汽車網(wǎng)線與CAN總線的標準

1、叮叮小文庫汽車網(wǎng)線與 CAN 總線的標準汽車網(wǎng)絡與總線標準汽車作為一種交通工具，目前承擔起了越來越多的功能?，F(xiàn)代科技已經(jīng)將網(wǎng)際網(wǎng)絡、 無線連接、 個人通訊電子裝置、 娛樂設備等整合到汽車內(nèi)部， 與動力系統(tǒng)相結合， 為乘客提 供了前所未有的便利。 而這一切都有賴于汽車網(wǎng)絡技術， 它是汽車電子發(fā)展的重要方向之一。過去，汽車通常采用點對點的通信方式，將電子控制單元及負載設備連接起來。隨著 電子設備的不斷增加， 勢必造成導線數(shù)量的不斷增多， 從而使得在有限的汽車空間內(nèi)布線越 來越困難，限制了功能的擴展。同時導線質(zhì)量每增加50 kg ，油耗會增加 0.2 L/100 km 。此外，電控單元并不是僅僅與負

2、載設備簡單地連接， 更多的是與外圍設備及其他電控單元進行 信息交流， 并經(jīng)過復雜的控制運算， 發(fā)出控制指令， 這些是不能通過簡單地連接所能完成的。 而單從線束本身來說，它也是汽車電子系統(tǒng)中成本較高，連接復雜的部件。隨著汽車電子控制單元以及汽車電子裝置的不斷增多，采用串行總線實現(xiàn)多路傳輸， 組成汽車電子網(wǎng)絡， 是一種既可靠又經(jīng)濟的做法。 同時現(xiàn)代汽車基于安全性和可靠性的要求， 正越來越多地考慮使用電控系統(tǒng)代替原有的機械和液壓系統(tǒng)。1汽車電子網(wǎng)絡結構在汽車內(nèi)部采用基于總線的網(wǎng)絡結構，可以達到信息共享、減少布線、降低成本以及 提高總體可靠性的目的。 通常的汽車網(wǎng)絡結構采用多條不同速率的總線分別連接不

3、同類型的 節(jié)點，并使用網(wǎng)關服務器來實現(xiàn)整車的信息共享和網(wǎng)絡管理。車身系統(tǒng)的控制單元多為低速馬達和開關量器件，對實時性要求低而數(shù)量眾多。使用 低速的總線連接這些電控單元。 將這部分電控單元與汽車的驅(qū)動系統(tǒng)分開， 有利于保證驅(qū)動 系統(tǒng)通信的實時性。 此外， 采用低速總線還可增加傳輸距離、 提高抗干擾能力以及降低硬件 成本。動力與傳動系統(tǒng)的受控對象直接關系汽車的行駛狀態(tài)，對通訊實時性有較高的要求。 因此使用高速的總線連接動力與傳動系統(tǒng)。 傳感器組的各種狀態(tài)信息可以廣播的形式在高速 總線上發(fā)布， 各節(jié)點可以在同一時刻根據(jù)自己的需要獲取信息。 這種方式最大限度地提高了 通信的實時性。 故障診斷系統(tǒng)是將車

4、用診斷系統(tǒng)在通信網(wǎng)絡上加以實現(xiàn)。 信息與車載媒體系統(tǒng)對于通訊速率的要求更高，一般在2 Mb/s以上。采用新型的多媒體總線連接車載媒體。這些新型的多媒體總線往往是基于光纖通信的，從而可以充足保證帶寬。網(wǎng)關是電動汽車內(nèi)部通信的核心，通過它可以實現(xiàn)各條總線上信息的共享以及實現(xiàn)汽 車內(nèi)部的網(wǎng)絡管理和故障診斷功能。隨著新技術的不斷發(fā)展，在未來的汽車網(wǎng)絡中，還將會有專門用于氣囊的安全總線系 統(tǒng)，以及X-by-Wire系統(tǒng)。2 .汽車總線標準、協(xié)議國際上眾多知名汽車公司早在20世紀80年代就積極致力于汽車網(wǎng)絡技術的研究及應用，迄今為止，已有多種網(wǎng)絡標準。目前存在的多種汽車網(wǎng)絡標準，其側(cè)重的功能有所不同。為方

5、便研究和設計應用，SAE車輛網(wǎng)絡委員會將汽車數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)劃分為A、B、C三類。A類是面向傳感器/執(zhí)行器控制的低速網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)傳輸位速率通常小于10 kb/s，主要用于后視鏡調(diào)整，電動窗、燈光照明等控制；B類是面向獨立模塊間數(shù)據(jù)共享的中速網(wǎng)絡，位速率在10-125 kb/s，主要應用于車身電子舒適性模塊、儀表顯示等系統(tǒng)；C類是面向高速、實時閉環(huán)控制的多路傳輸網(wǎng)，位速率在125 kb/s-1 Mb/s之間，主要用于牽引控制、先進發(fā)動機控制、ABS等系統(tǒng)。在今天的汽車中，作為一種典型應用，車體和舒適性控制模塊都連接到CAN總線上，并借助于LIN總線進行外圍設備控制。而汽車高速控制系統(tǒng)，通常會使用高速CA

