第10章车载网络系统解析

汽车电子控制技术沈阳大学凌永成获得帮助：汽车维修论坛第10章车载网络系统10.1车载网络系统的总线结构10.1.1汽车电气系统网络化技术的发展历程与其他控制现场相比，汽车内温度变化范围大(-45℃到100℃)，电磁干扰和其他电子噪声强，环境恶劣，使得网络在车内的运行可靠性显得尤为重要。这不但体现在网络结构自身的容错能力和抗干扰能力上，而且也体现在信号的编码方式和传输方式上。为此，汽车用网络无一例外地都采用了同步串行传输方式，数据信号多采用PWM和NRZ编码，通常位速率高于100kb/s采用NRZ编码方式，位速率低于100kb/s采用PWM编码方式。众多国际知名汽车公司早在20世纪80年代就积极致力于汽车网络技术的研究及应用。早期的汽车网络只不过是两个处理器之间的UART连接。这种串行连接使两个控制器之间能容易地共享信息，但这样的网络却无法简单地增加节点。北美汽车制造商和汽车工程师协会(SAE)开发了J1850，这是一个汽车网络的专用协议。J1850很快就成了车内联网的标准，并取代了UART串行通信。通用汽车公司和克莱斯勒汽车公司使用10.4kb/s可变脉宽协议的相似版本，在单根线的总线上通信。福特汽车公司采用速率更高的41.6kb/sPWM型，在2条线的差分总线上通信。欧洲的汽车制造商支持控制器局域网络(ControllerAreaNetwork，CAN)。CAN最早是德国博世公司开发的，是一种最高数据速率可达到1Mb/s的实时控制总线。与J1850一样，CAN也是采用载波传感、多路存取/碰撞分辨的仲裁协议。当多个节点同时发送数据时，优先级低的节点重新再发，优先级最高的信息则继续传送至其目的地。其他的标准还有德国大众的ABUS、ISO的VAN、马自达的PALMNET等。汽车工程师协会(SAE)定义了三类车辆数据连接网络：A类允许节点间的同一总线进行多路信号的发送或接收，适用于低数据率汽车车身布线。B类这是数据在节点间传输的多主总线系统，可取消多余的系统组件。当需要将许多功能集成在一个模块时，最适于利用B类连接方式。C类与B类的定义相同，但面向高数据率信号传输时，典型用途是发动机控制、ABS控制等实时控制系统。目前，J1850实际上已作为美国的国家标准，为福特和通用两大汽车公司所采用，而CAN在欧洲得到了广泛的认可和支持。汽车总线技术在国外已成功地运用到一些名牌高档汽车上，如奔驰、宝马、保时捷、劳斯-莱斯、美洲豹等。一些公司也对汽车总线传输制定了进一步的标准，如美国的SAEJ1708、J1787、J1792及最新的J1939，各大公司还在不断地推出新的总线形式及相关标准。10.1.2CAN总线在早期，CAN总线要求与之相连的每个端口都要有独立的通信处理能力，这在汽车电气系统一直很难办到。进入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，用廉价的单片机实现总线的接口电路，使得采用总线技术布线的价格逐渐降低，CAN也逐渐进入了实用化阶段。当前各种针对汽车总线的专用接口芯片不断出现，如飞利浦半导体公司根据CAN规范已开发出P8XC590系列微控制系统，SGM托马森公司也开发出一种以ST9单片机为基础的传输率为41.6kb/s的总线系统等。CAN总线采用双线串行通信方式，具有优先权和仲裁功能，多个控制模块通过CAN接口挂到总线上，其典型的接口如图10.1所示。不同的电子系统各自形成总线段，各总线段之间通过网关进行连接，最终形成汽车的网络，其典型的接口如图10.2所示。10.1.3汽车动力与传动系统的总线结构汽车的动力和传动系统主要包括EFI控制器、ABS/ASR控制器、SAB控制器、ATM控制器、组合仪表板等，所控制的对象是与汽车行获得帮助：汽车维修论坛驶直接相关的系统，要求与汽车的转速同步，将这些控制器连接到CAN总线上，采用C类高速的CAN总线，传输的速率达到500kb/s，易于连续和高速地传输数据，实现高速的实时控制。