車載網絡技術概述ppt課件

車載網絡技術概述 汽車網絡技術的發(fā)展 1 汽車網絡標準與協(xié)議 3 汽車網絡技術的應用 2 學習內容 一 數據傳輸方式 根據發(fā)送裝置向接收裝置傳輸信息時各字節(jié)的傳輸方式不同 數據傳輸方式分為并行傳輸和串行傳輸兩種形式 1 并行傳輸 圖2 13并行傳輸1 發(fā)送裝置 2 數據 3 接收裝置 MSB 最高值數位 LSB 最低值數位 2 串行傳輸 圖2 14串行傳輸1 發(fā)送裝置 2 數據 3 接收裝置 數據的傳輸速率 速度 比特率比特率 每秒傳輸的數據位數 bit 單位為bit s bps 波特率 每秒信號變化的次數 B s 在無調制的情況下 波特率精確等于比特率 采用調相技術時 波特率不等于比特率 網速 4Mbps1Gbps 1000Mbps 1000 1000bps 目前汽車上 控制單元內部線路中使用并行數據傳輸方式 控制單元外部傳輸信息則大都以串行傳輸方式進行 串行數據傳輸既可以采用同步傳輸方式 也可以采用異步傳輸方式 3 同步數據傳輸 使用一個共同的時鐘脈沖發(fā)生器可保持發(fā)送裝置和接收裝置時間管理的同步性 這種方式就是同步傳輸方式 圖2 15同步傳輸方式1 同步脈沖 2 數據 3 停止 4 起始 5 接收裝置 串行數據傳輸 同步傳輸方式 異步傳輸方式 4 異步數據傳輸 發(fā)送和接收裝置之間最常用的時間管理方式是異步傳輸方式 進行異步數據傳輸時 發(fā)送和接收裝置之間沒有共同的系統(tǒng)節(jié)拍 圖2 16異步數據傳輸時數據幀的結構1 接收裝置 2 起始位 3 最低值數位 4 5 8位數據 5 最高值數位 6 檢查位 7 8 停止位 9 發(fā)送裝置 5 數據總線上的信息流方向 單工通信 雙工通信 圖2 18雙工通信 圖2 17單工通信 1 1汽車網絡技術的發(fā)展 1 1 1汽車網絡技術的發(fā)展歷程 汽車電子技術在經歷了零部件層次的汽車電器時代 子系統(tǒng)層次的單片機 汽車電腦 控制時代之后 已經開始進入汽車網絡化時代 并向汽車信息化時代邁進 按照電子產品和電子控制系統(tǒng)的技術特點 可將汽車電子技術的發(fā)展粗略劃分為四個階段 1 第一階段 零部件層次的汽車電器時代 1965 1980年屬于零部件層次的汽車電器時代 汽車發(fā)電機晶體管電壓調節(jié)器和晶體管點火裝置等開始裝備汽車 而且電子控制裝置又逐步實現了由分立元件向集成化的過渡 這一階段 裝備汽車的其他電子裝置還有轉向系統(tǒng)電子式閃光器 電子控制式喇叭 電子式間歇刮水控制器 數字時鐘及高能點火 HEI 線圈和集成電路點火系統(tǒng)等 2 第二階段 子系統(tǒng)層次的汽車電腦控制時代 1980 1995年屬于子系統(tǒng)層次的汽車單片機 汽車電腦 控制時代 以單片機為控制核心 以實現特定控制內容或功能為基本目的的各種電子控制系統(tǒng)得到了迅速發(fā)展 圖1 4電子點火系統(tǒng)組成示意圖 進入20世紀90年代 出現全面 綜合的電子控制系統(tǒng) 3 第三階段 整車聯(lián)網層次的汽車網絡化時代 1995 2010年屬于整車聯(lián)網層次的汽車網絡化時代 采用先進的單片機技術和車載網絡技術 形成了車上的分布式 網絡化的電子控制系統(tǒng) 整車電氣系統(tǒng)被連成一個多ECU 多節(jié)點的有機的整體 使得其性能也更加完善 目前 世界主要汽車制造商生產的的多數汽車上均采用了以CAN