第六章-汽车总线及车载网络技术

第六章汽车总线及车载网络技术,XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX学校/学院,学习目录,汽车总线,01,汽车总线技术的产生与分类,1.汽车总线技术的产生,请说说为什么要使用总线技术？,汽车总线技术的产生与分类,2.汽车总线的分类,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。请说说A、B、C、D、E五类的用途与特征有哪些？,CAN总线,1.CAN总线系统的总体构成,CAN总线也叫车内局域网，它是一个有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络。以某种形式连接各种控制单元，形成一个完整的系统。CAN总线最初由德国博世公司开发，用于解决现代汽车中许多电子控制模块（ECU）之间的数据交换问题。目前，它已广泛应用于汽车电子系统，成为欧洲汽车工业的主要行业标准，代表了汽车电子控制网络的主流发展趋势。,CAN总线,CAN网络拓扑可以根据几何图形的形状分为五种类型：总线拓扑、环形拓扑、星型拓扑、网络拓扑和树型拓扑，这些形状也可以混合形成混合拓扑。因为电动汽车的网络特性可以概括为通信距离短、网络复杂度要求低、可扩展性要求高、实施可靠性要求高。,CAN总线,CAN总线系统的总体构成如图6-3所示，主要由若干个节点（电控单元）、两条数据传输线（CAN-H和CAN-L）及终端电阻组成。CAN总线上的每个节点独立完成网络数据交换和测控任务，理论上CAN总线可以连接无数个节点，但实际上受总线驱动能力的限制，目前每个CAN总线系统中最多可以连接110各个节点。,CAN总线,CAN数据传输线是双向串行总线，大都采用具有较强抗干扰能力的双绞线，分为CAN-H线和CAN-L线，两线缠绕绞合在一起，其绞距为20mm，横截面积为0.35mm2或0.5mm2,CAN总线,终端电阻的作用是防止信号在传输线终端产生反射波，而使正常传输的数据受到干扰。,CAN总线,2.CAN总线的硬件结构和网络通信原理,CAN节点主要由微控制器、CAN控制器、CAN收发器组成，目前汽车上多采用内部集成CAN控制器的微控制器。请说说点1向节点n传输数据的流程？,CAN总线,CAN节点中的CAN控制器具有“数据打包/解包”和“验收滤波”的作用，而CAN收发器具有“边说边听（同时发送和接收）”和“信号转换（数字信号与总线电压信号的转换）”的作用。CAN收发器对CAN-H和CAN-L两根线的电压做差分运算后生成差分电压信号，然后采用“负逻辑”将差分电压信号转换为数字信号。,CAN总线,为了提高网络通信的可靠性和实时性，CAN总线只有物理层、数据链路层和应用层。其中数据链路层和物理层的协议分别由CAN控制器和CAN收发器硬件自动完成，因此在CAN总线应用系统设计时，主要任务是对其应用层程序进行设计。,CAN总线,（1）CAN总线的仲裁机制分析,如果CAN总线上的多个节点同时向总线上发送数据时，多个数据就会在总线上出现“撞车”的现象，这就像生活中很多人在一起讨论问题，如果几个人同时讲话，就会乱套，此时需要进行仲裁，决定哪个人先讲，哪个人后讲。请说说CAN总线的仲裁机制是怎样的？请举例说明。,CAN总线,（2）CAN总线的验收滤波原理分析,每个节点的CAN控制器中都有两个寄存器：验收代码寄存器和验收屏蔽寄存器。请说说他们之间的数据通信关系？,CAN总线,3.CAN总线的优点和特点,请说说CAN总线的优点有哪些？特点有哪些？,CAN总线,请说说如何消除can总线数据传输中的外界干扰的？,CAN总线,4.CAN总线在传统汽车中的应用,由于CAN总线在汽车上的具体应用系统和数据传输速率不同，CAN总线有不同的类别。而功能相同或相近的CAN总线系统，不同的汽车公司，称谓也不尽相同。（1）请说说大众汽车公司的CAN总线的应用？由于各种数据总线和网络的传输速率、信号表示、通信协议等不同，所以不同类型的总线之间无法进行直接耦合连接并进行数据交换，必须经过一种具有特殊功能的计算机进行转换，这种计算机就叫做网关。网关使不同总线和网络的信息共享并使协议间不产生冲突，从而实现无差错的数据传输。,CAN总线,（2）请说说宝马汽车的CAN总线应用？,CAN总线,（2）请说说丰田汽车的CAN总线应用？