LIN總線(xiàn)與FlexRay總線(xiàn)課件

車(chē)載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

--LIN&FlexRay1汽車(chē)總線(xiàn)技術(shù)2LIN總線(xiàn)3FlexRay總線(xiàn)主要內(nèi)容1汽車(chē)總線(xiàn)技術(shù)汽車(chē)總線(xiàn)是指汽車(chē)內(nèi)部導(dǎo)線(xiàn)采用總線(xiàn)控制的一種技術(shù)，通常叫汽車(chē)總線(xiàn)或汽車(chē)總線(xiàn)技術(shù)。隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展和在汽車(chē)上的廣泛應(yīng)用，汽車(chē)電子化程度越來(lái)越高，逐漸形成了一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)。1汽車(chē)總線(xiàn)技術(shù)SAE（美國(guó)汽車(chē)工程師協(xié)會(huì)）將總線(xiàn)分為A、B、C、D四類(lèi)。1汽車(chē)總線(xiàn)技術(shù)2LIN總線(xiàn)3FlexRay總線(xiàn)主要內(nèi)容LIN（LocalInterconnectNetwork)，局部互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，是一種低成本的串行通訊網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)現(xiàn)汽車(chē)中的分布式電子系統(tǒng)控制。LIN的目標(biāo)是為現(xiàn)有汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)(例如CAN總線(xiàn))提供輔助功能，在不需要CAN總線(xiàn)的帶寬和多功能的場(chǎng)合比如智能傳感器和制動(dòng)裝置之間的通訊，使用LIN總線(xiàn)可大大節(jié)省成本2LIN總線(xiàn)什么是LIN總線(xiàn)？2LIN總線(xiàn)為什么用LIN總線(xiàn)？LINfitsinatthelowendofincarmultiplexing,makingaLINsystemacosteffectivesolutionLIN網(wǎng)絡(luò)由數(shù)據(jù)鏈路層和物理層構(gòu)成數(shù)據(jù)鏈路層邏輯鏈路控制子層（LLC）報(bào)文濾波、恢復(fù)管理、報(bào)文確認(rèn)等媒體訪(fǎng)問(wèn)控制子層（MAC）是LIN的核心對(duì)來(lái)自L(fǎng)LC的報(bào)文封裝串行化對(duì)來(lái)自物理層的數(shù)據(jù)進(jìn)行解串、錯(cuò)誤檢測(cè)等由故障界定管理實(shí)體進(jìn)行監(jiān)控物理層定義了信號(hào)如何在總線(xiàn)媒體上傳輸定義物理層的驅(qū)動(dòng)器/接收器特性2LIN總線(xiàn)LIN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)物理層采用單線(xiàn)連接，兩個(gè)電控單元間的最大傳輸距離為40m其總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器和接收器的規(guī)范遵從改進(jìn)的ISO9141單線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。低成本LIN是基于SCI/UART(通用異步收發(fā)接口的單總線(xiàn)串行通信)協(xié)議；目前幾乎所有的微控制器芯片上都有SCI/UART接口。低傳輸速率，小于20kb/s單主控器/多從設(shè)備模式，無(wú)需仲裁機(jī)制2LIN總線(xiàn)LIN總線(xiàn)主要特點(diǎn)在總線(xiàn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的LIN網(wǎng)絡(luò)中，由主節(jié)點(diǎn)控制對(duì)傳輸介質(zhì)的訪(fǎng)問(wèn)，從節(jié)點(diǎn)只是應(yīng)答主節(jié)點(diǎn)的命令。不需要仲裁和沖突管理機(jī)制。同步機(jī)制簡(jiǎn)單從節(jié)點(diǎn)不需晶振或陶瓷振蕩器就能實(shí)現(xiàn)自同步，節(jié)省了從設(shè)備的硬件成本。通信確定性主節(jié)點(diǎn)控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信，控制不同節(jié)點(diǎn)的傳輸時(shí)間；每個(gè)報(bào)文幀的長(zhǎng)度是預(yù)知的；采用調(diào)度表，保證信號(hào)的周期性傳輸、保證總線(xiàn)不出現(xiàn)超負(fù)載現(xiàn)象。報(bào)文的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可變LIN應(yīng)答幀報(bào)文的數(shù)據(jù)場(chǎng)長(zhǎng)度可在0~8個(gè)字節(jié)之間變化，便于不同任務(wù)的通信應(yīng)用。