LIN MOST DDB等為代表的網絡控制技術 將車輛控制系統(tǒng)簡化為節(jié)點模塊化 在基于現場總線的分布式控制中 任何傳統(tǒng)意義上的傳感器和執(zhí)行器都可以與同一現場的節(jié)點相組合 構成節(jié)點模塊 汽車網絡技術進一步優(yōu)化了汽車的控制系統(tǒng) 極大地提升了汽車的整體控制水平 圖1 6BMWE60的汽車網絡系統(tǒng) 圖1 7AUDIA4的汽車網絡系統(tǒng) 4 第四階段 以Telematics技術為代表的汽車信息化時代 以國際Telematics產業(yè)聯(lián)盟 ITIF 正式成立為標志 2010年成為汽車信息化時代的發(fā)軔之年 圖1 10汽車將進入信息化時代 由動力傳動 車身控制 行駛安全性 多媒體傳輸到Telematics 1 Telematics簡介 Telematics是遠程通信技術 Telecommunications 與信息科學技術 Informatics 的合成詞 意指通過內置在汽車 航空器 船舶 火車等運輸工具上的計算機網絡技術 借助無線通信技術 GPS衛(wèi)星導航技術 實現文字 圖像 語音信息交換的綜合信息服務系統(tǒng) 也就是說 Telematics技術整合了汽車網絡技術 也包括其他移動運輸工具內部的網絡技術 無線通信技術 GPS GlobalPositioningSystem 全球定位系統(tǒng) 衛(wèi)星導航技術 通過無線網絡 隨時給行車中的人們提供駕駛 生活 娛樂所必需的各種信息 圖1 11Telematics信息交換過程示意圖 Telematics特點在于大部分的應用系統(tǒng)位于網絡上 如通訊網絡 衛(wèi)星與廣播等 而非汽車內 駕駛者可運用無線傳輸的方式 連結網絡傳輸與接收信息與服務 以及下載應用系統(tǒng)或更新軟件等 所耗的成本較低 主要功能仍以行車安全與車輛保全為主 主要功能如圖1 12所示 圖1 12Telematics的主要功能 通過GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng) 圖1 13 結合行車路線 作電子地圖與語音導航相結合的路況報導 路線指引 圖1 14 并能提前預報前方路口的車速限制及交通違法攝像頭的安裝情況 以確保安全行車 圖1 13GPS全球衛(wèi)星定位系統(tǒng) 圖1 14電子地圖與語音導航 道路救援 行車過程中 如果發(fā)生車禍或車輛出現故障 駕駛員可通過Telematics系統(tǒng)的緊急呼叫按鍵 自動聯(lián)系緊急服務機構 119 120等急救機構 或汽車服務站 以獲得道路救援 圖1 15緊急呼叫按鍵1 左側免提話筒 2 活動天窗按鍵 3 緊急呼叫按鍵 4 右側免提話筒 汽車防盜及搜尋 通過GPS衛(wèi)星定位技術確定失竊車輛的位置和行車路線 以便搜尋與追蹤 追繳車輛并緝拿盜車賊 車輛調度管理 通過無線信息傳輸 實現運營車輛的調度管理 圖1 16運營車輛的調度管理 自動防撞系統(tǒng) 通過測距傳感器或雷達 監(jiān)測前 后車輛之間的車距 自動調用車載自適應巡航系統(tǒng) 使前 后車輛之間保持必要的安全距離 圖1 17自適應巡航系統(tǒng)監(jiān)測前 后車輛之間的車距 車況掌握 車輛性能與車況的自動監(jiān)測 傳輸 進行多地 遠程 專家會診 指導車輛維修等 個人化信息接收與發(fā)布 收發(fā)電子郵件與個人化信息等 