汽车总线技术介绍ppt课件

随着21世纪汽车电子技术的发展 车用电子设备的不断增加对汽车的综合布线和信息的交互共享提出了更高的要求 由于汽车内部电子控制单元大量引入 为了提高信号的利用率 要求大批的数据信息可以在不同的电子单元中共享 汽车综合控制系统中大量的控制信号需要实时交换 传统的点对点通信方式已远远不能满足需求 因此必须采用先进的总线技术 何为总线 所谓总线 Bus 一般指通过分时复用的方式 将信息以一个或者多个源部件传送到一个或多个目的部件的一组传输线 现场总线 Fieldbus 是用于过程自动化和制造自动化最底层的现场设备或现场仪表互联的通信网络 是现场通信网络与控制系统的集成 车用总线是指用于车载网络中底层的车用设备或车用仪表互联的通信网络 目前汽车应用的通信网络包括CAN总线 MOST总线 LIN总线和FlexRay总线等 上图为汽车节点的传统点对点通讯方式拓扑图 常规布线方法的缺点 增加汽车布线中所用铜线 从而增加成本以及汽车重量 点对点布线方法使得故障的查找相当的麻烦 不便于维修 若想在车上增加一两种新的功能 或者将某个落后的电器配件更新 将会使本来很乱的布线更加复杂 LIN总线 LIN LocalInterconnectNetwork 是一种低成本的串行通讯网络 用于实现汽车中的分布式电子系统控制 LIN的目标是为现有汽车网络 例如CAN总线 提供辅助功能 因此 LIN总线是一种辅助的总线网络 在不需要CAN总线的带宽和多功能的场合 比如智能传感器和制动装置之间的通讯 LIN主要用作CAN等高速总线的辅助网络或子网络 能为不需要用到CAN的装置提供较为完善的网络功能 包括空调控制 ClimateControl 后视镜 Mirrors 车门模块 DoorModules 座椅控制 Seats 智能性交换器 SmartSwitches 低成本传感器 Low costSensors 等 在带宽要求不高 功能简单 实时性要求低的场合 如车身电器的控制等方面 使用LIN总线可有效的简化网络线束 降低成本 提高网络通讯效率和可靠性 通讯概念 LIN包含一个宿主节点和一个或多个从属节点 所有节点都包含一个被分解为发送和接收任务的从属通讯任务 而宿主节点还包含一个附加的宿主发送任务 在实时LIN中 通讯总是由宿主任务发起的 宿主节点发送一个包含同步中断 同步字节和消息识别码的消息报头 从属任务在收到和过滤识别码后被激活并开始消息响应的传输 响应包含两个 四个或八个数据字节和一个检查 报头和响应部分组成一个消息帧 LIN总线上的所有通讯都由主机节点中的主机任务发起 主机任务根据进度表来确定当前的通讯内容 发送相应的帧头 并为报文帧分配帧通道 总线上的从机节点接收帧头之后 通过解读标识符来确定自己是否应该对当前通讯做出响应 做出何种响应 基于这种报文滤波方式 LIN可实现多种数据传输模式 且一个报文帧可以同时被多个节点接收利用 这样的通讯机制带来了非常理想的效果 系统灵活性 在LIN网络中可以直接增加节点而不需要对其它从机节点的硬件和软件进行修改 报文路由 报文的内容由标识符定义 广播 多个节点可以同时接收一个单独的报文帧 并对报文作出反应 LIN在汽车中的应用 车门控制LIN网络的结构及其在车门上的布置如右图所示 该网络由主机节点 后视镜从机节点 摇窗机从机节点 门锁从机节点构成 LIN网络在车镜控制上的应用 随着汽车技术和网络通信技术的发展 汽车信息通信的网络化是必然趋势 汽车信息通信的多样化促进了汽车分级制网络的产生和发展 LIN作为一种性能优异 价格低廉的新型A类总线 必将进一步促进汽车分级制网络结构的实施和完善 推动汽车技术的发展 同时 LIN作为一个开放的协议 在工业及家电领域也有着广阔的应用前景 MOST MediaOrientedSystemsTransport 面向媒体传输总线虽然目前已有许多种车用电子总线 但这些传控接口的传输速率表现 都无法足满车用多媒体信息的运载传输之需 其中LINBus只有20kbps CANBus只有1Mbps FlexRay一般而言也只有10Mbps 双线并用才能达20Mbps 这些都不足以用来传递实时性的多媒体信息 MOST总线 然而 随着车内娱乐系统的发展 传控技术的精进 如 倒车影像 车用电子愈来愈需要使用多媒体式传输 最适合此方面的传输接口就属MOST 其次才是今日盛行的蓝牙 Bluetooth 