汽车网络技术课件-第1章-绪论PPT课件.ppt

汽车网络技术 沈阳大学凌永成 1 配套教材信息 教材名称 汽车网络技术教材主编 凌永成教材定价 35RMB出版社 清华大学出版社出版时间 2012年3月国际标准书号 ISBN 978 7 302 28149 8教材所属系列 普通高等院校汽车工程类规划教材 2 第1章绪论 1 1汽车网络技术的发展 1 1 1汽车网络技术的发展历程 汽车电子技术在经历了零部件层次的汽车电器时代 子系统层次的单片机 汽车电脑 控制时代之后 已经开始进入汽车网络化时代 并向汽车信息化时代迈进 按照电子产品和电子控制系统的技术特点 可将汽车电子技术的发展粗略划分为四个阶段 1 第一阶段 零部件层次的汽车电器时代 1965 1980年属于零部件层次的汽车电器时代 汽车发电机晶体管电压调节器和晶体管点火装置等开始装备汽车 而且电子控制装置又逐步实现了由分立元件向集成化的过渡 3 这一阶段 装备汽车的其他电子装置还有转向系统电子式闪光器 电子控制式喇叭 电子式间歇刮水控制器 数字时钟及高能点火 HEI 线圈和集成电路点火系统等 4 2 第二阶段 子系统层次的汽车电脑控制时代 1980 1995年属于子系统层次的汽车单片机 汽车电脑 控制时代 在这一时期 单片机 微处理器 在汽车上得到广泛应用 以单片机为控制核心 以实现特定控制内容或功能为基本目的的各种电子控制系统得到了迅速发展 图1 4电子点火系统组成示意图 5 进入20世纪90年代 出现全面 综合的电子控制系统 6 电子控制技术在汽车上的广泛应用 不仅拓展了电子控制的功能和控制内容 提高了控制精度和汽车性能 而且也为汽车网络技术的发展奠定了坚实的基础 3 第三阶段 整车联网层次的汽车网络化时代 1995 2010年属于整车联网层次的汽车网络化时代 采用先进的单片机技术和车载网络技术 形成了车上的分布式 网络化的电子控制系统 整车电气系统被连成一个多ECU 多节点的有机的整体 使得其性能也更加完善 目前 世界主要汽车制造商生产的的多数汽车上均采用了以CAN LIN MOST DDB等为代表的网络控制技术 将车辆控制系统简化为节点模块化 在基于现场总线的分布式控制中 任何传统意义上的传感器和执行器都可以与同一现场的节点相组合 构成节点模块 汽车网络技术进一步优化了汽车的控制系统 极大地提升了汽车的整体控制水平 7 图1 6BMWE60的汽车网络系统 图1 7AUDIA4的汽车网络系统 8 4 第四阶段 以Telematics技术为代表的汽车信息化时代 以国际Telematics产业联盟 ITIF 正式成立为标志 2010年成为汽车信息化时代的发轫之年 汽车网络技术是现代汽车电子技术的重要组成部分 也是现代汽车通信与控制的基础 伴随着汽车网络技术的日趋成熟 汽车电子技术开始向信息化时代迈进 9 网络化时代的汽车电子技术注重解决汽车内部各个系统之间的信息交换问题 而信息化时代的汽车电子技术则可以实现车内网络与车外网络之间的信息交换 全面解决人 车 外部环境之间的信息交流问题 图1 9全面实现人 车 外部环境之间的信息交流 1 1 2汽车网络技术的发展趋势 Telematics 汽车技术的发展脚步远未停止 在主要以动力传动 车身控制 行驶安全性 多媒体传输为主要控制目标的汽车网络技术逐步完善 日趋成熟的同时 又开始向汽车信息化时代迈进 可以预见 在不远的未来 汽车将进入以Telematics技术为代表的信息化时代 图1 10 10 图1 10汽车将进入信息化时代 由动力传动 车身控制 行驶安全性 多媒体传输到Telematics 11 1 Telematics简介 Telematics是远程通信技术 Telecommunications 与信息科学技术 Informatics 的合成词 意指通过内置在汽车 航空器 船舶 火车等运输工具上的计算机网络技术 借助无线通信技术 GPS卫星导航技术 实现文字 图像 语音信息交换的综合信息服务系统 也就是说 Telematics技术整合了汽车网络技术 也包括其他移动运输工具内部的网络技术 