汽车车载总线CAN分析与研究.doc

摘要目前，从小型车辆到高级车辆都使用了大量的电子装置。在未来几年内车辆还会使用更多的电子系统。立法机构关注于降低废气排放和燃油消耗。而客户则希望不断改善驾驶舒适性和安全性。由此实现的复杂功能必然要求控制单元之间进行数据交换。通常情况下，通过信号线路传输数据。各控制单元原本独立的处理过程通过各种总线系统相互联系起来。增加车载网络内的数据交换。目录第1章 绪论41.1 综述41.2车载网络的优点41.3 网络的拓扑结构分类52.1 信息传输方式62.2 接口连接方式72.3 接口数据传输方式82.4 网关102.5车载网协议11第3章 车载网路的物理层和结构原理133.1 CAN 网的物理层结构133.2 MOST 中的光纤传输143.3 FlexRay 的物理结构（拓扑结构）16第4章 总结与展望17第1章 绪论1.1 综述目前，从小型车辆到高级车辆都使用了大量的电子装置。可以预见，在未来几年内车辆。还会使用更多的电子系统。无论是立法机构还是客户都要求进行这方面有进展。立法机构关注于降低废气排放和燃油消耗。而客户则希望不断改善驾驶舒适性和安全性。很早以前就已经使用了能够满足这些要求的控制单元。例如，数字式发动机电子系统和安全气囊系统就采用了控制单元。由此实现的复杂功能必然要求控制单元之间进行数据交换。通常情况下，通过信号线路传输数据。但由于控制单元的功能越来越复杂，因此只能以更高的成本实现这种数据传输方式。各控制单元原本独立的处理过程通过各种总线系统相互联系起来。也就是说，对处理过程进行分配、在整个车载网络系统内完成处理过程，并使这些过程共同发挥作用。因此增加了车载网络内的数据交换。此外，通过这种交换方式还能执行很多新功能。例如，提高驾驶安全性和舒适性，改善车辆经济性等。以前使用的车载网络已无法实现这些要求。1.2车载网络的优点以前车辆使用的车载网络有很大的局限性，限制了车辆电气化的进程，主要以下的缺点：布线成本提高， 生产成本提高，车内空间要求提高，组件配置难以控制，整个系统可靠性下降。为了尽可能减少这些不利因素。汽车使用了的网络系统我们称之为总线系统。总线系统可通过“串行接口”使车内各个控制单元联网。由此带来的种种好处促进了这些系统在车辆上的应用。新的车载网络主要有以下的优点：提高整个系统的可靠性，降低布线成本，减少各种电缆数量， 减小导线束横截面，灵活布线，多重使用传感器， 能够传输复杂数据，进行系统变更时灵活性较高，随时能够扩展数据范围，为客户实现新功能，有效诊断， 降低硬件成本。1.3 网络的拓扑结构分类计算机网络的拓扑结构，即是指网上计算机或设备与传输媒介形成的节点与线的物理构成的模式。计算机网络的拓扑结构主要有：星型结构、总线型结构、环形结构、树形结构和网状结构。汽车网络是指能使用电气或电子媒介发送或接收信息的控制模块和接线。有些网络允许电子模块共享输入信息，让多个模块一起工作，实现复杂的汽车操作。网络的使用也提高了汽车的自我诊断能力。汽车网路的拓扑结构分类包括：中控式控制，区域式控制和分配式控制。中控式控制，唯一的中央计算机控制一切运行，因此需要中央计算机具有超强的工作能力，一旦运行出现故障，整个网络将瘫痪。区域式控制带有明显的改进，其网络分布很完善，但是其二级系统间仍缺乏有限非连接，但它们之间也是需要相互交换信息的。分配式控制系统，如图1.3所示，有一个具有充当管理者角色的电脑网关负责二级系统间计算机的连接。它不仅是所有信息的交汇点，而且还管理不同系统间的信息交流。这是目前汽车上采用的信息传输控制方式。第 2 章 车载总线的基础知识与网络协议2.1 信息传输方式2.1.1 数字系统计算机技术采用了三种重要的数字系统：十进制、二进制和十六进制数字系统。 