汽車總線技術(shù)介紹ppt課件

1、 隨著21世紀汽車電子技術(shù)的發(fā)展，車用電子設備的不斷增加對汽車的綜合布線和信息的交互共享提出了更高的要求。由于汽車內(nèi)部電子控制單元大量引入，為了提高信號的利用率，要求大批的數(shù)據(jù)信息可以在不同的電子單元中共享，汽車綜合控制系統(tǒng)中大量的控制信號需要實時交換。傳統(tǒng)的點對點通信方式已遠遠不能滿足需求，因此必須采用先進的總線技術(shù) 所謂總線Bus）,一般指通過分時復用的方式，將信息以一個或者多個源部件傳送到一個或多個目的部件的一組傳輸線。 現(xiàn)場總線Fieldbus是用于過程自動化和制造自動化最底層的現(xiàn)場設備或現(xiàn)場儀表互聯(lián)的通信網(wǎng)絡，是現(xiàn)場通信網(wǎng)絡與控制系統(tǒng)的集成。 車用總線是指用于車載網(wǎng)絡中底層的車用設備

2、或車用儀表互聯(lián)的通信網(wǎng)絡，目前汽車應用的通信網(wǎng)絡包括CAN總線、MOST總線、LIN總線和FlexRay總線等上圖為汽車節(jié)點的傳統(tǒng)點對點通訊方式拓撲圖 增加汽車布線中所用銅線，從而增加成本以及汽車重量。 點對點布線方法使得故障的查找相當?shù)穆闊槐阌诰S修。 若想在車上增加一兩種新的功能，或者將某個落后的電器配件更新，將會使本來很亂的布線更加復雜。 LIN(Local Interconnect Network)是一種低成本的串行通訊網(wǎng)絡，用于實現(xiàn)汽車中的分布式電子系統(tǒng)控制，LIN 的目標是為現(xiàn)有汽車網(wǎng)絡(例如 CAN 總線)提供輔助功能。因此，LIN總線是一種輔助的總線網(wǎng)絡，在不需要 CAN 總

3、線的帶寬和多功能的場合，比如智能傳感器和制動裝置之間的通訊。 LIN主要用作CAN等高速總線的輔助網(wǎng)絡或子網(wǎng)絡，能為不需要用到CAN的裝置提供較為完善的網(wǎng)絡功能，包括空調(diào)控制Climate Control）、后視鏡Mirrors）、車門模塊Door Modules）、座椅控制Seats）、智能性交換器Smart Switches）、低成本傳感器Low-cost Sensors等。在帶寬要求不高、功能簡單、實時性要求低的場合，如車身電器的控制等方面，使用LIN總線可有效的簡化網(wǎng)絡線束、降低成本、提高網(wǎng)絡通訊效率和可靠性。 LIN包含一個宿主節(jié)點和一個或多個從屬節(jié)點。所有節(jié)點都包含一個被分解為發(fā)送

4、和接收任務的從屬通訊任務，而宿主節(jié)點還包含一個附加的宿主發(fā)送任務。在實時LIN中，通訊總是由宿主任務發(fā)起的。 宿主節(jié)點發(fā)送一個包含同步中斷、同步字節(jié)和消息識別碼的消息報頭。從屬任務在收到和過濾識別碼后被激活并開始消息響應的傳輸。響應包含兩個、四個或八個數(shù)據(jù)字節(jié)和一個檢查。報頭和響應部分組成一個消息幀。 LIN總線上的所有通訊都由主機節(jié)點中的主機任務發(fā)起，主機任務根據(jù)進度表來確定當前的通訊內(nèi)容，發(fā)送相應的幀頭，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該對當前通訊做出響應、做出何種響應?；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

5、時被多個節(jié)點接收利用 這樣的通訊機制帶來了非常理想的效果：系統(tǒng)靈活性：在LIN網(wǎng)絡中可以直接增加節(jié)點而不需要對其它從機節(jié)點的硬件和軟件進行修改；報文路由： 報文的內(nèi)容由標識符定義；廣播： 多個節(jié)點可以同時接收一個單獨的報文幀，并對報文作出反應。 車門控制LIN網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)及其在車門上的布置如右圖所示，該網(wǎng)絡由主機節(jié)點、后視鏡從機節(jié)點、搖窗機從機節(jié)點、門鎖從機節(jié)點構(gòu)成。 隨著汽車技術(shù)和網(wǎng)絡通信技術(shù)的發(fā)展，汽車信息通信的網(wǎng)絡化是必然趨勢。汽車信息通信的多樣化促進了汽車分級制網(wǎng)絡的產(chǎn)生和發(fā)展。LIN作為一種性能優(yōu)異、價格低廉的新型A類總線，必將進一步促進汽車分級制網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的實施和完善，推動汽車技術(shù)的發(fā)

