车载网络在汽车中的应用第二次答辩

1、摘 要车载网络是现代汽车电子技术发展的必然趋势，车载网络结构主要包括两大部分：一是通讯部分，二是网络管理部分。自20世纪80年代末以来，现场总线技术已经逐渐发展成熟，并在此特定的应用领域显示出其影响和优势，如：控制器局域网（CAN）、车载局域网（VAN）、局域网互联（LIN）、过程现场总线（PROFIBOS）等，其中CAN总线和LIN总线是汽车电子控制中应用最广泛的总线。按照汽车网络的规模，车载网络应属于局域网、总线型结构。由于它要传输的信息帧都短小，要求实时性强、可靠性高，因而要求网络结构层次小，以有利于提高实时性和降低受干扰的概率。本文就车载网络形成的必要性及其应用进行了系统地分析，以便更

2、好地理解新一代汽车电子控制系统。关键词：计算机控制；CAN总线；车载网络；动力传动系统目 录第1章 前言4第2章 汽车计算机控制62.1汽车计算机控制52.2控制系统的构成、特性及分类52.3控制系统的性能评价以及优点52.4对控制系统的要求6第3章 CAN总线73.1 CAN简介73.2 CAN-BUS数据总线的组成与结构83.2.1 CAN控制器和CAN收发器83.2.2 数据总线终端电阻83.2.3 数据传输总线83.3 CAN总线技术在汽车中应用的关键技术83.4 CAN总线系统的优点10第4章 LIN、MOST及FlexRay车用总线的介绍114.1 LIN 车用总线的介绍114.2

3、 MOST 车用总线的介绍114.3 FlexRay车用总线的介绍114.3.1 TTP/C和FlexRay比较124.3.2 FlexRay具有以下特点124.3.3 FlexRay的车载网络应用12第5章 车载网络的应用分类135.1动力传动系统135.2车身系统135.3安全系统145.4信息系统14第6章 结语15参考文献16致谢17第1章 前言随着汽车工业日新月异的发展，现代汽车上使用了大量的电子控制装置，许多中高档轿车上采用了十几个甚至二十几个电控单元，而每一个电控单元都需要与相关的多个传感器和执行器发生通讯，并且各控制单元间也需要进行信息交换，如果每项信息都通过各自独立的数据线进

4、行传输，这样会导致电控单元针脚数增加，整个电控系统的线束和插接件也会增加，故障率也会增加等诸多问题。 为了简化线路，提高各电控单元之间的通信速度，降低故障频率，一种新型的数据网络CAN数据总线应运而生。CAN总线具有实时性强、传输距离较远、抗电磁干扰能力强;在自动化电子领域的汽车发动机控制部件、传感器、抗滑系统等应用中，CAN的位速率可高达1Mbps。同时，它可以廉价地用于交通运载工具电气系统中。 第2章 汽车计算机控制2.1汽车计算机控制汽车计算机控制是指汽车中借助微处理器实现的控制，是汽车、机电、计算机、控制、传感器、执行器、网络等方面理论与技术的高度结合。汽车中以计算机作为控制与管理核心

5、并能够实现特定功能的系统称为汽车计算机控制系统。一般汽车计算机控制系统分为：动力、安全性、舒适性、通讯和多媒体四个集合。2.2控制系统的构成、特性及分类汽车计算机控制系统的基本功能是信息和能量的传递、加工和比较，并根据信息改变控制系统的状态，达到预期的控制目标。每个控制系统都是由若干个相互联系的实体构成，每个系统都具备控制系统所具有的实体、属性和活动三大要素。控制系统主要由：控制单元、传感器单元、执行单元、动力单元、控制指令、连接网络、干扰等构成。汽车计算机控制系统的主要特性一般有：整体性、结构性、相关性、历时性、有序性汽车计算机控制系统的分类主要有：（1）按控制过程有无反馈回路（2）按系统地

6、控制功能（3）按系统输入量的变化规律2.3控制系统的性能评价以及优点主要的性能评价归结三个方面： （1）稳定性系统在受到外部作用后，其动态过程的振荡和能否恢复平衡状态的能力。 （2）快速性系统在稳定的前提下，通过系统的自动调节，最终消除因外部作用改变而引起的输出量与给定量之间的快慢程度。 （3） 准确性系统的自动调节过程结束后，其输出量与给定量之间仍然存在的偏差大小。（4）控制系统的优点：功能强、灵活性好、紧凑性高、兼容性好、集成度高、可靠性高、可维护性好。2.4对控制系统的要求为了保证系统能在一定环境下正常工作，一般要满足下列条件：（1） 耐温范围：-40至+125 ；（2） 防电磁干扰，不

