汽车网络技术

车载网络技术概述随着汽车电子技术的不断发展，汽车电子化程度越来越高，汽车上的电子装置越来越多。汽车上新的技术增长点几乎无一不与电子技术和信息技术相关，现在汽车上每一个总成几乎都是机械、电子和信息一体化装置，在系统中电子和信息部分所起的作用也越来越重要，以至于有人认为汽车正在由一个拥有大量的电子技术与装置的机械系统，转变为一个由一定机械装置支撑的电子电气系统。汽车电控系统燃油喷射照明控制动力转向自动变速器中控门锁娱乐设备ABS电控悬架防撞控制X-by-wire安全气囊GPSASR巡航控制汽车通信自动空调汽车技术日新月异电控技术突飞猛进汽车上电子装置不断增加，如果继续使用传统的点对点的并行连接方式将必然导致★线路及接头增加★线束复杂★布线困难★安装空间紧缺★运行可靠性降低★故障维修难度增大同时，现代汽车控制技术已从单变量控制发展到多变量控制，从局部的自动调节发展到全局的最优控制。这就要求对汽车上每一系统的状态进行实时同步的跟踪、采集、综合分析、推理、判断，从而做出最佳控制决策。为了提高信号的利用率，要求大批的数据信息能在不同的电子单元中共享，汽车综合控制系统中大量的控制信号也需要实时交换。针对上述问题，在借鉴计算机网络和现场控制技术的基础上，汽车网络技术应运而生。在汽车内部采用基于现场总线的网络结构，可以实现★信息共享★减少布线★降低成本★便于维护★提高总体可靠性数据传递的形式目前，在汽车上应用的数据传输形式有两种：形式1每项信息均通过各自独立的数据线进行交换在该例中，共需要5条数据线进行数据传递也就是说，每项信息都需要一个独立的数据线随着汽车控制系统越来越复杂，所需传输的信息量也越来越大因此数据线的数量和控制单元的针脚数也会相应增加所以这种数据传递形式只适用于有限信息量的数据交换和传输形式2各控制单元之间的所有信息都通过两根数据线进行交换——CAN数据总线灯光控制远光近光小灯转向雾灯防空远光近光小灯转向雾灯防空控制器控制器串行数据通信编码000000010010001101000101011001111000100110101011含义远光ON远光OFF近光ON近光OFF小灯ON小灯OFF转向ON转向OFF雾灯ON雾灯OFF防空ON防空OFF开始位数据时钟0001011开始位停止位数据总线共同地线发送器接收器0001011开始位停止位时钟同步调整串行数据通信与数据传输形式1相比，CAN数据总线，所有信息都通过两根数据线进行传递通过该种数据传递形式，所有的信息，不管控制单元的多少和信息容量的大小，都可以通过这两条数据线进行传递，所以，如果控制单元间进行大量的信息交换，CAN数据总线也能完全胜任CAN是控制器局域网络ControllerAreaNetwork的缩写含义是控制单元通过网络进行数据交换CAN数据总线可比作公共汽车可以同时运输大量乘客CAN数据总线包含大量的数据信息CAN数据总线的数据传递过程车门控制单元控制内容例如车门控制单元withoutCAN完成其全部控制功能需要：45根线和9个插头无CAN总线：车门控制单元withCAN完成其全部控制功能只需：最多17根线，2个插头即可DataexchangewithCANdatabus(lowspeedCAN)(2datawires)利用CAN总线：基于CAN网络的车门控制系统动力控制CAN数据传输系统舒适系统CAN数据传输系统灯光控制CAN—基于CAN总线的整车管理系统在现代轿车设计中，车载网络已经成为必须采用的技术。如一汽宝来（BORA）、奥迪A6、马自达，上海波罗（POLO）、别克，广州本田雅阁，二汽神龙毕加索等轿车都不同程度地使用了CAN数据总线传输系统。第一章车载网络基础知识一、网络的一般概念1、计算机网络：将地理上分散的、具有独立工作能力的多台计算机通过通信设备和通信线路连接起来，在配有相应的网络通信软件条件下，实现数据通信和资源共享的系统。2、现场总线：应用在生产现场、在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统。