LIN总线与FlexRay总线

1、车载网络技术车载网络技术-LIN & -LIN & FlexRayFlexRay 1 1 汽车总线技术汽车总线技术 2 2 LINLIN总线总线 3 3 FlexRayFlexRay总线总线主要内容主要内容1 1 汽车总线技术汽车总线技术汽车总线是指汽车内部导线采用总线控制的一种技术，通常叫汽车总线或汽车总线技术。随着电子技术的迅速发展和在汽车上的广泛应用，汽车电子化程度越来越高，逐渐形成了一个复杂的大系统。1 1 汽车总线技术汽车总线技术SAE（美国汽车工程师协会（美国汽车工程师协会）将总线分为）将总线分为A、B、C、D四类。四类。 1 1 汽车总线技术汽车总线技术 2 2

2、LINLIN总线总线 3 3 FlexRayFlexRay总线总线主要内容主要内容 LIN（Local Interconnect Network)，局部互联网络，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，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，使用LIN 总线可大大节省成本2 LIN2 LIN总线总线什么是LIN总线？2 LIN2 LIN总线总线为什么用LIN总线？LIN fits in at the low end of in car multiplexing, mak

3、ing a LIN system a cost effective solution pLIN网络由数据链路层和物理层构成p数据链路层n逻辑链路控制子层（逻辑链路控制子层（LLC）l报文滤波、恢复管理、报文确认等报文滤波、恢复管理、报文确认等n媒体访问控制子层（媒体访问控制子层（MAC）l是是LIN的的核心核心l对来自对来自LLC的报文封装串行化的报文封装串行化l对来自物理层的数据进行解串、错误检测等对来自物理层的数据进行解串、错误检测等l由故障界定管理实体进行监控由故障界定管理实体进行监控p物理层l定义了定义了信号如何在总线媒体上传输信号如何在总线媒体上传输l定义物理层的驱动器定义物理层的驱

4、动器/接收器特性接收器特性2 LIN2 LIN总线总线LIN网络结构p物理层采用单线连接，两个电控单元间的最大传输距离为40mn其总线驱动器和接收器的规范遵从改进的其总线驱动器和接收器的规范遵从改进的ISO 9141 单线标准单线标准。p低成本nLIN是基于是基于SCI/UART( 通用异步收发接口的单总线串行通信通用异步收发接口的单总线串行通信)协议；协议；n目前几乎所有的微控制器芯片上都有目前几乎所有的微控制器芯片上都有SCI/UART接口。接口。p低传输速率，小于20kb/sp单主控器/多从设备模式，无需仲裁机制2 LIN2 LIN总线总线LIN总线主要特点在总线拓扑结构的LIN网络中，

5、由主节点控制对传输介质的访问，从节点只是应答主节点的命令。不需要仲裁和冲突管理机制。p同步机制简单n从节点不需晶振或陶瓷振荡器就能实现自同步，节省了从设备的硬从节点不需晶振或陶瓷振荡器就能实现自同步，节省了从设备的硬件成本。件成本。p通信确定性n主节点控制整个网络的通信，控制不同节点的传输时间；主节点控制整个网络的通信，控制不同节点的传输时间；n每个报文帧的长度是预知的；每个报文帧的长度是预知的；n采用调度表，保证信号的周期性传输、保证总线不出现超负载现象采用调度表，保证信号的周期性传输、保证总线不出现超负载现象。p报文的数据长度可变nLIN应答帧报文的应答帧报文的数据场长度数据场长度可在可在

6、08个字节之间变化，便于个字节之间变化，便于不同任不同任务的务的通信应用。通信应用。2 LIN2 LIN总线总线LIN总线主要特点p不需改变LIN从节点的硬件和软件就可以在网络上增加节点nLIN总线的网络节点总线的网络节点数一般不超过数一般不超过16，否则，节点增加将会减少网，否则，节点增加将会减少网络阻抗，导致环境条件变差。每增加一个节点，就会降低络阻抗，导致环境条件变差。每增加一个节点，就会降低3的阻的阻抗抗p采用奇偶校验和求和校验相结合的双重校验机制。2 LIN2 LIN总线总线LIN总线主要特点2 LIN2 LIN总线总线LIN的通信任务（一）基本概念（一）基本概念p主机节点：控制网络

