汽车电控系统的结构与检修][电子教案]第13章 汽车车载网络技术

第13章汽车车载网络技术13.1概述13.1.1车载网络技术发展背景1.常规的布线方式，即点对点的单一通讯方式，相互之间联系较少，这样必然会形成庞大的布线系统。2.采用串行总线实现多路传输，组成汽车电子网络，就可以大大简化传统的汽车电路，这样就将过去一线一用的专线制改为一线多用制，大大减少了车上电线的数目，缩小了线束的直径。13.1.2车载网络的结构随着汽车技术的不断发展，汽车上采用的计算机数量越来越多，多个处理器之间相互连接、协调工作并共享信息构成了车载计算机网络系统，简称车载网络。•13.1.3基本术语•1．数据总线•数据总线是模块间运行数据的通道，既所谓的信息高速公路。数据总线可以实现在一条数据线上传递的信号能被多个系统及控制单元共享，从而最大限度的提高系统的整体效率，充分利用有限的资源。•2.多路传输•所谓多路传输，指在计算机局域网中，将多路信息混合或者交叉通过一个通信信道传送的方式。•3.模块/节点•模块就是一种电子装置。简单的如温度和压力传感器，复杂的如微处理器。传感器是一个模块装置，根据温度和压力的不同产生不同的电压信号。这些电压信号在微处理器的输入接口被转变成数字信号。在计算机多路传输系统中一些简单的模块被称为节点。各节点通过插接件连接到多路传输系统中。•4．网关•现代汽车上有很多的电子控制模块，各个系统采用的数据传输总线的速度有可能不同，或采用的通讯协议不同，必须用一种有特殊功能的计算机以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的目的，这种有特殊功能的计算机就叫做网关。网关实际上就是一个单片微型计算机，是连接不同网络系统的接口装置。网关的作用就是为在不同的通讯协议和不同的传输速度的模块之间进行通讯时，建立连接和信息解码，重新编译，并将数据传输给其他系统。13.2车载网络通信协议通信协议是指通信双方控制信息交换规则的标准、约定的集合，即数据在总线上的传输规则。•13.2.1A类网络协议标准•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1kbit/s，主要用于后视镜调整，电动镜、灯光照明等车身控制系统。该种网络有多种通信协议，目前首选的是LIN。LIN是用于汽车分布式电控系统的一种低成本串行通信系统，它是一种基于UART（UniversalAsynchronous/Transmitter）的数据格式，是主从结构的单线12V的总线通信系统。主要用于智能传感器和执行器的串行通信，而这正是CAN总线的带宽和功能所不要求的部分。•13.2.2B类网络协议标准•B类是面向独立模块间数据共享的中速网络，数据传输速率在10kbit/s-125kbit/s，属于数据在节点间传输的多总线系统，可取消多余的系统组件。该类网络适用于对实施性要求不高的通讯场合，以减少多余传感器和其他电子部件，主要应用于车身电子舒适性模块、仪表显示、负载信息、故障诊断等。•B类中的国际标准是CAN总线。CAN总线是一种多主总线，通信介质可以是双绞线、同轴电缆或光导纤维。CAN总线的通信接口中集成了CAN总线的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判别等项工作。CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码，而代之以对通信数据块进行编码，最多可识别2048个（标准版2.0A）或5.12×10个（扩展版2.0B）不同信息。采用这种方法的优点，可使网络内的节点个数在理论上受限制。•13.2.3C类网络协议标准•C类是面向高速、实施闭环控制的多路传输网，数据传输位速率在125kbit/s-1Mbit/s之间，主要用于与汽车安全相关以及实时性要求比较高的地方，如牵引控制、发动机控制、自动变速器控制、ABS/ARS控制、安全气囊、主动悬架、巡航系统、电控动力转向系统、故障诊断系统及组合仪表信号的采集系统等。•13.2.4MOST技术•MOST技术（MediaOrientedSystemsTransport），即多媒体定向传输技术，它是一种高速网络，以光纤为总线它的传输速度可达到25Mbit/s，能够很好地满足汽车多媒体的要求。