8-现代汽车网络和总线技术.ppt

1、汽车总线,1.汽车总线的发展 2. CAN/LIN总线 3. 汽车总线技术特征 4. 汽车各类总线比较 5.CAN总线详解 6.总线开发工具,1.汽车总线的发展,背景： 1.汽车用电设备的快速增加，使汽车电气形成一个复杂的大系统。 2.传统布线采用点对点的布线方式，不断增加的线束和有限的汽车空间形成矛盾。 3.新型电子通讯产品的出现（GPS、GIS和GSM）,对布线和通讯提出更高要求。 4.维修的不便和成本增加。,1.汽车总线的发展,传统节点通信方式,1.汽车总线的发展,CAN总线通信方式,1.汽车总线的发展,现状： 早在80年代，众多国际知名的汽车公司就积极致力于汽车总线技术的研究和应用，如

2、博世的CAN、SAE的J1850、德国大众的ABUS、美国商用机器的AUTOCAN、ISO的VAN等。,1.汽车总线的发展,90年代初，总线技术开始在汽车中应用，如今几乎所有汽车都开始采用 CAN/LIN总线，该项技术已成为现代汽车的标准技术，总线零部件也成为发展的主流。,什么是CAN/LIN总线？,2.1 网络简单基础,2.1 网络简单基础,网络拓扑结构 目前主要拓扑结构有：,2.2 CAN总线,CAN全称为“Controller Area Network”，即控制器局域网。 CAN总线是德国BOSCH公司在1986 年为解决现代汽车中众多的控制与测试仪器之间的数据交换而开发的一种串行数据通

3、讯协议。,协议是通信双方为了实现通信而设计的约定或通话规则,2.2 CAN总线,1993年，ISO正式颁布CAN为国际标准的ISO11898，现在在欧洲已是汽车网络的标准协议。 现在CAN总线也向过程工业，机械工业，机器人，数控机床，传感器等方面发展。 目前，支持CAN协议的公司有Intel、Motorola、Philips、Siemens、NEC、Honeywell等公司。,2.2 CAN总线,CAN协议是串行协议，能够有效地支持具有高安全等级的分布式实时系统。 CAN是一个多主机系统，设计了高效率的仲裁机制解决传输冲突问题，还能够判断出错的节点并及时关闭，保证了总线的可靠性。,CAN协议仅

4、定义了物理层和数据层，应用层需要用户定义。,2.3 LIN总线,LIN (Local Internet)即为本地互联网络，是CAN在低端应用的延伸，是价格相对便宜且速度较慢的子网。 通常状况下，电子控制装置通过CAN总线提供稳定、可靠的网络连接；车门、后视镜、导向轮、马达、照明以及其它智能传感器等则通过LIN进行网络连接。,2.3 LIN总线,LIN协议是基于SCI（UART）串行通信的格式，并且是单一主机系统，这不但降低了硬件成本，而且在软件和系统设计上也能更容易地兼容其它网络协议。,UART(Universal Asynchronous Receiver Transmitter：通用异步收

5、发器) UART是一个并行输入成为串行输出的芯片,2.3 LIN总线,由于几乎所有的IC都带有SCI（UART）接口，LIN很快就在车内低端控制器领域取得领先地位。,LIN不但定义了物理层和数据层，还定义了相关的应用软件层。这些都为LIN方案提供商解决了设备兼容的问题，很有利于汽车工业的规模生产。,2.4 总线应用于汽车的意义,在现代汽车中，采用总线的意义不仅是节省电线，它已经成为车内各个零部件实施信息交互的标准接口，整车的总线网络成为整车的电气平台，可以在这个平台上不断增加智能化的零部件，促进汽车智能化的发展。,2.4 总线应用于汽车的意义,汽车总线不是一项独立的技术，它是一种电气之间进行信

6、息交互的接口，它的基础是零部件的智能化， 所以，总线与零部件必须协同作战，这样总线技术的发展才能上到一个新的台阶。,3 汽车总线技术特征,主要设计目标： 1.传输信息安全 2.异步总线随机地传送数据 3.根据预先确定的优先权进行总线访问 4. 有根据信息内容解决总线访问竞争的能力. 5.总线的功能寻址和点到点寻址能力。 6.节点的故障诊断能力。,3.2 数字信号的编码,1.脉宽调制(Pulse Width Modulation,PWM) PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。 波特率上界为315Kb/s,

7、用于传输速率较低的场合。,3.2 数字信号的编码,面积等效原理: 冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。,环节的输出响应波形基本相同,窄脉冲的面积,3.2 数字信号的编码,3.2数字信号的编码,2. 不归零制(NonReturn to Zero ,NRZ) 又称非归零码。一种数据传输时的二进制信息编码方法，用两种不同的电平分别表示0和1，不使用零电平。波特率可达到1Mb/s,用于传输率较高的场合。,3.3 汽车总线优点,汽车局域网是总线拓扑结构： 1.电缆短，布线容易。 2.结构简单，是无源元件，可靠性高。 3易于扩充。,3.4总线访问协议,一般为争用协议，每个节点

