汽車總線技術(shù)綜述24頁

1、汽車總線技術(shù)綜述0引言21汽車網(wǎng)絡(luò)總線分類32CAN總線介紹及其在汽車的應(yīng)用52.2 CAN 總線技術(shù)特點62.3 CAN總線技術(shù)在汽車中的應(yīng)用的優(yōu)勢72.4 CAN原理及汽車上的應(yīng)用72.4.1原理72.4.2汽車上CAN總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、應(yīng)用方案與實例83LIN總線介紹及其在汽車的應(yīng)用113.1原理113.1.1 LIN 拓撲結(jié)構(gòu)113.1.2 LIN 數(shù)據(jù)傳輸113.1.3 總線睡眠和喚醒123.1.4 錯誤檢測和處理123.2 LIN在汽車上的應(yīng)用124FlexRay總線介紹及其在汽車的應(yīng)用144.1 FlexRay總線發(fā)展歷史144.2 FlexRay總線原理154.3 FlexRay

2、在汽車上的應(yīng)用155MOST總線介紹及其在汽車的應(yīng)用175.1 MOST 總線光纖傳輸?shù)奶攸c175.2 MOST 總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)185.3MOST在汽車上的應(yīng)用196其他207結(jié)語23參考文獻:23汽車總線技術(shù)綜述0 引言隨著汽車各系統(tǒng)的控制逐步向自動化和智能化轉(zhuǎn)變，汽車電氣系統(tǒng)變得日益復(fù)雜。傳統(tǒng)的電氣系統(tǒng)大多采用點對點的單一通信方式，相互之間少有聯(lián)系，這樣必然會形成龐大的布線系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計，一輛采用傳統(tǒng)布線方法的高檔汽車中，其導(dǎo)線長度可達2000米，電氣節(jié)點可達1500個，而且該數(shù)字大約每10年就將增加1倍。這進一步加劇了粗大的線束與汽車上有限的可用空間之間的矛盾。無論從材料成本還是工作效率看

3、，傳統(tǒng)布線方法都不能適應(yīng)現(xiàn)代汽車的發(fā)展。另外，為了滿足各電子系統(tǒng)的實時性要求，須對汽車公共數(shù)據(jù)（如發(fā)動機轉(zhuǎn)速、車輪轉(zhuǎn)速、節(jié)氣門踏板位置等信息）實行共享，而每個控制單元對實時性的要求又各不相同。因此，傳統(tǒng)的電氣網(wǎng)絡(luò)已無法適應(yīng)現(xiàn)代汽車電子系統(tǒng)的發(fā)展，于是新型汽車總線技術(shù)便應(yīng)運而生。汽車總線為汽車內(nèi)部各種復(fù)雜的電子設(shè)備、控制器、測量儀器等提供了一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)交換渠道。就像在20世紀70年代引入集成電路、80年代引入微處理器一樣，汽車總線術(shù)的引入也將是汽車電子技術(shù)發(fā)展的一個里程碑。1多數(shù)工程師認為，汽車工業(yè)將慢慢改變它的電子架構(gòu)，最有可能的是采用一種混合的協(xié)議方案。他們認為:FlexRay最終將在車身

4、和底盤上被采用，LIN將應(yīng)用在門鎖和窗口馬達等低帶寬領(lǐng)域，在氣囊和其它保險裝置中采用線控安全（Safty-by-Wire)，而CAN總線將繼續(xù)控制它的動力傳輸系統(tǒng)。2 下文將介紹各類汽車總線及其在汽車的應(yīng)用。圖0-1 傳統(tǒng)的點對點通訊方式拓撲圖3圖0-2未來汽車數(shù)據(jù)總線層次結(jié)構(gòu)1 汽車網(wǎng)絡(luò)總線分類自總線通訊技術(shù) 20 世紀 80 年代開始應(yīng)用在汽車上之后，目前已形成了適用于不同場合的多種汽車總線標準，如 MOST、CAN、TTP、LIN、FLEXRAY 等。SAE（美國汽車工程師協(xié)會）按傳輸速度的不同，將汽車網(wǎng)絡(luò)總線分為 ABCD 四類。如下表所示:4表1-1汽車網(wǎng)絡(luò)總線分類圖1-1汽車總線網(wǎng)

5、絡(luò)系統(tǒng)A類面向傳感器/執(zhí)行器控制的低速網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)傳輸位速率通常只有l(wèi)一10kbPs。主要應(yīng)用于電動門窗、座椅調(diào)節(jié)、燈光照明等控制。B類面向獨立模塊間數(shù)據(jù)共享的中速網(wǎng)絡(luò)，位速率一般為10一125kbPs。主要應(yīng)用于電子車輛信息中心、故障診斷、儀表顯示、安全氣囊等系統(tǒng)，以減少冗余的傳感器和其它電子部件。C類面向高速、實時閉環(huán)控制的多路傳輸網(wǎng)，最高位速率可達IMbps，主要用于懸架控制、牽引控制、先進發(fā)動機控制、ABS等系統(tǒng)，以簡化分布式控制和進一步減少車身線束。三類網(wǎng)絡(luò)功能均向下涵蓋，即B類支持A類網(wǎng)的功能，C類網(wǎng)能同時實現(xiàn)B類和A類網(wǎng)功能。目前B類汽車局域網(wǎng)應(yīng)用最為廣泛，A類網(wǎng)已經(jīng)趨于淘汰，C、