其结构如图10.3所示。10.1.4汽车车身系统的总线结构早期的汽车车身电子控制系统采用低速的B类总线，主要用于包括蓄电池、仪表盘的控制，通常用基于J1850标准的总线连接。CAN总线也可用于车身系统的连接，但采用的是一种容错式总线，即总线内置容错功能，当两条总线中有一条出现短接至搭铁或开路时，网络可以切换至一线方式继续工作。规范要求从两线切换至一线期间不能丢失数据位，为此其物理层芯片比动力与传动系统更复杂，运行在较低的速率下，通常采用的传输速率为125kb/s。此类总线目前已逐渐为LIN总线所取代，只是作为各LIN次级总线的连接总线使用。为了降低汽车总线接口的成本，汽车制造商又开发出了局部互联网络(LocalInterconnectNetwork)，即LIN。LIN的传输速率较CAN总线慢，是一种成本较低的串行通信总线，设计用于汽车车身的分布式电子单元之间的连接。车身电子系统大量采用电子技术，其目的是提高驾驶时的舒适程度并能为驾驶员提供车况信息。这些系统包括仪表板管理、空调系统、座椅位置调节、自动天窗、车门控制装置等。这些应用系统通常是以低数据率进行数据传输的，但要求有大电流驱动模块来驱动相关的电动机和执行机构。这也涉及采用有效的封装形式，使电子设备利于散热。根据车内设备分布情况组成一个个独立的LIN分总线，作为CAN的次级总线用于汽车中，然后通过与CAN总线的接口接入汽车网络。其接口成本较CAN低，能够作为汽车现有的总线传输协议的补充。这种开放式标准属于A类通信标准。其特点包括：(1)基于改进的ISO9141的低成本单线结构；(2)传输速率为20kb/s，属于A类总线标准；(3)一主/多从的体系结构，无须仲裁机构；(4)增加接点时无须对现有接点的软硬件做出较多的改动。为此，在原有容错式总线的基础上，用LIN总线标准给出一种汽车车身系统的总线网络结构，如图10.4所示。其特点是先通过LIN总线将各控制单元和设备连接起来，再连接至CAN-B总线上，进一步降低了系统的接口成本。10.1.5汽车通信和多媒体总线结构针对多媒体数字化技术的日益普及，世界范围内的汽车制造商已就光纤数据总线技术在汽车上的应用进行了长期的研究，以满足汽车对多媒体数字化技术应用方面的需求。为此，各大欧洲著名汽车制造商制定了称为MOST(MediaOrientedSystemsTransport)的数字数据总线标准，采用塑料光纤实现24Mb/s的传输速率；而美日方面的1394TA则致力于开发一种称为1394b的汽车多媒体总线标准。德州仪器公司(TI)率先推出了业界第一套车用1394b总线解决方案。1394b以IEEE1394-1995和1394a为基础，目的是在新型应用中普及多媒体标准规格，用来支持车内多媒体娱乐的应用，如后座娱乐和其他完整的音视频解决方案。通过一个外部接入的1394客户便利端口，乘客可将其最新的便携式电子终端直接插到汽车上，从而享受到娱乐或其他服务；将有助于沟通汽车和消费类电子产品之间的隔阂。1394b与IEEE1394-1995相比，在带宽、传输速度、距离、成本和效率等都有了大幅度提高。1394b的主要内容如下：(1)传输速率为800Mb/s到1.6Gb/s。使用塑料光纤时，其底层速率可能提高到32Gb/s。(2)采用CAT-5UTP5(五类非屏蔽双绞线)布线时，可在传输速率保证在100Mb/s的前提下，将传输距离延长到100m以上。使用玻璃光纤时，可在3.2Gb/s的前提下延长至50m。(3)支持1394b的IC门电路数量也提高到原标准的2倍，即20000到25000个。(4)1394b共分为beta和bilingua1两种模式。bilingua1模式具有与支持1394a及1394-1995设备的下行兼容的特点。(5)用户可自由增减设备，不必关机，也不会影响整个总线的通信，即支持热插拔技术。