无线通信技术 GPS GlobalPositioningSystem 全球定位系统 卫星导航技术 通过无线网络 随时给行车中的人们提供驾驶 生活 娱乐所必需的各种信息 通常所说的Telematics就是指应用无线通信技术的车载电脑系统 Telematics是无线通信技术 卫星导航系统 网络通信技术和车载电脑的综合产物 被认为是未来的汽车网络技术的发展趋势 12 图1 11Telematics信息交换过程示意图 13 2 Telematics的功能 Telematics特点在于大部分的应用系统位于网络上 如通讯网络 卫星与广播等 而非汽车内 驾驶者可运用无线传输的方式 连结网络传输与接收信息与服务 以及下载应用系统或更新软件等 所耗的成本较低 主要功能仍以行车安全与车辆保全为主 主要功能如图1 12所示 图1 12Telematics的主要功能 14 卫星定位导航 通过GPS全球卫星定位系统 图1 13 结合行车路线 作电子地图与语音导航相结合的路况报导 路线指引 图1 14 并能提前预报前方路口的车速限制及交通违法摄像头的安装情况 以确保安全行车 图1 13GPS全球卫星定位系统 15 图1 14电子地图与语音导航 16 道路救援 行车过程中 如果发生车祸或车辆出现故障 驾驶员可通过Telematics系统的紧急呼叫按键 自动联系紧急服务机构 119 120等急救机构 或汽车服务站 以获得道路救援 图1 15紧急呼叫按键1 左侧免提话筒 2 活动天窗按键 3 紧急呼叫按键 4 右侧免提话筒 汽车防盗及搜寻 通过GPS卫星定位技术确定失窃车辆的位置和行车路线 以便搜寻与追踪 追缴车辆并缉拿盗车贼 车辆调度管理 通过无线信息传输 实现运营车辆的调度管理 17 图1 16运营车辆的调度管理 18 自动防撞系统 通过测距传感器或雷达 监测前 后车辆之间的车距 自动调用车载自适应巡航系统 使前 后车辆之间保持必要的安全距离 图1 17自适应巡航系统监测前 后车辆之间的车距 车况掌握 车辆性能与车况的自动监测 传输 进行多地 远程 专家会诊 指导车辆维修等 个人化信息接收与发布 收发电子邮件与个人化信息等 19 多媒体影音娱乐信息接收 高画质与高音质的视听设备 游戏机 上网机 个人行动信息中心 随选视频资讯等 图1 18 车辆应急预警系统 当行驶中的车辆遇到紧急情况是 可以借助Telematics系统向外界 其他车辆或道路交通管理部门 发出应急申请 亦可接收来自道路交通管理部门发布的紧急情况警告及应急响应预案 确保行车安全和道路畅通 图1 18后座多媒体影音娱乐系统 20 3 Telematics系统的应用领域 Telematics系统在汽车上的布置 图1 19 可分为前座系统 后座系统与发动机系统三大子系统 图1 19Telematics系统在汽车上的布置 21 前座系统主要以行车安全 车辆保全 驾驶方便性与舒适性为主要目标 为了避免造成驾驶者分神 前座系统的信息输入方式主要采用语音输入或触摸屏 触控面板 信息输出方式则为中尺寸面板 LCD或OLED 语音输出或投射在汽车前挡风玻璃的抬头显示 Head UpDisplay HUD 图1 20 等 雪铁龙C6汽车的HUD系统 22 图1 20行车信息的抬头显示 HUD 23 后座系统则以多媒体娱乐为主 包括互动式游戏 高保真音响视听系统 随选视频资讯 数字广播与数字电视等 发动机系统主要是根据汽车电脑所收集的车况信息 进行车况诊断 行车效率最佳化 远程发动机调整或零件预定等 从上述分析不难看出 Telematics技术基于GPS全球定位系统技术 GIS地理信息系统 GeographicInformationSystem 技术 ITS智能交通系统 IntelligentTransportSystem 技术和无线通信技术 Telematics技术的发展 体现了一个国家的综合科技实力 已经成为世界各国竞相研发的技术热点之一 目前 国内在Telematics技术研究领域起步较早且颇有进展的是同济大学汽车学院 2010年7月 国际Telematics产业联盟 