6、D類網(wǎng)應(yīng)用日益廣泛。5表1-2 部分A類網(wǎng)絡(luò)協(xié)議在A類網(wǎng)絡(luò)中，LIN協(xié)議將會成為主流協(xié)議。表1-3 部分B類網(wǎng)絡(luò)協(xié)議B類網(wǎng)絡(luò)中的主流協(xié)議將是CAN(15011898-3，<125Kbps)、SAEJ1850和VAN等協(xié)議，其中CAN最為突出。表1-4 部分C類網(wǎng)絡(luò)協(xié)議目前C類網(wǎng)絡(luò)最高位速率能夠達到10MbPs，主流協(xié)議有:高速CAN(15011898-2)、正在發(fā)展中的TTCAN和FlexRay。52 CAN總線介紹及其在汽車的應(yīng)用2.1歷史與現(xiàn)狀CAN是控制局域網(wǎng)絡(luò)（Control Area Net）的簡稱,最早由德國BOSCH公司推出,用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信,目前廣

7、泛應(yīng)用于離散控制領(lǐng)域。CAN協(xié)議也是建立在OSI模型基礎(chǔ)上的,其模型結(jié)構(gòu)為三層,即只取OSI底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和頂層的應(yīng)用。其信號傳輸介質(zhì)為雙絞線。通信速率最高可達1Mbps/40m。直接傳輸距離最遠可10Km/5Kps,可掛接設(shè)備數(shù)量為110個。CAN總線的突出優(yōu)點使其在各個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,這使得許多器件廠商競相推出CAN總線器件產(chǎn)品。下表列出了一些國內(nèi)常用的CAN總線芯片,供參考。6表2-1主要CAN總線器件產(chǎn)品目前，汽車電子設(shè)備中應(yīng)用的CAN總線共有3個版本。其中成本最低、速度也最慢的是單線CAN（SW-CAN），另外2種分別是容錯CAN（FT-CAN）和高速 CAN（HS-C

8、AN）。低速CAN總線有自動休眠功能，總線可以讓沒有操作的節(jié)點進入節(jié)電模式，在需要的時候再由總線喚醒。高速總線的速度可以達到500千比特/ 秒，甚至1兆比特/秒，主要用于關(guān)鍵的實時系統(tǒng)，如發(fā)動機集中控制系統(tǒng)、制動防抱死系統(tǒng)（ABS）、巡航系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)等。近幾年來，CAN總線發(fā)展迅速，一些汽車制造商也在開發(fā)自己的CAN版本。比如通用汽車公司在標準CAN的基礎(chǔ)上，應(yīng)用自己的通信協(xié)議，并修改了其他部分軟件，開發(fā)出了GMCAN，使之更容易采用第3方開發(fā)工具。一些芯片制造商也在對標準CAN進行改進，如在汽車熄火時降低CAN模塊的功耗，以延長電池壽命。當然，這種對CAN標準的改進而形成的新的專利技術(shù)，必

9、然會提高CAN芯片供應(yīng)商們的成本，因為他們需要提供同時滿足GMCAN和標準CAN的芯片。12.2 CAN 總線技術(shù)特點CAN 總線可有效支持分布式控制或?qū)崟r控制，通信介質(zhì)可以是雙絞線，同軸電纜或光纖，其主要特點是7：（1）CAN 總線為多主站總線，各節(jié)點可在任意時刻向網(wǎng)絡(luò)上的其他節(jié)點發(fā)送信息，不分主從,通信靈活。（2）CAN 總線采用獨特的非破壞性總線仲裁技術(shù)，優(yōu)先級高的節(jié)點優(yōu)先傳送數(shù)據(jù)，可滿足實時性要求。（3）CAN 總線具有點對點、一點對多點及全局廣播傳送數(shù)據(jù)的功能。（4）CAN 總線采用短幀結(jié)構(gòu)，每幀有效字節(jié)數(shù)最多為 8個，數(shù)據(jù)傳輸時間短，受干擾的概率低，重新發(fā)送的時間短。并有 CRC

10、及其他校驗措施，數(shù)據(jù)出錯率極低保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母呖煽啃?，適于在高干擾環(huán)境中使用。（5）CAN 總線上某一節(jié)點出現(xiàn)嚴重錯誤時，可自動脫離總線，而總線上的其他操作不受影響。（6）CAN 總線系統(tǒng)擴充時，可直接將新節(jié)點掛在總線上，因而走線少，系統(tǒng)擴充容易，改型靈活。（7）CAN 總線最大傳輸速率可達 1Mb/s（此時通信距離最長為40m），直接通信距離最遠可達10k（m速率5kbps以下）。（8）CAN 總線上的節(jié)點數(shù)主要取決于總線驅(qū)動電路。在標準幀（11 位報文標識符）可達 110 個，而在擴展幀（29位報文標識符）其個數(shù)幾乎不受限制。（9）CAN 可以點對點、一點對多點（成組）及全局廣播集中方式

11、傳送和接受數(shù)據(jù)。（10）采用不歸零碼（NRZ-Non-Return-to-Zero）編碼/解碼方式，并采用位填充（插入）技術(shù)。2.3 CAN總線技術(shù)在汽車中的應(yīng)用的優(yōu)勢（1）信息共享7采用 CAN 總線技術(shù)可以實現(xiàn)各 ECU 之間的信息共享，減少不必要的線束和傳感器。例如具有 CAN 總線接口的電噴發(fā)動機，其它電器可共享其提供的轉(zhuǎn)速、水溫、機油壓力、機油溫度、油量瞬時流速等，這樣一方面可省去額外的水溫、油壓、油溫傳感器，另一方面可以將這些數(shù)據(jù)顯示在儀表上，便于司機檢查發(fā)動機運行工況，從而便于發(fā)動機的保養(yǎng)維護。（2）減少線束新型電子通訊產(chǎn)品的出現(xiàn)對汽車的綜合布線和信息的共享交互提出了更高的要求，

