【課件】2-2 車載網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)認知

車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與應用能力模塊二車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)任務(wù)二車載網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)認知導入近幾年里，智能駕駛和智能網(wǎng)聯(lián)汽車始終是汽車行業(yè)的一個熱門方向。而在這個方向中，車輛網(wǎng)技術(shù)是其中非常重要的一個環(huán)節(jié)。為了做好車路協(xié)同，我們必須要了解各類車載網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)原理與應用，這是車聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)組成部分，也是車路協(xié)同里面最重要的部分，同時可以幫助我們更好的在行業(yè)的發(fā)展中找到前進的方向。新授Newteaching1目錄一、CAN通信技術(shù)二、以太網(wǎng)通信技術(shù)三、CAN-FD通信技術(shù)四、FlexRay通信技術(shù)一、CAN通信技術(shù)（一）CAN總線的定義

CAN是ControllerAreaNetwork的縮寫（以下稱為CAN），是ISO國際標準化的串行通信協(xié)議。為適應“減少線束的數(shù)量”、“通過多個LAN，進行大量數(shù)據(jù)的高速通信”的需要，1986年德國電氣商博世公司開發(fā)出面向汽車的CAN通信協(xié)議。此后，CAN通過ISO11898及ISO11519進行了標準化，在歐洲已是汽車網(wǎng)絡(luò)的標準協(xié)議。 CAN的高性能和可靠性已被認同，并被廣泛地應用于工業(yè)自動化、船舶、醫(yī)療設(shè)備、工業(yè)設(shè)備等方面為分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)各節(jié)點之間實時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強有力的技術(shù)支持。一、CAN通信技術(shù)

目前CAN總線通信協(xié)議僅僅包括OSI七層互聯(lián)參考模型中的數(shù)據(jù)鏈路層和物理層。CAN總線的優(yōu)先權(quán)由發(fā)送數(shù)據(jù)報文中的標識符決定報文占用總線的優(yōu)先權(quán)。CAN總線的仲裁機制：只要總線空閑，任何節(jié)點都可以向總線發(fā)送報文。

CAN總線每組報文開頭的11位字符為標識符，定義了報文的優(yōu)先級。

CAN總線接收節(jié)點可以通過遠程數(shù)據(jù)，請求發(fā)送遠程幀。CAN總線沒有主從節(jié)點之分，所有CAN總線上的節(jié)點都是地位等價的。（二）CAN總線的工作原理一、CAN通信技術(shù)（三）CAN總線報文錯誤幀：任何單元檢測到一總線錯誤就發(fā)出錯誤幀。3遠程幀：總線單元發(fā)出遠程幀，請求發(fā)送具有同一識別符的數(shù)據(jù)幀。2數(shù)據(jù)幀：從發(fā)射端攜帶數(shù)據(jù)到接收端。1過載幀：過載幀用以在先行的和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀（或遠程幀）之間提供附加的延時。4CAN協(xié)議的報文傳輸主要由下面的4種幀來實現(xiàn)：一、CAN通信技術(shù)（三）CAN總線報文數(shù)據(jù)幀

一個完整的數(shù)據(jù)幀有7部分組成，依次為幀起始（SOF)、仲裁場（ArbitrationField)、控制場（ControlField)、數(shù)據(jù)場（DataField)、CRC場、應答場（ACKField)、幀結(jié)尾（EOF)。

（1）幀起始是數(shù)據(jù)幀和遠程幀開始的標志，它是一個顯性位。一個CAN節(jié)點只有在總線處于空閑狀態(tài)時才可以發(fā)送幀起始一、CAN通信技術(shù)（三）CAN總線報文數(shù)據(jù)幀

（2）仲裁場在幀起始之后，控制場之前，共12位（注：協(xié)議的講解以CAN2.0A為基礎(chǔ)，CAN2.0B版本的仲裁場為32位），分為兩部分11位的標識符和1位的遠程發(fā)送請求位（RTR）。在數(shù)據(jù)幀中RTR為顯性，在遠程幀中RTR為隱性。所以如果相同標識符的數(shù)據(jù)幀與遠程幀發(fā)生沖突，數(shù)據(jù)幀優(yōu)先一、CAN通信技術(shù)（三）CAN總線報文數(shù)據(jù)幀

（3）仲裁場之后便是控制場?？刂茍龅念^兩位為保留位，為隱性。后面是數(shù)據(jù)長度代碼（DataLengthCode）。數(shù)據(jù)長度代碼指示了數(shù)據(jù)場中字節(jié)的個數(shù)。一、CAN通信技術(shù)（三）CAN總線報文數(shù)據(jù)幀