罗马数字系统是另一种常用的数字系统：I，II，III，IV，V，VI，.，X，.，L，.，C，.，D，.，M 。二进制是数据处理方面最常用的数字系统之一，因为它只能识别两种状态：0 和 1，接通或关闭，高电压或低电压。每个字符、图片甚至声音都由特定顺序的二进制字符构成，例如 10010110。计算机或控制单元通过这种二进制码处理信息。十六进制用于缩短二进制字符。两个十六进制数字可表示八位二进制数字。2.1.2 模拟传输 “模拟”这个概念来源于希腊语（analogos），表示“类似于”。模拟显示数据（= 信息）是指通过直接与数据成比例的连续变化物理常量进行表示模拟信号的特点是，它可以采用 0 % 至 100% 之间的任意值。因此该信号为无级方式。例如：指针式测量仪器，水银温度计，指针时钟。听音乐时耳朵接收到模拟信号（声波连续变化）。电气设备（音响系统、收音机、电话等）以同样的方式通过连续变化的电压表示出这种声音。但当这种电信号由某一设备向另一设备传输时，接收装置接收到的信息与发射装置发送的信息并不完全相同这是由于下列干扰因素造成的：电缆长度 ，导线电阻 ，无线电波 ，移动无线电信号。出于安全技术的原因，在车辆应用方面不通过模拟方式传输信息。此外，电压变化太小则无法显示出可靠的数值（ABS，安全气囊，发动机管理系统等）。2.1.3 数字传输 “数字”这个概念来源于拉丁语“Digitus”，表示手指或脚趾。因此，“数字”就是指可以几个手指就算清的所有事务，更确切的说，就是分为各个独立阶段的所有事务。数字表示方式就是以数字形式表示不断变化的参数。尤其在计算机内，所有数据都以“0”和“1”的序列形式表示出来（二进制）。因此，“数字”是“模拟”的对立形式。例如：数字万用表、数字时钟、CD、DVD。一个二进制信号只能识别两种状态：0 和 1，或高和低。为了能够清楚区分车辆应用方面的分高和低两种电平状态，明确规定了每种状态的对应范围：高电平为 6V 至 12V ，低电平为 0V 至 2V ， 2V 至 6 V 之间的范围即所谓的禁止范围，用于识别故障。代码就是以一组字符集表示另一组字符集的明确规定。代码用于将通过加密形式表示的信息转化为另一种表示形式，但信息内容保持不变。EDP 中的重要代码包括 ASCII 和十六进制代码。计算机中的所有信息都以比特（二进制数字 =最小信息单位）为单位进行存储和处理。因此必须将所有数据（字母、数字、声音、图片等）转换成二进制代码，以便在计算机中进行处理。最常用的系统和代码用八比特表示一个字符，八比特构成一个字节，可以对 256 个字符进行设码。2.2 接口连接方式接口负责建立计算机与周围环境（其他设备）之间的连接。为了通过接口正确传输数据，所有设备必须使用相同的硬件和软件。如果无法满足这些前提条件，则由一个网关（控制单元）来完成。通过接口连接不同设备时有两种连接方式： 点对点连接，多点连接。点对点连接仅适用于在一条传输路径上连接两个设备。多点连接时可在同一传输路径上连接两个以上的设备。为此必须为各设备分配明确的代码（地址），以便设备能够有针对性地做出响应。将传输路径的控制功能主要分配给其中一个设备。该设备变为主控控制单元。其它所有设备都具有副控功能。2.3 接口数据传输方式2.3.1 数据传输模式无论传输方向如何，通过接口进行数据传输时都有三种基本运行模式：单工传输，半双工传输，全双工传输。单工传输只能朝一个方向传输数据，即单向传输：发送装置向接收装置传输数据半双工传输时两个设备可以相互交换数据。在此过程中，二者可以交替充当发送装置或接收装置。但无法同时传输数据。