6、N總線連接在一起。遠程信息處理和多媒體連接需要高速互連，視頻傳輸又需要同步數(shù)據(jù)流格式，這些都可由 D2B(Domestic Digital Bus) 或 MOST(Media Orie nted Systems Tran sport)協(xié)議來實現(xiàn)。無線通信則通過 Blue tooth技術加以實現(xiàn)。而在未來的5-10年里，TTP(Time Trigger Protocol)和Flex Ray將使汽車發(fā)展成百分之百的電控系統(tǒng)，完全不需要后備機械系統(tǒng)的支 持。但是，至今仍沒有一個通信網(wǎng)絡可以完全滿足未來汽車的所有成本和性能要求。因此， 汽車制造商和 OEM(Original Equipment Man

7、ufacture)商仍將繼續(xù)采用多種協(xié)議(包括LIN、CAN和MOST等),以實現(xiàn)未來汽車上的聯(lián)網(wǎng)。(1 ) A類總線標準、協(xié)議A 類的網(wǎng)絡通信大部分采用UART(Universal Asynchronous Reveiver/Transmitter) 標準。UART使用起來既簡單又經(jīng)濟，但隨著技術的發(fā)展，預計在今后幾年中將會逐步在汽車通信系統(tǒng)中被停止使用。而GM公司所使用的 E&C(Entertainment and Comfor) 、Chrysler公司所使用 CCD(Chrysler Collision Detection)和 Ford 公司使用的 ACP(Audio Contr

8、olProtocol)，現(xiàn)在已逐步停止使用。 Toyota公司制定的一種通信協(xié)議BEAN(Body ElectronicsArea Network)目前仍在其多種車型 (Clesior、Aristo、Prius和Celica)中加以應用。A類目前首選的標準是LIN。LIN是用于汽車分布式電控系統(tǒng)的一種新型低成本串行通信系統(tǒng)，它是一種基于UART的數(shù)據(jù)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。由于目前尚未建立低端多路通信的汽車標準，因此LIN正試圖發(fā)展成為低成本的串行通信的行業(yè)標準。LIN的標準簡化了現(xiàn)有的基于多

9、路解決方案的低端SCI，同時將降低汽車電子裝置的開發(fā)、生產(chǎn)和服務費用。LIN采用低成本的單線連接，傳輸速度最高可達 20kb/s，對于低端的大多數(shù)應用對象來說，這個速度是可以接受的。它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。(2) B類總線標準、協(xié)議 B類中的國際標準是 CAN總線。CAN總線是德國BOSCH 公司從20世紀80年代初為解決現(xiàn)代汽車中眾多的控制與測試儀器之間的數(shù)據(jù)交換而開發(fā) 的一種串行數(shù)據(jù)通信協(xié)議，它是一種多主總線， 通信介質(zhì)可以是雙絞線、同軸電纜或光導纖維。通信速率可達1Mb/s。CAN總線通信接

10、口中集成了CAN協(xié)議的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層功能，可完成對通信數(shù)據(jù)的成幀處理，包括位填充、數(shù)據(jù)塊編碼、循環(huán)冗余檢驗、優(yōu)先級判別 等項工作。CAN協(xié)議的一個最大特點是廢除了傳統(tǒng)的站地址編碼，而代之以對通信數(shù)據(jù)塊 進行編碼，最多可標識2048(2.OA)個或5億(2.0B)多個數(shù)據(jù)塊。采用這種方法的優(yōu)點可使網(wǎng)絡內(nèi)的節(jié)點個數(shù)在理論上受限制。數(shù)據(jù)段長度最多為8個字節(jié)，不會占用總線時間過長，從而保證了通信的實時性。CAN協(xié)議采用CRC檢驗并可提供相應的錯誤處理功能，保證了數(shù)據(jù)通信的可靠性。B類標準采用的是ISO11898，傳輸速率在lOOkb/s左右。對于歐洲的各大汽車公司 從1992年起，一直采用ISO1

11、1898，所使用的傳輸速率范圍從47.6-500kb/s不等。近年來,基于ISO11519的容錯CAN總線標準在歐洲的各種車型中也開始得到廣泛的使用， ISO11519-2的容錯低速2線CAN總線接口標準在轎車中正在得到普遍的應用，它的物理 層比ISO11898要慢一些，同時成本也高一些， 但是它的故障檢測能力卻非常突出。與此同時，以往廣泛適用于美國車型的J1850正逐步被基于 CAN總線的標準和協(xié)議所取代。(3) 高速總線系統(tǒng)標準、協(xié)議由于高速總線系統(tǒng)主要用于與汽車安全相關，以及實時性要求比較高的地方，如動力 系統(tǒng)等，所以其傳輸速率比較高。根據(jù)傳統(tǒng)的SAE的分類，該部分屬于 C類總線標準，通