（4）數(shù)據(jù)場在控制場之后，傳輸數(shù)據(jù)的長度由DLC決定。如果DLC為0，則沒有數(shù)據(jù)場。數(shù)據(jù)場中高位先傳輸。

（5）CRC場在控制場和數(shù)據(jù)場之后，由CRC序列和界定符組成。CRC序列是幀起始，仲裁場，控制場和數(shù)據(jù)場組成的位流的CRC校驗值。其中CRC校驗的生成多項式為X15+X14+X10+X8+X7+X4+X3+1。CRC序列之后是一個“隱性”CRC結(jié)束符。一、CAN通信技術(shù)（三）CAN總線報文數(shù)據(jù)幀

（6）CRC場之后便是應答場。應答場由2個位組成，應答位和應答結(jié)束符。發(fā)射單元會發(fā)送“隱性”的應答位和應答結(jié)束符至總線上。而接收單元如果接收到的數(shù)據(jù)都是有效的，會在發(fā)射單元發(fā)送應答位的同時發(fā)送一個“顯性”位至總線上，所以一個有效的數(shù)據(jù)幀，應答位在總線上應該表現(xiàn)為“顯性”。（7）數(shù)據(jù)幀的最后為幀結(jié)尾，有7個連續(xù)的“隱性”位組成。一、CAN通信技術(shù)（三）CAN總線報文

遠程幀的主要作用是向其他的CAN節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)請求，發(fā)送相同標識符的數(shù)據(jù)幀。與數(shù)據(jù)幀相比，遠程幀的RTR位是隱性的，而且沒有數(shù)據(jù)場。DLC中的值是數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)長度。遠程幀一、CAN通信技術(shù)（三）CAN總線報文

錯誤幀由錯誤標志的疊加和結(jié)束符組成。錯誤標志有主動錯誤標志與被動錯誤標志。主動錯誤標志為6個顯性位，被動錯誤標志為6個隱性位。錯誤幀一、CAN通信技術(shù)（三）CAN總線報文過載幀是由過載標志的疊加和過載結(jié)束符組成。有兩種情況可以觸發(fā)過載幀：

過載幀與主動錯誤幀非常類似，特別是位的組成和全局化的過程。主要的差別在于錯誤幀發(fā)生著數(shù)據(jù)幀，遠程幀期間。而過載幀發(fā)生于間歇字段期間。過載幀

（1）CAN節(jié)點的內(nèi)部需求，例如需要時間準備數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)。這種情況下過載幀只允許起始于幀間隔的第一個位。

（2）在幀間隔內(nèi)偵測到顯性位。這種情況下，過載幀起始于檢測到顯性位的后一位。一、CAN通信技術(shù)（三）CAN總線報文過載幀

過載標志由6個顯性位組成，過載幀破壞了間歇字段的結(jié)構(gòu)從而導致了過載幀的全局化。發(fā)完過載標志后，CAN節(jié)點會往總線發(fā)送隱性位，并監(jiān)控總線直至出現(xiàn)隱性位。然后再發(fā)送7個隱性位。一、CAN通信技術(shù)（三）CAN總線報文過載幀

（2）在幀間隔內(nèi)偵測到顯性位。這種情況下，過載幀起始于檢測到顯性位的后一位。

過載標志由6個顯性位組成，過載幀破壞了間歇字段的結(jié)構(gòu)從而導致了過載幀的全局化。發(fā)完過載標志后，CAN節(jié)點會往總線發(fā)送隱性位，并監(jiān)控總線直至出現(xiàn)隱性位。然后再發(fā)送7個隱性位。一、CAN通信技術(shù)

多個單元在總線空閑都可以發(fā)送消息。在總線空閑時，所有的單元都可開始發(fā)送消息（多主控制）。最先訪問總線的單元可獲得發(fā)送權(quán)（CSMA/CA方式）。多個單元同時開始發(fā)送時，發(fā)送高優(yōu)先級ID消息的單元可獲得發(fā)送權(quán)。多主控01

在CAN協(xié)議中，所有的消息都以固定的格式發(fā)送。兩個以上的單元同時開始發(fā)送消息時，根據(jù)標識符（Identifier以下稱為ID）決定優(yōu)先級。消息發(fā)送02（四）CAN的主要特點一、CAN通信技術(shù)