例如：按压对讲机的某一特定按钮时只能讲话（发送），接听（接收）时必须松开该按钮。全双工传输可以同时朝两个方向传输数据，即双向传输。每个方向都有一根专用导线（数据通道）。例如：使用电话时可同时进行发送和接收（讲话和接听）。2.3.2 数据传输对某一信息进行加密时，通常使用 7 位代码（ASCII）或8位代码（IBM；扩展 ASCII 码）。因此，数据传输的常用单位为一个 8 位代码 = 1 字节。根据发送装置向接收装置传输信息时各字节的方式，分为并行和串行传输形式。进行并行数据传输时，发送装置向接收装置同时（并行）传输七至八位数据。以并行形式传输数据时，两个设备之间的光缆必须包括七或八根平行排列的导线（加接地导线）。因此可总结出并行传输的如下特点：位并行，字节串行需要较高的传输速度时，通常使用这种传输方式。但是由于插接装置和电缆方面的费用较高，因此只能在传输路径较短时采用并行传输方式。例如：PC 打印机。串行接口主要用于在数据处理设备之间进行数字通信。在一根导线上以比特为单位依次（连续形式）传输所需数据。这种传输方式的优点是降低了布线的时间和成本。以比特为单位依次传输数据的缺点是延长了传输时间。一个8位并行接口可在一个时间单位内传输一个数据字节，而一个串行接口至少需要八个单位时间才能传输相同字节的数据。不过，传输距离越长就越能体现出串行传输的优势。因此可总结出串行传输的如下特点：位并行，字节串行。满足下列某个或多个条件时大多使用串行接口：（1）传输距离较长，例如控制单元之间，（2）节省单个电缆，（3）对抗干扰能力（屏蔽导线）要求较高（4）数据量较小。串行数据传输的主要问题在于发送和接收装置之间数据流的时间同步性。发送装置根据节拍频率发送一个规定长度的数据位。只有当接收装置未在相同时间周期内对数据位进行分析时，传输数据中才会出现错误。传输速度称为波特率。以此可以说明每秒钟传输多少个信号状态（符号）。根据传输方式，一个符号也可以传送多位数据（并行），此时的波特率小于比特率。只有当每个符号只传送一位数据时（串行），比特率才与波特率相等。使用一个共同的时钟脉冲发生器可保持发送装置和接收装置时间管理的同步性。这种方式就是同步传输形式。此时只需使用发送装置的时钟脉冲发生器。必须通过一根单独的导线将其节拍频率传送给接收装置。进行同步传输时，通常以信息组形式发送数据。为此必须使接收装置与信息组传输同步化，因此，在信息组起始处发送一个起始符号，在停止处发送一个停止识别符号。发送和接收装置之间最常用的时间管理方式是异步传输形式。进行异步数据传输时，发送和接收装置之间没有共同的系统节拍。通过起始位和停止位识别数据组的开始和结束。只有当接收装置确认已接收到之前的数据后，发送装置才会传输下面的数据。这种方式相对较慢。此外，数据传输率还取决于总线长度。进行异步数据传输时，仅针对字符的持续时间建立并保持发送和接收装置之间的同步性。这种方式又称为起止方式。根据每次达到同步所需的时间，此时的比特率低于同步数据传输时的比特率。进行异步传输时，每个字符起始处都有一个起始位。接收装置可通过该起始位与发送装置的节拍保持同步。随后发送五至八位数据位，并可能发送一个检查位（校验位）。在导线上发送数据位时首先发送最低值数位。最后发送最高值数位。此后还有一或两个停止位。这些停止位用于传输两个字符之间的最小停顿。停止位为接收装置创造了接收下面字符的准备时间。这种由起始位、数据位和停止位构成的单位又称为字符框架。发送和接收装置的传输形式必须一致。就是说，两个设备内的下列参数需调节一致：波特率，奇偶校验检查，数据位的数量，停止位的数量。