7、易受外部辐射的影响，本身没有电磁辐射 ；（3） 耐机械震动与冲击 ；（4） 耐湿气和水湿 ；（5） 耐腐蚀性液体，如机油、盐雾等 ；（6） 质量轻、体积小 ；（7） 生产成本低 ；（8） 安装可靠。第3章 CAN总线3.1 CAN简介CAN，全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网，是由ISO定义的串行通讯总线，主要用来实现车载各电控单元之间的信息交换，形成车载网络系统， CAN数据总线又称为CANBUS总线。它具有信息共享，减少了导线数量，大大减轻配线束的重量，控制单元和控制单元插脚最小化，提高可靠性和可维修性等优点。 CAN总线是由德国BOSCH公司为了解决

8、汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发出的一种串行通信网络，具有短帧数据结构、非破坏性总线仲裁技术以及灵活的通信方式适应了汽车实时性和可靠性的要求，己经成为国际标准(ISO11898)，其应用范围也从最初的汽车电控逐步扩展到工业控制的各个领域，成为最有前途的现场总线之一。CAN被设计作为汽车环境中的微控制器通信，在车载各电子控制装置ECU之间交换信息，形成汽车电子控制网络。其工作采用单片机作为直接控制单元，用于对传感器和执行部件的直接控制。每个单片机都是控制网络上的一个节点，一辆汽车不管有多少块电控单元，不管信息容量有多大，每块电控单元都只需引出两条导线共同接在节点上，这两条导线就称作

9、数据总线（Bus）。CAN数据总线中数据传递就像一个电话会议，一个电话用户就相当于控制单元，它将数据“讲入”网络中，其他用户通过网络“接听”数据，对这组数据感兴趣的用户就会利用数据，不感兴趣的用户可以忽略该数据。一个由CAN总线构成的单一网络中，理论上可以挂接无数个节点，但实际应用中，所挂接的节点数目会受到网络硬件的电气特性或延迟时间的限制。使用计算机网络进行通信的前提是，各电控单元必须使用和解读相同的“电子语言”，这种语言称“协议”。汽车电脑网络常见的传输协议有多种，为了并实现与众多的控制与测试仪器之间的数据交换，就必须制定标准的通信协议。随着CAN在各种领域的应用和推广，1991年9月Ph

10、ilips Semiconductors制定并发布了CAN技术规范（Version 2.0）。该技术包括A和B两部分。2.0A给出了CAN报文标准格式，而2.0B给出了标准的和扩展的两种格式。1993年11月ISO颁布了道路交通运输工具数据信息交换高速通信局域网国际标准ISO 11898，为控制局域网的标准化和规范化铺平了道路。美国的汽车工程学会SAE 2000年提出的J 1939，成为货车和客车中控制器局域网的通用标准。3.2 CAN-BUS数据总线的组成与结构CAN-BUS系统主要包括以下部件：CAN控制器、CAN收发器、CAN-BUS终端电阻和CAN-BUS数据传输总线。3.2.1 CA

11、N控制器和CAN收发器CAN-BUS上的每个控制单元中均设有一个CAN控制器和一个CAN收发器。CAN控制器主要用来接收微处理器传来的信息，对这些信息进行处理并传给CAN收发器，同时CAN控制器也接收来自CAN收发器传来的数据，对这些数据进行处理，并传给控制单元的微处理器。 CAN收发器用来接收CAN控制器送来的数据，并将其发送到CAN数据传输总线上，同时CAN收发器也接收CAN数据总线上的数据，并将其传给CAN控制器。3.2.2 数据总线终端电阻CAN-BUS数据总线两端通过终端电阻连接，终端电阻可以防止数据在到达线路终端后象回声一样返回，并因此而干扰原始数据，从而保证了数据的正确传送，终端