總線添加單元時，連接在總線上的其他單元的軟硬件及應用層都不需要改變。系統(tǒng)柔軟性03

同一網(wǎng)絡(luò)中，所有單元必須設(shè)定成統(tǒng)一的通信速度（根據(jù)規(guī)模選擇速度）。通訊速度04（四）CAN的主要特點一、CAN通信技術(shù)遠程數(shù)據(jù)請求

可通過發(fā)送“遙控幀”請求其他單元發(fā)送數(shù)據(jù)。遠程數(shù)據(jù)請求05

錯誤檢測功能：所有的單元都可以檢測錯誤。

錯誤通知功能：檢測出錯誤的單元會立即同時通知其他所有單元。

錯誤恢復功能：正在發(fā)送消息的單元一旦檢測出錯誤，會強制結(jié)束當前的發(fā)送。強制結(jié)束發(fā)送的單元會不斷反復地重新發(fā)送，直到消息成功發(fā)送為止。錯誤檢測、通知、恢復功能06（四）CAN的主要特點一、CAN通信技術(shù)CAN可以判斷出錯誤的類型是總線上暫時的數(shù)據(jù)錯誤（如外部噪聲等）還是持續(xù)的數(shù)據(jù)錯誤（如單元內(nèi)部故障、驅(qū)動器故障、斷線等）。由此功能，當總線上發(fā)生持續(xù)數(shù)據(jù)錯誤時，可將引起此故障的單元從總線上隔離出去。故障封閉07CAN總線是可同時連接多個單元的總線。可連接的單元總數(shù)理論上是沒有限制的。但實際上可連接的單元數(shù)受總線上的時間延遲及電氣負載的限制。降低通信速度，可連接的單元數(shù)增加；提高通信速度，則可連接的單元數(shù)減少。連接08（四）CAN的主要特點二、以太網(wǎng)通信技術(shù)（一）以太網(wǎng)的定義

以太網(wǎng)是一種以載波多路訪問和沖突檢測方式工作的局域網(wǎng)技術(shù)。

最初的以太網(wǎng)采用無源傳輸媒體--同軸電纜作為總傳輸信息，20世紀70年代，美國Xerox（施樂）公司、Intel公司和DEC公司共同研制開發(fā)一種基帶局域網(wǎng)技術(shù)，使用同軸電纜作為網(wǎng)絡(luò)媒體、介質(zhì)訪問控制（MAC，MediumAccessControl）方法，采用CSMA/CD機制，使得數(shù)據(jù)傳輸速率達到10Mbit/s。隨后，美國電器電子工程師學制定了IEEE802標準。二、以太網(wǎng)通信技術(shù)

該標準描述了局域網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，廣泛使用于以太網(wǎng)、令牌環(huán)、無線局域網(wǎng)等領(lǐng)域，包含17個標準。標準編號標準內(nèi)容802.1LAN概述、體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)互連、網(wǎng)絡(luò)管理802.2邏輯鏈路控制子層（LLC）定義與服務(wù)802.3載波多路訪問和沖突檢測（CSMA/CD）規(guī)范802.4令牌總線（TOKENBUS）802.5令牌環(huán)（TOKENRING）802.6城域網(wǎng)（MAN）802.7寬帶技術(shù)802.8光纖技術(shù)802.9語音與數(shù)據(jù)綜合局域網(wǎng)（IVDLAN）802.10可互操作的局域網(wǎng)安全標準802.11無線局域網(wǎng)（WLAN）802.12需求優(yōu)先的介質(zhì)訪問控制協(xié)議802.14線纜調(diào)制解調(diào)器交互式電視網(wǎng)（CableModem）802.15藍牙802.16寬帶無線局域網(wǎng)802.17彈性分組環(huán)網(wǎng)802.18寬帶無線局域網(wǎng)802.19多重虛擬局域網(wǎng)共存技術(shù)802.20移動寬帶無線接入（MBWA）二、以太網(wǎng)通信技術(shù)（二）載波多路訪問和沖突檢測通信原理

1.CSMA/CD的發(fā)送和接收

發(fā)送過程：

偵聽信號上是否有信號在傳輸。如果有，表示信道處于忙狀態(tài)，繼續(xù)偵聽，直到信道空閑為止；

若沒有監(jiān)聽到任務(wù)號信號，開始傳輸數(shù)據(jù)；

傳輸數(shù)據(jù)時繼續(xù)監(jiān)聽，如發(fā)現(xiàn)沖突則執(zhí)行退避算法，隨機等待一段時間后回到步驟1；

若未發(fā)現(xiàn)沖突，則發(fā)送成功，在下一次數(shù)據(jù)發(fā)送前需等待9.6微秒。二、以太網(wǎng)通信技術(shù)（二）載波多路訪問和沖突檢測通信原理