13.3CAN数据总线传输系统13.3.1CAN的含义•CAN总线全称为控制器局域网（ControllerAreaNetwork）。CAN总线是国际上应用最广的一种现场总线（有别于办公室总线），是德国Bosch公司为解决现代汽车众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行通信协议。它的短帧数据结构、非破坏性总线性仲裁技术以及灵活的通讯方式适应了汽车的实时性和可靠性要求。汽车CAN总线的技术背景来源于工业现场总线和计算机局域网这些成熟的技术，因此具有很高的可靠性和抗干扰性。13.3.2CAN的应用•汽车上的网络连接方式主要采用两条CAN，一条是用于驱动系统的高速CAN，速率达到500kbit/s,即动力总线；另一条是用于车身控制的低速CAN，速率是100kbit/s.驱动系统CAN主要连接对象是发动机控制器、ABS/ASR控制器、安全气囊控制器、组合仪表等，它们的基本特征相同，都是控制与汽车行驶直接相关的系统。车身系统CAN主要连接和控制汽车的内外部照明、灯光信号、雨刮电机等电器。目前，驱动系统CAN和车身系统CAN这两条独立的总线之间设有网关，一是实现在各个CAN总线之间的资源共享，并将各个数据总线的信息反馈到仪表板上。驾驶者只要看看仪表板，就可以知道各个电控装置是否正常工作了。13.3.3CAN数据总线传输系统的构成CAN数据传输系统中每块电脑的内部都增加一个CAN控制器，一个CAN收发器；每块电脑外部都连接了两条CAN数据总线。在系统中作为终端的两块电脑，其内部还装有一个数据传递终端（有时数据传递终端安装在电脑外部）。•1．CAN控制器•CAN控制器的作用是接收控制单元中微处理器发出的数据，处理数据并传给CAN收发器。同时，CAN控制器也接收CAN收发器所收到的数据，处理数据并传给微处理器。•2．CAN收发器•CAN收发器是一个发送器和接收器的组合，它将CAN控制器提供的数据转化成电信号并通过数据总线发送出去，同时，它也接收总线数据，并将数据传到CAN控制器。•3.数据传递终端•数据传递终端实际上是一个电阻器，其作用是避免数据传送终了发射回来，产生发射波而使数据遭到破坏。•4.CAN数据总线•CAN数据总线是用以传输数据的双向数据线，分为CAN高位（CAN-high）和CAN低位（CAN-low）数据线。数据没有指定接收器，数据通过数据总线发送给各控制单元，各控制单元接收后进行计算。为了防止外界电磁波干扰和向外辐射，CAN总线采用两条线缠绕在一起，两条线上的电位是反相的，如果一条线上的电压是5V，另一条线就是0V，两条线的电压总和是等于常值。通过该种办法，CAN总线得到保护而免受外界电磁场干扰，同时，CAN向外辐射也保持中性，即无辐射。•5.数据传输过程•控制单元向CAN控制器提供数据用于传输，CAN收发器从控制器处接收数据，将其转化为电信号发出。所有与CAN数据总线一起构成网络的控制单元接收所发出的数据，控制单元对接收到的数据进行检测，看是否是其功能所需。如果接收到的数据是重要的，它将被认可并进行处理，否则，将被忽略掉。13.3.4CAN网络结构•1.OSI七层体系结构•CAN层的定义与开放系统互连模型OSI（opensystemintreconnection）一致。国际标准化组织ISO推荐的OSI模型是目前国际上数据网的公认标准。ISO/OSI参考模型从第一层到第七层依次为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。•2.CAN网络结构•CAN网络结构主要包括两大部分：一是通信部分；二是网络管理部分。通信部分相当于OSI模型的物理层、数据链路层、传输层和应用层。13.3.5CAN总线的特点•（1）CAN为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻主动地向网络上其它节点发送信息，而不分主从，通信方式灵活，且无需占地址等节点信息。•（2）CAN网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时，高优先级的数据最多可在134ｕs内得到传输。