,CAN总线,5.请说说CAN总线在智能网联汽车中面临的挑战有哪些？,视频参考：CAN总线数据仲裁,LIN总线,1.LIN总线概述,请说说什么是LIN总线？,LIN总线,2.LIN总线系统的结构,（1）LIN的网络结构LIN总线上的最大电控单元节点数为16个，系统中两个电控单元节点之间的最大距离为40m。LIN总线网络由一个主节点一个或多个从节点组成。所有节点都包含一个从任务（SlaveTask），负责消息的发送和接收；主节点还包含一个主任务（MasterTask），负责启动LIN总线网络中的通信。,LIN总线,（2）LIN的节点结构一个LIN节点主要由微控制器和LIN收发器组成，而微控制器通过UART/SCI接口与LIN收发器连接，几乎所有微控制器都具备UART/SCI接口，并且LIN收发器（如TJA1020、MC33399等）的RXD、TXD引脚可与微控制器的RXD、TXD引脚直接连接，无需电平转换。在LIN系统中，加入新节点时，不需要其他从节点作任何软件或硬件的改动。LIN和CAN一样，传送的信息带有一个标识符，它给出的是这个信息的意义或特征，而不是这个信息传送的地址。,LIN总线,LIN系统总线的网络节点数不仅受标识符长度的限制，而且受总线物理特性的限制。在LIN系统中，建议节点数不要超过16个，否则网络阻抗降低，在最坏工作情况下会发生通信故障。LIN系统每增加一个节点大约使网络阻抗降低3%。请说说LIN收发器的VBAT与LIN引脚间二极管的作用是什么？,LIN总线,3.LIN总线系统的数据通信,（1）LIN总线的数据通信及波形LIN总线上的信息帧由信息标题和信息内容两部分组成，一个LIN网络上的通信总是由主节点（主节点）的主发送任务所发起的，主节点向LIN总线发送一个信息标题（包括同步间隔区、同步分界区、同步区和标识符区），然后由主节点或从节点向LIN总线发送对应的信息内容（包括数据和对应的校验和）。,LIN总线,1）主节点请求从节点数据2）主节点向从节点发送数据3）从节点之间发送数据,（2）LIN总线的信息传输模式,LIN总线,4.LIN总线在汽车中的应用,现以奥迪A6轿车为例，说明LIN总线在汽车中的实际应用。奥迪A6轿车LIN总线系统组成及元件位置分布如图,LIN总线,奥迪A6的空调系统、舒适系统、供电管理系统、动力转向系统、轮胎压力监控系统、安全气囊系统等采用LIN总线进行连接。请以奥迪A6轿车中的空调系统LIN总线为例，说明一下LIN总线系统的数据传递过程?,MOST总线,1.MOST总线系统概述,MOST总线是MediaOrientedSystemsTransport的缩写，是用于多媒体数据传送的网络系统。MOST总线可连接汽车音响系统、视频导航系统、车载电视、高保真音频放大器、车载电话、多碟CD播放器等模块，其数据传输速率最高可达24.8Mbit/s，而且没有电磁干扰。MOST总线可以不需要额外的主控计算机系统，结构灵活、性能可靠和易于扩展，采用光纤POF（PlasticOpticalFiber）作为物理层的传输介质，支持“即插即用”方式、在网络上可以随时添加和去除设备，具有方便简洁的应用系统界面。,2.MOST总线的网络拓扑结构,MOST总线采用环形网络拓扑结构，控制单元通过一根光导纤维沿环形方向将数据传送至环形结构中的下一个控制单元，这个过程一直持续到数据返回至原先传送它们的那个控制单元并接收到这些数据为止，由此，形成了一个闭合的环路。MOST总线系统的故障诊断借助于数据总线的诊断接口和诊断CAN进行。在MOST总线中，各个终端设备（节点、控制单元）之间通过一个数据只沿一个方向传输的环形总线连接，音频、视频信息在环形总线上循环，并由每个节点（控制单元）读取和转发。各个控制单元之间通过光导纤维相互连接而形成一个封闭环路，因此每个控制单元拥有两根光导纤维，一根光导纤维用于发射器，一根光导纤维用于接收器。,3.MOST总线的数据类型,1）同步数据：实时传送音频信号、视频信号等流动型数据；2）异步数据：传送访问网络及访问数据库等的数据包；3）控制数据：传送控制报文及控制整个网络的数据。,FlexRay总线,FlexRay总线主要用于线控转向和线控刹车等需要高实时安全性的系统中，2006年首次应用于量产车，作为数据主干网用在了BMWX5的悬架系统上。