多媒體影音娛樂信息接收 高畫質與高音質的視聽設備 游戲機 上網機 個人行動信息中心 隨選視頻資訊等 圖1 18 車輛應急預警系統(tǒng) 當行駛中的車輛遇到緊急情況是 可以借助Telematics系統(tǒng)向外界 其他車輛或道路交通管理部門 發(fā)出應急申請 亦可接收來自道路交通管理部門發(fā)布的緊急情況警告及應急響應預案 確保行車安全和道路暢通 圖1 18后座多媒體影音娛樂系統(tǒng) Telematics系統(tǒng)在汽車上的布置 圖1 19 可分為前座系統(tǒng) 后座系統(tǒng)與發(fā)動機系統(tǒng)三大子系統(tǒng) 圖1 19Telematics系統(tǒng)在汽車上的布置 1 2汽車網絡技術的應用 圖1 22汽車上的電子控制系統(tǒng)越來越多 隨著汽車電子化程度逐年提高 從發(fā)動機控制到傳動系控制 從行駛 制動 轉向系控制到安全保障系統(tǒng)及儀表報警系統(tǒng) 從電源管理到為提高舒適性而作的各種努力 使汽車電子系統(tǒng)形成了一個復雜的大系統(tǒng) 圖1 24 這些系統(tǒng)除需要互相通信 且信息傳輸量急劇加大 如果依然采用傳統(tǒng)的布線方式 圖1 25 那么 對于復雜控制系統(tǒng) 其連接電線 線束 的數量將急劇增加 甚至難以承受 圖1 24復雜的 多控制單元的汽車電腦控制系統(tǒng) 圖1 23汽車內部的電線 線束 數量 裝備3個電子控制單元 對于復雜的控制系統(tǒng) 若采用傳統(tǒng)布線方式 一對一布線 將導致車上電線數目急劇增加 其質量將會占到整車質量的4 左右 而且 數量龐大的線束 電線插接器也會降低車輛電氣系統(tǒng)的可靠性 使故障率加大 為解決這一制約汽車電子技術進一步發(fā)展的信息傳輸瓶頸問題 一種新的信息傳輸技術 汽車網絡技術應運而生 圖1 252個控制單元之間傳統(tǒng)的布線方式 一對一布線 圖1 26鍵盤與計算機主機之間采用數據總線技術進行信息傳輸 數據總線 數據總線是模塊間運行數據的通道 即所謂的信息高速公路 數據總線可以實現在一條數據線上傳遞的信號可以被多個系統(tǒng) 控制單元 共享 從而最大限度地提高系統(tǒng)整體效率 充分利用有限的資源 如果系統(tǒng)可以發(fā)送和接收數據 則這樣的數據總線就稱之為雙向數據總線 將計算機領域的數據總線技術引入到汽車電氣系統(tǒng)中 同樣可以在大大簡化汽車電路的同時 傳遞豐富的信息 圖1 27采用數據總線技術在兩個控制單元之間進行信息傳輸 如圖1 27所示 采用數據總線技術在兩個控制單元之間進行信息傳輸 可以有效較少數據傳輸線的數量 圖1 28為在具有3個控制單元的系統(tǒng)中采用CAN數據總線進行信息傳輸的示意圖 相應地 汽車內部的線束連接也變得簡潔 清晰 圖1 29 不再是一團亂麻 圖1 28在具有3個控制單元的系統(tǒng)中采用CAN數據總線進行信息傳輸 圖1 29汽車內部的電線 線束 數量 裝備3個電子控制單元 下面 以寶來 BORA 汽車的駕駛員側車門控制單元為例 進一步說明這一問題 圖1 30采用傳統(tǒng)的布線方式 9個線束插接器 共45根電線 圖1 31采用數據總線進行信息傳輸 只需2個線束插接器 17根電線 3 采用汽車網絡技術的優(yōu)點 減輕整車自重 減少電線用量 耗銅量下降 整車自重得以降低 同時 全車線束變細 也為安裝其它新的部件預留了空間 降低生產成本 