2.4 网关网关用于连接不同类型的总线系统，具有不同逻辑和物理特性的总线系统通过网关连接起来，以此确保不同传输速度的总线系统仍可进行数据交换。网关执行双重功能：集合不同网络的信息，将信息准确发送给相关网络。各个总线系统发送的数据到达网关处。各信息的传输速度、数据量和优先级信息在网关中进行过滤，必要时暂时存储起来。网关根据网关规定和转换表为相关总线系统转换信息。此时可以操作相关总线系统，信息到达其目标地址，必要时次要信息将保存在网关存储器内，稍后再发送保留的信息。2.5车载网协议汽车网络协议包括：A 类总线协议，B 类总线协议，C 类总线协议诊断系统协议和多媒体系统总线协议等。A类总线目前的首选是 LIN 总线，一种应用于汽车分布式电控系统的新型低成本串行通信系统，主要用于智能传感器和执行器的串行通信，传输速度20kb/s. B类总线协议即 CAN 总线协议，下面我们将详细介绍。C 类总线协议是高速传输协议，包括 X by Wire 总线协议，TTP(时间触发协议)等，一般采用光纤等传输介质，速度可达10-22.4Mb/s。下面我们来详细介绍下 CAN 网络协议。CAN 网协议是一种使用可以满足控制单元系统所需要的中等通信速率的通讯协议，尤其适用于车身功能和车辆舒适功能的管理，具有较高的速率，可以满足车辆内部系统功能管理的需求。有三个部分在 CAN 网络协议表现中占有主导地位:高速 CAN 网物理层，低速容错CAN网物理层和协议层。CAN 网协议的研发是处于连接各个复杂通讯系统的目的。简单元件和支线与总线交流以保证网络的节奏，其概念在协议中式不言而喻的。这是通过适配的软件战略来实现的。主要特征如下：（1）拓扑 拓扑，也即是 CAN 网协议所允许的各个电控单元之间的排列，相对的要取决于一根连接线上信号的传播现象和反射现象。大多数情况下，通过组合一级线上的设备，电控单元必须按照总线树形拓扑方式进行相互连接，且总线的两端应符合终端电阻的要求。（2）传输媒介 传输媒介即是CAN网信号传播的物质载体或非物质载体，这个在 CAN 网标准中并没有强制规定。该标准提出了一个双绞线铜线的传输媒介，在此情况下，这些导线被称之为 CAN-H(CAN 高压)和CAN-L(CAN 低压)。此时，任何一根导线都是可以将CAN网信息传输到显示屏或者收放机。（3）节点结构 一个 CAN 网电控单元拥有一个标准的接口（CAN 网标准），以便于通其他CAN网电控单元处理信息数据。这种结构由以下两个主要部分组成： 协议控制器（CP CAN），负责管理CAN网协议，其重要功能有：CAN 网信息输入和输出的编码译码，检测到空闲总线之后即进入该总线，冲突管理，错误管理，与微处理器的接口实现运行任务等。线路接口，负责将 CAN 网总线的信号 CAN-H 和 CAN-L 翻译成无干扰的PX信号传入洗衣控制器(CP CAN),或者相反，将协议控制器（CP CAN）的TX信号翻译成CAN-H和CAN-L总线。因此，这个部件有两个重要的作用，就是翻译和保护。高速CAN网物理层（CAN HS）和低速容错CAN网物理层（CAN LS FT）可以通过线路接口进行区分。二进制 CAN 网所使用的编码成为NRZ编码，当进位顺序转换成连续5位以上的相同的数值（0 或 1）时，它通过补充位的方式进行补充。这种方式在五个连续的相同的数值后嵌入一个补充数值。使用 NRZ 编码，根据协议所规定的 bit 0是指电压为0V的状态叫做显性 bit，bit 1是指当电压为 5V 的状态叫做隐性 bit。通过补充位方式进行补充的这种编码如果在总线上连续五位是 1 则插入一位 0，相反的，如果在总线上连续五位是 0则插入一位 1。CAN 网电控单元所使用的传输模式有：定时传输模式，事件传输模式，混合模式（定时模式和事件模式的混合）。