2LIN總線(xiàn)LIN總線(xiàn)主要特點(diǎn)不需改變LIN從節(jié)點(diǎn)的硬件和軟件就可以在網(wǎng)絡(luò)上增加節(jié)點(diǎn)LIN總線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)一般不超過(guò)16，否則，節(jié)點(diǎn)增加將會(huì)減少網(wǎng)絡(luò)阻抗，導(dǎo)致環(huán)境條件變差。每增加一個(gè)節(jié)點(diǎn)，就會(huì)降低3％的阻抗采用奇偶校驗(yàn)和求和校驗(yàn)相結(jié)合的雙重校驗(yàn)機(jī)制。2LIN總線(xiàn)LIN總線(xiàn)主要特點(diǎn)2LIN總線(xiàn)LIN的通信任務(wù)（一）基本概念主機(jī)節(jié)點(diǎn)：控制網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)通信的節(jié)點(diǎn)一個(gè)LIN網(wǎng)絡(luò)上的通信總是由主發(fā)送任務(wù)發(fā)起的在主節(jié)點(diǎn)上可執(zhí)行主通信任務(wù)和從通信任務(wù)可控制整個(gè)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議主通信任務(wù)：在主節(jié)點(diǎn)上運(yùn)行的，用于控制總線(xiàn)上所有的通信，負(fù)責(zé)報(bào)文的進(jìn)度表、發(fā)送報(bào)文頭的任務(wù)。常見(jiàn)主任務(wù)：如定義傳輸速率，發(fā)送同步時(shí)間間隔、同步場(chǎng)、標(biāo)識(shí)符場(chǎng)，監(jiān)控并通過(guò)檢查校驗(yàn)和驗(yàn)證數(shù)據(jù)的有效性。2LIN總線(xiàn)LIN的通信任務(wù)（一）基本概念從節(jié)點(diǎn)：總線(xiàn)上的2-16個(gè)成員，它們?cè)谥鞴?jié)點(diǎn)發(fā)送適當(dāng)ID后接收或發(fā)送數(shù)據(jù)從通信任務(wù)：從節(jié)點(diǎn)從事的任務(wù)都稱(chēng)為從通信任務(wù)；但主節(jié)點(diǎn)也會(huì)執(zhí)行從任務(wù)節(jié)點(diǎn)接收來(lái)自主通信任務(wù)的ID節(jié)點(diǎn)根據(jù)ID決定做什么：接收數(shù)據(jù)、發(fā)送數(shù)據(jù)或什么都不做發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)字節(jié)（2、4或8個(gè)字節(jié)）及檢驗(yàn)字節(jié)2LIN總線(xiàn)LIN的通信任務(wù)（二）LIN通信LIN協(xié)議是一主多從結(jié)構(gòu)，通信只能由主節(jié)點(diǎn)中的主任務(wù)發(fā)起，一個(gè)完整的LIN報(bào)文幀的傳輸是由主任務(wù)和從任務(wù)共同實(shí)現(xiàn)的，主任務(wù)發(fā)送“報(bào)頭”，從任務(wù)發(fā)送或接受“響應(yīng)”。在總線(xiàn)上發(fā)送的信息，有長(zhǎng)度可選的固定格式。每個(gè)報(bào)文幀都包括2、4或8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)以及3個(gè)字節(jié)的控制、安全信息（同步場(chǎng)、標(biāo)識(shí)符場(chǎng)和校驗(yàn)場(chǎng)）。通過(guò)主機(jī)控制單元中的從任務(wù)，數(shù)據(jù)可以被主機(jī)控制單元發(fā)送到任何從機(jī)控制單元。相應(yīng)的主機(jī)報(bào)文ID可以觸發(fā)從機(jī)-從機(jī)通信。2LIN總線(xiàn)報(bào)文傳輸—報(bào)文幀報(bào)文幀是由主機(jī)任務(wù)向從機(jī)任務(wù)傳送同步和標(biāo)識(shí)符信息，并將一個(gè)從機(jī)任務(wù)的信息傳送到所有其他從機(jī)任務(wù)。一個(gè)主機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的報(bào)文頭；一個(gè)主機(jī)或從機(jī)節(jié)點(diǎn)發(fā)送的響應(yīng)組成。報(bào)文傳輸是由報(bào)文幀的格式表示和控制。2LIN總線(xiàn)報(bào)文傳輸—報(bào)文幀（1）字節(jié)場(chǎng)（ByteFields）格式：說(shuō)明：每一個(gè)字節(jié)場(chǎng)的長(zhǎng)度是10個(gè)位定時(shí)（BitTime）；起始位（StartBit）是一個(gè)‘顯性’位，標(biāo)志字節(jié)場(chǎng)的開(kāi)始；8個(gè)數(shù)據(jù)位，從最低位開(kāi)始發(fā)送；停止位（StopBit）是一個(gè)‘隱性’位，標(biāo)志字節(jié)場(chǎng)的結(jié)束。2LIN總線(xiàn)報(bào)文傳輸—報(bào)文幀（2）報(bào)文頭場(chǎng)（HeaderFields）同步間隔（SynchronisationBreak）說(shuō)明：作用：標(biāo)識(shí)報(bào)文的開(kāi)始，由主節(jié)點(diǎn)發(fā)送；使得所有的從機(jī)任務(wù)和總線(xiàn)時(shí)鐘信號(hào)同步。同步間隔：至少13bit的顯性位，之后緊隨至少1bit隱性值的同步界定符。同步界定符的作用：用來(lái)檢測(cè)接下來(lái)的同步場(chǎng)（SynchField）的起始位。