除了電線用量減少 耗銅量下降帶來的成本降低之外 網絡技術所秉持的 信息共享 一線多能 也充分發(fā)揮了每一條電線的作用 現實了 物盡其用 提高工作可靠性 電線數量的減少 也使汽車電氣系統(tǒng)的線束插接器數量大大減少 由線束和插接器引發(fā)的斷路 短路 接觸不良等故障的發(fā)生率也大大降低 整車電氣系統(tǒng)的工作可靠性得以提高 便于后續(xù)開發(fā) 采用開放式的汽車網絡技術 為后續(xù)技術的開發(fā)留有充分的余地 以后 隨著技術的不斷進步 新的電子控制系統(tǒng)可以很方便地融入到已有的系統(tǒng)之中 而不必對現有系統(tǒng)作太大的改動 同時 也便于實現控制器與執(zhí)行器的就近安裝 甚至采用控制器與執(zhí)行器的一體化安裝 進一步節(jié)省了安裝空間 提高了控制的實時性和控制精度 從而實現了良性循環(huán) 圖1 32大眾開迪 Caddy 邁騰 Magotan 汽車的整體式ESPECU 1 2 2現場總線與汽車網絡 現場總線 Fieldbus 是一種工業(yè)數據通信總線 主要用于自動化控制 如鋼鐵冶金 啤酒釀造 以解決工業(yè)現場的智能化儀器儀表 控制器 執(zhí)行機構等現場設備間的數字通信以及這些現場控制設備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題 目前汽車上廣泛使用的控制局域網絡 ControllerAreaNetwork CAN 就可以歸為現場總線類網絡 但同時又有自身的一些特點 汽車網絡系統(tǒng)不僅有CAN總線和LIN總線這樣的控制網絡 還有多媒體影音娛樂信息網絡 如MOST DDB等 目前 汽車電子系統(tǒng)控制中應用最廣泛的是CAN總線 1 現場總線 2 現場總線的組成 現場總線由兩大部分組成 即數據傳輸線和節(jié)點 在總線系統(tǒng)中節(jié)點包括控制單元和總線輔助設備 控制單元由控制器 濾波器 收發(fā)器 兩個數據傳輸終端組成 控制單元在硬件上多了專門的總線接口裝置 如CAN總線接口 并有相應的軟件即通信標準的支持 圖1 34現場總線中的控制單元 在大眾速騰 SAGITAR 汽車的電源管理系統(tǒng)中 J519作為中央電器控制網絡系統(tǒng)的一個節(jié)點 可以實現電源管理 車外燈控制 車內燈控制 儀表照明及光亮度調整 轉向信號控制 接線柱控制 前 后風擋玻璃的雨刷控制 燃油泵電源接通 發(fā)電機勵磁 后風窗加熱等十幾種功能 控制功能十分豐富 圖1 36中央電器控制單元J519作為中央電器控制網絡系統(tǒng)的一個節(jié)點存在J519 中央電器控制單元 J527 轉向柱控制單元 5 現場總線的優(yōu)點 經濟性 可靠性 可控性 綜合性 互換性 開放性 1 2 2車載網絡系統(tǒng)在汽車上的應用車載網絡系統(tǒng)在汽車上的應用非常多 按照應用系統(tǒng)加以劃分的話 車用網絡大致可以分為4個系統(tǒng) 動力傳動系統(tǒng)車身系統(tǒng)安全系統(tǒng)信息系統(tǒng) 1 動力傳動系統(tǒng) 動力CAN數據總線連接3塊電腦 它們是發(fā)動機 ABS EDL及自動變速器電腦 動力CAN數據總線可以連接安全氣囊 四輪驅動與組合儀表等電腦 總線可以同時傳遞10組數據 發(fā)動機電腦5組 ABS EDL電腦3組 自動變速器電腦2組 數據總線以500kbit s速率傳遞數據 