现场总线把单个分散的测量控制设备变成网络节点，以数据总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息、共同完成自控任务的网络系统与控制系统。现场总线实际上就是控制领域的计算机局域网络。3、局域网在一个有限区域内将众多微型计算机连接在一起实现信息交换和信息共享的计算机网络。4、网络协议要想使两台计算机进行通信，必须使它们采用同意的信息交换规则。在计算机网络中，把用于规定信息格式以及如何发送和接收信息的一套规则（标准、约定）称为网络协议（或通信协议）。5、模块/节点模块就是一种电子装置，如ECU、传感器等在计算机多路传输系统中一些简单的模块被称为节点。6、传输介质★定义：通信网络中发送方和接收方之间的物理通路。★类型：有线传输和无线传输无线传输介质：电磁波、红外线有线传输介质—双绞线、同轴电缆、光纤汽车上使用的大多数都是有线网络媒体信号类型最大传输速度最大传输距离网络节点数双绞线数字1-2(Mbit/s)0.1(Km)几十同轴电缆（50Ώ）数字101几百同轴电缆（75Ώ）数字501几十同轴电缆（75Ώ）模拟501几十光纤模拟1001几十双绞线、同轴电缆、光纤的主要特性7、带宽与传输速率(1)信号的带宽信号是时间的函数，但也可表示为频率的函数。根据傅立叶信号分析理论，任何信号都是由各种不同频率的正弦波叠加而成的。信号频率的取值范围称为频谱。信号频谱中最高频率与最低频率的差成为信号的绝对带宽；信号大部分能量所在的频率范围称为信号的有效带宽，简称带宽。（如话音信号的频谱为300-3400Hz，带宽为3kHz)（2）信道的带宽没有任何信道能毫无损耗地通过所有频率分量。信道对信号的不同频率分量的衰减程度是不同的。信号在信道传输过程中某个分量的振幅衰减到原来的0.707时所对应的频率称为信道的截止频率—信道带宽。信道带宽反映了信道本身固有的物理特性。信号带宽信道带宽信号通过信号带宽信道带宽信号失真（3）信号传输速率信道在单位时间内能传输的二进制位数称为数据传输速率。传输速率越高，信号带宽越大。所以，信道的带宽限制了信号传输速率的提高。8、数据传输方式和编码方式网络中数据传输方式分并行传输和串行传输两种。并行传输中数据以成组的方式在多个并行信道上同时进行传输，串行传输指的是数据流以串行方式在一条信道上以一个个比特(bit)传输。由于串行传输只需要一个信道，因此是网络通信系统主要采用的一种方式。开始位数据时钟0001011开始位停止位数据总线共同地线发送器接收器0001011开始位停止位时钟同步调整串行数据通信9、网络介质访问方式指网络上节点获取传输介质使用权的方式(1)载波监听多路访问（CSMA，CarrierSenseMultipleAccess)：当一个节点要发送数据时，首先监听总线上是否有信号传输；如果没有，就开始发送信息；如果总线上有信号在传输，即总线忙，则按一定的算法等待一定时间后再监听总线状态。当两个或多个节点同时开始发送就会出现冲突。检测是否发生冲突的方式之一是发送时，同时接收总线信号状态，并与发送的数据进行比较，两者不同时说明发生了冲突。出现冲突时，必须对冲突进行仲裁，以判定哪一个节点获得总线访问权。仲裁获胜的节点继续发送，仲裁失利的节点转入接收状态，等待这个信息发送结束再启动发送过程。(2)令牌环方式：令牌环方式一般在环型网中应用。令牌在网上从一个节点到下一个节点依次传递，哪一个节点得到令牌，它就可以通过介质发送信息。9、网络拓扑结构网络拓扑结构是指网络中节点的互连形式。二、多路传输技术1、多路传输：在同一通道或线路上同时传输多条信息。即利用一个物理信道同时传输多个信号。2、多路传输技术分类：频分多路传输（FDM）把线路或空间的频带资源分成多个频段带），将其分别分配给多个用户，每个用户终端的数据通过分配给它的子通道通路（频段）进行传输。