6、展。同時，LIN作為一個開放的協(xié)議，在工業(yè)及家電領域也有著廣闊的應用前景。l MOST(Media Oriented Systems Transport)面向媒體傳輸總線 l 雖然目前已有許多種車用電子總線，但這些傳控接口的傳輸速率表現(xiàn)，都無法足滿車用多媒體信息的運載傳輸之需，其中LIN Bus只有20kbps，CAN Bus只有1Mbps，F(xiàn)lexRay一般而言也只有10Mbps，雙線并用才能達20Mbps，這些都不足以用來傳遞實時性的多媒體信息。 然而，隨著車內(nèi)娛樂系統(tǒng)的發(fā)展、傳控技術(shù)的精進如：倒車影像），車用電子愈來愈需要使用多媒體式傳輸，最適合此方面的傳輸接口就屬MOST，其次才是今日

7、盛行的藍牙Bluetooth）。不過，Bluetooth絕對無法全然取代MOST在車用多媒體傳輸?shù)牡匚弧?2019年MOST技術(shù)首次量產(chǎn)實車用在德國寶馬BMW的7系列車種上。 首先，MOST是實線傳輸，而且是光纖線路傳輸，而且可以是塑料光纖比較省成本），使用光纖可以讓信息傳量加大，未來的傳輸提升潛力也較高，同時也較能堅穩(wěn)傳輸因為沒有接地回路，也不受電磁干擾），這些是Bluetooth的無線傳輸所不及的。 其次，Bluetooth的傳輸效能也不足，即便是強化傳輸率Enhanced Data Rate；EDR3倍的Bluetooth 2.0也都只有3Mbps，比CAN Bus還低，節(jié)點裝置數(shù)也明顯

8、不足。 所以，MOST依舊會是車用電子中的最佳多媒體傳控網(wǎng)絡，Bluetooth可以作為備用輔助，可以用來傳遞簡單的音訊如：車載免提、語音播報、娛樂音效或GPS導航信息等，至于更實時性要求、更嚴苛性要求的音視訊傳輸還是需要使用MOST傳控網(wǎng)絡。 MOST傳控網(wǎng)絡的發(fā)展可追溯到2019年，MOST的技術(shù)概念來自當時MOSTCooperation公司所發(fā)起的一項非正式合作，到了2019年該公司以之前的合作為基礎，結(jié)合17家國際級的汽車制造商Carmaker與超過50家的關(guān)鍵汽車組件供應商KeyComponentSupplier）， 以共同研發(fā)MOST傳控技術(shù)。 MOST在制訂上完全合乎ISO/OS

9、I的7層數(shù)據(jù)通訊協(xié)議參考模型，而在網(wǎng)線連接上MOST采用環(huán)狀拓樸，不過在更具嚴苛要求的傳控應用上，MOST也允許改采星狀亦稱放射狀或雙環(huán)狀的連接組態(tài)，此外每套MOST傳控網(wǎng)絡允許最多達64個的裝置節(jié)點銜接。 MOST也支持隨插即用Plug and Play；PnP機制，如此就可在MOST傳控網(wǎng)絡運作時直接加插裝置或移除裝置，增加擴充、維修及使用等各方面的便利性。 MOST總線基于環(huán)形拓撲，從而允許共享多個發(fā)送和接收器的數(shù)據(jù)。MOST總線主控器(通常位于汽車音響主機處)有助于數(shù)據(jù)采集，所以該網(wǎng)絡可支持多個主拓撲結(jié)構(gòu)，在一個網(wǎng)絡上最多高達64個主設備。 MOST的總數(shù)據(jù)傳輸率為24.8Mbps，這

10、已是將音視訊的串流資料與封包傳控資料一并列計，在24.8Mbps的頻寬中還可區(qū)隔成60個傳輸信道、15個MPEG-1的視訊編碼信道，這些可由傳控設計者再行組態(tài)、規(guī)劃與調(diào)配。 值得一提的是，MOST在精省成本的努力不僅是在線路材質(zhì)上，使用塑料光纖的精省法只是其一，傳輸方面也因為采用同步方式而不需要設置“收發(fā)緩沖及進行“取樣率轉(zhuǎn)換”，如此也一樣有助于成本節(jié)省。 MOST的傳控細節(jié),MOST的傳輸技術(shù)近似于公眾交換式電話網(wǎng)絡PublicSwitchedTelephoneNetwork；PSTN），有著數(shù)據(jù)信道DataChannel與控制信道ControlChannel的設計定義，控制信道即用來設定如