12、常在125kb/s-1Mb/s之間，必須支持實時的周期性的參數(shù)傳輸。目前，隨著汽車網(wǎng)絡技術 的發(fā)展，未來將會使用到具有高速實時傳輸特性的一些總線標準和協(xié)議，包括采用時間觸發(fā)通訊的X by Wire系統(tǒng)總線標準和用于安全氣囊控制和通訊的總線標準、協(xié)議。 C類總線標準、協(xié)議。在 C類標準中，歐洲的汽車制造商基本上采用的都是高速通 信的CAN總線標準IS011898。而J1939供貨車及其拖車、大客車、建筑設備似及農(nóng)業(yè)設 備使用，是用來支持分布在車輛各個不同位置的電控單元之間實現(xiàn)實時閉環(huán)控制功能的高速 通信標準，其數(shù)據(jù)傳輸速率為250kb/s。在美國，GM公司已開始在所有的車型上使用其專屬的所謂GM

13、LAN總線標準，它是一種基于CAN的傳輸速率在500kb/s的通信標準。ISO11898針對汽車(轎車)電子控制單元(ECU)之間，通信傳輸速率大于125kb/s，最高1Mb/s時，使用控制器局域網(wǎng)絡構建數(shù)字信息交換的相關特性進行了詳細的規(guī)定。J1939使用了控制器局域網(wǎng)協(xié)議，任何ECU在總線空閑時都可以發(fā)送信息，它利用協(xié)議中定義的擴展幀 29位標識符實現(xiàn)一個完整的網(wǎng)絡定義。29位標識符中的前3位被用來在仲裁過程中決定消息的優(yōu)先級。對每類消息而言，優(yōu)先級是可編程的。這樣原始設備制造商在需要時可以對網(wǎng)絡進行調(diào)整。J1939通過將所有11位標識符消息定義為專用，允許使用11位標識符的CAN標準幀的

14、設備在同一個網(wǎng)絡中使用。這樣，11位標識符的定義并不是直接屬于J1939的一個組成部分，但是也被包含進來。這是為了保證其使用者可以在同一 網(wǎng)絡中并存而不出現(xiàn)沖突。 安全總線和標準。安全總線主要是用于安全氣囊系統(tǒng)，以連接加速度計、安全傳感 器等裝置，為被動安全提供保障。目前已有一些公司研制出了相關的總線和協(xié)議，包括Delphi公司的Safety Bus 和BMW公司的Byteflight等。Byteflight主要以BMW公司為中心制訂。 數(shù)據(jù)傳輸速率為10 Mb/s，光纖可長達43m。Byteflight不僅可以用于安全氣囊系統(tǒng)的網(wǎng)絡通信，還可用于X by Wire系統(tǒng)的通信和控制。BMW公司

15、在2001年9月推出的新款 BMW 7系列車型中，采用了一套名為ISIS(Intelligent SafetyIntegrated System)的安全氣囊控制系統(tǒng)，它是由14個傳感器構成的網(wǎng)絡，利用Byteflight來連接和收集前座保護氣囊、后座保護氣囊以及膝部保護氣囊等安全裝置的信號在緊急情況下。中央電腦能夠更快更準確地決定不同位置的安全氣囊的施放范圍與時機，發(fā)揮最佳的保護效果。 X by Wire總線標準、協(xié)議。X by Wire最初是用在飛機控制系統(tǒng)中，稱為電傳控制， 現(xiàn)在已經(jīng)在飛機控制中得到廣泛應用。由于目前對汽車容錯能力和通信系統(tǒng)的高可靠性的需求日益增長，X by Wire開始應

16、用于汽車電子控制領域。在未來的5-10年里，X by Wire技術將使傳統(tǒng)的汽車機械系統(tǒng)(如剎車和駕駛系統(tǒng))變成通過高速容錯通信總線與高性能CPU相連的電氣系統(tǒng)。在一輛裝備了綜合駕駛輔助系統(tǒng)的汽車上，諸如Steer by Wire、Brake byWire和電子閥門控制等特性將為駕駛員帶來全新駕駛體驗。為了提供這些系統(tǒng)之間的安全 通信，就需要一個高速、容錯和時間觸發(fā)的通信協(xié)議。目前，這一類總線標準主要有TTP、Byteflight 和 Flex Ray 。TTP(時間觸發(fā)協(xié)議)是由維也納理工大學的H.Kopetz教授開發(fā)的。時間觸發(fā)系統(tǒng)和事件觸發(fā)系統(tǒng)的工作原理大不相同。對時間觸發(fā)系統(tǒng)來說，控制