每一數據組傳遞大約需要0 25ms 每一電控單元7ms 20ms發(fā)送一次數據 優(yōu)先權順序為ABS EDL電控單元 發(fā)動機電控單元 自動變速器電控單元 2 車身系統(tǒng)與動力傳動系統(tǒng)相比 汽車上的各處都配置有車身系統(tǒng)的部件 線束長 容易受到干擾 舒適CAN數據總線連接5個控制單元 包括中央控制單元及4個車門的控制單元 有5個功能 中央門鎖 電動窗 照明開關 后視鏡加熱及自診斷功能 3 安全系統(tǒng)安全系統(tǒng)是指根據多個傳感器的信息使安全氣囊啟動等的控制系統(tǒng) 由此使用的節(jié)點數將急劇地增加 對此系統(tǒng)的要求是成本低 通信速度快 通信可靠性高 4 信息 娛樂 ITS 系統(tǒng)對信息系統(tǒng)通信總線的要求是容量大 通信速度非常高 1 2 3汽車網絡的分類 1 按網絡拓撲結構分類 網絡的拓撲結構 TopologicalStructure 是指網上計算機或設備與信息傳輸介質形成的節(jié)點與數據傳輸線的物理構成模式 汽車網絡的拓撲結構主要有線形結構 星形結構 環(huán)形結構等幾種 1 線形拓撲結構 線形拓撲結構是一種信道共享的物理結構 這種結構中總線具有信息的雙向傳輸功能 普遍用于控制器局域網的連接 總線一般采用同軸電纜或雙絞線 1 總線形拓撲結構 總線形拓撲結構是一種信道共享的物理結構 這種結構中總線具有信息的雙向傳輸功能 普遍用于控制器局域網的連接 總線一般采用同軸電纜或雙絞線 圖1 38線形拓撲結構 CAN總線 FlexRay總線 2 星形拓撲結構 星形拓撲結構是一種以中央節(jié)點為中心 把若干外圍節(jié)點連接起來的輻射式互聯(lián)結構 這種結構適用于局域網 圖1 39星形拓撲結構 BMWX5的懸架系統(tǒng)采用FlexRay 3 環(huán)形拓撲結構 環(huán)形拓撲結構由各節(jié)點首尾相連形成一個閉合環(huán)形線路 環(huán)形網絡中的信息傳送是單向的 即沿一個方向從一個節(jié)點傳到另一個節(jié)點 每個節(jié)點需安裝中繼器 以接收 放大 發(fā)送信號 圖1 40環(huán)形拓撲結構 圖1 41BMW車系影音娛樂系統(tǒng)的MOST總線采用環(huán)形拓撲結構 3 按信息傳輸速度分 為方便研究和設計應用 美國汽車工程師學會 SAE 的汽車網絡委員會按照系統(tǒng)的復雜程度 傳輸流量 傳輸速度 傳輸可靠性 動作響應時間等參量 將汽車數據傳輸網絡劃分為A B C D E五類 A類網絡是面向傳感器 執(zhí)行器控制的低速網絡 數據傳輸位速率通常小于10kbit s 主要用于車外后視鏡調整 電動車窗 燈光照明等控制 B類網絡是面向獨立模塊間數據共享的中速網絡 位速率在10 125kbit s之間 主要應用于車身電子舒適性模塊 儀表顯示等系統(tǒng) C類網絡是面向高速 實時閉環(huán)控制的多路傳輸網絡 位速率在125kbit s 1Mbit s之間 主要用于牽引力控制 發(fā)動機控制 ABS ESP等系統(tǒng) D類網絡是智能數據總線IDB IntelligentDataBUS 網絡 主要面向影音娛樂信息 多媒體系統(tǒng) 其位速率在250kbit s 100Mbit s之間 按照SAE的分類 IDB C為低速網絡 IDB M為高速網絡 IDB Wireless為無線通信網絡 E類網絡是面向汽車被動安全系統(tǒng) 