11、何使用與收發(fā)數(shù)據(jù)信道。 一旦設定完成，資料就會持續(xù)地從發(fā)送處流向接收處，過程中不用再有進一步的封包處理程序，將運作機制如此設計，最適合用于實時性音訊、視訊串流傳輸。 當然，不是所有的信息傳遞都要實時同步，例如Internet上網(wǎng)瀏覽、GPS導航信息等，這些資料的傳遞特性是不定時的短期突增，這類型的傳輸就不需要用上前述的同步機制，而可以使用較不講究時效性的異步收發(fā)，事實上MOST傳控網(wǎng)也支持這種傳遞方式，更簡單地說，MOST同時支持與提供時效性、同步的串流傳輸與非時效性、異步的數(shù)據(jù)傳輸。 在MOST傳控中其實存在著三種型態(tài)的傳輸：1.Control控制信息的傳輸；2.Packet非時效性的封包數(shù)

12、據(jù)傳輸；3.Real-TimeInformation實時性的串流數(shù)據(jù)傳輸即是指：音訊、視訊）。 若再具體說明些，其實同步性的影音傳遞最高允許達24Mbps的傳輸率，而控制傳遞與封包數(shù)據(jù)傳遞其實都被認定為異步傳遞，異步的傳遞最高可至14.4Mbps頻寬。 既然異步數(shù)據(jù)傳遞與控制傳遞共擠“異步頻寬”，那么哪一天封包數(shù)據(jù)傳量暴增時，不就會影響到控制信息的傳量、傳速？關(guān)于此其實不用擔心，MOST傳控設計上已經(jīng)考慮到此點，無論如何都會保留700kbps以上的頻寬給控制用傳遞，有余裕的頻寬才會配撥給資料數(shù)據(jù)傳遞，而控制性傳輸?shù)牟糠忠脖环Q為副信道Sub-Channel）。 CAN 總 線 CANContro

13、ller Area Network即控制器局域網(wǎng)，可以歸屬于工業(yè)現(xiàn)場總線的范疇，通常稱為CAN bus，即CAN總線，是目前國際上應用最廣泛的開放式現(xiàn)場總線之一。 CAN 最初出現(xiàn)在汽車工業(yè)中，80年代由德國Bosch公司最先提出。最初動機是為了解決現(xiàn)代汽車中龐大的電子控制裝置之間的通訊，減少不斷增加的信號線。 與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性，它在汽車領域上的應用最為廣泛，世界上一些著名的汽車制造廠商，都采用了CAN總線來實現(xiàn)汽車內(nèi)部控制系統(tǒng)與各檢測和執(zhí)行機構(gòu)間的數(shù)據(jù)通信。 汽車的CAN總線網(wǎng)絡架構(gòu)CAN總線標準包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層，其中鏈路層定義

14、了不同的信息類型、總線訪問的仲裁規(guī)則及故障檢測與故障處理的方式。當CAN總線上的一個節(jié)點(站)發(fā)送數(shù)據(jù)時，它以報文形式廣播給網(wǎng)絡中所有節(jié)點。當一個節(jié)點要向其它節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，該節(jié)點的CPU將要發(fā)送的數(shù)據(jù)和自己的標識符傳送給本節(jié)點的CAN芯片，并處于準備狀態(tài)；當它收到總線分配時，轉(zhuǎn)為發(fā)送報文狀態(tài)。 CAN芯片將數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議組織成一定的報文格式發(fā)出，這時，網(wǎng)上的其它節(jié)點處于接收狀態(tài)。每個處于接收狀態(tài)的節(jié)點對接收到的報文進行檢測，判斷這些報文是否是發(fā)給自己的，以確定是否接收它。由于CAN總線是一種面向內(nèi)容的編址方案，因此很容易建立高水準的控制系統(tǒng)并靈活地進行配置?？梢院苋菀椎卦贑AN總線中加進一些新

15、節(jié)點而無需在硬件或軟件上進行修改。CAN的工作原理 CAN總線特點 CAN總線特點如下：（1多主機方式工作，網(wǎng)絡上任意一個節(jié)點均可以在任意時刻主動地向網(wǎng)絡上的其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從，通信方式靈活。（2網(wǎng)絡上的節(jié)點信息可分成不同的優(yōu)先級，可以滿足不同的實時要求。 （3采用非破壞性位仲裁總線結(jié)構(gòu)機制，當兩個節(jié)點同時向網(wǎng)絡上傳送信息時，優(yōu)先級低的節(jié)點主動停止數(shù)據(jù)發(fā)送，而優(yōu)先級高的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)。（4） 可以點對點、一點對多點成組及全局廣播幾種傳送方式接收數(shù)據(jù)。（5直接通信距離最遠可達6km速率10Kbps以下）。（6通信速率最高可達1MB/s此時距離最長30m）。（7節(jié)點數(shù)實際可