ITIF 成立大会暨2010首届国际Telematics产业发展高峰论坛在广东佛山市隆重举行 标志着Telematics研究将进入一个新阶段 24 1 2汽车网络技术的应用 1 2 1汽车网络技术的产生背景 1 信息传输的瓶颈问题 在汽车单片机控制时代 特别是早期生产的汽车 车上只有一个电子控制单元 ElectronicControlUnit ECU 其信息传输量较少 电子控制系统的传感器 电子控制单元和执行器之间的连接电线 线束 的数量还不太多 尚可接受 图1 21汽车内部的电线 线束 数量 装备1个电子控制单元 随着汽车技术的进步和消费者需求的进一步提高 汽车上的电子控制系统越来越多 图1 22 其内部的线束也会越来越复杂 图1 23 25 图1 22汽车上的电子控制系统越来越多 26 随着汽车电子化程度逐年提高 从发动机控制到传动系控制 从行驶 制动 转向系控制到安全保障系统及仪表报警系统 从电源管理到为提高舒适性而作的各种努力 使汽车电子系统形成了一个复杂的大系统 图1 24 这些系统除需要互相通信 且信息传输量急剧加大 如果依然采用传统的布线方式 图1 25 那么 对于复杂控制系统 其连接电线 线束 的数量将急剧增加 甚至难以承受 图1 24复杂的 多控制单元的汽车电脑控制系统 图1 23汽车内部的电线 线束 数量 装备3个电子控制单元 27 对于复杂的控制系统 若采用传统布线方式 一对一布线 将导致车上电线数目急剧增加 其质量将会占到整车质量的4 左右 而且 数量庞大的线束 电线插接器也会降低车辆电气系统的可靠性 使故障率加大 为解决这一制约汽车电子技术进一步发展的信息传输瓶颈问题 一种新的信息传输技术 汽车网络技术应运而生 图1 252个控制单元之间传统的布线方式 一对一布线 28 2 采用汽车网络技术进行信息传输 就像汽车电子技术在20世纪70年代引入集成电路 80年代引入单片机 微处理器 一样 汽车网络技术的引入也是汽车电子技术发展的一个里程碑 在采用网络技术的现代汽车上 信息的传输是基于数据总线DB DataBus 原理进行的 所谓数据总线 简单地说 就是指一种能在一条 或几条 数据线上 同时 或分时 传输大量的按照一定规律进行编码的数据 信号 的技术 其所传输的数据 信号 可以被多个系统共享 从而最大限度地提高系统的信息传输效率 充分利用有限的资源 作为一种优良的信息传输方式 总线技术在工业生产 科学研究和日常生活中的应用极为广泛 随处可见 例如 我们每天工作 学习中使用的键盘与计算机主机之间的信息传输 就是采用数据总线技术进行的 29 图1 26键盘与计算机主机之间采用数据总线技术进行信息传输 30 将计算机领域的数据总线技术引入到汽车电气系统中 同样可以在大大简化汽车电路的同时 传递丰富的信息 图1 27采用数据总线技术在两个控制单元之间进行信息传输 如图1 27所示 采用数据总线技术在两个控制单元之间进行信息传输 可以有效较少数据传输线的数量 31 图1 28为在具有3个控制单元的系统中采用CAN数据总线进行信息传输的示意图 相应地 汽车内部的线束连接也变得简洁 清晰 图1 29 不再是一团乱麻 图1 28在具有3个控制单元的系统中采用CAN数据总线进行信息传输 图1 29汽车内部的电线 线束 数量 装备3个电子控制单元 32 下面 以宝来 BORA 汽车的驾驶员侧车门控制单元为例 进一步说明这一问题 图1 30采用传统的布线方式 9个线束插接器 共45根电线 33 图1 31采用数据总线进行信息传输 只需2个线束插接器 17根电线 34 3 采用汽车网络技术的优点 减轻整车自重 减少电线用量 耗铜量下降 整车自重得以降低 同时 全车线束变细 也为安装其它新的部件预留了空间 降低生产成本 除了电线用量减少 耗铜量下降带来的成本降低之外 网络技术所秉持的 信息共享 一线多能 也充分发挥了每一条电线的作用 现实了 物尽其用 提高工作可靠性 电线数量的减少 也使汽车电气系统的线束插接器数量大大减少 由线束和插接器引发的断路 短路 接触不良等故障的发生率也大大降低 