安全氣囊 的網絡 其位速率為10Mbit s 1 A類網絡系統(tǒng)的應用 汽車防盜報警系統(tǒng)是典型的A類網絡系統(tǒng) LIN總線系統(tǒng) 應用實例 圖1 43汽車防盜報警A類網絡系統(tǒng) LIN總線系統(tǒng) 2 B類網絡系統(tǒng)的應用 當大量共享數據需要在車內各個控制單元間進行交換時 A類網絡系統(tǒng)不再勝任 可采用B類網絡系統(tǒng) 圖1 44基于CAN總線的B類網絡系統(tǒng) 3 A B兩類網絡系統(tǒng)的組合應用 通常將A類網絡通過車身計算機 網關 連接到CAN總線組成的B類網絡中 使得該A類網絡系統(tǒng)成為CAN總線的一個節(jié)點 這樣無需在各傳感器 執(zhí)行器部件安裝CAN控制器件 就能使得信號在CAN總線上傳輸 有效地利用了A類網絡低成本的優(yōu)點 圖1 45A B兩類網絡系統(tǒng)的組合應用 4 C類網絡系統(tǒng)的應用 在C類網絡系統(tǒng)方案中 CAN總線有效地將發(fā)動機控制系統(tǒng) 驅動防滑系統(tǒng)及自動巡航系統(tǒng)等連接成為一個綜合控制系統(tǒng) 整車性能得到大幅度堤高 圖1 46基于CAN總線的C類網絡系統(tǒng) 圖1 47奔馳車系的CAN網絡結構圖 1 3汽車網絡標準與協(xié)議 通信協(xié)議 通信協(xié)議是指通信雙方控制信息交換規(guī)則的標準 約定的集合 即指數據在總線上的傳輸規(guī)則 簡單地說 兩個實體要想成功地通信 它們必須 說同樣的語言 并按既定控制法則來保證相互的配合 1 3 1A類網絡標準與協(xié)議 A類網絡通信目前首選的標準是局域互聯(lián)網LIN LocalInterconnectNetwork LIN是用于汽車分布式電控系統(tǒng)的一種低成本串行通信系統(tǒng) 它是一種基于UART的數據格式 主從結構的單線12V的總線通信系統(tǒng) 主要用于智能傳感器和執(zhí)行器的串行通信 而這正是CAN總線的帶寬和功能所不要求的部分 LIN總線采用低成本的單線連接 傳輸速度最高可達20kbit s 對于低端的大多數應用對象 如中央門鎖控制 空調系統(tǒng)控制等 來說 這個速度是完全可以滿足要求的 LIN總線的媒體訪問采用單主 多從的機制 不需要進行仲裁 在從節(jié)點中不需要晶體振蕩器而能進行自同步 這極大地減少了硬件平臺的成本 大大降低了汽車電子裝置的開發(fā) 生產和服務費用 1 3 2B類網絡標準與協(xié)議 B類網絡通信中使用最廣泛的標準是CAN總線 CAN總線是德國BOSCH公司開發(fā)的一種串行數據通信協(xié)議 它是一種多主總線 通信介質可以是雙絞線 同軸電纜或光導纖維 通信速率可達1Mbit s CAN總線通信接口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數據鏈路層功能 可完成對通信數據的成幀處理 包括位填充 數據塊編碼 循環(huán)冗余檢驗 優(yōu)先級判別等項工作 B類網絡通信的國際標準是ISO11898 其傳輸速率在100kbit s左右 歐洲的各大汽車制造商從1992年起 一直采用ISO11898 所使用的傳輸速率范圍從47 6 500kbit s不等 1 3 3C類網絡標準與協(xié)議 根據SAE的分類 高速總線系統(tǒng)屬于C類網絡標準 由于高速總線系