不过 Bluetooth绝对无法全然取代MOST在车用多媒体传输的地位 2001年MOST技术首次量产实车用在德国宝马BMW的7系列车种上 MOST优点 首先 MOST是实线传输 而且是光纤线路传输 而且可以是塑料光纤 比较省成本 使用光纤可以让信息传量加大 未来的传输提升潜力也较高 同时也较能坚稳传输 因为没有接地回路 也不受电磁干扰 这些是Bluetooth的无线传输所不及的 其次 Bluetooth的传输效能也不足 即便是强化传输率 EnhancedDataRate EDR 3倍的Bluetooth2 0也都只有3Mbps 比CANBus还低 节点装置数也明显不足 所以 MOST依旧会是车用电子中的最佳多媒体传控网络 Bluetooth可以作为备用辅助 可以用来传递简单的音讯 如 车载免提 语音播报 娱乐音效 或GPS导航信息等 至于更实时性要求 更严苛性要求的音视讯传输还是需要使用MOST传控网络 MOST发展概述 MOST传控网络的发展可追溯到1997年 MOST的技术概念来自当时MOSTCooperation公司所发起的一项非正式合作 到了1998年该公司以之前的合作为基础 结合17家国际级的汽车制造商 Carmaker 与超过50家的关键汽车组件供应商 KeyComponentSupplier 以共同研发MOST传控技术 MOST五大特性 MOST在制订上完全合乎ISO OSI的7层数据通讯协议参考模型 而在网线连接上MOST采用环状拓朴 不过在更具严苛要求的传控应用上 MOST也允许改采星状 亦称放射状 或双环状的连接组态 此外每套MOST传控网络允许最多达64个的装置 节点 连接 MOST也支持随插即用 PlugandPlay PnP 机制 如此就可在MOST传控网络运作时直接加插装置或移除装置 增加扩充 维修及使用等各方面的便利性 MOST五大特性 MOST总线基于环形拓扑 从而允许共享多个发送和接收器的数据 MOST总线主控器 通常位于汽车音响主机处 有助于数据采集 所以该网络可支持多个主拓扑结构 在一个网络上最多高达64个主设备 MOST的总数据传输率为24 8Mbps 这已是将音视讯的串流资料与封包传控资料一并列计 在24 8Mbps的频宽中还可区隔成60个传输信道 15个MPEG 1的视讯编码信道 这些可由传控设计者再行组态 规划与调配 MOST五大特性 值得一提的是 MOST在精省成本的努力不仅是在线路材质上 使用塑料光纤的精省法只是其一 传输方面也因为采用同步方式而不需要设置 收发缓冲 及进行 取样率转换 如此也一样有助于成本节省 MOST机制概述 MOST的传控细节 MOST的传输技术近似于公众交换式电话网络 PublicSwitchedTelephoneNetwork PSTN 有着数据信道 DataChannel 与控制信道 ControlChannel 的设计定义 控制信道即用来设定如何使用与收发数据信道 一旦设定完成 资料就会持续地从发送处流向接收处 过程中不用再有进一步的封包处理程序 将运作机制如此设计 最适合用于实时性音讯 视讯串流传输 当然 不是所有的信息传递都要实时同步 例如Internet上网浏览 GPS导航信息等 这些资料的传递特性是不定时的短期突增 这类型的传输就不需要用上前述的同步机制 而可以使用较不讲究时效性的异步收发 事实上MOST传控网也支持这种传递方式 更简单地说 MOST同时支持与提供时效性 同步的串流传输与非时效性 异步的数据传输 在MOST传控中其实存在着三种型态的传输 1 Control控制信息的传输 2 Packet非时效性的封包数据传输 3 Real TimeInformation实时性的串流数据传输 即是指 音讯 视讯 若再具体说明些 其实同步性的影音传递最高允许达24Mbps的传输率 而控制传递与封包数据传递其实都被认定为异步传递 异步的传递最高可至14 4Mbps频宽 既然异步数据传递与控制传递共挤 异步频宽 那么哪一天封包数据传量暴增时 不就会影响到控制信息的传量 传速 关于此其实不用担心 MOST传控设计上已经考虑到此点 无论如何都会保留700kbps以上的频宽给控制用传递 有余裕的频宽才会配拨给资料数据传递 而控制性传输的部分也被称为副信道 Sub Channel CAN总线 CAN ControllerAreaNetwork 即控制器局域网 