转发器，那么总线的长度和节点个数将受到限制；需要总线仲裁方式；如果使用光纤作为传输介质，那么网络实现的成本将会增加。同济大学汽车学院，嵌入式系统讲义，魏学哲,[e-mail]星形拓扑在星型拓扑结构中，每