12、傳統(tǒng)的電氣系統(tǒng)大多采用點對點的單一通信方式，相互之間少有聯(lián)系，這樣必然造成龐大的布線系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計一輛采用傳統(tǒng)布線方法的高檔汽車中，其導(dǎo)線長度可達 2000 米，電氣節(jié)點達 1500 個，而且該數(shù)字大約每十年增長1倍。這種傳統(tǒng)布線方法不能適應(yīng)汽車的發(fā)展。CAN 總線可有效減少線束，節(jié)省空間。例如某車門-后視鏡、搖窗機、門鎖控制等的傳統(tǒng)布線需要20-30根，應(yīng)用總線 CAN則只需要 2 根。（3）關(guān)聯(lián)控制在一定事故下，需要對各 ECU 進行關(guān)聯(lián)控制，而這是傳統(tǒng)汽車控制方法難以完成的。CAN 總線技術(shù)可以實現(xiàn)多 ECU的實時關(guān)聯(lián)控制。在發(fā)生碰撞事故時，汽車上的多個氣囊可通過 CAN 協(xié)調(diào)工作，它們通

13、過傳感器感受碰撞信號，通過 CAN總線將傳感器信號傳送到一個中央處理器內(nèi)，控制各安全氣囊的啟動彈出動作。2.4 CAN原理及汽車上的應(yīng)用2.4.1原理CAN 通信網(wǎng)絡(luò)的硬件組成十分簡單，主要由兩根通信線（必要時可添加接地屏蔽線）和 CAN 通信模塊組成。兩根通信線負責(zé)傳送網(wǎng)絡(luò)數(shù)字信號，分別命名為CANH和CANL,數(shù)字信號通過CANH和CANL間的電壓差來傳達。通信模塊負責(zé)收發(fā)數(shù)據(jù)，汽車電控系統(tǒng)只要包含 CAN 通信模塊且連接在通信線上就成為了整車 CAN 網(wǎng)絡(luò)的通信節(jié)點，電控系統(tǒng)通過節(jié)點都可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享和命令的發(fā)布，這種網(wǎng)絡(luò)模式稱為多主機仲裁模式。4CAN 總線網(wǎng)絡(luò)建立時，每個通信節(jié)點根據(jù)

14、自己的重要程度和數(shù)據(jù)實時性要求，被設(shè)置一個表明自身優(yōu)先級 ID 號，ID 號越小，優(yōu)先級越高。某個節(jié)點需要發(fā)布信息和命令時，通信模塊像廣播一樣將數(shù)據(jù)發(fā)布在總線上，其他所有 CAN 節(jié)點都可以讀取，然后根據(jù)需要進行取舍和計算。當兩個節(jié)點同時都向線路上發(fā)布消息時，為避免搶占總線使用權(quán)產(chǎn)生錯誤，CAN 總線采用了一種獨特的判斷機制解決這個問題。當網(wǎng)絡(luò)空閑時，某個通信單元想要發(fā)布信息，先向網(wǎng)絡(luò)發(fā)布自己的 ID 號，同時監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點發(fā)布的 ID 號，并做出比較，一旦發(fā)現(xiàn)有比自己高級的單元，自動退出，等待下一次網(wǎng)絡(luò)空閑。當某節(jié)點發(fā)布完 ID 號后發(fā)現(xiàn)自己是最高級別的申請者，就可以開始發(fā)送數(shù)據(jù)和命令。

15、CAN 網(wǎng)絡(luò)組建靈活可靠，一個通信模塊只要合理的設(shè)置節(jié)點 ID 號，節(jié)點可以隨時從通信網(wǎng)絡(luò)添加或刪除。某個節(jié)點故障，不會影響整個網(wǎng)絡(luò)工作。但是，單個 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)包含過多的節(jié)點可能造成網(wǎng)絡(luò)堵塞，汽車上目前采用多個獨立CAN 網(wǎng)絡(luò)并行工作的方式解決這個問題。42.4.2汽車上CAN總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、應(yīng)用方案與實例普通汽車典型的控制單元有電控燃油噴射系統(tǒng)，電控傳動系統(tǒng)，防抱死制動系統(tǒng)（ABS），防滑控制系統(tǒng)（ASR），廢氣再循環(huán)系統(tǒng)，巡航系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)，車身電子控制系統(tǒng)（包括照明指示和車窗、刮雨器等）。普通汽車的 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)如圖 2-1 所示3圖 2-1燃料電池混合動力汽車的動力驅(qū)

16、動系統(tǒng)比一般普通汽車驅(qū)動系統(tǒng)復(fù)雜，狀態(tài)量和控制量也相對增多，采用傳統(tǒng)的接線方式面臨的困難顯而易見，此外其動力系統(tǒng)還廣泛采用數(shù)字化電控單元，基于此，燃料電池混合動力汽車比較適于采用 CAN 總線來實現(xiàn)驅(qū)動系統(tǒng)中各子系統(tǒng)之間的通信。采用 CAN 總線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2-2 所示。圖2-2燃料電池混合動力汽車 CAN 總線技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)CAN 總線技術(shù)應(yīng)用方案（1） 方案一：方案一是一個完整的分布式汽車電子控制系統(tǒng)，它采用多子網(wǎng)結(jié)構(gòu)，將信息交換比較密切的系統(tǒng)放在一個子網(wǎng)中，使整個系統(tǒng)具有很高的實時性，不同子網(wǎng)之間根據(jù)不同的應(yīng)用特點，采用不同的物理層接口以及通信速率，優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。7如圖2