2LIN總線(xiàn)報(bào)文傳輸—報(bào)文幀（2）報(bào)文頭場(chǎng)（HeaderFields）同步場(chǎng)（SynchField）說(shuō)明：包含了時(shí)鐘的同步信息，同步場(chǎng)的格式是“0x55”，表現(xiàn)在8個(gè)位定時(shí)中有5個(gè)下降沿（即：‘隱性’到‘顯性’的跳變）。2LIN總線(xiàn)報(bào)文傳輸—報(bào)文幀（2）報(bào)文頭場(chǎng)（HeaderFields）標(biāo)識(shí)符場(chǎng)（IdentifierField）說(shuō)明：定義了報(bào)文的內(nèi)容和長(zhǎng)度；6個(gè)標(biāo)識(shí)符位（ID0~ID5）和2個(gè)標(biāo)識(shí)符奇偶校驗(yàn)位（P0、P1）；ID4和ID5定義了數(shù)據(jù)場(chǎng)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度。2LIN總線(xiàn)報(bào)文傳輸—報(bào)文幀（3）響應(yīng)場(chǎng)（ResponseFields）數(shù)據(jù)場(chǎng)（IdentifierField）說(shuō)明：由多個(gè)8位的字節(jié)場(chǎng)組成，傳輸由LSB開(kāi)始。2LIN總線(xiàn)報(bào)文傳輸—報(bào)文幀（3）響應(yīng)場(chǎng)（ResponseFields）校驗(yàn)和場(chǎng)（ChecksumField）說(shuō)明：校驗(yàn)和場(chǎng)是數(shù)據(jù)場(chǎng)所有字節(jié)的和的反碼；所有數(shù)據(jù)字節(jié)的和的補(bǔ)碼與校驗(yàn)和字節(jié)之加的和必須是“0xFF”。2LIN總線(xiàn)報(bào)文確認(rèn)如果直到幀的結(jié)尾都沒(méi)有檢測(cè)到錯(cuò)誤，報(bào)文對(duì)發(fā)送器和接收器都有效；如果報(bào)文發(fā)生錯(cuò)誤，則主機(jī)和從機(jī)任務(wù)都認(rèn)為報(bào)文沒(méi)有發(fā)送。2LIN總線(xiàn)報(bào)文錯(cuò)誤位錯(cuò)誤向總線(xiàn)發(fā)送一個(gè)位的單元同時(shí)也在監(jiān)控總線(xiàn)，當(dāng)監(jiān)控到的位的值和發(fā)送的不同時(shí)，則在這個(gè)位定時(shí)檢測(cè)到一個(gè)位錯(cuò)誤。校驗(yàn)和錯(cuò)誤所有數(shù)據(jù)字節(jié)的和的補(bǔ)碼與校驗(yàn)和字節(jié)相加的和不是‘0xFF’標(biāo)識(shí)符奇偶錯(cuò)誤從機(jī)不響應(yīng)錯(cuò)誤從機(jī)任務(wù)在發(fā)送SYNCH和標(biāo)識(shí)符場(chǎng)時(shí)，在最大長(zhǎng)度時(shí)間內(nèi)未完成報(bào)文幀的發(fā)送同步場(chǎng)不一致錯(cuò)誤從機(jī)檢測(cè)到的同步場(chǎng)的邊沿在給出的容差之外沒(méi)有總線(xiàn)活動(dòng)在接收到最后一個(gè)有效信息后，在tTime_Out時(shí)間內(nèi)未檢測(cè)到有效的同步間隔或字節(jié)場(chǎng)。2LIN總線(xiàn)LIN總線(xiàn)應(yīng)用典型的LIN總線(xiàn)應(yīng)用是汽車(chē)中的聯(lián)合裝配單元，如門(mén)、方向盤(pán)、座椅、空調(diào)、照明燈、濕度傳感器和交流發(fā)電機(jī)等。對(duì)于這些成本比較敏感的單元，LIN可以使一些機(jī)械元件，如智能傳感器、制動(dòng)器或光敏期間等得到較廣泛的應(yīng)用。菲利普半導(dǎo)體公司基于CAN/LIN總線(xiàn)提出的汽車(chē)車(chē)身網(wǎng)絡(luò)層解決方案1汽車(chē)總線(xiàn)技術(shù)2LIN總線(xiàn)3FlexRay總線(xiàn)主要內(nèi)容（一）概況FlexRay是FlexRay協(xié)會(huì)在克萊斯勒公司的典型應(yīng)用以及BMW公司Bytefight通信系統(tǒng)基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)的一個(gè)與確定性和故障容錯(cuò)有密切關(guān)系的、更可靠的高速汽車(chē)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。2000年9月，寶馬和戴姆勒-克萊斯勒聯(lián)合飛利浦（現(xiàn)恩智浦）和摩托羅拉（現(xiàn)飛思卡爾）創(chuàng)建了FlexRay聯(lián)盟，之后博世、通用和大眾也成為其核心成員。他們制定了滿(mǎn)足未來(lái)車(chē)內(nèi)控制應(yīng)用通信需求的FlexRay通信協(xié)議。隨著FlexRay通信協(xié)議逐步發(fā)展成熟，幾乎全球所有知名的汽車(chē)廠(chǎng)商和電子、半導(dǎo)體公司都加入了該聯(lián)盟，為該協(xié)議的發(fā)展提供各個(gè)方面的技術(shù)支持，致力于推廣FlexRay通信系統(tǒng)在全球的采用，使其成為高級(jí)動(dòng)力總成、底盤(pán)和線(xiàn)控系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。3