整车电气系统的工作可靠性得以提高 便于后续开发 采用开放式的汽车网络技术 为后续技术的开发留有充分的余地 以后 随着技术的不断进步 新的电子控制系统可以很方便地融入到已有的系统之中 而不必对现有系统作太大的改动 35 同时 也便于实现控制器与执行器的就近安装 甚至采用控制器与执行器的一体化安装 进一步节省了安装空间 提高了控制的实时性和控制精度 从而实现了良性循环 图1 32大众开迪 Caddy 迈腾 Magotan 汽车的整体式ESPECU 36 1 2 2现场总线与汽车网络 现场总线 Fieldbus 是一种工业数据通信总线 主要用于过程自动化控制 如钢铁冶金 啤酒酿造 制造自动化控制 如机械加工 楼宇自动化控制等领域 以解决工业现场的智能化仪器仪表 控制器 执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题 目前汽车上广泛使用的控制局域网络 ControllerAreaNetwork CAN 就可以归为现场总线类网络 但同时又有自身的一些特点 汽车网络系统不仅有CAN总线和LIN总线这样的控制网络 还有多媒体影音娱乐信息网络 如MOST DDB等 目前 汽车电子系统控制中应用最广泛的是CAN总线 1 现场总线 37 2 现场总线的组成 现场总线由两大部分组成 即数据传输线和节点 图1 33现场总线系统的基本组成 在总线系统中节点包括控制单元和总线辅助设备 控制单元由控制器 滤波器 收发器 两个数据传输终端组成 控制单元在硬件上多了专门的总线接口装置 如CAN总线接口 并有相应的软件即通信标准的支持 图1 34现场总线中的控制单元 38 在现场总线系统中 传统意义上的传感器 执行器称为总线辅助装置 同一现场的一个或多个辅助装置与控制器 控制单元 组合 构成节点 也称为总线模块 图1 35现场总线中的节点 3 现场总线的工作原理 1 节点和单片机控制系统的区别 39 在现场总线中 节点信息的发布和获取是自由的和开放的 2 节点的构成原则 传感器和执行器需要放在一个节点上 有两个最重要的原则 其一 要求构成一个节点的传感器和执行器要安装在一起或距离很近 称为同一现场原则 其二 要求传感器信号和执行单元的控制信号必须满足该控制系统实时控制的要求 如果实时时间很短 总线信息传输速度不能满足其要求 则传感器和执行器就必须与控制器放在一个节点内 由于单片机技术和网络技术的高速发展 在现代汽车的CAN总线中 一个节点可以包括十几个传感器和执行器 即一个节点可以同时接收并发送十几个传感器信号 同时控制十几个执行器 40 在大众速腾 SAGITAR 汽车的电源管理系统中 J519作为中央电器控制网络系统的一个节点 可以实现电源管理 车外灯控制 车内灯控制 仪表照明及光亮度调整 转向信号控制 接线柱控制 前 后风挡玻璃的雨刷控制 燃油泵电源接通 发电机励磁 后风窗加热等十几种功能 控制功能十分丰富 图1 36中央电器控制单元J519作为中央电器控制网络系统的一个节点存在J519 中央电器控制单元 J527 转向柱控制单元 41 4 节点工作原理 现场总线是一个网络系统 每一个节点都可以向网络发送信息 同时也可以接收网络信息 节点可以根据这些信息决定控制策略 向执行器发送指令 各节点之间的关系是平等的 节点的信息 包括所有传感器信息和控制信息 是共享的 图1 35现场总线中的节点 现场总线的工作过程 42 图1 37奔驰S级221网络中的传感器节点 点火开关节点 点火开关控制单元N73 A1 组合仪表 A40 3 COMAND 驾驶室管理及数据系统 控制装置 A40 9 前部中央操作装置 S16 5 自动变速器换挡规律选择开关 A80 智能换挡控制单元 Y3 8n4 自动变速器控制装置 N93 中央网关控制单元 X11 4 数据链路插头 N3 10 发动机控制单元 N73 点火开关控制单元 A7 3 ABS控制单元 S16 13 DIRECTSELECT换挡开关 N80 转向柱控制单元 S111 2 右侧方向盘换挡按钮 S110 2 