17、-3：圖2-3方案一簡化了各個 CAN 子網(wǎng)的設(shè)計難度，但是整車的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計以及總線通信協(xié)議比較復(fù)雜，硬件上對網(wǎng)關(guān)的要求比較高，需要有強大的數(shù)據(jù)處理能力，而且系統(tǒng)成本比較高，適合于中高檔轎車采用。（2） 方案二中整車的 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)分為高速網(wǎng)絡(luò)和低速網(wǎng)絡(luò)兩部分，高速網(wǎng)采用雙線式高速 CAN 總線(1Mbps)，低速網(wǎng)采用雙線式 CAN 總線(125gbps)。儀表顯示模塊作為網(wǎng)關(guān)完成兩部分數(shù)據(jù)之間的傳輸。7CAN 總線應(yīng)用方案二如圖 2-4 所示。圖2-4 CAN總線在汽車上應(yīng)用方案整個系統(tǒng)分為高速和低速兩部分。動力傳動總線和安全總線合并成高速總線，這樣做降低了通信的實時性，但是考慮到傳

18、動系總線中一般是周期性的數(shù)據(jù)，而安全總線中一般是突發(fā)性的數(shù)據(jù)，只要選擇合適的幀優(yōu)先級就可以彌補這個缺點。舒適總線和信息總線合并為低速總線，這兩部分中對數(shù)據(jù)的實時性要求不高，125Kbps 的速率完全可以滿足需求。(3) 有些先進的轎車除了上述2條CAN總線外，還會有第3 條CAN總線，它主要負責(zé)衛(wèi)星導(dǎo)航及智能通信系統(tǒng)。8具體實例以下是汽車CAN總線的仿真結(jié)構(gòu)圖，該系統(tǒng)可實現(xiàn)汽車CAN總線的基本控制功能。9圖2-5 CAN總線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主節(jié)點(Master node)是整個控制系統(tǒng)的中心，負責(zé)所有其他節(jié)點的數(shù)據(jù)通信與信息處理,還記錄車輛的基本信息和測量循環(huán)次數(shù)。照明控制節(jié)點(Lighting co

19、ntrol nodes)完成汽車燈的控制和驅(qū)動，及開關(guān)的檢測和管理。直流電機控制節(jié)點(DC motor control node)完成控制直流電機的換向、小數(shù)量開關(guān)的檢測和處置，可控制汽車雨刷器和電機的動作。電磁執(zhí)行器控制節(jié)點(Electromagnetic actuator control nodes)完成位置信號的檢測和處置，并控制電磁執(zhí)行器驅(qū)動，可以實現(xiàn)燃油噴射發(fā)動機的控制。3 LIN總線介紹及其在汽車的應(yīng)用3.1原理3.1.1 LIN 拓撲結(jié)構(gòu)LIN 采用單主機多從機模式, 一個 LIN 網(wǎng)絡(luò)包括一個主機節(jié)點和若干個從機節(jié)點。(由于過多節(jié)點將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)阻抗過低, 一個 LIN 網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點

20、總數(shù)不宜超過16個。主機節(jié)點既包括主機任務(wù)也包括從機任務(wù), 從機節(jié)點都只包括從機任務(wù), 如圖 3-1 所示。主機節(jié)點也可以通過網(wǎng)關(guān)和其他總線如 CAN 連接。圖3-1 LIN 拓撲結(jié)構(gòu)3.1.2 LIN 數(shù)據(jù)傳輸LIN 總線中數(shù)據(jù)借助報文幀來傳輸, 報文幀由報文頭和響應(yīng)組成。報文頭只能由主機任務(wù)發(fā)送,它包括同步間隔場、同步場和標識符場三個部分。同步間隔場為至少 13 個連續(xù)的顯性位(低電平), 它標志著一個報文幀的開始。其后為同步場, 同步場邏輯值為 0×55, 從機節(jié)點利用同步場來實現(xiàn)與主機節(jié)點的同步。標識符場緊跟在同步場之后, 長度為一個字節(jié)。標識符場中低 6 位為標識符位, 共

21、可組成 64 個標識符, 其中 60 個用作一般報文傳輸、兩個用作診斷幀、一個用作用戶定義幀、一個留作 LIN擴展用。標識符后兩位為奇偶校驗位。標識符指出當前幀的內(nèi)容, 從機節(jié)點據(jù)此來確定自己是否應(yīng)該對當前幀做出響應(yīng)、做出何種響應(yīng)。響應(yīng)由從機任務(wù)發(fā)送, 它由數(shù)據(jù)場和校驗和場組成。數(shù)據(jù)場由報文幀所攜帶的數(shù)據(jù)組成, 長度為一到八個字節(jié)。報文幀的最后為校驗和場, 長度為一字節(jié),LIN1.3 及其以前的規(guī)范版本中規(guī)定校驗和場僅對數(shù)據(jù)場作校驗, 稱為傳統(tǒng)校驗和, LIN2.0 規(guī)范中規(guī)定校驗和場校驗范圍包括數(shù)據(jù)場和標識符場, 稱為增強校驗和。一個完整的報文幀如圖3-2所示。根據(jù)傳輸條件的不同, 報文幀可