CAN 网电控单元进入传输媒介依靠随机方式和异步方式。简单的说，这表明这种进入可以根据需要的执行被本地命令随时进行。此时，协议控制器（CP CAN）应该遵守最基本的几项原则：在进入 CAN 网时必须先检测它是否空闲，在这种情况下，不论是 CAN 网的哪种电控单元都能够传送和接受信息，每个 CAN 网电控单元不间断的重新读取和比较它所发出的数据。CAN 网运行“与逻辑”来完成以下功能：如果，所有的 CAN 网电控单元在总线上同时发送一个 bit 1，那一个 bit 1 就会在总线上被重新读取。相反的，如果至少一台CAN网电控单元在总线上发送一个 bit 0，即使所有其他电控单元这时在总线上发送一个 bit 1，那么，也只能在总线上读取一个 bit 0。在两个或者更多的CAN网电控单元同时进入到网络的情况下，就会有所冲突，必须判断优先性，数字灵敏性最弱的电脑将获得最大的优先权。 在判断中失利的 CAN 网电控单元将会立刻停止传输，并且等待 CAN网总线重新空闲进行新一轮的传送。第3章 车载网路的物理层和结构原理3.1 CAN 网的物理层结构CAN 网物理层表现为两种：高速CAN物理层适用于 250 kbit 到 1 mbit/s，而低速的 CAN 网容错物理层适用于速率不超过 125 kbit/s。第一种是在CAN 网协议诞生之日起就存在，第二种则起步较晚，主要是为了 CAN 网物理的容错。3.1.1 高速 CAN 网物理层高速 CAN 网物理层有互补数据对组成，当通信媒介为导线时，起两条导线分别叫 CAN-H(CAN高电平)和 CAN-L(CAN低电平)。在 CAN-H 和 CAN-L上同时传送信息，CAN-H 上传送的信息和 CAN-L 上传送的信息正好是相反的。高速 CAN 网互补数据对的电压水平式标准化的，需要注意的是电压振幅比 VAN 网信号弱，这是因为速率对应更高。3.1.2 低速容错 CAN 网物理层低速容错 CAN 网物理层有一个互补数据对组成（当当通信媒介为导线时），两条线分别叫做 CAN-H 和 CAN-L .在 CAN-H和 CAN-L上同时传输信息，CAN-H 上传送的信息和 CAN-L上传送的信息正好相反。其中在F02的 CAN 网中，应用的是双绞线进行信息传送的。3.2 MOST 中的光纤传输3.2.1 光纤的结构传输数据、声音或图像时的数据量越来越大。今天，光缆技术已应用于电信和工业设备。该技术能在确保传输大量数据的同时提供其它优势。使用铜导线时，较高的数据传输率会造成较强的电磁辐射。这种辐射可能会干扰车内的其它功能。与铜导线不同的是，提供相同带宽时，光缆所需安装空间较小。此外，光缆要比铜导线更轻。与数据传输时铜导线上传输数字或模拟电压信号不同，光缆传输的是光线。最常用的光缆包括：塑料光缆，玻璃光缆。BMW 车辆上只安装塑料光缆。与玻璃光缆相比，塑料光缆具有下列优势：纤维横截面更大 简化了技术制造过程，对灰尘相对不敏感，更易于使用，因为塑料不会像玻璃那样破碎，更易于处理。光缆是一根较细的圆柱形塑料纤维，外面包裹着一层较薄的护皮，真正的光缆包裹在护皮材料内，护皮材料仅起到保护光缆本身的作用。3.2.2 光学传输原理原则上来说，任何通过光辐射传输电信号的系统都由下图所示组件构成。信号对辐射源进行控制，使该光源的辐射强度与信号的波动情况相对应，对比光学信息系统和传统信息系统比较光学信息系统和调制解调器传输系统（计算机 互联网），可发现两个系统很相似：由控制单元产生的电信号在一个发送组件内转化为光信号后射入光缆内。纤维内芯用于传导波。纤维内芯外裹有一层护皮，以免光线溢出芯外。