1.CSMA/CD的發(fā)送和接收

接受過程：

得到MAC幀，實體分析和判斷幀中的接受地址；

如果有信號傳輸，則收集信息；在接收數(shù)據(jù)時，每個節(jié)點都在監(jiān)聽媒體；

如果接受地址為本節(jié)點地址，就保留該信息幀，否則丟棄該幀。如果網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點較少（負載輕），節(jié)點能夠及時地訪問媒體，實時性相對高3網(wǎng)絡(luò)維護方便，增刪節(jié)點容易2各節(jié)點采用競爭的方式搶占對共享媒體的訪問權(quán)力1如果負載比較重，節(jié)點的沖突的機會則會大大增加，通信的實時性不強，通常被應用在網(wǎng)絡(luò)變更比較頻繁、節(jié)點數(shù)比較少且實時性要求不高的應用環(huán)境中4二、以太網(wǎng)通信技術(shù)（二）載波多路訪問和沖突檢測通信原理2.CSMA/CD的特點：二、以太網(wǎng)通信技術(shù)（三）以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu) IEEE802.3標準定義了以太網(wǎng)（采用CSMA/CD方式）的數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)標準，其幀結(jié)構(gòu)包括8個字段：

前序字段（Preamble）

幀起始定界符字段（SFD，StartFrameDelimiter）

目的地址字段（DA，DestinationMACAddresses）

源地址字段（SA，SourceMACAddresses）

長度字段（Length）

數(shù)據(jù)字段（Data）

幀校驗（FCS,FrameCheckSequence）二、以太網(wǎng)通信技術(shù)

前序字段由7個（TEEE802.3）字節(jié)的交替的1和0組成（10101010），用于指示幀的開始，使得網(wǎng)絡(luò)中的所有接收器均能與到達幀同步，同時確保與幀起始定界符一起控制各幀之間用于錯誤檢測和恢復操作的時間間隔不小于9.6毫秒。

作為前序字段的延續(xù)，幀起始定界符沿用前序字段的組成方式，占1個字節(jié)，由10101011組成，前6個比特位置由交替的1和0構(gòu)成，最后兩個比特位置為11，同步消息提醒接受后面跟隨的是幀數(shù)據(jù)，指明數(shù)據(jù)幀的開始。當控制器將接受幀送入其緩沖器時，前序字段和幀起始定界符均被去除。前序字段：幀起始定界符字段：（三）以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)二、以太網(wǎng)通信技術(shù)

目的地址字段確定幀的接受者，有2字節(jié)和6字節(jié)的兩種不同字段，對于IEEE802.3設(shè)備，通常選擇6個字節(jié)的源地址和目的地址字段，用于指明幀被傳送的一個或多個目的。

源地址字段標識發(fā)送幀的源站點，與目的地址字段類似，源地址字段的長度同樣也可以是兩個或者六個字節(jié)，更廣泛使用六個字節(jié)的源地址字段時，前三個字節(jié)表示由IEEE分配給廠商的地址，將燒錄在每一塊網(wǎng)絡(luò)接口卡的ROM中，而制造商通常為其每個網(wǎng)絡(luò)接口卡分派后三個字節(jié)。目的地址字段：源地址字段：（三）以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)二、以太網(wǎng)通信技術(shù)

用于IEEE802.3的長度字段定義了數(shù)據(jù)字段包含的字節(jié)數(shù)，占2個字節(jié)。

數(shù)據(jù)字段，包括了從源站到目的站傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，最多包含1500字節(jié)。如果長度字段小于46字節(jié)，那么需要使用到后面的填充字段進行數(shù)據(jù)填充，以確保幀長至少為64字節(jié)（從前序字段到FCS字段），從而保證有足夠的傳輸時間用于以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接口卡精確地檢測沖突。長度字段：數(shù)據(jù)字段：（三）以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)二、以太網(wǎng)通信技術(shù)

幀校驗字段，主要作用于幀校驗，占4個字節(jié)。

最初以太網(wǎng)標準定義最小幀為64字節(jié)，最大幀為1518字節(jié)，包含從目的MAC地址字段到幀校驗字段的所有字節(jié)，幀前序和幀起始定界符字段不包含在內(nèi)。幀校驗字段：（三）以太網(wǎng)的幀結(jié)構(gòu)二、以太網(wǎng)通信技術(shù)CAN-FD協(xié)議極大擴充了速率范圍，采用了可變速率，最高速率可達到8Mb/s，而CAN協(xié)議只有1Mb/s。CAN-FD協(xié)議支撐的負載量更大，在單個數(shù)據(jù)框架中傳輸率可達到64字節(jié)，大大提升了通信速率。