22、分為絕對幀、觸發(fā)幀、離散幀、診斷幀、用戶定義幀和保留幀六種。LIN 總線上的所有通訊都由主機節(jié)點中的主機任務(wù)發(fā)起, 主機任務(wù)根據(jù)進度表來確定當前的通訊內(nèi)容, 發(fā)送相應(yīng)的幀頭, 并為報文幀分配幀通道?？偩€上的從機節(jié)點接收幀頭之后, 通過解讀標識符來確定自己是否應(yīng)該對當前通訊做出響應(yīng)、做出何種響應(yīng)?；谶@種報文濾波方式, LIN 可實現(xiàn)多種數(shù)據(jù)傳輸模式, 且一個報文幀可以同時被多個節(jié)點接收利用, 如圖3-3所示。10圖3-2 LIN報文幀圖3-3 LIN數(shù)據(jù)傳輸模式3.1.3 總線睡眠和喚醒需要時可由主機節(jié)點發(fā)送一個標識符為 0x3C且數(shù)據(jù)場中首字節(jié)為 0 的診斷幀將所有從機節(jié)點置為睡眠狀態(tài), 如

23、果總線在 4 秒鐘以上沒有任何活動,從機節(jié)點也自動進入睡眠狀態(tài), 以減小功耗。 處于睡眠狀態(tài)的 LIN 網(wǎng)絡(luò)中的任何一個節(jié)點都可以請求喚醒總線, 總線上的所有節(jié)點在接收到喚醒請求后應(yīng)脫離睡眠狀態(tài)并為接收總線命令做好準備。主機節(jié)點接收到喚醒請求后也被喚醒, 并在從機節(jié)點準備好之后發(fā)送幀頭, 尋找喚醒原因。3.1.4 錯誤檢測和處理LIN 規(guī)范定義了六種不同類型的報文錯誤: 位錯誤、校驗和錯誤、標識符錯誤、從機不響應(yīng)錯誤、總線不活動錯誤和同步場不一致錯誤。主機節(jié)點和從機節(jié)點分別檢測這六種錯誤中的若干種。3.2 LIN在汽車上的應(yīng)用 LIN是一種低成本的串行通訊網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，采用單個主控制器/多個從設(shè)備

24、的模式，在主從設(shè)備之間只需要1根電壓為12伏的信號線。這種主要面向“傳感器/執(zhí)行器控制”的低速網(wǎng)絡(luò)，其最高傳輸速率可達20千比特/秒，主要應(yīng)用于電動門窗、座椅調(diào)節(jié)、燈光照明等控制，典型的LIN網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)可以達到12個。以門窗控制為例，在車門上有門鎖、車窗玻璃開關(guān)、車窗升降電機、操作按鈕等，只需要1個LIN(網(wǎng)絡(luò)就可以把它們聯(lián)為一體。而通過CAN網(wǎng)關(guān)，LIN網(wǎng)絡(luò)還可以和汽車其它系統(tǒng)進行信息交換，實現(xiàn)更豐富的功能。目前LIN(已經(jīng)成為國際標準，被大多數(shù)汽車制造商和零部件生產(chǎn)商所接受。1長期以來，低速總線標準有許多種，卻一直沒有一種能夠成為該領(lǐng)域的通用標準。直到 1998 年，Audi、Motor

25、ola、BMW、DaimlerChrysler 、VCT、Volvo 和 Volkswagen 七家公司聯(lián)合成立了 LIN(LocalInterconnect Network)協(xié)會，提出了一種新型 A 類總線LIN，才改變了這個局面4。LIN 主要用于汽車中的分布式電子控制系統(tǒng)。在車輛上有的通信場合不需要 CAN 總線那樣的速度和帶寬，比如汽車上的隨動轉(zhuǎn)向大燈，方向盤集控開關(guān)、電動車門、電動座椅控制等，如果這些電子控制系統(tǒng)都使用 CAN 節(jié)點通信，將大大的增加生產(chǎn)成本。這時，使用 LIN 總線相比于 CAN 總線就具有更高的性價比優(yōu)勢，圖3-4 為 LIN 網(wǎng)絡(luò)在汽車上的應(yīng)用方案。4圖3-4

26、LIN 網(wǎng)絡(luò)在汽車上的應(yīng)用方案整車網(wǎng)絡(luò)中，各 LIN 網(wǎng)絡(luò)的核心主機利用 CAN模塊接入 CAN 總線網(wǎng)絡(luò)，使 LIN 網(wǎng)絡(luò)成為整車通信網(wǎng)絡(luò)的一個子網(wǎng)，實現(xiàn)對 CAN 總線的擴展和補充，這樣設(shè)計既實現(xiàn)了不同速率的網(wǎng)絡(luò)分級，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，節(jié)約了整車成本。LIN 總線通信的實現(xiàn)不需要專門的片上通訊模塊，而是采用普通 UART/SCI 接口，使用低成本硬件、低成本軟件即可進行汽車 LIN 網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)，周期短、速度快。采用 CAN BUS+LIN BUS 雙總線搭配，優(yōu)化汽車網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，控制成本的車型有許多。如一汽大眾的新寶來、速騰、新高爾夫；上汽大眾的途觀、新領(lǐng)馭、朗逸、新 POLO、斯柯達明銳、榮威