17、信號起源于時間進程；而在事件觸發(fā)系統(tǒng)中，控制信號起源于事件的發(fā)生(如一次中斷)。這項開發(fā)工作后來作為一個被歐洲委員會資助的項目， 進一步發(fā)展成為一種汽車自動駕駛應用系統(tǒng)。TTP創(chuàng)立了大量汽車 Xby Wire控制系統(tǒng)，如駕駛控制和制動控制。TTP是一個應用于分布式實時控制系統(tǒng)的完整的通信協(xié)議它能夠支持多種的容錯策略，提供了容錯的時間同步以及廣泛的錯誤檢測機制， 同時還提供了節(jié)點的恢復和再整合功能。其采用光纖傳輸?shù)墓こ袒瘶悠匪俣葘⑦_到25Mb/s。如前所述BMW 公司的By teflight可用于X by Wire系統(tǒng)的網(wǎng)絡通信。Byteflight的特點是既能滿足某些高優(yōu)先級消息需要時間觸發(fā)，

18、以保證確定延遲的要求，叉能滿足某些消息需要事件觸發(fā)，需要中斷處理的要求。但其它汽車制造商目前并無意使用Byteflight，而計劃采用另一種規(guī)格 一一Flexray。這是一種新的特別適合下一代汽車應用的網(wǎng)絡通信系統(tǒng)， 它采用FTDM(Flexible Time Division Multiple Access)的確定性訪問方式，具有容錯功能和確定的消息傳輸時間，能夠滿足汽車控制系統(tǒng)的高速率通信要求。BMW、Daimler-Chrysler、Motorola和Philips聯(lián)合開發(fā)和建立了這個FlexRay標準，GM公司也加入了 FlexRay聯(lián)盟，成為其核心成員，共同致力于開發(fā)汽車分布式控制系

19、統(tǒng)中高速總線系統(tǒng)的標準。該標準不僅提高了一致性、可靠性、競爭力和效率，而且還簡化了開發(fā)和使用，并降低了成本。(4) 診斷系統(tǒng)總線標準、協(xié)議故障診斷是現(xiàn)代汽車必不可少的一項功能，使用排放診斷的目的主要是為了滿足OBD-n (ON Board Diagnose).OBD- 川或 E-OBD(European-On Board Diagnose)標準。目前，許多汽車生產(chǎn)廠商都采用ISO14230(Keyword Protocol 2000)作為診斷系統(tǒng)的通信標準，它滿足OBD- H和OBD-川的要求。在歐洲，以往診斷系統(tǒng)中使用的是ISO9141，它是一種基于UART的診斷標準，滿足OBD- H的要求

20、。美國的GM、Ford、DC公司廣泛使用 J1850(不 含診斷協(xié)議)作為滿足OBD- H的診斷系統(tǒng)的通信標準。但隨著 CAN總線的廣泛應用，預計 到2004年，美國三大汽車公司將對乘用車采用于CAN的J2480診斷系統(tǒng)通信標準，它滿足OBD-川的通信要求。從 2000年開始，歐洲汽車廠商已經(jīng)開始使用一種基于CAN總線的診斷系統(tǒng)通信標準ISO315765，它滿足E-OBD的系統(tǒng)要求。目前，汽車的故障診斷主要是通過一種專用的診斷通信系統(tǒng)來形成一套較為獨立的診斷網(wǎng)絡，ISO9141和ISO14230就是這類技術上較為成熟的診斷標準。而ISO15765適用于將車用診斷系統(tǒng)在 CAN總線上加以實現(xiàn)的場

21、合，從而適應了現(xiàn)代汽車網(wǎng)絡總線系統(tǒng)的發(fā) 展趨勢。ISO15765的網(wǎng)絡服務符合基于 CAN的車用網(wǎng)絡系統(tǒng)的要求，是遵照ISO14230-3 及ISO15031-5中有關診斷服務的內(nèi)容來制定的，因此， ISO15765對于ISO14230應用層 的服務和參數(shù)完全兼容，但并不限于只用在這些國際標準所規(guī)定的場合，因而有廣泛的應用前景。(5) 多媒體系統(tǒng)總線標準、協(xié)議汽車多媒體網(wǎng)絡和協(xié)議分為三種類型，分別是低速、高速和無線，對應SAE的分類相應為:IDB-C(Intelligent Data BUS-CAN)、IDB-M(Multimedia) 和 IDB-Wireless,其傳輸速率250kb/s-1OOMb/s 。低速用于遠程通信、 診斷及通用信息傳送，IDE-C按CAN總線的格式以250kb/s的位 速率進行消息傳送。由于其低成本的特性，IDB-C有望成為汽車類產(chǎn)品的標準