FlexRay总线具有可靠性特点，特别是冗余通信能力，通过硬件实现全网配置复制和进度监控，支持多种拓扑，如总线、星型和混合拓扑。FlexRay的总线拓扑和星型拓扑均支持双通道，即FlexRay总线有两个通道，其最高速率都可达到10Mbit/s，也就是说总线的两个通道上的数据总速率可达20Mbit/s，网络带宽是CAN的20倍以上。,在带有CAN、MOST、FlexRay多总线的车载网络结构中，网关可以实现不同总线之间的信息共享，还可以激活和监控CAN、LIN和FlexRay总线网络的工作状态并实现车辆数据同步，另外可以通过OBD接口读取网关数据而实现故障诊断。,车载以太网,02,车载以太网的相关技术,以太网（Ethernet）是互联网中使用最多和最广泛的网络技术，自从1973年5月22日作为个人计算机的局域网技术被发明以来，以太网技术快速发展并且作为IEEE802下的一个开放标准集合。汽车智能化、网联化甚至自动驾驶时代已经到来，ADAS技术的不断创新，高质量汽车娱乐音频和视频的应用，以及OTA远程升级、V2X、大数据、云计算等技术的发展都取得了进展。车载网络容量需求的爆炸性发展明显超过了传统车载网络（如CAN或FlexRay）的承载能力，这也是以太网和汽车深度融合的机会。,1.现有的主流车载网络技术,常见车载网络对比,2.车载以太网的物理层技术,（1）适合车辆环境的以太网物理层元件迈威尔（Marvell）与麦瑞半导体（Micrel）在2012年9月发布了全球首款完全符合IEEE802.3标准的用于车载网络的以太网实体元件，最高可支持100Mbit/s的速率。麦瑞半导体推出以太网物理层芯片支持高达125的环境温度，目前市场上符合AECQ-100标准的以太网设备也并不单一，而且针对汽车市场的需求加强了ESD保护（静电保护），可以很好地适应汽车环境变化。,（2）BroadR-Reach的100Mbit/s汽车以太网解决方案BroadR-Reach是博通公司针对汽车环境开发的数据传输技术，其特点是可用一对UTP（非屏蔽双绞线）实现100Mb/s的传输速度，如图6-29所示，相对普通百兆以太网连接电缆开销已经显著降低。,（3）IEEERTPGE及PoE技术以太网供电技术（PoE）是一种可以通过CAT5线缆传输数据信号的同时为该以太网设备进行直流供电的技术。IEEE802.3af（15.4W）是第一个PoE标准，是现在PoE应用的主流实现标准。IEEE802.3at（25.5W）应大功率终端的需求而诞生，在兼容IEEE802.3af的基础上，提供更大的供电需求，可以满足视频监控系统等大功率应用的需求。,3.车载以太网的链路层协议,（1）IEEE时间敏感网络TSN以太网音频视频桥接技术（EthernetAudio/VideoBridging，EAVB）是在传统以太网络的基础上，使用精准时钟同步，通过保障带宽来限制传输延迟，提供高级别服务质量以支持各种基于音视频的媒体应用。,（2）TTEthernet时间触发以太网（TimeTriggeredEthernet，TTEthernet）是一种基于IEEE802.3以太网之上的汽车或工业领域的实时通信候选网络，它允许实时的时间触发通信与低优先级的事件触发通信共存，使以太网具备满足高安全等级的系统要求的同时，依然可以承担对实时性要求不过分严格但仍然有高带宽的以太网传输需求。TTEthernet协议控制框架如图6-31所示，TTEthernet在单一网络中可以同时满足不同实时和安全等级的应用需要，支持三种不同的消息类型，时间触发（TT）、速率约束（RC）和尽力而为（BE）。TT消息优先于所有其他类型，而RC帧是保证提供预留的带宽，BE帧可以看作是标准以太网。,TSN和TTE对比,4.车载以太网拓扑,车载以太网常见的拓扑结构有星型、菊花链型和树型，这些结构在交换式以太网中支持IEEE802.3和IEEE802.1Q标准。星型拓扑结构特点是管理方便、极易扩展、安装维护成本低，但由于要专用的网络设备（如交换机）作其核心节点，对核心设备的负担较重，可靠性要求高，各站点的分布处理能力较低。菊花链型拓扑结构特点是由星型结构的基础网络构成，通过菊花链或串行的方式增加下一个节点。菊花链型拓扑结构容易扩展，各站点可以分布处理，网络设备的负担相对较轻，但节点之间的通讯相对较复杂，安装维护成本较高。结合以上两种拓扑结构实现了树型结构，在汽车网络中权衡了良好的分布