7、中各节点通信的节点主机节点：控制网络中各节点通信的节点u一一个个LIN网络上的通信总是由主发送任务发起网络上的通信总是由主发送任务发起的的u在在主节点上可主节点上可执行主通信执行主通信任务和从通信任务任务和从通信任务u可控制整个总线网络和协议可控制整个总线网络和协议p主通信任务：主通信任务：u在主节点上运行的，用于控制总线上所有的通信，负责报文在主节点上运行的，用于控制总线上所有的通信，负责报文的的进度进度表表、发送报文头的任务。、发送报文头的任务。u常见主任务：如定义传输速率，发送同步时间间隔、同步场、常见主任务：如定义传输速率，发送同步时间间隔、同步场、标识符场标识符场，监控并通过检查校验

8、和验证数据的有效性。，监控并通过检查校验和验证数据的有效性。2 LIN2 LIN总线总线LIN的通信任务（一）基本概念（一）基本概念p从节点：总线上的从节点：总线上的2-16个成员，它们在主节点发送适当个成员，它们在主节点发送适当ID后接收后接收或发送数据或发送数据p从通信任务：从通信任务：u从节点从事的任务都称为从通信任务；但主节点也会执行从从节点从事的任务都称为从通信任务；但主节点也会执行从任务任务u节点接收来自主通信任务的节点接收来自主通信任务的IDu节点根据节点根据ID决定做什么：接收数据、发送数据或什么都不做决定做什么：接收数据、发送数据或什么都不做u发送数据时，节点发送数据字节（发

9、送数据时，节点发送数据字节（2、4或或8个字节）及检验字个字节）及检验字节节2 LIN2 LIN总线总线LIN的通信任务（二）（二）LIN通信通信LIN协议是一主多从结构，通信只能由主节点中的主任务发起，协议是一主多从结构，通信只能由主节点中的主任务发起，一个完整的一个完整的LIN报文帧的传输是由主任务和从任务共同实现的，主任报文帧的传输是由主任务和从任务共同实现的，主任务发送务发送“报头报头”，从任务发送或接受，从任务发送或接受“响应响应”。l在总线上发送的信息，有长度可选的固定格式。在总线上发送的信息，有长度可选的固定格式。l每个报文帧都包括每个报文帧都包括2、4或或8个字节的数据以及个字

10、节的数据以及3个字节的控制、个字节的控制、安全信息（同步场、标识符场和校验场）。安全信息（同步场、标识符场和校验场）。l通过主机控制单元中的从任务，数据可以被主机控制单元发通过主机控制单元中的从任务，数据可以被主机控制单元发送到任何从机控制单元。送到任何从机控制单元。l相应的主机报文相应的主机报文ID可以触发从机可以触发从机-从机通信。从机通信。2 LIN2 LIN总线总线报文传输报文帧报文帧是由主机任务向从机任务传送同步和标识符信息，并将一个报文帧是由主机任务向从机任务传送同步和标识符信息，并将一个从机任务的信息传送到所有其他从机任务。从机任务的信息传送到所有其他从机任务。n一一个主机节点发

11、送的个主机节点发送的报文头报文头；n一一个主机或从机节点发送的个主机或从机节点发送的响应响应组成。组成。报文传输是由报文帧的格式报文传输是由报文帧的格式表示和控制。表示和控制。2 LIN2 LIN总线总线报文传输报文帧（1）字节场（）字节场（Byte Fields）n格式：格式：n说明：说明： 每一个字节场的长度是每一个字节场的长度是10个位定时（个位定时（Bit Time）；）； 起始位（起始位（Start Bit）是一个）是一个显性显性位，标志字节场的开始；位，标志字节场的开始； 8个数据位，从最低位开始发送；个数据位，从最低位开始发送； 停止位（停止位（Stop Bit）是一个）是一个隐