16、達110個。（8采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個。（9每幀信息都有CRC校驗及其它檢錯措施，數(shù)據(jù)出錯率極低。（10通信介質(zhì)可采用雙絞線，同軸電纜和光導纖維，一般采用廉價的雙絞線即可，無特殊要求。（11節(jié)點在錯誤嚴重的情況下，具有自動關(guān)閉總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，以使總線上的其他操作不受影響。CAN的報文及結(jié)構(gòu)幀類型: 數(shù)據(jù)幀、遠程幀、錯誤幀和過載幀 數(shù)據(jù)幀：數(shù)據(jù)幀攜帶數(shù)據(jù)從發(fā)送器至接收器。總線上傳輸?shù)拇蠖嗍沁@個幀。 遠程幀：由總線單元發(fā)出，請求發(fā)送具有同一識別符的數(shù)據(jù)幀。數(shù)據(jù)幀或遠程幀通過幀間空間與其他各幀分開。 錯誤幀：任何單元一但檢測到總線錯誤就發(fā)出錯誤幀。 過載幀：過載幀用以

17、在先行的和后續(xù)的數(shù)據(jù)幀或遠程幀之間提供一附加的延時。 37只要總線空閑，任何單元都可以開始發(fā)送報文。要對數(shù)據(jù)進行實時處理，就必須將數(shù)據(jù)快速傳送，這就要求數(shù)據(jù)的物理傳輸通路有較高的速度。在幾個站同時需要發(fā)送數(shù)據(jù)時，要求快速地進行總線分配。 如果2 個或2 個以上的單元同時開始傳送報文，那么就會有總線訪問沖突。通過使用識別符的位形式仲裁可以解決這個沖突。CAN總線以報文為單位進行數(shù)據(jù)傳送，報文的優(yōu)先級結(jié)合在11位標識符中，具有最低二進制數(shù)的標識符有最高的優(yōu)先級。這種優(yōu)先級一旦在系統(tǒng)設計時被確立后就不能再被更改?？偩€讀取中的沖突可通過位仲裁解決。 優(yōu)點在網(wǎng)絡最終確定哪一個站的報文被傳送以前，報文的起

18、始部分已經(jīng)在網(wǎng)絡上傳送了。所有未獲得總線讀取權(quán)的站都成為具有最高優(yōu)先權(quán)報文的接收站，并且不會在總線再次空閑前發(fā)送報文。CAN具有較高的效率是因為總線僅僅被那些請求總線懸而未決的站利用，這些請求是根據(jù)報文在整個系統(tǒng)中的重要性按順序處理的。缺陷由于CAN總線采用的是固定優(yōu)先級，當所有的節(jié)點都隨機的向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，具有低優(yōu)先級的節(jié)點是比具有高優(yōu)先級的節(jié)點具有較大的發(fā)送失敗幾率。每次具有較低優(yōu)先級的節(jié)點都會在總線競爭中失敗，從而導致它一個數(shù)據(jù)都發(fā)不出去，或者發(fā)送的數(shù)據(jù)有較大的延時。40完成CAN規(guī)范所規(guī)定的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層大部分功能。有微處理器接口，易于連接單片機。結(jié)構(gòu)分兩種類型，獨立CAN控制器

19、或集成CAN控制器的單片機：獨立CAN控制器：Philips的SJA1000、82C200、8XC592、8XCE598；Intel的82526、82527等。集成CAN控制器的單片機：Philips的80C591/592/598、XAC37；Motorola的Pow2、PC555；Intel的196CA/CB；Silicon Lab的C8051F040047等 CAN控制器的作用汽車電子化程度與日俱增，應用在車上的ECU模塊數(shù)量也隨之增加，從而使線束也增加。汽車電子系統(tǒng)的成本已經(jīng)超過總成本的20%，并且還將繼續(xù)增加。由于汽車生產(chǎn)商對制造成本的嚴格控制，加上對車身質(zhì)量的控制，減少線束已經(jīng)成為一