可以归属于工业现场总线的范畴 通常称为CANbus 即CAN总线 是目前国际上应用最广泛的开放式现场总线之一 CAN最初出现在汽车工业中 80年代由德国Bosch公司最先提出 最初动机是为了解决现代汽车中庞大的电子控制装置之间的通讯 减少不断增加的信号线 与一般的通信总线相比 CAN总线的数据通信具有突出的可靠性 实时性和灵活性 它在汽车领域上的应用最为广泛 世界上一些著名的汽车制造厂商 都采用了CAN总线来实现汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信 汽车的CAN总线网络架构 CAN的工作原理 CAN总线标准包括物理层 数据链路层 其中链路层定义了不同的信息类型 总线访问的仲裁规则及故障检测与故障处理的方式 当CAN总线上的一个节点 站 发送数据时 它以报文形式广播给网络中所有节点 当一个节点要向其它节点发送数据时 该节点的CPU将要发送的数据和自己的标识符传送给本节点的CAN芯片 并处于准备状态 当它收到总线分配时 转为发送报文状态 CAN芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出 这时 网上的其它节点处于接收状态 每个处于接收状态的节点对接收到的报文进行检测 判断这些报文是否是发给自己的 以确定是否接收它 由于CAN总线是一种面向内容的编址方案 因此很容易建立高水准的控制系统并灵活地进行配置 可以很容易地在CAN总线中加进一些新节点而无需在硬件或软件上进行修改 CAN的工作原理 CAN总线特点 CAN总线特点如下 1 多主机方式工作 网络上任意一个节点均可以在任意时刻主动地向网络上的其他节点发送信息 而不分主从 通信方式灵活 2 网络上的节点 信息 可分成不同的优先级 可以满足不同的实时要求 3 采用非破坏性位仲裁总线结构机制 当两个节点同时向网络上传送信息时 优先级低的节点主动停止数据发送 而优先级高的节点可不受影响地继续传输数据 4 可以点对点 一点对多点 成组 及全局广播几种传送方式接收数据 5 直接通信距离最远可达6km 速率10Kbps以下 6 通信速率最高可达1MB s 此时距离最长30m 7 节点数实际可达110个 8 采用短帧结构 每一帧的有效字节数为8个 9 每帧信息都有CRC校验及其它检错措施 数据出错率极低 10 通信介质可采用双绞线 同轴电缆和光导纤维 一般采用廉价的双绞线即可 无特殊要求 11 节点在错误严重的情况下 具有自动关闭总线的功能 切断它与总线的联系 以使总线上的其他操作不受影响 CAN的报文及结构帧类型 数据帧 远程帧 错误帧和过载帧数据帧 数据帧携带数据从发送器至接收器 总线上传输的大多是这个帧 远程帧 由总线单元发出 请求发送具有同一识别符的数据帧 数据帧 或远程帧 通过帧间空间与其他各帧分开 错误帧 任何单元一但检测到总线错误就发出错误帧 过载帧 过载帧用以在先行的和后续的数据帧 或远程帧 之间提供一附加的延时 数据帧的标准格式和扩展格式 CAN总线位仲裁技术 只要总线空闲 任何单元都可以开始发送报文 要对数据进行实时处理 就必须将数据快速传送 这就要求数据的物理传输通路有较高的速度 在几个站同时需要发送数据时 要求快速地进行总线分配 如果2个或2个以上的单元同时开始传送报文 那么就会有总线访问冲突 通过使用识别符的位形式仲裁可以解决这个冲突 CAN总线以报文为单位进行数据传送 报文的优先级结合在11位标识符中 具有最低二进制数的标识符有最高的优先级 这种优先级一旦在系统设计时被确立后就不能再被更改 总线读取中的冲突可通过位仲裁解决 优点在网络最终确定哪一个站的报文被传送以前 报文的起始部分已经在网络上传送了 所有未获得总线读取权的站都成为具有最高优先权报文的接收站 并且不会在总线再次空闲前发送报文 CAN具有较高的效率是因为总线仅仅被那些请求总线悬而未决的站利用 这些请求是根据报文在整个系统中的重要性按顺序处理的 缺点由于CAN总线采用的是固定优先级 当所有的节点都随机的向总线发送数据时 具有低优先级的节点是比具有高优先级的节点具有较大的发送失败几率 每次具有较低优先级的节点都会在总线竞争中失败 从而导致它一个数据都发不出去 或者发送的数据有较大的延时 CAN控制器 完成CAN规范所规定的物理层和数据链路层大部分功能 有微处理器接口 易于连接单片机 结构分两种类型 