12、性隐性位，标志字节场的结束。位，标志字节场的结束。2 LIN2 LIN总线总线报文传输报文帧（2）报文头场（）报文头场（Header Fields）a) 同步间隔（同步间隔（Synchronisation Break）n说明：说明： 作用：标识报文的开始，由主节点发送；使得所有的从机作用：标识报文的开始，由主节点发送；使得所有的从机任务和总线时钟信号同步。任务和总线时钟信号同步。 同步间隔：至少同步间隔：至少13bit的显性位，之后紧随至少的显性位，之后紧随至少1bit隐性值隐性值的同步界定符。的同步界定符。 同步界定同步界定符的作用：用来检测接下来的同步场（符的作用：用来检测接下来的同步场（

13、Synch Field）的起始位。）的起始位。2 LIN2 LIN总线总线报文传输报文帧（2）报文头场（）报文头场（Header Fields）b) 同步场（同步场（Synch Field）n说明：说明： 包含了时钟的同步信息，同步场的格式是包含了时钟的同步信息，同步场的格式是“0 x55”，表现，表现在在8个位定时中有个位定时中有5个下降沿（即：个下降沿（即：隐性隐性到到显性显性的的跳变）。跳变）。2 LIN2 LIN总线总线报文传输报文帧（2）报文头场（）报文头场（Header Fields）c) 标识符场（标识符场（Identifier Field）n说明：说明： 定义了报文的内容和长度

14、；定义了报文的内容和长度； 6个标识符位（个标识符位（ID0ID5）和）和2个标识符奇偶校验位（个标识符奇偶校验位（P0、P1）；）； ID4和和ID5定义了数据场的数据长度。定义了数据场的数据长度。2 LIN2 LIN总线总线报文传输报文帧（3）响应场（）响应场（Response Fields）a) 数据场（数据场（Identifier Field）n说明：说明： 由多个由多个8位的字节场组成，传输由位的字节场组成，传输由LSB开始。开始。2 LIN2 LIN总线总线报文传输报文帧（3）响应场（）响应场（Response Fields）b) 校验和场（校验和场（Checksum Field）

15、n说明：说明： 校验和场是数据场所有字节的和的反码；校验和场是数据场所有字节的和的反码； 所有所有数据字节的和的补码与校验和字节之加的和必须是数据字节的和的补码与校验和字节之加的和必须是“0 xFF”。 2 LIN2 LIN总线总线报文确认p如果直到帧的结尾都没有检测到错误，报文对发送如果直到帧的结尾都没有检测到错误，报文对发送器和接收器都有效；器和接收器都有效；p如果报文发生错误，则主机和从机任务都认为报文如果报文发生错误，则主机和从机任务都认为报文没有发送。没有发送。2 LIN2 LIN总线总线报文错误p位错误位错误n向总线发送一个位的单元同时也在监控总线，当监控到的位的值和发向总线发送一

16、个位的单元同时也在监控总线，当监控到的位的值和发送的不同时，则在这个位定时检测到一个位错误。送的不同时，则在这个位定时检测到一个位错误。p校验和校验和错误错误n所有数据字节的和的补码与校验和字节相加的和不是所有数据字节的和的补码与校验和字节相加的和不是0 xFFp标识符标识符奇偶错误奇偶错误p从从机不响应机不响应错误错误n从机任务在发送从机任务在发送SYNCH和标识符场时，在最大长度时间内未完成报文和标识符场时，在最大长度时间内未完成报文帧的发送帧的发送p同步场不一致同步场不一致错误错误n从机检测到的同步场的边沿在给出的容差之外从机检测到的同步场的边沿在给出的容差之外p没有总线没有总线活动活动