20、個必須要解決的問題。另一方面，以網(wǎng)絡通訊為基礎的線控技術(shù)X-by-wire將在汽車上普遍應用。 l線控系統(tǒng)指的是“去除了機械和液力后備系統(tǒng)，并與安全相關(guān)的、具有容錯功能的系統(tǒng)”，將被應用于汽車上一些與安全相關(guān)的操作中，如對轉(zhuǎn)向機構(gòu)、制動裝置、離合器、油門、換檔等控制中，主要由執(zhí)行系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三部分組成。例如線控制動系統(tǒng),用數(shù)字通信取代部分或全部制動管路，可省去很多繁瑣復雜的導線及閥類元件。同時在線控轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中，取消了機械傳動轉(zhuǎn)向機構(gòu)，轉(zhuǎn)向器與轉(zhuǎn)向柱之間沒有機械連接。這就要求用于線控系統(tǒng)的通信系統(tǒng)必須嚴格的滿足容錯和確定性的操作，高的帶寬功能可以快速傳輸大量極為詳盡的信息，從而使系統(tǒng)

21、反應變得非常迅速、準確，這樣不但增加了反應靈敏度，同時可以增加系統(tǒng)的安全性能。l如果要實現(xiàn)一個完全的線控汽車，沒有傳統(tǒng)的機械或液壓系統(tǒng)，不僅要用ECU替代傳統(tǒng)的機械和液壓單元，而且傳統(tǒng)的CAN總線系統(tǒng)也不能滿足要求。CAN總線是一種事件驅(qū)動的協(xié)議，在高安全性的系統(tǒng)中，CAN缺乏必要的同步性，決定性和容錯性。lFlexRay總線是由寶馬、飛利浦、飛思卡爾和博世等公司共同制定的一種新型通信標準，專為車內(nèi)聯(lián)網(wǎng)而設計，采用基于時間觸發(fā)機制，具有高帶寬、容錯性能好等特點，在實時性、可靠性和靈活性方面具有一定的優(yōu)勢。l2000年9月成立的FlexRay聯(lián)盟在全球范圍推廣FlexRay通信系統(tǒng)，使其成為高級

22、動力總成、底盤、線控系統(tǒng)的標準協(xié)議，目前FlexRay協(xié)議已經(jīng)得到業(yè)界各大汽車生產(chǎn)廠家以及汽車半導體公司的支持。(1)高達10Mbit/s的帶寬，是CAN總線最大理論帶寬的10倍；(2)采用基于時間觸發(fā)的媒質(zhì)訪問機制，確定的消息傳輸延遲可以滿足實時應用的需求；(3)提供了兩個消息傳輸通道，可用于傳輸冗余的消息，結(jié)合總線監(jiān)護器的應用可以大大提高通信的可靠性(4)FlexRay協(xié)議具有較強的靈活性，支持多種方式的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，消息長度可配置，雙通道拓撲可用來增加帶寬或者傳輸冗余消息，周期內(nèi)靜態(tài)、動態(tài)消息傳輸部分的時間都可隨具體應用而改變。lFlexRay總線數(shù)據(jù)收發(fā)采取時間觸發(fā)和事件觸發(fā)的方式，利

23、用時間觸發(fā)通信時，網(wǎng)絡中的各個節(jié)點都預先知道彼此將要進行通信的時間，接收器提前知道報文到達的時間，報文在總線上的時間可以預測出來。即便行車環(huán)境惡劣多變，干擾了系統(tǒng)傳輸，F(xiàn)lexRay協(xié)議也可以確保將信息延遲和抖動降至最低，盡可能保持傳輸?shù)耐脚c可預測。這對需要持續(xù)及高速性能的應用(如線控剎車、線控轉(zhuǎn)向等)來說，是非常重要的?；贔lexRay標準的電動車該車通過對現(xiàn)有的電動車進行改造，實現(xiàn)了線控控制，被認為是業(yè)界首次試制和展示可使用FlexRay實際行駛的車輛，車輛使用2條絞線連接了傳感器ECU、轉(zhuǎn)向ECU和加速與剎車ECU3個節(jié)點，其中傳感器ECU用來處理來自于方向盤、油門踏板和剎車踏板上的傳感器信息，這些信息，分別是用來顯示加速與剎車踩進量的儀表和包括FlexRay信號分析儀在內(nèi)的2臺分析裝置，從整個車輛來看，總計有6個節(jié)點與FlexRay相連。BMW X5汽車首次應用FlexRay技術(shù) 德國寶馬公司在07款X5系列車型的電子控制減震器系統(tǒng)中首次應用了FlexRay技術(shù)。此款車采用基于飛思卡爾的微控制器和恩智浦的收發(fā)器，可以監(jiān)視有關(guān)車輛速度、縱向和橫向加速度、方向盤角度、車身和輪胎加速度及行駛高度的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了更好的乘坐舒適性以及駕駛時的安全性和高速響應性，此外還將施加給輪胎的負荷變動以及底盤的振動均減至最小。 之后，寶