独立CAN控制器或集成CAN控制器的单片机 独立CAN控制器 Philips的SJA1000 82C200 8XC592 8XCE598 Intel的82526 82527等 集成CAN控制器的单片机 Philips的80C591 592 598 XAC37 Motorola的Pow2 PC555 Intel的196CA CB SiliconLab的C8051F040 047等 CAN控制器的作用 FlexRay 汽车电子化程度与日俱增 应用在车上的ECU模块数量也随之增加 从而使线束也增加 汽车电子系统的成本已经超过总成本的20 并且还将继续增加 由于汽车生产商对制造成本的严格控制 加上对车身质量的控制 减少线束已经成为一个必须要解决的问题 另一方面 以网络通讯为基础的线控技术 X by wire 将在汽车上普遍应用 线控系统 线控系统指的是 去除了机械和液力后备系统 并与安全相关的 具有容错功能的系统 将被应用于汽车上一些与安全相关的操作中 如对转向机构 制动装置 离合器 油门 换档等控制中 主要由执行系统 通讯系统和控制系统三部分组成 例如线控制动系统 用数字通信取代部分或全部制动管路 可省去很多繁琐复杂的导线及阀类元件 同时在线控转向系统中 取消了机械传动转向机构 转向器与转向柱之间没有机械连接 这就要求用于线控系统的通信系统必须严格的满足容错和确定性的操作 高的带宽功能可以快速传输大量极为详尽的信息 从而使系统反应变得非常迅速 准确 这样不但增加了反应灵敏度 同时可以增加系统的安全性能 FlexRay总线的提出及特性 如果要实现一个完全的线控汽车 没有传统的机械或液压系统 不仅要用ECU替代传统的机械和液压单元 而且传统的CAN总线系统也不能满足要求 CAN总线是一种事件驱动的协议 在高安全性的系统中 CAN缺乏必要的同步性 决定性和容错性 FlexRay总线是由宝马 飞利浦 飞思卡尔和博世等公司共同制定的一种新型通信标准 专为车内联网而设计 采用基于时间触发机制 具有高带宽 容错性能好等特点 在实时性 可靠性和灵活性方面具有一定的优势 2000年9月成立的FlexRay联盟在全球范围推广FlexRay通信系统 使其成为高级动力总成 底盘 线控系统的标准协议 目前FlexRay协议已经得到业界各大汽车生产厂家以及汽车半导体公司的支持 FlexRay总线的特点 1 高达10Mbit s的带宽 是CAN总线最大理论带宽的10倍 2 采用基于时间触发的媒质访问机制 确定的消息传输延迟可以满足实时应用的需求 3 提供了两个消息传输通道 可用于传输冗余的消息 结合总线监护器的应用可以大大提高通信的可靠性 4 FlexRay协议具有较强的灵活性 支持多种方式的网络拓扑结构 消息长度可配置 双通道拓扑可用来增加带宽或者传输冗余消息 周期内静态 动态消息传输部分的时间都可随具体应用而改变 FlexRay总线数据收发采取时间触发和事件触发的方式 利用时间触发通信时 网络中的各个节点都预先知道彼此将要进行通信的时间 接收器提前知道报文到达的时间 报文在总线上的时间可以预测出来 即便行车环境恶劣多变 干扰了系统传输 FlexRay协议也可以确保将信息延迟和抖动降至最低 尽可能保持传输的同步与可预测 这对需要持续及高速性能的应用 如线控刹车 线控转向等 来说 是非常重要的 FlexRay应用现状 基于FlexRay标准的电动车 该车通过对现有的电动车进行改造 实现了线控控制 被认为是业界首次试制和展示可使用FlexRay实际行驶的车辆 车辆使用2条绞线连接了传感器ECU 转向ECU和加速与刹车ECU3个节点 其中传感器ECU用来处理来自于方向盘 油门踏板和刹车踏板上的传感器信息 这些信息 分别是用来显示加速与刹车踩进量的仪表和包括FlexRay信号分析仪在内的2台分析装置 从整个车辆来看 总计有6个节点与FlexRay相连 BMWX5汽车首次应用FlexRay技术 德国宝马公司在07款X5系列车型的电子控制减震器系统中首次应用了FlexRay技术 此款车采用基于飞思卡尔的微控制器和恩智浦的收发器 可以监视有关车辆速度 纵向和横向加速度 方向盘角度 车身和轮胎加速度及行驶高度的数据 实现了更好的乘坐舒适性以及驾驶时的安全性和高速响应性 此外还将施加给轮胎的负荷变动以及底盘的振动均减至最小 之后 宝马X6系列车型在此系统的基础上继续使用FlexRay连接备车轮悬挂的减震器电子