27、 550；上汽通用的雪佛蘭克魯茲；奇瑞汽車的瑞麒 G5；進口的新奧迪 A3、新甲殼蟲等。4以圖3-5轎車左側(cè)前車門為例，車門裝配有電動玻璃窗控制器、中央車門鎖控制器和電動外后視鏡控制器，這些部件的控制器之間的電路通訊就組成一個 LIN，再通過網(wǎng)關(guān)與 CAN 聯(lián)系。由于車門裝置這一類控制通訊速度要求不高，也不會影響使用效果，因此在車身系統(tǒng)上 LIN 得到積極應(yīng)用。圖3-6為 LIN 總線在車鏡控制上的應(yīng)用。3圖3-5 LIN 總線在車門上的應(yīng)用圖3-6 LIN 總線在車鏡控制上的應(yīng)用4 FlexRay總線介紹及其在汽車的應(yīng)用4.1 FlexRay總線發(fā)展歷史X-BY-WIRE即線控操作，是未來汽

28、車的發(fā)展方向。該技術(shù)來源于飛機制造，基本思想就是用電子控制系統(tǒng)代替機械控制系統(tǒng)，減輕重量提高可靠性。其中X是指節(jié)氣門、制動、轉(zhuǎn)向等操作，形成電子節(jié)氣門、電子制動、電子轉(zhuǎn)向控制等等。由于其整體設(shè)計思想涉及動力、制動、方向控制等關(guān)鍵功能，對汽車網(wǎng)絡(luò)也就提出了不同要求。目前，在這一領(lǐng)域相互競爭的總線技術(shù)包括時間觸發(fā)階議TTP和高速容錯網(wǎng)絡(luò)FlexRay。FlexRay 采用冗余備份的辦法，分別由2條總線和2個網(wǎng)絡(luò)控制單元構(gòu)成1個完整網(wǎng)絡(luò)，每個ECU分別和2條總線相連，正常情況下可以利用雙通道進行數(shù)傳遞，當其中1個網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時，可以由另1個備份網(wǎng)絡(luò)承擔(dān)通訊任務(wù)，從而可以滿足X-BY-WIRE系統(tǒng)的可

29、靠性要求。另外，F(xiàn)lexRay采用時分多路訪問技術(shù)（TDMA），將總線劃分成很多時隙，各設(shè)備按照優(yōu)先級占用不同的時隙實現(xiàn)對總線的復(fù)用，滿足了線控系統(tǒng)實時性方面的要求。 1FlexRay 技術(shù)聯(lián)盟在戴姆勒克萊斯勒和寶馬公司的Byteflignt 通信系統(tǒng)（Byteflight 是 BMW 公司專門為被動安全系統(tǒng)（氣囊）而開發(fā)的通信技術(shù)）的基礎(chǔ)上，推進 FlexRay 協(xié)議的標準化，使之成為新一代高速且具備雙通道故障容錯能力的汽車內(nèi)部通訊協(xié)議。目前 FlexRay 技術(shù)聯(lián)盟的核心成員公司包括德國寶馬、博世、戴姆勒克萊斯勒、飛思卡爾、通用汽車、飛利浦和大眾。其他一些領(lǐng)先的日本汽車制造商，如本田、尼桑

30、和豐田公司等也已作為協(xié)會的高級成員加入這一聯(lián)盟。44.2 FlexRay總線原理FLEXRAY的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是由主處理器 ,FLEXRAY 通信控制器, 可選的總線監(jiān)控器和總線驅(qū)動器組成的。主處理器提供和產(chǎn)生數(shù)據(jù), 并通過FLEXRAY 控制器傳送出去?？偩€驅(qū)動器連接著通信控制器和總線, 或是連接總線監(jiān)控器和總線。主處理器把 FLEXRAY 控制器分配的時間槽通知給總線監(jiān)視器, 然后總線監(jiān)視器就允許 FLEXRAY 控制器在這些時間槽中來傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可以在任何時候被接收。10圖4-1 FLEXRAY 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)15FlexRay 不僅可以像CAN 和 LIN 網(wǎng)絡(luò)這樣的單信道系統(tǒng)運行，還可以作為

31、雙信道系統(tǒng)運行。雙信道系統(tǒng)的意思是通過硬件完全復(fù)制網(wǎng)絡(luò)配置，具備冗余通信能力，這就極大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，滿足線控制動、線控轉(zhuǎn)向等安全系統(tǒng)的要求。憑借每通道高達 10 Mbps 的數(shù)據(jù)傳輸速率，F(xiàn)lexRay 還可用作車載網(wǎng)絡(luò)主干，減少為消除帶寬瓶頸而采用的并行CAN 網(wǎng)絡(luò)數(shù)量，簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。44.3 FlexRay在汽車上的應(yīng)用高級底盤控制是FlexRay推動新技術(shù)在汽車設(shè)計中的最好應(yīng)用。如今,防抱死制動系統(tǒng)(ABS)在大量車輛上得到普及,但是車輛穩(wěn)定性控制仍然是一個復(fù)雜、費用高昂的難題。隨著基于FlexRay網(wǎng)絡(luò)控制的線控制動技術(shù)的出現(xiàn),車輛穩(wěn)定性控制的主要組件將向更輕、更快、更簡單、