12、电阻装在控制单元内。3.2.3 数据传输总线数据传输总线大部分车型用的是两条双向数据线，分为高位CAN-H和低位CAN-L数据线。为了防止外界电磁波干扰和向外辐射，两条数据线缠绕在一起，要求至少每2.5cm就要扭绞一次，两条线上的电位是相反的，电压的和总等于常值。3.3 CAN总线技术在汽车中应用的关键技术利用CAN总线构建一个车内网络，需要解决的关键技术问题有：（1） 总线传输信息的速率、容量、优先等级、节点容量等技术问题；（2） 高电磁干扰环境下的可靠数据传输；（3） 确定最大传输时的延时大小；（4） 网络的容错技术；（5） 网络的监控和故障诊断功能；（6） 实时控制网络的时间特性；（7）

13、 安装与维护中的布线 ；（8） 网络节点的增加与软硬件更新(可扩展性)。图3-1为CAN总线汽车中应用示意图：图3-1 CAN总线汽车中应用示意图3.4 CAN总线系统的优点（1） 比传统的布线方式的数据传输速度更高。（2） 比传统布线方式要节省线束，降低了车身重量，同时优化了车身的布线方式。（3） 以CAN总线方式连接的控制单元中有一个发生故障，其它控制单元仍可发送各自的数据，互不影响。（4） CAN数据总线为双线制，如果有一条发生故障，CAN系统会转为单线运行模式，提高了整车的稳定性。（5） CAN系统的双线在实际中是像“麻花”一样缠绕在一起的，这样可以有效的防止电磁波的干扰和向外辐射。（

14、6） 基于CAN总线系统可以实现更丰富的车身功能。第4章 LIN、MOST及FlexRay车用总线的介绍4.1 LIN 车用总线的介绍局域网互联(LIN)是用于汽车分布式电控系统的一种新型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。由于目前尚未建立低端多路通信的汽车标准，因此LIN正试图发展成为低成本的串行通信的行业标准。LIN的标准简化了现有的基于多路解决方案的低端SCI，同时将降低汽车电子装置的开发、生产和服务费用。LIN采用低成本的单线连接，传输速度最高可达2

15、0kb/s，对于低端的大多数应用对象来说，这个速度是可以接受的，它的媒体访问采用单主、多从的机制，不需要进行仲裁。从节点中不需要晶体震荡器而能进行自同步，这极大地减少了硬件平台的成本。4.2 MOST 车用总线的介绍面向媒体的系统传输（Media Oriented Systems Transport，MOST）是在汽车制造商和供应商中越来越受推崇的一种网络标准。它提供了一个可以管理所有多媒体设备的单个界面，能够处理针对不同目标的多个数据流，而不失和谐。MOST 系统是利用光导纤维作为信息传导媒介，进行数字信号的传输。首先各控制元件将电磁脉冲信号转化为光脉冲信号，传送到光纤上，而后相应的接收电脑

16、又将光脉冲信号转换回电磁脉冲信号，从而完成相应的控制功能。由于MOST 系统的高传输速率，因此它可以做到只用两根光纤即可同时传递多路信号。MOST网络的优点：高速、灵活、抗干扰、成本低。4.3 FlexRay车用总线的介绍FlexRay是一个为车载应用系统高层网络和“线控”系统开发的通信标准。它的最大特点就是在提高数据传输率的条件下，能够满足汽车安全要求的可靠性指标。FlexRay利用两条独立的物理线路进行通信，每条线路的数据速率为10Mb/s。两条通信线路主要用来实现冗余，因此消息传输具有容错能力，也可以利用两条线路来传输不同的消息，以使数据吞吐量可以加倍。4.3.1 TTP/C和FlexR

17、ay比较在总线访问方式上，TTP/C和FlexRay都提供了时间触发和事件触发方式，它们都能满足未来的“线控”（X-by-wire）系统对系统的实时性和可靠性的要求，但FlexRay在事件触发方面，其节点共享决定了其灵活性更好。 从成本方面来考虑，初始价格FlexRay不占优势，但是生产商在后期组装线上节约的时间和金钱以及用户维护成本的下降，将使得FlexRay在TTP/C的竞争上具有优势。4.3.2 FlexRay具有以下特点（1）最大数据传输率为10Mb/s，还可更高一些。FlexRay网的结构可以有四种形式，即：总线式星形网、星形总线混合式及多个星形串接式。（2）一个有故障耐受能力的系统