•（3）CAN采用非破坏性总线性仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动地退出发送，而最高优先级的节点可不受影响地继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。•（4）CAN只需通过帧滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等几种方式传送接收数据，无需专门的调度。•（5）CAN采用非归零式编码（NRZ），直接通信距离可达10km，这时速率为5kbit/s；通信速率最高可达1Mbit/s,不过此时的通信距离最长为40m。•（6）CAN上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达110个。表示符可达2032中（CAN2.0A），而扩展标准（CAN2.0B）的标示符几乎不受限制。•（7）采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果。•（8）CAN的每帧信息都有CRC校验及其他检错措施，保证数据出错率极低。•（9）CAN的通信介质可为双绞线、同轴光缆或光纤，选择灵活。•（10）CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出的功能，以使总线上其他节点的操作不受影响。•13.4局部连接网络LIN•LIN网络是一种新发展出来的汽车车载网络系统，其应用成本较CAN网络低，主要用于汽车外围设备的网络连接。LIN网络目前应最多的是空调、车门、天窗等的控制传输。•13.4.1LIN的发展•LIN（LocalIterconnectNetwork）网络始建于1998年，是由Audi、BMW、Daimler、Chrysler、MotorolaVolcanoCommunicationsTechnologies(VCT)、Volkswagen和Volvo等公司和部门（LIN联合体）提出的一个汽车底层网络协议。其目的是给出一个价格低廉、性能可靠的低速网，在汽车网络层次结构中作为低端网络的通用协议，并逐渐取代目前各种各样的低端总线系统。13.4.2LIN的特点•LIN协议是已广泛定义的SCI（UART）为基础定义的。它支持与这类产品的连接。LIN采用单主/多从信息标识的广播式信息传输方式，网络节点根据在通信中的地位分为主节点和从节点。为了降低成本，LIN网络中，从节点的同步不需要固定的时间基准。•LIN的物理层是根据汽车故障诊断系统标准ISO9141拟定的12V单总线（SingleWire12VBus）,满足汽车环境的电磁兼容、静电放电和抗噪声干扰要求。LIN提供了一种不需要在更高的通信频带环境中应用的廉价高效的通信网络标准。LIN的标准化将为汽车制造商以及供应商在研发、应用、操作系统方面降低成本。•LIN配置语言给出了在开发中描述系统结构和系统特性（如节点、接口、延时等）的标准。按照这个标准，来自不同开发商的数据库、网络设备、网络分析/仿真工具可以互相兼容。•LIN应用程序接口（API）提供了应用程序与LIN通信系统软件的调用接口，这是一个比较简单但对提高系统设计效率非常有效的标准。13.4.3LIN的网络结构LIN网络是一个主/从结构的网络，网络由一个主节点和多个从节点构成，主节点可以执行主任务也可以执行从任务，从节点只能执行从任务。总线上的信息传送由主节点控制。LIN系统总线的电气性能对网络结构有很大的影响。网络节点数不仅受标识符长度的限制，而且受总线物理特性的限制。13.5CAN-Bus系统的检测诊断13.5.1CAN-Bus系统的故障类型CAN-Bus系统的故障根据原因不同主要有三种类型，即电源系统引起的故障、节点故障和链路故障。13.5.2CAN-Bus系统的诊断步骤（1）了解该车载网络系统的传输特点，包括传输介质、几种子网及网络系统的具体结构形式等。（2）了解车载网络系统的功能。（3）检查车辆电源系统是否存在故障，如交流发电机的输出波形是否正常等。（4）采用替代法或跨线法，检查CAN-Bus系统的链路是否存在故障。（5）采用替代法，检查节点故障。13.5.3CAN-B