32、效率更高的方向發(fā)展，從而實現(xiàn)高級車輛的穩(wěn)定性控制。11線控制動技術(shù) (亦稱電子機械制動EMB )可以消除制動液和液壓管路的困擾。單獨的高性能電機在每個車輪上產(chǎn)生制動力,制動由ECU控制,并由電子踏板模塊發(fā)出的信號執(zhí)行。F1exRay提供通信協(xié)議,支持整個系統(tǒng)的高速信息傳送,F1exRay的容錯功能保證了線控制動系統(tǒng)的絕對可靠性。圖4-2 FlexRay支持的線控制動系統(tǒng)圖4-3 車輪制動模塊工作過程示意圖如圖1所示 FlexRay支持的線控系統(tǒng)包括用作ECU部件的車輛控制節(jié)點、每個車輪提供的單獨節(jié)點和一個制動踏板節(jié)點。系統(tǒng)包含大量傳感器、電動執(zhí)行器、電控模塊 (ECM )和減速器裝置,制動車輪

33、節(jié)點屬于該系統(tǒng)。從根本上說,制動時電子信息便從踏板節(jié)點發(fā)送到ECU , ECU再將信息轉(zhuǎn)載到車輪節(jié)點ECM , ECM的主要功能是接收制動踏板信號,處理并提供適當?shù)碾妷合蛄?以便電動執(zhí)行器能夠完成必要的扭矩響應(yīng) (見圖2)。電動執(zhí)行器將電能轉(zhuǎn)換成機械能,通過減速器裝置傳輸?shù)街苿悠魍鈿ず椭苿訅|塊上,然后它們作為一個整體將制動力施加到制動盤上。FlexRay的高帶寬功能可以快速傳輸大量極為詳盡的信息,從而使機械反應(yīng)變得非常迅速、準確。由于每個車輪節(jié)點都是FlexRay網(wǎng)絡(luò)的獨立系統(tǒng)，每個車輪可以在不同時間間隔提供不同的制動壓力,從而在不同制動情況下提供即時的穩(wěn)定性控制。此外,使用綜合感應(yīng)技術(shù)將其他

34、信息(如重量分配、乘客定位、胎壓偏差、路面狀況等 )裝載到線控制動上,線控駕駛系統(tǒng)將提供空前的車輛穩(wěn)定控制級別。11當前，寶馬 7 系中配備的博世 ESP 至尊版是全球第一個帶有 FlexRay 界面的制動控制系統(tǒng)。新款寶馬 X5、X6 在電控減震系統(tǒng)控制中采用 FlexRay 通信控制器，改變安裝在主動懸掛防傾桿上的旋轉(zhuǎn)馬達及阻尼器電磁閥的設(shè)置參數(shù)。09 年以后生產(chǎn)的奧迪 A8 也配備 FlexRay 通信系統(tǒng)。通用汽車正在使用了FlexRay 網(wǎng)絡(luò)開發(fā)第一輛完全 x-by-wire 的燃料電池車。FlexRay 通信系統(tǒng)在高端汽車的成功應(yīng)用，證明了它的技術(shù)優(yōu)勢和良好的市場前景。作為新一代高

35、速通信協(xié)議，F(xiàn)lexRay 將會滿足未來汽車更加安全、智能、可靠的需求。45 MOST總線介紹及其在汽車的應(yīng)用CAN 總線的最大傳遞速率為 1Mbt/s，而視頻和音頻的傳輸速率達 21.2Mbt/s，如帶有立體聲的數(shù)字式電視信號就需要約 6Mbt/s 的傳輸速率。這時候 MOST 光纖數(shù)據(jù)總線就首次出現(xiàn)在了 AUDI A8 2003 款車上，隨后奧迪新產(chǎn)的所有型號的車上都采用上了 MOST 總線。12 目前超過 50 家公司包括奧迪、寶馬、戴姆勒 - 克萊斯勒和別克公司正在協(xié)力發(fā)展這種協(xié)議。35.1 MOST 總線光纖傳輸?shù)奶攸cMOST 總線是 Media Oriented Systems T

36、ransport 的縮寫，從名字上可以看出它是一種用于多媒體數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。MOST 總線基于環(huán)形拓撲，采用光學(xué)點對點的傳輸技術(shù)，從而允許共享多個發(fā)送和接收器的數(shù)據(jù)。解決了眾所周知的傳統(tǒng)模式錯綜復(fù)雜的布線、繁瑣的連接器、陳舊的控制以及厚重的銅線等不能滿足現(xiàn)代汽車外圍設(shè)備需要的這些矛盾。塑料光纖傳輸技術(shù)具有以下優(yōu)點：1傳輸速率高。MOST 總線采用光纖，在傳輸數(shù)據(jù)時相關(guān)部件的數(shù)據(jù)交換是以數(shù)字方式來進行的（以前的音頻和視頻信號只能作為模擬信號來傳送），其傳輸速率可達 21.2Mbt/s。 MOST 總線傳輸速率明顯高于CAN 總線系統(tǒng) 1 Mbt/s 的最高傳輸速率，因此 CAN 總線系統(tǒng)只能

37、夠用來傳輸控制信號。2抗電磁干擾能力強。MOST 總線傳輸信號時，是以光信號進行的。與無線電波相比，光波的波長更短，因此他不會產(chǎn)生電磁干擾，同時對電磁干擾也不敏感。3重量輕，占用空間小，成本低。MOST 總線光纖是采用有機玻璃制成的，相對于金屬導(dǎo)線來說，在提供相同頻寬時，能減輕約 4.5kg 的重量和節(jié)省約 250m 長的線束，這樣就減輕了汽車的重量，節(jié)約了空間，降低了成本，同時擴展了功能。12圖5-1奧迪 MOST 總線環(huán)型結(jié)構(gòu)圖5.2 MOST 總線的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)MOST 總線采用的是環(huán)型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（如圖5-1），控制單元通過光導(dǎo)纖維沿環(huán)形方向?qū)?shù)據(jù)發(fā)送到下一個控制單元，直至首先發(fā)出的控制單元