左侧方向盘换挡按钮 A 远程信息处理CAN C 动力系统CAN D 诊断系统CAN E 底盘系统CAN F 中央系统CAN 43 5 现场总线的优点 经济性 可靠性 可控性 综合性 互换性 开放性 1 2 3汽车网络的分类 1 按网络拓扑结构分类 网络的拓扑结构 TopologicalStructure 是指网上计算机或设备与信息传输介质形成的节点与数据传输线的物理构成模式 汽车网络的拓扑结构主要有线形结构 星形结构 环形结构等几种 1 线形拓扑结构 线形拓扑结构是一种信道共享的物理结构 这种结构中总线具有信息的双向传输功能 普遍用于控制器局域网的连接 总线一般采用同轴电缆或双绞线 44 图1 38线形拓扑结构 2 星形拓扑结构 星形拓扑结构是一种以中央节点为中心 把若干外围节点连接起来的辐射式互联结构 这种结构适用于局域网 图1 39星形拓扑结构 45 3 环形拓扑结构 环形拓扑结构由各节点首尾相连形成一个闭合环形线路 环形网络中的信息传送是单向的 即沿一个方向从一个节点传到另一个节点 每个节点需安装中继器 以接收 放大 发送信号 图1 40环形拓扑结构 46 图1 41BMW车系影音娱乐系统的MOST总线采用环形拓扑结构 47 2 按联网范围和控制能力分 总线按联网范围分为主总线系统 子总线系统 主总线系统负责跨系统的数据交换 主总线系统相关参数见表1 1 表1 1主总线系统相关参数 48 子总线系统负责系统内的数据交换 子总线系统相关参数见表1 2 这些系统用于交换特定系统内数据量相对较少的数据 表1 2子总线系统相关参数 3 按信息传输速度分 为方便研究和设计应用 美国汽车工程师学会 SAE 的汽车网络委员会按照系统的复杂程度 传输流量 传输速度 传输可靠性 动作响应时间等参量 将汽车数据传输网络划分为A B C D E五类 49 A类网络是面向传感器 执行器控制的低速网络 数据传输位速率通常小于10kbit s 主要用于车外后视镜调整 电动车窗 灯光照明等控制 B类网络是面向独立模块间数据共享的中速网络 位速率在10 125kbit s之间 主要应用于车身电子舒适性模块 仪表显示等系统 C类网络是面向高速 实时闭环控制的多路传输网络 位速率在125kbit s 1Mbit s之间 主要用于牵引力控制 发动机控制 ABS ESP等系统 D类网络是智能数据总线IDB IntelligentDataBUS 网络 主要面向影音娱乐信息 多媒体系统 其位速率在250kbit s 100Mbit s之间 按照SAE的分类 IDB C为低速网络 IDB M为高速网络 IDB Wireless为无线通信网络 E类网络是面向汽车被动安全系统 安全气囊 的网络 其位速率为10Mbit s 50 影音娱乐信息 多媒体系统多采用DDB DomesticDigitalBus 总线或MOST MediaOrientedSystemsTransport 总线 无线通信则通过蓝牙 Bluetooth 技术加以实现 随着技术的不断进步 在未来的5 10年里 时间触发协议TTP TimeTriggerProtocol 和FlexRay将得到广泛使用 使汽车网络技术得到一次脱胎换骨的提升 1 2 4汽车网络技术应用概况 1 汽车网络系统的实际结构 在汽车电气系统内部采用基于总线的网络技术 可以达到信息共享 减少布线 降低成本 提高系统可靠性的目的 有鉴于此 各大汽车制造商在其生产的汽车上大量使用了汽车网络系统 表1 3 51 图1 42BMWE60车系全车网络系统构成 52 2 汽车网络技术的典型应用 1 A类网络系统的应用 汽车防盗报警系统是典型的A类网络系统 LIN总线系统 应用实例 图1 43汽车防盗报警A类网络系统 LIN总线系统 53 2 B类网络系统的应用 当大量共享数据需要在车内各个控制单元间进行交换时 A类网络系统不再胜任 可采用B类网络系统 图1 44基于CAN总线的B类网络系统 54 3 A B两类网络系统的组合应用 通常将A类网络通过车身计算机 网关 连接到CAN总线组成的B类网络中 