17、n在接收到最后一个有效信息后，在在接收到最后一个有效信息后，在tTime_Out时间内未检测到有效的同时间内未检测到有效的同步间隔或字节场。步间隔或字节场。2 LIN2 LIN总线总线LIN总线应用典型的典型的LIN总线应用是汽车中的联合装配单元，如门、方向盘、座椅、空调、总线应用是汽车中的联合装配单元，如门、方向盘、座椅、空调、照明灯、湿度传感器和交流发电机等。对于这些成本比较敏感的单元，照明灯、湿度传感器和交流发电机等。对于这些成本比较敏感的单元，LIN可以可以使一些机械元件，如智能传感器、制动器或光敏期间等得到较广泛的应用。使一些机械元件，如智能传感器、制动器或光敏期间等得到较广泛的应用

18、。菲利普半导体公菲利普半导体公司基于司基于CAN/LIN总线提出的汽车总线提出的汽车车身网络层解决车身网络层解决方案方案 1 1 汽车总线技术汽车总线技术 2 2 LINLIN总线总线 3 3 FlexRayFlexRay总线总线主要内容主要内容（一）概况（一）概况FlexRayFlexRay是是FlexRayFlexRay协会在克莱斯勒公司的典型应用以及协会在克莱斯勒公司的典型应用以及BMWBMW公司公司BytefightBytefight通信系统基础上，开发的一个与确定性和故障容错有密切关系通信系统基础上，开发的一个与确定性和故障容错有密切关系的、更可靠的高速汽车网络系统。的、更可靠的高速

19、汽车网络系统。20002000年年9 9月，宝马和戴姆勒月，宝马和戴姆勒- -克莱斯勒联合飞利浦（现恩智浦）和摩克莱斯勒联合飞利浦（现恩智浦）和摩托罗拉（现飞思卡尔）创建了托罗拉（现飞思卡尔）创建了FlexRayFlexRay联盟，之后博世、通用和大众也成联盟，之后博世、通用和大众也成为其核心成员。他们制定了满足未来车内控制应用通信需求的为其核心成员。他们制定了满足未来车内控制应用通信需求的FlexRayFlexRay通通信协议。信协议。随着随着FlexRayFlexRay通信协议逐步发展成熟，几乎全球所有知名的汽车厂通信协议逐步发展成熟，几乎全球所有知名的汽车厂商和电子、半导体公司都加入了该

20、联盟，为该协议的发展提供各个方面商和电子、半导体公司都加入了该联盟，为该协议的发展提供各个方面的技术支持，致力于推广的技术支持，致力于推广FlexRayFlexRay通信系统在全球的采用，使其成为高级通信系统在全球的采用，使其成为高级动力总成、底盘和线控系统的标准协议。动力总成、底盘和线控系统的标准协议。3 3 FlexRayFlexRay总线总线（一）概况（一）概况FlexRayFlexRay总线特点：总线特点： 支持静态时间和动态时间驱动的两种通信机制；支持静态时间和动态时间驱动的两种通信机制； 灵活的容错能力，支持单通道和双通道操作；灵活的容错能力，支持单通道和双通道操作； 高的数据传输

21、速率和网络使用率，每个通道的速度均达到高的数据传输速率和网络使用率，每个通道的速度均达到10Mbps10Mbps； 可靠的错误检测功能，包括时域的总线监测机制和数字可靠的错误检测功能，包括时域的总线监测机制和数字CRCCRC校验；校验； 可可采用多种网络拓扑结构，包括总线结构、星型结构以及多星型结采用多种网络拓扑结构，包括总线结构、星型结构以及多星型结构；构； FlexRayFlexRay总线在重负载下可以关闭部分节点，使其仅接收数据而不发总线在重负载下可以关闭部分节点，使其仅接收数据而不发送数据，减少数据重发次数，使得总线负载很快下降。送数据，减少数据重发次数，使得总线负载很快下降。Flex

22、RayFlexRay总线的这些特点使其可以替代总线的这些特点使其可以替代CANCAN总线，适合车载骨干网络、分总线，适合车载骨干网络、分布式控制系统以及安全系统等应用场合。布式控制系统以及安全系统等应用场合。3 3 FlexRayFlexRay总线总线（一）概况（一）概况3 3 FlexRayFlexRay总线总线恩智浦恩智浦FlexRay总线技术在汽车上的应用情况总线技术在汽车上的应用情况 （一）概况（一）概况 第一辆第一辆FlexRayFlexRay量产车：量产车：BMW X5-48iBMW X5-48i，主要应用在电子控制减震器，主要应用在电子控制减震器系统，采用星型拓扑结构。系统，采用