8、都可以独立的决定信息帧的发送，这样就有可能发生冲突。 因此网络协议具有防冲突监听措施，目前多采用：载波监听多路访问/冲突检测+无损仲裁(CSMA/CD+NDA),3.5汽车总线的研究重点,研究和发展可分三个阶段： 1.基本控制系统(即舒适总线系统)，如照明电动车窗、中央集控锁等。 2.主要控制系统(即动力总线系统)，如电喷ECU控制系统、ABS、自动变速箱等。 3.各个电子控制系统间的综合、实时控制和信息反馈。 目前我国汽车总线还处于起步阶段。,3.5 汽车总线的研究重点,支持CAN底层协议的芯片有很多，既有在片的MCU，也有片外的控制器。 用户开发的应用层协议有：AB公司-DeviceNet

9、 Honeywell公司SDS等。 所以，汽车CAN总线研究的重点，就是针对具体的车型，开发ECU硬件和应用层软件，构成车内网络。,4.汽车各类总线比较,4.1 通讯协议分类和特点,在高端汽车中，目前一般会有50个以上的ECU，通常，汽车通讯网络可以划分为四个不同领域：,1.低端控制控制系统：包括哪些仅需要简单串行通信的ECU，如控制后视镜和智能传感器等，这是LIN总线最适合的领域。,4.1 通讯协议分类和特点,2.车身控制系统： 包括传统的车身控制和动力传动控制，这是CAN的特长。,4.1 通讯协议分类和特点,3.信息娱乐系统：要求有高速率和高带宽，有时会是无线传输，目前主流协议有MOST(

10、Media Oriented System Transport )、还有IDB-1394等。,如媒体播放器、导航系统等信息娱乐设备之间的互连需要更高速通信协议。,4.1 通讯协议分类和特点,MOST物理层由光纤通信组件构成，具有很好的抗干扰性，设计传输速率可达150Mbps。 MOST还定义了应用层，这些协议可以确保各个厂家生产的设备具有MOST互联性,4.1 通讯协议分类和特点,4.高安全线控系统(X-By-Wire)： 包括安全性要求很高的刹车和导向系统，所以通讯要求高容错性、高可靠性和高实时性。主要协议有TTCAN、FLexRay、TTP等。,线控汽车 没有传统的机械或液压系统作为备份，

11、这不但要对传统单元做创新性的ECU替代，而且传统的CAN总线也不再适用。,4.1 通讯协议分类和特点,FlexRay协议将其时间周期分为静态段和动态段两个部分。静态段采用TDMA方式传输时间驱动类型的数据，动态段采用Mini-Slot方式传输事件驱动类型的数据。,在安全性方面，FlexRay采用冗余通道的方式确保数据正确传输，而其它的容错机制而交由应用提供者自己设计。,TDMA：Time Division Multiple Access - 时分多址接入,4.2 汽车通讯协议比较,4.2 汽车通讯协议比较,CAN本质是一种事件驱动的协议，在高安全性系统中，缺乏不要的决定性、同步性和容错性。,T

12、TCAN、FLexRay和TTP都采用时间驱动机制，信息的发送由预先设立好的时间表确定。,5.1 CAN总线特点,1.为多主方式工作， 2.网络上的节点信息分为不同的优先级。 3.采用非破坏性总线型仲裁技术。 4.只需要帧滤波即可实现数据的通信，不需专门调度。 5.节点数几乎不受限制。,5.1 CAN总线特点,6.采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低。 7.每帧信息都有CRC效验和其他检错措施。 8.通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤。 9.节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能.,CRC：Cyclical Redundancy Check 循环冗余校。它是利用除法及余数的原理来作错误侦

13、测（Error Detecting）的。 其特点是:检错能力极强，开销小，易于用编码器及检测电路实现。,5.2 CAN总线的节点设计,1.节点ECU的设计(硬件) 带有CAN接口的ECU设计是总线开发的核心和关键，CAN总线模块主要有CAN控制器和CAN收发器构成。,CAN控制器： 执行完整的CAN协议，完成通讯功能，包括信息缓冲和接收滤波。,5.2 CAN总线的节点设计,CAN收发器： 是CAN控制器与物理总线之间的借口，实现了CAN控制器和总线见逻辑电平信号的转换。,5.2 CAN总线的节点设计,MCU,51单片机开发的CAN总线原理图,CAN控制器,CAN收发器,5.2 CAN总线的节点

14、设计,2. CAN网络通信的实现(软件) CAN设计的三层结构模型为：物理层、数据链路层和应用层。 物理层和数据链路层功能有CAN控制器完成，包括硬件电路和通讯协议。,5.2 CAN总线的节点设计,CAN通讯协议规定了四种不同用处的网络通讯帧，即数据帧、远程帧、错误指示帧和超载帧。 CAN通讯协议的实现，包括各种通讯帧的组织和发送，均是由集成在SJA1000通讯控制器中的电路实现的。,5.2 CAN总线的节点设计,所以系统开发主要在于应用层的设计，其核心是CPU与SJA1000通讯控制器之间的数据接收和发送程序。,6.1总线开发工具,在汽车总线网络开发和测试过程中，主要应用的软件测试环境是CANoe(CAN Open Environment)。 这是德国VECTOR公司开发的功能强大的开发工具。它能支