使得该A类网络系统成为CAN总线的一个节点 这样无需在各传感器 执行器部件安装CAN控制器件 就能使得信号在CAN总线上传输 有效地利用了A类网络低成本的优点 图1 45A B两类网络系统的组合应用 55 4 C类网络系统的应用 在C类网络系统方案中 CAN总线有效地将发动机控制系统 驱动防滑系统及自动巡航系统等连接成为一个综合控制系统 整车性能得到大幅度堤高 图1 46基于CAN总线的C类网络系统 56 图1 47奔驰车系的CAN网络结构图 57 1 3汽车网络标准与协议 1 3 1A类网络标准与协议 A类网络通信大部分采用通用异步接收 发送标准UART 随着技术的发展 预计UART在今后几年中将会逐步在汽车通信系统中被停止使用 A类网络通信目前首选的标准是局域互联网LIN LocalInterconnectNetwork 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的数据格式 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 LIN总线采用低成本的单线连接 传输速度最高可达20kbit s 对于低端的大多数应用对象 如中央门锁控制 空调系统控制等 来说 这个速度是完全可以满足要求的 58 LIN总线的媒体访问采用单主 多从的机制 不需要进行仲裁 在从节点中不需要晶体振荡器而能进行自同步 这极大地减少了硬件平台的成本 大大降低了汽车电子装置的开发 生产和服务费用 1 3 2B类网络标准与协议 B类网络通信中使用最广泛的标准是CAN总线 CAN总线是德国BOSCH公司开发的一种串行数据通信协议 它是一种多主总线 通信介质可以是双绞线 同轴电缆或光导纤维 通信速率可达1Mbit s CAN总线通信接口中集成了CAN协议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 B类网络通信的国际标准是ISO11898 其传输速率在100kbit s左右 欧洲的各大汽车制造商从1992年起 一直采用ISO11898 所使用的传输速率范围从47 6 500kbit s不等 59 1 3 3C类网络标准与协议 根据SAE的分类 高速总线系统属于C类网络标准 由于高速总线系统主要用于与汽车安全相关 以及实时性要求比较高的领域 如动力系统等 所以其传输速率比较高 通常在125kbit s 1Mbit s之间 且必须支持实时的周期性的数据传输 在C类标准中 欧洲的汽车制造商大多采用CAN总线标准ISO11898 ISO11898主要面向乘用车电子控制单元之间的通信 信息传输速率大于125kbit s 最高可达1Mbit s J1939也是高速通信标准 其数据传输速率为250kbit s 主要供货车及其拖车 大客车 建筑机械及农业机械使用 在美国 GM公司已开始在所有的车型上使用其专属的所谓GMLAN总线标准 它是一种基于CAN的传输速率在500kbit s的通信标准 1 C类总线标准与协议 60 2 安全总线标准与协议 安全总线主要是用于安全气囊系统 以连接碰撞强度传感器 减速度传感器 碰撞安全传感器等装置 为汽车的被动安全提供保障 目前已有一些公司研制出了相关的总线和协议 如Delphi公司的SafetyBus和BMW公司的byteflight等 byteflight主要以BMW公司为中心制订 数据传输速率为10Mbit s 光纤可长达43m byteflight不仅可以用于安全气囊系统的网络通信 还可用于X by Wire系统的通信和控制 3 X by Wire总线标准与协议 X by wire是目前在工业生产 机电产品控制等领域中应用日益广泛的一种控制技术 未来的X by Wire技术将使传统的汽车机械系统 如制动和驾驶系统 变成通过高速容错通信总线与高性能CPU相连的电气系统 61 在一辆装备了综合驾驶辅助系统的汽车上 诸如Steering by Wire Braking by Wire和Throttle by Wire等特性将为驾驶人带来