护皮可反射光线，从而使光线继续在芯内传送光缆承担传输通道的功能。光缆对外部电磁影响特别不敏感。通过调制解调器传输通过调制解调器传输时，数字信号通过调制解调器的发送部分即调制器转化为模拟信号。这些模拟信号通过电话网络传输给下一个计算机。在这台计算机上，调制解调器的接收部分即解调器将模拟信号转化为数字信号。在进行光学信息传输时，通过一个发光二极管将数字信号转化为光信号。这些光信号通过光缆传输至下一个控制单元。在该控制单元处，光电二极管将光信号重新转化为数字信号。由控制单元产生的电信号在一个发送组件内转化为光信号后射入光缆内。纤维内芯用于传导光波。纤维内芯外裹有一层护皮，以免光线溢出芯外。护皮可反射光线，从而使光线继续在芯内传送。光线以此方式经过光缆，通过一个接收组件，光线再次转化为电信号。在纤维内传输的光线随着传输距离的加大逐渐减弱，这一过程称为衰减。进行车辆导线束方面的工作时必须特别小心，与铜电缆不同，光缆损坏时不会立即产生故障，而是在日后使用中用户才能察觉出来。判断信号质量的一个标准就是衰减度。过度衰减可能是由不同原因造成的：（1）弯曲半径 塑料光缆的弯曲半径不得小于 50 mm，50mm 大约相对于一个饮料瓶的直径。弯曲半径更小时会影响光缆的性能，甚至造成塑料光缆完全损坏。光线会从过度弯曲部位射出，因为此处无法正确反射光线。（2）纽结 安装时切勿纽结光缆，因为这会损坏纤维内芯和护皮，部分光线会在纽结部位发生散射，从而造成传输损失。（3）挤压部位 还要避免挤压光缆，因为挤压可能会造成光导横截面永久变形，传输时就会丢失光线。（4）摩擦部位 与铜导线不同的是，光缆上的摩擦部位不会造成短路，而会造成光线损失或使外部光线射入，系统就会受到干扰或完全失灵。（5）过度伸长 过度伸长会使芯线拉长并减小纤维内芯横截面面积，从而减少通过的光量，拉伸光缆时同样可能造成光缆损坏。（6）过热 光缆过热时不会立即产生故障，而是在日后使用中才会造成损坏，端面有污物或划痕，端面有污物或划痕时也可能会导致出现问题，虽然可以避免无意中接触端面，但操作不当仍可能会造成故障，光缆端部的污物会妨碍光线射入和射出，污物会吸收光线，造成衰减程度过大端面有划痕时会使到达该处的光线形成散射，从而减少到达接收装置的光线。3.3 FlexRay 的物理结构（拓扑结构）图3.3图展示了实际拓扑结构。根据车辆配置情况，ZGM 带有一个或两个所谓的星形连接器，每个星形连接器都有四个总线驱动器。总线驱动器将控制单元数据通过通信控制器传输给中央网关模块（ZGM）。根据FlexRay 控制单元的终端形式，总线驱动器通过两种方式与这些控制单元相连。总线终端与大多数总线系统一样，为了避免在导线上反射，FlexRay 上的数据导线两端也使用了终端电阻（作为总线终端）。这些终端电阻的阻值由数据传输速度和导线长度决定。终端电阻位于各控制单元内。如果一个总线驱动器上仅连接一个控制单元（例如 SZL 与总线驱动器 BD0 相连），则总线驱动器和控制单元的接口各有一个终端电阻。中央网关模块的这种连接方式称为“终止节点终端”。如果控制单元上的接口不是物理终止节点（例如总线驱动器 BD2 上的 DSC、ICM 和DME），则称为 FlexRay 传输和继续传输导线。在这种情况下，每个总线路径端部的两个组件必须以终端电阻终止。这种连接方式既用于中央网关模块，也用于一些控制单元。但是带有传输和继续传输导线的控制单元还使用一个“非终止节点终端”来获取数据。受这种终端形式的电阻 / 电容器电路所限，无法通过测量技术在控制单元插头上对其进行检查。通过测量（无电流）FlexRay 总线确定导线或终端电阻时，必须使用车辆电路图。第4章 总结与展望国际