FlexRay總線(xiàn)（一）概況FlexRay總線(xiàn)特點(diǎn)：支持靜態(tài)時(shí)間和動(dòng)態(tài)時(shí)間驅(qū)動(dòng)的兩種通信機(jī)制；靈活的容錯(cuò)能力，支持單通道和雙通道操作；高的數(shù)據(jù)傳輸速率和網(wǎng)絡(luò)使用率，每個(gè)通道的速度均達(dá)到10Mbps；可靠的錯(cuò)誤檢測(cè)功能，包括時(shí)域的總線(xiàn)監(jiān)測(cè)機(jī)制和數(shù)字CRC校驗(yàn)；可采用多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，包括總線(xiàn)結(jié)構(gòu)、星型結(jié)構(gòu)以及多星型結(jié)構(gòu)；FlexRay總線(xiàn)在重負(fù)載下可以關(guān)閉部分節(jié)點(diǎn)，使其僅接收數(shù)據(jù)而不發(fā)送數(shù)據(jù)，減少數(shù)據(jù)重發(fā)次數(shù)，使得總線(xiàn)負(fù)載很快下降。FlexRay總線(xiàn)的這些特點(diǎn)使其可以替代CAN總線(xiàn)，適合車(chē)載骨干網(wǎng)絡(luò)、分布式控制系統(tǒng)以及安全系統(tǒng)等應(yīng)用場(chǎng)合。3