23、星型拓扑结构。3 3 FlexRayFlexRay总线总线首款运用首款运用FlexRay技术的汽车技术的汽车FlexRayFlexRay系统组成系统组成 （一）概况（一）概况 2008 2008年，宝马年，宝马7 7系中采用了多达系中采用了多达1212个个FlexRayFlexRay节点收发器（含一个网节点收发器（含一个网关），关），FlexRayFlexRay以跨系统方式实现行驶动态管理系统和发动机管理系统的以跨系统方式实现行驶动态管理系统和发动机管理系统的联网。联网。3 3 FlexRayFlexRay总线总线BMW新新7系车中系车中FlexRay节点在整车中的布置及其网络结构节点在整车中

24、的布置及其网络结构（二）（二）FlexRayFlexRay总线技术总线技术1.1.帧格式结构帧格式结构 数据帧结构包括：头部段、负载段和尾部段三部分数据帧结构包括：头部段、负载段和尾部段三部分3 3 FlexRayFlexRay总线总线（二）（二）FlexRayFlexRay总线技术总线技术2 2. .帧的编码与解码帧的编码与解码p FlexRayFlexRay采用非归零编码机制。采用非归零编码机制。p 编码与解码主要包括编码与解码主要包括3 3个过程：个过程：n编码与解码过程；编码与解码过程；n位过滤过程；位过滤过程；n唤醒模式解码过程。唤醒模式解码过程。p 这些过程设计的三个技术：这些过程

25、设计的三个技术：n位时钟对齐位时钟对齐n采样与多数表决采样与多数表决n通道空闲检测通道空闲检测 3 3 FlexRayFlexRay总线总线（二）（二）FlexRayFlexRay总线技术总线技术3.3.媒介访问控制媒介访问控制p 媒介访问控制以一个循环进行的通信周期为基础。媒介访问控制以一个循环进行的通信周期为基础。p FlexRayFlexRay提供了两种访问方式：提供了两种访问方式：n静态的基于时分多址的访问方式静态的基于时分多址的访问方式n动态的基于微型时槽的访问方式动态的基于微型时槽的访问方式4.4.时钟同步时钟同步p FlexRayFlexRay协议使用分布式时钟同步机制。协议使用

26、分布式时钟同步机制。p 时钟同步过程实现了周期起始的初始化、偏差值的测量与存储、时钟同步过程实现了周期起始的初始化、偏差值的测量与存储、相位与速率修正值得计算三个过程。相位与速率修正值得计算三个过程。3 3 FlexRayFlexRay总线总线（二）（二）FlexRayFlexRay总线技术总线技术5.5.媒介访问控制媒介访问控制 唤醒唤醒与启动是与启动是FlexRayFlexRay的核心机制之一。首先由外部事件唤醒冷启的核心机制之一。首先由外部事件唤醒冷启动节点的动节点的CPUCPU，并与总线驱动器和通信控制器协作，完成该节点的唤醒操，并与总线驱动器和通信控制器协作，完成该节点的唤醒操作。之后，冷启动节点在通信信道上传输唤醒符号，处于休眠状态的节作。之后，冷启动节点在通信信道上传输唤醒符号，处于休眠状态的节点在接到唤醒符号后，对该节点的点在接到唤醒符号后，对该节点的CPUCPU和通信控制器进行上电，从而启动和通信控制器进行上电，从而启动节点节点。3 3 FlexRayFlexRay总线总线（三）（三）FlexRayFlexRay的实现方式的实现方式1.FlexRay1.FlexRay初始化初始化 FlexRayFlexRay的初始化主要实现的初始化主要实现FlexRayFlexRay网络通信之间的唤醒