協(xié)議具有更好的可靠性，采用了循環(huán)冗余校驗（CRC）和“受保護的填充位計數(shù)器”，從而降低了未被檢測出的錯誤風險。（一）CAN-FD的概念CAN-FD的優(yōu)勢

相比于“傳統(tǒng)”的CAN協(xié)議，CAN-FD協(xié)議具有三大優(yōu)勢：三、CAN-FD通信技術(shù)（一）CAN-FD的概念CAN-FD的特點 CAN-FD報文通信時，在仲裁段和緊接著的數(shù)據(jù)控制段都是使用標準的通信波特率，當來到數(shù)據(jù)段時，CAN-FD總線的通信波特率就會切換到更高的通信波特率。 CAN-FD新的功能是減少控制位的開銷。目前CAN2.0標準最大8個字節(jié)的數(shù)據(jù)，CAN-FD數(shù)據(jù)位最大的字節(jié)數(shù)提高至64位，CAN-FD具有更高的有效傳輸負載。三、CAN-FD通信技術(shù)（二）CAN-FD與CAN的區(qū)別CAN-FD的特點 CAN-FD與CAN總線協(xié)議幀格式如下所示。三、CAN-FD通信技術(shù)（二）CAN-FD與CAN的區(qū)別CAN-FD的特點 CAN-FD與CAN的主要區(qū)別體現(xiàn)在傳輸速率、數(shù)據(jù)長度、幀格式、ID長度上。區(qū)別CAN-FDCAN傳輸速率數(shù)據(jù)比特率最高8Mbps，仲裁比特率最高1Mbps最大傳輸速率1Mbps數(shù)據(jù)長度一幀數(shù)據(jù)最長64字節(jié)一幀數(shù)據(jù)最長8字節(jié)幀格式新增了FDF、BRS、ESI位數(shù)據(jù)幀、遠程幀、錯誤幀、過載幀、幀間隔五類ID長度標準幀ID長度可擴展到12bit標準幀ID長度最長11bit三、CAN-FD通信技術(shù)（三）CAN-FD幀結(jié)構(gòu) CAN-FD的幀結(jié)構(gòu)同樣包含幀起始、仲裁場、控制場、數(shù)據(jù)場、CRC場、ACK場以及幀結(jié)束七大部分。四、FlexRay通信技術(shù)FlexRay（一）FlexRay基礎(chǔ)介紹 FlexRay名稱起源于“X-by-wire”技術(shù)，在2000年以寶馬、戴姆勒、BOSCH等幾個大核心技術(shù)廠商成立了FlexRay聯(lián)盟后得到階段性的發(fā)展。該聯(lián)盟推動了FlexRay作為下一代高速通信協(xié)議的標準化，促進FlexRay在線控驅(qū)動（線控啟動、線控制動）和汽車高級設(shè)備輔助系統(tǒng)的發(fā)展應用。四、FlexRay通信技術(shù)（二）FlexRay的特點FlexRay

作為一種應用于車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的高速汽車總線系統(tǒng)，F(xiàn)lexRay具有高速、安全可靠的特點。FlexRay協(xié)議標準中簡化了車載通信系統(tǒng)的架構(gòu)，有助于汽車電子單元獲得更高的穩(wěn)定性和持續(xù)使用性。 FlexRay具有物理層雙通道冗余通信能力，可以實現(xiàn)通過硬件完全復制網(wǎng)絡(luò)配置，進行進度的檢測，擁有獨立的總線監(jiān)聽功能與基于容錯算法的始終同步機制，進而實現(xiàn)更強的網(wǎng)絡(luò)可靠性。四、FlexRay通信技術(shù)（三）FlexRay的架構(gòu)1.CAN-FD的特點

FlexRay節(jié)點的核心是ECU（ElectronicControlUnit），是接入車載網(wǎng)絡(luò)中的獨立完成相應功能的控制單元。擴展閱讀：

ECU，即節(jié)點node，是接入車載網(wǎng)絡(luò)中的獨立完成相應功能的控制單元。主要由：電源供給系統(tǒng)(PowerSupply)主處理器(Host)固化可選的總線監(jiān)控器(BusFlexRa