（电视、电话）时分多路传输（TDM）将传输信号的时间进行分割，使不同的信号在不同时间进行传输，即将整个传输时间分为许多时间间隔（时间片），每个时间片被一路信号占用。也就是在时间上交叉发送每一路信号的一部分来实现一条线路传送多路信号。三、车载网络系统的总体构成模块传输介质通信协议网关网关(Gateway)按照汽车装有的不同控制单元对车载网络性能要求的不同。汽车上往往将车载网络分成不同的区域，例如，上图所示的上海大众途安（TOURAN）车CAN-BUS数据总线共设定了动力系统总线、舒适系统总线、娱乐信息系统总线、仪表系统总线和诊断总线等5个不同的区域。由于不同区域车载网络的速率甚至通信协议有所不同，因此，一个信号要从一个车载网络进入到另一个车载网络区域，必须对双方不同的协议进行翻译和解释。网关应具备有从一个网络协议到另一个协议转换信息的能力。网关是连接异型网络的接口装置。第二章汽车网络通信协议一、通信协议1、通信协议的含义两个实体要想成功地通信，它们必须“说同样语言”，并按既定控制法则来保证相互的配合。协议—在两个实体间控制信息交换的规则之集合。具体地说，在通信内容、怎样通信及何时通信等方面，两个实体要遵从相互可以接受的一组约定和规则。在汽车局域网中，采用了同步串行传输方式，通信协议都是以报文（含有控制信息的数据流）为单位进行信息传送。二、汽车常用通信协议1、CAN2、LIN（LocalInterconnectNetwork）3、MOST4、FlexRay三、车载网络协议标准早期的汽车网络没有发展自身的通用网络标准，而是采用一些现有的常规标准，汽车生产厂家也是根据需要和自己以往的基础来开发网络系统，开放性很差。汽车网络真正在汽车上应用始于20世界80年代，在网络协议、支撑软硬件技术和元器件等方面多处于试验阶段。一些大的汽车公司出于技术的原因和集团利益方面的原因，对网络协议标准有不同的选择。同时，由于汽车上网络应用的层次和目的变化很大，而不同的层次或目的对网络性能的要求有很大的差异。汽车本身对价格非常敏感，如果用性能高的网络系统覆盖低层次的应用，则成本上无法接受。所以将有多个不同层次的网络标准，这些都决定了汽车上的网络必将是一个多层次的互联网结构。迄今为止，已有多种网络标准。目前存在的多种汽车网络标准，其侧重的功能有所不同。按系统的复杂程度、信息量、动作响应速度、可靠性要求等，SAE车辆网络委员会将汽车数据传输网划分为低速（A）、中速（B）、高速（C）三类。1、A类总线标准、协议A类是面向传感器／执行器控制的低速网络，数据传输位速率通常小于10kbps，主要用于电动门窗、灯光照明、后视镜调整、座椅调节等控制。A类目前首选的标准是LIN（LocalInterconnectNetwork）在2000年3月6日，五家汽车公司（Audi、BMW、DaimlerChrysler、Volvo和VOlkswagen）、VCT通讯公司以及半导体厂商Motorola联合宣布成立LIN协会，其目的是制订和实施满足汽车A类串行总线的开放式标准。1999年7月首次发行LIN规范（1.0版），2000年4月修订为l.1版，2000年11月再次修订为1.2版，这个标准就是现在的LIN总线标准。Lin特点：结构简单，成本低用途：智能传感器、执行器传输介质—单根线传输速率：20kbps总线最大长度：40m最大节点数：16媒体访问：单主/多从机制汽车低端网络系统车门控制单元控制内容2、B类总线标准、协议B类是面向独立模块间数据传输的中速网络，位速率一般在10kbps到125kbps之间。主要用于车身信息中心、故障诊断、仪表显示、安全气囊等系统。B类中国际标准是CANISO11519低速CAN通信标准控制器局部网络（CAN）是Bosch公司为解决未来汽车中众多电子装置之间繁忙的数据交换问题，1985年推出CAN协议1.0版。CAN理念新颖、性能卓越、安全可靠，能有效地支持分布式实时控制，因此刚一问世就受到了工业界、特别是汽车界的广泛欢迎。1991年9月形成技术规范2.0