18、必须保证网上成员不能将系统阻断。网络上的物理故障，例如：短路，可以将出问题的网络分支封闭，故障的封闭由独立事件控制。（3）整个网络有一个总体时钟，每一个控制单元有一个局部时钟，FlexRay系统有一个特定的控制算法，使网络中每一单个节点的局部时钟与总体时钟同步，利用偏移修正和时间修正这两种方法与总体时钟同步。4.3.3 FlexRay的车载网络应用 FlexRay的重要应用之一是线控操作(如线控转向、线控刹车等)，即利用容错的电气/电子系统取代机械/液压部分。线控操作包括从转向到刹车和加速等所有汽车控制应用互连技术，它可以补充并将最终代替目前的机械和液压解决方案。就总体器件和组装来说，采用电子

19、系统比采用机械和液压部件成本更低。另外，FlexRay的高数据速率使它非常适合于汽车骨干网络。第5章 车载网络的应用分类车载网络在汽车中的应用有：整车联网防盗、行车姿态联网控制、行车信息联合监控、舒适装备联动控制、多媒体娱乐联网控制等。按照应用加以划分，大致可以分为4个系统：车身系统、动力传动系统、安全系统、信息系统。5.1动力传动系统在动力传动系统内，动力传动系统模块的位置比较集中，可固定在一处，利用网络将发动机舱内设置的模块连接起来。在将汽车的主要因素跑、停止与拐弯这些功能用网络连接起来时，就需要高速网络。动力CAN数据总线一般连接3块电脑，它们是发动机、ABS/EDL及自动变速器电脑（动

20、力CAN数据总线实际可以连接安全气囊、四轮驱动与组合仪表等电脑）。总线可以同时传递10组数据，发动机电脑5组、ABS/EDL电脑3组和自动变速器电脑2组。数据总线以500Kbit/s速率传递数据，每一数据组传递大约需要0.25ms，每一电控单元720ms发送一次数据。优先权顺序为ABS/EDL电控单元发动机电控单元自动变速器电控单元。在动力传动系统中，数据传递应尽可能快速，以便及时利用数据，所以需要一个高性能的发送器，高速发送器会加快点火系统间的数据传递，这样使接收到的数据立即应用到下一个点火脉冲中去。CAN数据总线连接点通常置于控制单元外部的线束中，在特殊情况下，连接点也可能设在发动机电控单

21、元内部。5.2车身系统与动力传动系统相比，汽车上的各处都配置有车身系统的部件。因此，线束变长，容易受到干扰的影响。为了防干扰应尽量降低通信速度。在车身系统中，因为人机接口的模块、节点的数量增加，通信速度控制将不是问题，但成本相对增加，对此，人们正在摸索更廉价的解决方案，目前常常采用直连总线及辅助总线。舒适CAN数据总线连接一般连接七个控制单元，包括中央控制单元、车前车后各一个受控单元及四个车门的控制单元。舒适CAN数据传递有七大功能：中控门锁、电动窗、照明开关、空调、组合仪表、后视境加热及自诊断功能。控制单元的各条传输线以星状形式汇聚一点。这样做的好处是：如果一个控制单元发生故障，其他控制单元

22、仍可发送各自的数据。该系统使经过车门的导线数量减少，线路变得简单。如果线路中某处出现对地短路，对正极短路或线路间短路，CAN系统会立即转为应急模式运行或转为单线模式运行。数据总线以62.5Kbit/s速率传递数据，每一组数据传递大约需要1ms，每个电控单元20ms发送一次数据。优先权顺序为：中央控制单元驾驶员侧车门控制单元前排乘客侧车门控制单元左后车门控制单元右后车门控制单元。由于舒适系统中的数据可以用较低的速率传递，所以发送器性能比动力传动系统发送器的性能低。整个汽车车身系统电路主要有三大块：主控单元电路、受控单元电路、门控单元电路。主控单元按收开关信号之后，先进行分析处理，然后通过CAN总线把控制指令发送给各受控端，各受控端响应后作出相应的动作。车前、车后控制端只接收主控端的指令，按主控端的要求执行，并把执行的结果反馈给主控端。门控单元不但通过CAN总接收主控端的指令，还接收车门上的开关信号输入。根据指令和开关信号，门控单元会做出相应动作，然后把执行结果发往主控单元。5.3安全系统安全系统是指根据多个传感器的信息使安全气囊启动的系统，由于安全系统涉及到人的生命安全，加之在汽车中气囊数目很多，碰撞传感器多等原因，要求安全系统必须具备通信