FlexRay總線(xiàn)（一）概況3

FlexRay總線(xiàn)恩智浦FlexRay總線(xiàn)技術(shù)在汽車(chē)上的應(yīng)用情況（一）概況第一輛FlexRay量產(chǎn)車(chē)：BMWX5-48i，主要應(yīng)用在電子控制減震器系統(tǒng)，采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。3

FlexRay總線(xiàn)首款運(yùn)用FlexRay技術(shù)的汽車(chē)FlexRay系統(tǒng)組成（一）概況2008年，寶馬7系中采用了多達(dá)12個(gè)FlexRay節(jié)點(diǎn)收發(fā)器（含一個(gè)網(wǎng)關(guān)），F(xiàn)lexRay以跨系統(tǒng)方式實(shí)現(xiàn)行駛動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)和發(fā)動(dòng)機(jī)管理系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)。3

FlexRay總線(xiàn)BMW新7系車(chē)中FlexRay節(jié)點(diǎn)在整車(chē)中的布置及其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（二）FlexRay總線(xiàn)技術(shù)1.幀格式結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)包括：頭部段、負(fù)載段和尾部段三部分3

FlexRay總線(xiàn)（二）FlexRay總線(xiàn)技術(shù)2.幀的編碼與解碼FlexRay采用非歸零編碼機(jī)制。編碼與解碼主要包括3個(gè)過(guò)程：編碼與解碼過(guò)程；位過(guò)濾過(guò)程；喚醒模式解碼過(guò)程。這些過(guò)程設(shè)計(jì)的三個(gè)技術(shù)：位時(shí)鐘對(duì)齊采樣與多數(shù)表決通道空閑檢測(cè)

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FlexRay總線(xiàn)（二）FlexRay總線(xiàn)技術(shù)3.媒介訪(fǎng)問(wèn)控制

媒介訪(fǎng)問(wèn)控制以一個(gè)循環(huán)進(jìn)行的通信周期為基礎(chǔ)。

FlexRay提供了兩種訪(fǎng)問(wèn)方式：靜態(tài)的基于時(shí)分多址的訪(fǎng)問(wèn)方式動(dòng)態(tài)的基于微型時(shí)槽的訪(fǎng)問(wèn)方式4.時(shí)鐘同步

FlexRay協(xié)議使用分布式時(shí)鐘同步機(jī)制。

時(shí)鐘同步過(guò)程實(shí)現(xiàn)了周期起始的初始化、偏差值的測(cè)量與存儲(chǔ)、相位與速率修正值得計(jì)算三個(gè)過(guò)程。3

FlexRay總線(xiàn)（二）FlexRay總線(xiàn)技術(shù)5.媒介訪(fǎng)問(wèn)控制喚醒與啟動(dòng)是FlexRay的核心機(jī)制之一。首先由外部事件喚醒冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)的CPU，并與總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器和通信控制器協(xié)作，完成該節(jié)點(diǎn)的喚醒操作。之后，冷啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)在通信信道上傳輸喚醒符號(hào)，處于休眠狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)在接到喚醒符號(hào)后，對(duì)該節(jié)點(diǎn)的CPU和通信控制器進(jìn)行上電，從而啟動(dòng)節(jié)點(diǎn)。3

FlexRay總線(xiàn)（三）FlexRay的實(shí)現(xiàn)方式1.FlexRay初始化

FlexRay的初始化主要實(shí)現(xiàn)FlexRay網(wǎng)絡(luò)通信之間的喚醒、啟動(dòng)、時(shí)間同步，是實(shí)現(xiàn)FlexRay網(wǎng)絡(luò)正常通信的基礎(chǔ)。2.FlexRay通信發(fā)送

當(dāng)FlexRay網(wǎng)絡(luò)正常啟動(dòng)后，才可以進(jìn)行FlexRay數(shù)據(jù)通信。FlexRay總線(xiàn)通信主要是基于時(shí)間觸發(fā)。3.FlexRay通信接收

FlexRay數(shù)據(jù)接收也是采用中斷方式，F(xiàn)lexRay協(xié)議控制器采用“提前搜索算法”來(lái)保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)時(shí)接收。3

FlexRay總線(xiàn)（四）FlexRay的應(yīng)用領(lǐng)域1.替代CAN總線(xiàn)在數(shù)