38、又接收到這些數(shù)據(jù)為止，這樣就形成了一個封閉環(huán)。根據(jù)汽車配置的不同，控制單元數(shù)量也不同。1光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維的任務(wù)是將某一控制單元發(fā)射器內(nèi)產(chǎn)生的光波傳送到另一個控制單元的接收器。2MOST 總線控制單元部件MOST 總線控制單元部件的結(jié)構(gòu)如圖5-2所示，它由光導(dǎo)插頭，內(nèi)部供裝置，電氣插頭，專用部件，標準微控制器，MOST-收發(fā)機，收發(fā)單元-光導(dǎo)發(fā)射器等組成。圖5-2控制單元的結(jié)構(gòu)3）MOST-收發(fā)機。MOST-收發(fā)機由發(fā)射機和接收機 2 個部分組成，發(fā)射機將要發(fā)送的信號作為電壓信號傳至光導(dǎo)發(fā)射器，接收機接收到信號后將所需的數(shù)據(jù)傳至控制單元內(nèi)的“標準微控制器”，而其他不需要的信息將原封不動發(fā)至下一個

39、控制單元。4）標準微控制器和專用部件。標準微控制器是控制單元的核心部分，他的內(nèi)部有個微處理器，用于操縱控制單元的所有基本功能。專用部件用于控制某些專用功能，如 CD 播放機和收音機調(diào)諧器。125.3 MOST在汽車上的應(yīng)用圖5-3在奧迪A8 03轎車上，MOST技術(shù)用于信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，信息系統(tǒng)提供多種信息及娛樂多媒體服務(wù)，它包括DVD視頻、TV接收、車載Internet,CD, CD/DVD導(dǎo)航、電話、DAB數(shù)字收音機等，如圖5-3所示?？偩€系統(tǒng)各部件的分布如圖5-4所示，各部件的名稱、編號、位置及生產(chǎn)廠家見表1。13圖5-46 其他Profibus 是由 Simens 等公司組織開發(fā)的一

40、種國際化的、開放的、不依賴于設(shè)備生產(chǎn)商的現(xiàn)場總線標準。Profibus 的開發(fā)始于1987年，1989年立項為德國標準 DIN19245，從1991年到1995年先后批準實施 Part1Part4，1996年3月被批準為歐洲標準 EN50170V2，并于 2000 年成為 IEC61158 國際現(xiàn)場總線國家標準之一。我國于 2001 年正式批準Profibus 成為我國的機械行業(yè)工業(yè)控制系統(tǒng)用現(xiàn)場總線國家標準。Profibus 是目前唯一的集成了過程自動化和工廠自動化的現(xiàn)場總線解決方案，是一種國際化的，不依賴于制造商的開放式現(xiàn)場總線標準。采用 Profibus 標準系統(tǒng)，不同制造商所生產(chǎn)的設(shè)備

41、不需要對其接口進行特別調(diào)整便可以通訊，Profibus 可用于高速的并且對時間有苛刻要求的數(shù)據(jù)傳輸，也可用于大范圍的復(fù)雜通信場合。以PROFIBUS為紐帶的車身控制網(wǎng)絡(luò)電子集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6-1所示。14圖6-1車身控制網(wǎng)絡(luò)電子集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖PROFIBUS-PA采用PROFIBUS-DP的基本功能傳送發(fā)動機等各子系統(tǒng)的測量值和狀態(tài),通過擴展PROFIBUS-DP的功能制定現(xiàn)場設(shè)備的參數(shù)并進行設(shè)備操作。PROFIBUS-FMS利用通信關(guān)系將分散的應(yīng)用過程統(tǒng)一到一個共同的工程中,從而使管理層PC能接收各子系統(tǒng)當前的狀態(tài),并向各子系統(tǒng)發(fā)出智能指令,經(jīng)PROFIBUS-FMS再將指令分散到每個子系

42、統(tǒng)的地址,從而使汽車進行理想化狀態(tài)運行。14下圖為PROFIBUS總線應(yīng)用于進氣歧管，該系統(tǒng)有LED等，有利于工程人員進行故障的查找及維修保養(yǎng)過程。16圖6-2進氣歧管側(cè)面圖Switch Fabric交換結(jié)構(gòu)2 由Motorola發(fā)展的Switch Fabric不是一種數(shù)據(jù)總線，而是一種節(jié)點互聯(lián)的柵格系統(tǒng)，是以汽車為中心的“分布式”交換結(jié)構(gòu)。柵格上的任意一點都能通過引線和其他節(jié)點直接“對話”。它將有限的節(jié)點用作小型的包數(shù)據(jù)交換機，而數(shù)據(jù)傳輸主要通過軟件協(xié)議實現(xiàn)。而且，在物理層上整合其它數(shù)據(jù)總線的協(xié)議，譬如CAN或FlexRayoSwitch Fabric和現(xiàn)存的車載電路總線系統(tǒng)(如CAN,J-1850,LIN, ByterFlight，甚至F1exRay)相比，在速度上的收效是空前巨大的。例如:使用CAN總線的物理層，Motorola的分布式Switch Fabric可以提供每個鏈接各有1 Mbit/sec帶寬的柵格，以256個鏈接計算，在理論上的最終帶寬度將是256 Mbit/sec。用Switch Fabric協(xié)議與F1exRay的物理層連接，每個鏈接的帶寬將