车用的IDB-1394技术可在10m塑料光纤(POF)或非屏蔽双绞五类线(UTP5)上以100Mb/s的速率支持1394b协议。IDB-1394规范定义了汽车级物理层，包括电缆和连接器，供电方式及所有1394设备能与嵌入式汽车IDB-1394设备互操作所必须的高层协议；是IEEE1394-1395、1394a-2000和1394b标准的补充，连接CD或DVD播放机、游戏机和计算机等，能适应这些设备的高速率要求。IDB-1394其结构如图10.5所示。10.1.6车载网络系统的优点将网络技术应用于现代汽车内部各电子系统间的连接和通信，在汽车内部形成通信网络是近年来汽车界的研发趋势。而针对汽车用各种总线标准的制定也取得了较大的进展，它有利于各种新型电气产品在汽车上的应用，大大提高汽车的性能，提高车用设备的标准化程度，缩短新车型的研发周期。网络化汽车的优点是：①采用网络式结构，只需一根通信电缆连接，减少了线束连接，减轻车体质量；②无须配电柜，部件数量减少，可靠性能提高；③可实现实时诊断、测试和报警，实现集中显示、历史查询和自诊断等功能，使汽车具有准黑匣子功能；④电气信号传递性质发生了变化，由功率型转变为“逻辑”型；⑤系统的扩展性强等。10.2CAN与车载网络系统据有关统计资料介绍，传统的汽车线束长约1610m，导线连接点近300个，线束总质量约为35kg，成本超过1000美元；且走线复杂，占用较大的车内空间，制约了汽车向电子化、智能化方向的发展。改用CAN后，连线可缩短200m到1000m，质量减轻9kg到17kg，布线简化，可靠性和实时性显著提高。因此，近年来投放市场的CAN控制器中，80％以上都用来组建车内网络系统。10.2.1应用现状早在1992年，Mercedes-Benz公司就将CAN用于客车的发动机管理系统，并用于传递驾驶信息。随着Volvo、Saab、Audi、Volkswagen、Fiat、BMW和Renault等汽车制造商纷纷效仿，CAN逐步被欧洲接纳为汽车行业标准，并延伸到工业控制、航空航天、医疗器械、娱乐设备、楼宇自动化等领域。目前，欧洲绝大多数新款客车的动力传动系统和车身电子系统部分别参照ISO11898和ISO1l519-2来进行设计。基于CAN的故障诊断系统也在大力推进，其协议草案ISO/DISl5765有望很快转为正式标准，届时CAN的车用规模将更加可观。在欧洲制造商的带动下，CAN也逐渐得到其他地区的认同。如过去在美国，车载网络标准在Daimler-Chrysler、Ford和GM三大汽车公司中各成体系，协议标准主要是汽车工程师协会(SAE)的J1850和J1922。但这些标准对网络各层协议的规定及工作性能与CAN相差甚远，很难被欧洲接受。因此，美国三大汽车公司已全部转向CAN，SAE也新颁布了J1939、J2411、J2284和J2480等一系列基于CAN的车用通信协议标准。亚洲地区因受美国的影响，日本的NEC、三菱和东芝等公司，已迅速发展成为CAN芯片的主要供应商，Toyota等汽车制造商甚至已开始用CAN替换原有的总线系统。Motorola、A1pine和住友等美国与日本的大企业还强强联手，开发出用于车内信息娱乐设备网的通信协议IDB-C(IntelligenttransportationsystemsDataBus-CAN)，并由SAE形成标准J2366，使CAN成为目前惟一能够覆盖全车应用领域的总线系统。表10-1就是CAN针对不同车用目的衍生出来的协议标准。10.2.2发展趋势下一代的高档乘用车，由于车载电子装置的迅速增多，CAN总线的应用将会使整车控制系统形成“局部成网、区域互联”的格局，如图10.6所示。车载电子装置按照通信的数据类型和性能需求被划归为四类：1.信息娱乐系统音响、图像媒体数据流传输速率一般都在2Mb/s以上，超出了CAN的带宽范围。因此，必须采用专门的多媒体总线。IDB-C只适用于媒体数据较少、品质要求不高的低端场合。CAN还要经历一段